发送和接收圆形/椭圆极化信号的多功能交互通信系统

本发明涉及进行电磁波通信的方法和装置。系统最好工作在毫米波频 率上并且使用极性分集。

使用极性分集基本上可以增加通信系统的信息传输容量。对于单路和 双路通信系统均是如此。在卫星通信系统和其它的点对点微波链路中经常 使用垂直和水平极性，以便隔离发送和接收信号，或者增加信息容量。

对于使用毫米波载波的本地通信系统，因降水而导致的极性串扰是在 使用双线性极化信号发送的系统中常见的问题。并且，在发送链路涉及到 由城市区域中的建筑物和其它目标物造成的连续反射的情况下，信号的极 性状态发生了很大的变化，从而降低了通过正交极性所进行的信号隔离的 有效性。

对于给定频率，在开放空间传播的圆形极化平面或准平面电磁波可以 具有自己的顺时针旋转(CP)和逆时针(CCP)旋转的场向量。这样两个 彼此相对旋转的电波彼此正交并且可以通过恰当的天线馈电线和电路被加 以隔离。但是，降水和/或建筑物与其它障碍物产生的反射/折射会使电波 产生畸变并导致椭圆极性。如果电波过度椭圆极化，则不能找出电波所携 带的信息。

美国专利4,747,160号提出了一种能够提供双路通信服务的低功率多 功能蜂窝电视系统。一个全向发送器发送垂直和水平线性极化电波。′160 专利所提出的系统最好在27.5GHz到29.5GHz毫米波段上工作。

美国专利4,264,908号提出了一种自动补偿由降水所导致的交叉极性 的极性校正网络。该网络发送垂直和水平线性极化电波。

美国专利4,106,015号公开了一种消除降水回声信号的雷达系统。其 中脉冲极化电波被发送，并且两个分离的接收信道接收降水回声信号的正 交分量。通过调整降水回声信号的正交分量的振幅来消除降水回声信号， 并且接着把信号的相位调整成彼此相反。

美国专利4,737,793号公开了一种能够同时发送包括顺时针和逆时针 圆形极化电波的相互正交的极化信号，从而把给定的频带的容量提高一倍 的双极化微带天线。

美国专利4,146,893号提出了一种卫星通信系统，该系统通过把圆形 极化电波预先畸变成椭圆极化电波来补偿由降水或天线的不完全极性特征 所导致的极性畸变。当椭圆极化电波遇到去极化介质时，圆形电波形成并 且被卫星接收。

美国专利3,956,699号公开了发送和接收具有相互正交的极性的电波 的电磁波通信系统。该系统当发送时在功率放大之前提供极性控制，并且 当接收时在放大之后提供极性控制。

美国专利5,337,058号提出了一种快速切换的透镜，这种透镜位于雷 达天线的前面，把发送电波的极性变换成各种极性。这种透镜还可以接收 多种极性的电波。

美国专利4,329,687公开了一种雷达系统，该系统可选地发射顺时针 和逆时针圆形或椭圆极化电波。通过分析发送电波的两个正交分量的相位 差和接收电波的两个正交分量的相位差获得一个相对较高的信噪比。

上述现有技术参考没有公开一种针对通信系统的方法或装置，该系统 能够恢复畸变电波的圆形极性并且能够以毫米波频率在市区环境中工作。 显然在毫米波频率上工作的通信系统提供双极性，并且实现了相对较高的 信号恢复质量和所需要的信号隔离。

本发明的一个目标是提供一种针对电磁波通信的，消除或大大减少降 水所导致的衰减效应的方法和装置。

本发明的另一个目标是提供一种使用双极性增加信道容量的方法和装 置，其中交叉极性效应可以忽略。

本发明的另一个目标是提供一种针对双极性双向通信系统的方法和装 置，该系统可以在市区环境中提供毫米波频率的通信，尽管存在因障碍物 的反射和/或折射的不利影响。

通过一个通信系统可以实现这些和其它的目标，该系统使用双极性有 效地把给定频带的容量提高了一倍。根据本发明的一个最优实施例，从一 个发送天线同时广播椭圆和/或圆形极化电波。第一电波沿与第二旋转电波 相反的方向旋转。在诸如大于18GHz的频率的毫米波长频率上，诸如雨， 雪或雾的降水和诸如建筑物的市区障碍物的反射/折射可以使这样的电波 衰减和丧失极性。因而，圆形极化电波会变成椭圆的，而椭圆电波的轴则 会旋转。在没有合适的信号隔离功能的情况下，这种畸变电波所携带的信 息是不能复原的。

基于本发明的通信系统包含一个能够恢复这样的椭圆极化电波的圆形 极性的自适应接收器。根据本发明的一个最优实施例，自适应接收器包含 一个具有正交模式馈电线的，接收双旋转电波的电动天线。各个电波的分 量进入每两个信道。信道中的信号频率可以被下变转换成中频(IF)。在 任一时刻，如果接收电波是椭圆的，则对应于沿着顺时针旋转电波的长轴 方向的馈电线的信道中的信号会强于对应于沿着顺时针旋转电波的短轴方 向的馈电线的信道中的信号。各信道最好是具有自动增益控制电路来均衡 信道中信号的强度。各信道中的信号部分经过±90°的相位偏移并且与其它 信道中的信号混合以便把一个旋转信号与其它的旋转信号隔离。一个相位 检测器可以检测出两个信道之间的正交损失并向一个伺服电机发送信号， 该电机旋转天线的正交模式馈电线，使之与信号的长轴和短轴对齐。

根据本发明的一个最优实施例，一个天线分集控制开关控制多个天线 跟踪偶发信号。分集控制开关在IF阶段采样各信道中的信号强度，并且选 择一个具有足够信号强度的天线。由于所选的天线的馈电线可能没有与旋 转信号的长轴和短轴精确对正，一个电子移相器可以在两个信道的信号之 间提供正交控制。

在必要的情况下，自动增益控制放大器可以把信道中的信号恢复成圆 形极性。通过相移各信号的一部分并重新混合相移部分和其它信号，可以 把第一旋转信号与第二旋转信号隔离开来。根据发送器所使用的调制方法 可以解调两个隔离信号。通过使用合适的滤波和锁相环电路在IF阶段可以 引入本地振荡器跟踪。使用多个天线和一个分集开关消除了移动分量，并 且非常适于通过单片集成电路来实现。在希望提高紧凑度和/或减低功率损 耗的情况下，这样的最优实施例是非常适合的。

根据本发明的另一个最优实施例，通信系统的一个控制中心在一个主 要方位区上向一些均具有接收信号的收发器的用户发送两个圆形或椭圆极 化电波。收发器天线方向性相对较强，因而天线相对较小。用户可以向控 制中心回发一个返回信号。由于收发器天线方向性相对较强，可以实现主 定向增益，使得只需要相对最小的功率向控制中心发送信号。返回信号可 被控制中心用来选择某种程序，或者调整控制中心的发送功率电平以补偿 降水和/或障碍物导致的衰减。

通过结合附图所进行的详细描述，可以更好地理解本发明的这些和其 它目标与特性，其中：

图1是基于本发明的一个最优实施例的一点对多点广播系统的示意 图；

图2是基于本发明的一个最优实施例的收发器的模块图；

图3是基于本发明的一个最优实施例的收发器的一部分的结构图；

图4是基于本发明的另一个最优实施例的收发器的一部分的结构图。

正如在说明书和权利要求书中所使用的，相位毫米波和毫米波频率涉 及相对高频的电磁辐射，尤其是在18GHz左右以上的频率上。

针对信号传输使用双极性的电磁通信系统可以有效地把信道的容量提 高一倍。但是，在毫米波频率上，因降水而造成的交叉极性和衰减效应限 制了使用这种极性分集的双路通信。例如，雨，雪或雾可以使这样的电波 衰减和/或丧失极性。并且，在市区环境中，建筑物，树木和其它的障碍物 也可以使这样的毫米波衰减和/或丧失极性。在视距链路不可用时这些效应 尤其明显。

基于本发明的用于电磁波通信的方法和装置包含信号恢复和隔离电 路，该电路实现了一种在市区环境中能够在具有极性分集的毫米波频率上 有效工作的通信系统。基于本发明的方法和装置在毫米波段上以显著的成 本效益实现了这样的通信系统。

图1给出了基于本发明的一个最优实施例的一点对多点双路广播系统 的示意图。控制中心20最好是同时广播两个沿彼此相反的方向旋转的圆形 或椭圆极化电波。如果介质的消除极性效应不严重，则可以使用线性和圆 形/椭圆极性的组合。基于本发明的另一个最优实施例，一个单独的旋转圆 形极化电波提供了足够的信道容量，并且控制中心20只发送一个圆形/椭 圆极化电波。

当以彼此相反的方向旋转的两个圆形极化电波被室外环境中诸如建筑 物26或建筑物28的多数目标物反射或折射时，或者当这样的电波遇到诸 如降水区30的降水时，保持电波的旋转的相对方向，但是，电波可以变成 椭圆极化电波。由于相同的去极化介质对各电波均产生作用，第一旋转电 波的椭圆的轴会保持与第二旋转电波的椭圆的对应轴近似对齐的状态。如 下所述，通过基于本发明的一个最优实施例的接收器，这样的椭圆电波可 以被恢复成圆形极化电波并被加以隔离，从而消除了降水和障碍物的反射/ 折射对电波产生的潜在的灾难性的影响。

控制中心20可以向用户22和/或用户24发送具有各种内容和信号格 式的多信道程序。控制中心20也可以接收来自用户22和/或用户24的返 回信号并根据用户22和/或用户24的需要进行可用信道的切换和分配。

控制中心20最好包括一个天线，该天线以主分集为其辐射模式，尤其 是针对定向覆盖区域而言。尽管在所有方向上的完全圆形极性是不可能 的，但主分布区域上的具有相对适度的偏心率的椭圆极性是可以达到的。

降水区30，建筑物26和建筑物28会改变双路路径32和/或双路路径 34中的信号极性。如果场向量所描述的椭圆中的偏心率不太大，例如小于 0.97，则双路路径32和双路路径34中的每一个中的两个旋转信号可以被 基于本发明的接收器识别出来。在相对极端的情况下，作为沿接近Brewster 角度的入射角反射的结果，各旋转信号可以沿相同的方向接近线性极性。 在这样的情况下，可以选择一个可选的信号路径，或者在没有可用的信号 路径的情况下，可以建立一个附加的控制中心20或中继站。由于根据特定 于给定环境的信号强度和/或极性退化来确定附加控制中心20或中继站的 设置，基于本发明的电磁通信方法和装置不同于常规的蜂窝分布系统。这 样的常规系统使用一种具有固定小区的规则小区模式来覆盖用户区域。

根据所需要的辐射模式，控制中心20可以具有多于一个的天线。根据 本发明的另一个最优实施例，分立的以在覆盖区域中最优重叠的方式排列 的天线被用来分别进行发送和接收。

如图2所示，混合器46可以同时接受来自天线41和发送器42的信号。 控制器50最好是协调接收器或收发器的功能，并且能够提供对信道或其它 服务的分配。由于所有的馈电线单元均具有有限的信号隔离，来自发送器 42的信号的一部分最好是被引入信号隔离器48进行适当的信号消除，使得 接收器灵敏度能够保持在接近其固有值的水平上。通过指定专门的信道只 进行接收，并且通过使用滤波器网络和同步检测，可以实现附加的信号隔 离。解调器40和调制器44可以使用扩展频谱调制技术，或任何其它的本 领域技术人员所了解的调制技术来进一步增加信道容量和信号隔离。

根据本发明的一个最优实施例，用户22和/或用户24使用一个强定向 天线。通过使用一个反射器和合适的馈电线，或微带阵列，则可能用一个 直径小于12英寸的，频率大约为28GHz的天线实现诸如-3dB的，大约小 于5°的射束宽度。这样一个天线通常消除了因多路径传播而导致的衰减。 并且，通过回溯从控制中心20发送到用户22的信号，可以发送从用户22 到控制中心20的返回信号。向前-向后电波传播过程的交互本质保持了信 号之间的极性方向，并且在用户22具有足够的功率的情况下保证一个到控 制中心20的返回路径。由于用户22的天线是高度定向的，则可以获得主 定向增益，使得从用户22到控制中心20的信号所需的功率能够低于100 毫瓦，并且处在固态放大器的范围内。

除了提供到控制中心20的通信之外，在必要的情况下，控制中心20 可以使用来自用户22的返回信号调整发送器的功率电平以补偿衰减。通过 一组具有频率跟踪功能的调制器和解调器可以实现多信道信号的调制和解 调。

图3说明了基于本发明的一个最优实施例的收发器的一个自适应接收器 部分的结构图。天线41可以接收两个沿彼此相反的方向旋转的电波。根据 本发明的一个最优实施例，天线41包括一个正交模式馈电线。两个电波的 每一个的分量进入信道56和信道58。振荡器64和混合器60，62把信道 56，58中的信号的频率下变转换成一个中频(IF)。如果信道56和信道 58中的信号具有相同的强度，则从圆形极化电波中导出信号。如果接收到 椭圆极化信号，则对应于对齐椭圆的长轴的天线41的馈电线的信道中的信 号比对应于对齐椭圆的短轴的天线41的馈电线的信道中的信号具有更高的 强度。自动增益控制放大器66和自动增益控制放大器68最好分别通过真 空二极管71，70与差分放大器73电气相连。自动增益控制放大器66和 68最好以彼此相同的方式进行操作，并且可以近似地均衡信道56，58中 的信号的强度。

信道56，58最好通过限幅器84和86与相位检测器88电气相连。相 位检测器88通过放大器89向马达90发送作为信道56中的信号和信道58 中的信号之间的相位差的函数的信号。作为来自相位检测器88的信号的函 数，马达90可以是一个调整天线41的伺服电机。通过沿旋转信号的椭圆 的长轴和短轴旋转天线41的正交模式馈电线，可以恢复信道中的信号的正 交关系。

由于两个沿彼此相反的方向旋转的电波均被正交模式天线的馈电线所 吸收，所以在各个信道56和信道58中存在各旋转电波的分量。基于本发 明的一个最优实施例的接收器把旋转电波中的一个与信道56，58中的一 个电波相隔离，并且把另一个旋转电波与信道56，58中的另一个电波相 隔离。下面是一个说明如何作到这一点的例子。

根据本发明的一个最优实施例，沿一特定方向旋转的第一电波的两个 电向量分量可以被标识为C和jC，其中j＝+90°。这样，向量jC的相位 比向量C的相位超前90°。沿与第一电波相反的方向旋转的第二电波的两个 电向量分量可以被标识为D和-jD，其中-j＝-90°。这样，向量-jD的相位比 向量D的相位滞后90°。假定第-电波的C分量和第二电波的D分量被对应 于信道56的导线(lead)所吸收。还假定第一电波的jC分量和第二电波 的-jD分量被对应于信道58的导线(lead)所吸收。如图3所示，在被下 变转换成一个IF后，信道58分成一个由索引号58′表示的第二信道。包括 分量jC和-jD的一半信号会进入信道58′并被移相器75移相+90°。在移相 之后，信道58′中的分量的相位变成：jC∠90°＝-C且-jD∠90°＝D。 这样，在移相器75对信道58′中的分量进行处理之后，进入功率混合器78 的来自信道58′的信号分量是-C和D。功率混合器78把来自信道58′的-C 和D分量与信道56中的C和D分量混合。来自信道56的C分量和来自信 道58′的-C分量彼此消除，在信道56中只剩下一个信号，该信号是被表示 成D的旋转电波。

以类似的方式，在信道58中隔离被表示成C的旋转电波。来自信道56 的C和D分量的一半信号进入信道56′。移相器76把C和D分量的相位移 动+90°。相应地，C∠90°＝jC且D∠90°＝jD。功率混合器80把信道56′ 的jC和jD分量与信道58中的jC和-jD分量混合。来自信道56′的jD分 量消除来自信道58的-jD分量，在信道58中只剩下被表示成C的旋转电 波。

在通过功率混合器78，80之后，信道56，58中的隔离信号是独立 的，并且可以根据在控制中心20中使用的调制方法被解调。滤波器和PLL 电路82可以被用来跟踪本地振荡器64，并且在必要的情况下可以进行同 步解调。

图4说明了基于本发明的另一个最优实施例的收发器的接收器部分的结 构图。图4中的接收器使用天线分集控制100来选择多个天线41中的一个。 功率混合器99接收来自信道56和信道58的信号的一部分。作为来自功率 混合器99的信号的强度或信道56中的信号与信道58中的信号之间的相位 差的一个函数，天线分集控制选择一个具体的提供足够信号强度的天线 41。

由于各天线的馈电线和旋转电波的椭圆的轴之间的关系是任意的，信 道56中的信号不会与信道58中的信号正交。这样，基于本发明的正交控 制可以被用来恢复信道56中的信号和信道58中的信号之间的正交关系。 根据本发明的一个最优实施例，乘法器88接收信道56和58中的信号的分 量。乘法器88的输出信号通过放大器89被输送到电子移相器104。电子 移相器104恢复信道56中的信号和信道58中的信号之间的正交关系。根 据本发明的另一个最优实施例，一对诸如一对电子移相器的正交控制可以 被用来恢复正交。

图4所示的接收器不需要移动部分。这特别适于紧凑度和/或低功率损 耗是重要因素的应用。利用单片集成电路可以实现这样的设计。

中频放大器65，67可以增加信道56，58中的信号的强度。如图3 中所示的接收器中那样，信道56，58中的信号可以被自动增益控制放大 器66，68恢复成圆形极性。旋转电波可以被移相器75，76和功率混合 器78，80彼此隔离。功率分配器92，94可以向跟踪本地振荡器64并进 行同步解调的滤波器和PLL电路82提供信道56，58中的信号的一部分。

在前面的说明书中已经针对某些最优实施例描述了本发明，并且为了 图示还提出了许多细节，本领域的技术人员可以理解本发明还可以有附加 实施例，并且在不偏离本发明的基本原理的情况下可以对这里描述的某些 细节作出显著的改变。