S velkou poptávkou po rychlejší datové propustnosti se v satelitní komunikaci používají modulační schémata vysokého řádu pro zlepšení spektrální účinnosti. Znehodnocení satelitního kanálu, jako jsou velké ztráty na trase, zpoždění a Dopplerovy posuny, však představují vážné problémy při realizaci satelitní sítě. Modulační techniky pro družicové komunikace vyžadují nejen vyšší rychlost přenosu dat, ale také minimalizaci dopadů poškození kanálu. Tento příspěvek pojednává o modulačních technikách pro moderní satelitní komunikace.
Požadavky na satelitní komunikace
V digitálních modulačních systémech může být vektorový signál ve změně velikosti nosného signálu, fáze nebo jejich kombinace. Nejzákladnějšími digitálními modulačními schématy jsou klíčování s amplitudovým posunem (ASK), klíčování s fázovým posunem (PSK), klíčování s frekvenčním posunem (FSK) a kvadraturní amplitudová modulace (QAM).
Při družicovém přenosu pracují VF zesilovače často na svých kompresních úrovních, aby se maximalizovala účinnost konverze. Provoz na kompresních úrovních způsobuje zkreslení AM/AM a AM/PM, jak je znázorněno na obrázku 1. Například vnější body konstelace I/Q mají vyšší úrovně výstupního výkonu a komprese je způsobena nasyceným výstupním výkonem v RF výkonovém zesilovači. Nelineární zesilovače tedy vyžadují modulační schéma tolerantní ke zkreslení. Také vyšší výstupní výkon vytváří větší šum signálu.
Schémata digitální modulace s konstantní obálkou
Schémata modulace s konstantní obálkou, jako jsou FSK a PSK, jsou nejvhodnější pro satelitní komunikaci, protože minimalizují vliv nelineárního zesílení ve výkonovém zesilovači. Na obrázku 2 jsou znázorněna konstelační schémata binárního PSK (BPSK), kvadraturního PSK (QPSK) a 8PSK. Přenášejí 1, 2 a 3 bity na symbol. U PSK vyšších řádů jsou konstelační body blíže k sobě a systém je citlivější na narušení kanálu. U FSK má 4FSK (2 bity na symbol) vyšší spektrální účinnost než 2FSK, ale menší kmitočtová odchylka způsobí špatnou citlivost přijímače.
Schémata digitální modulace s nekonstantní obálkou
Kvadraturní amplitudová modulace (QAM) je nekonstantní modulace, která mění fázi i amplitudu za účelem zvýšení spektrální účinnosti. Obrázek 3 znázorňuje konstelační diagram 16PSK a 16QAM. Modulace 16QAM zvětšuje vzdálenost mezi body konstelace a má lepší odolnost proti narušení signálu. 16QAM však také zvyšuje amplitudové úrovně na tři (kroužky) ve srovnání s 16PSK. Vf výkonové zesilovače vyžadují pro nekonstantní modulační schémata větší lineární rozsah.
Satelitní zařízení musí být schopno vysílat při vysoké úrovni výkonu při zachování vysoké výstupní linearity. Také vyšší modulační schémata umožňují vyšší datovou propustnost, ale jsou citlivá na zhoršení signálu.
Odolnost proti nelineárnímu zkreslení pomocí APSK
Satelitní komunikace využívají klíčování s amplitudovým fázovým posunem (APSK), které odolává nelineárnímu zkreslení. Obrázek 4 znázorňuje konstelační diagram pro modulační schémata APSK a QAM. Stavy APSK jsou v kruzích tak, že amplitudová komprese je v určitém kruhu stejná. Konstelace 16APSK má pouze dva amplitudové stavy (prstence), zatímco 16QAM má tři amplitudové stavy. Konstelace 32APSK má tři amplitudy oproti pěti u 32QAM. Více amplitudových úrovní způsobuje, že prstence jsou blíže u sebe a je obtížnější kompenzovat nelinearity.
Pro modulaci APSK existuje několik proměnných parametrů, jako je počet kroužků, počet symbolů na kroužku a vzdálenost mezi kroužky. Návrhář může také dosáhnout rovnováhy mezi nižším poměrem špičkového a průměrného výkonu (PAPR) a lepší odolností proti zkreslení.
Zvýšení rychlosti přenosu dat pomocí OFDM
Ortogonální multiplex s kmitočtovým dělením (OFDM) je digitální technika s více nosnými, která má mnoho jedinečných výhod oproti přístupům s jednou nosnou. Tato technika byla přijata pro mnoho širokopásmových bezdrátových komunikačních standardů, jako jsou 4G/5G, Wi-Fi, digitální video vysílání pro pozemní a satelitní komunikační systémy.
OFDM využívá mnoho těsně rozmístěných ortogonálních subnosných signálů pro paralelní přenos dat. Tento postup poskytuje lepší spektrální účinnost než tradiční digitální modulační schémata, jako jsou QAM a PSK, a odolnost proti lineárnímu zkreslení kanálu. Obrázek 5 ukazuje jednu nosnou OFDM (levý graf) a více dílčích nosných (pravý graf). Špička každé dílčí nosné se vyskytuje při průchodu nulou ostatních nosných. Signál je ve frekvenční oblasti ortogonální a každá subnosná neruší ostatní. Na dílčí nosné lze použít různé modulační formáty a kódování kanálu v závislosti na úrovni šumu a rušení jednotlivých dílčích pásem, které zajišťují robustní komunikační spojení.
Signál OFDM má však vyšší PAPR než tradiční modulační schémata, což vyžaduje velkou zpětnou kompresi, aby se zabránilo kompresi při vysoké úrovni výstupního výkonu. Nelineární efekty generované zesilovačem s vysokým výkonem mohou do satelitního systému vnést více zkreslení, které způsobí selhání systému. Proto je charakterizace zkreslení satelitních VF komponent zásadní pro vytvoření dobrého návrhu systému.
Závěr
Většina komunikačních systémů optimalizuje účinnost při návrhu systému, včetně spektrální, výkonové a nákladové. Výběr modulačních schémat pro družicovou komunikaci závisí na komunikačních kanálech, hardwarových omezeních a požadavcích na datovou propustnost.
Také vlastní modulační schémata APSK a OFDM přinášejí testovací výzvy – generování a analýzu vlastních, patentovaných modulačních schémat. V příštím příspěvku se budeme zabývat tím, jak zjednodušit generování a analýzu vlastních signálů.