Med stor efterspørgsel efter hurtigere dataoverførsel bruger satellitkommunikation modulationsskemaer af høj orden for at forbedre deres spektrale effektivitet. Imidlertid udgør satellitkanalforringelser som f.eks. store vejtab, forsinkelser og Dopplerforskydninger alvorlige udfordringer for realiseringen af et satellitnetværk. Modulationsteknikkerne til satellitkommunikation kræver ikke blot højere datahastigheder, men også en minimering af virkningerne af kanalforringelserne. Dette indlæg omhandler modulationsteknikkerne til moderne satellitkommunikation.
Krav til satellitkommunikation
I digitale modulationssystemer kan et vektorsignal være i ændre bæresignalets størrelse, fase eller en kombination af disse. De mest grundlæggende digitale modulationsordninger er amplitude-shift keying (ASK), phase-shift keying (PSK), frequency-shift keying (FSK) og quadrature amplitudemodulation (QAM).
I satellittransmission arbejder RF-effektforstærkere ofte på deres kompressionsniveau for at maksimere konverteringseffektiviteten. Drift på kompressionsniveau medfører AM/AM- og AM/PM-forvrængning, som vist i figur 1. F.eks. har de ydre punkter i I/Q-konstellationen højere udgangseffektniveauer, og kompressionen skyldes den mættede udgangseffekt i RF-effektforstærkeren. Ikke-lineære forstærkere kræver således en modulationsordning, der er tolerant over for forvrængning. Desuden skaber den højere udgangseffekt mere støj i signalet.
Constant Envelope Digital Modulation Schemes
De konstante envelope-modulationsordninger såsom FSK og PSK er de mest velegnede til satellitkommunikation, fordi de minimerer effekten af ikke-lineær forstærkning i høj effektforstærkeren. Figur 2 illustrerer konstellationsdiagrammerne for binær PSK (BPSK), kvadratur PSK (QPSK) og 8PSK. De sender henholdsvis 1, 2 og 3 bit pr. symbol. For PSK af højere orden er konstellationspunkterne tættere på hinanden, og systemet er mere følsomt over for kanalforstyrrelser. For FSK har 4FSK (2 bits pr. symbol) højere spektral effektivitet end 2FSK’s, men den mindre frekvensafvigelse vil medføre en dårlig følsomhed i modtageren.
Nonkonstante digitale modulationsskemaer med konventuel envelope
Quadrature amplitude-modulation (QAM) er en ikke-konstant modulation, der ændrer både fase og amplitude for at øge den spektrale effektivitet. Figur 3 illustrerer konstellationsdiagrammet for 16PSK og 16QAM. 16QAM øger afstanden mellem konstellationspunkterne og har en bedre modstandsdygtighed over for signalforringelser. 16QAM øger dog også amplitudeniveauerne til tre (ringe) i forhold til 16PSK. RF-effektforstærkere kræver et bredere lineært område for ikke-konstante modulationsordninger.
Satellitudstyr skal kunne transmittere ved et højt effektniveau og samtidig bevare en høj udgangslinearitet. Desuden giver de højere modulationsordninger mulighed for højere datadata-gennemstrømning, men er følsomme over for signalforringelser.
Resist Nonlinear Distortion with APSK
Satellitkommunikation anvender Amplitude Phase-Shift Keying (APSK) for at modstå ikke-lineær forvrængning. Figur 4 illustrerer et konstellationsdiagram for APSK- og QAM-modulationsordninger. APSK’s tilstande er i ringe, således at amplitudekompressionen er den samme i en specifik ring. 16APSK-konstellationen har kun to amplituder (ringe), mens 16QAM har tre amplituder. 32APSK-konstellationen har tre amplituder mod fem i 32QAM. Flere amplitudeniveauer gør ringene tættere på hinanden og vanskeligere at kompensere for ikke-lineariteter.
Der er flere variable parametre for APSK-modulation, f.eks. antallet af ringe, antallet af symboler på en ring og afstanden mellem ringene. En designer kan også opnå en balance mellem lavere peak-to-average power ratio (PAPR) og bedre modstandsdygtighed over for forvrængning.
Forbedring af datahastigheden ved hjælp af OFDM
Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) er en digital multi-bærerteknik, der har mange unikke fordele i forhold til single-carrier-tilgange. Teknikken er blevet anvendt til mange trådløse bredbåndskommunikationsstandarder, f.eks. 4G/5G, Wi-Fi, digital videoudsendelse til jord- og satellitkommunikationssystemer.
OFDM anvender mange ortogonale subcarrier-signaler med tæt afstand til parallel dataoverførsel. Denne proces giver bedre spektral effektivitet end traditionelle digitale modulationsordninger, såsom QAM og PSK, og robusthed over for lineær kanalforvrængning. Figur 5 viser en enkelt OFDM-bærer (venstre plot) og flere underbærere (højre plot). Toppunktet for hver underbærer opstår ved nulpunktskrydsninger for de andre. Signalet er ortogonalt i frekvensdomænet, og hver enkelt subbærer forstyrrer ikke de andre. Underbærerne kan anvende forskellige modulationsformater og kanalkodning, afhængigt af støj- og interferenceniveauet i de enkelte underbånd, der giver en robust kommunikationsforbindelse.
Det OFDM-signal har imidlertid en højere PAPR end traditionelle modulationsordninger, hvilket kræver en stor back off for at undgå kompression ved et højt udgangseffektniveau. Ikke-lineære effekter, der genereres af høj effektforstærkeren, kan medføre flere forvrængninger i et satellitsystem, der forårsager en systemfejl. Derfor er det vigtigt at karakterisere forvrængningsevnen af satellit-RF-komponenter for at kunne lave et godt systemdesign.
Slutning
De fleste kommunikationssystemer optimerer effektiviteten i systemdesigns, herunder spektral-, effekt- og omkostningseffektivitet. Valget af modulationsordninger til satellitkommunikation afhænger af kommunikationskanalerne, hardwarebegrænsninger og krav til datatransput.
Dertil kommer, at både brugerdefinerede APSK- og OFDM-modulationsordninger medfører testudfordringer – generering og analyse af brugerdefinerede, proprietære modulationsordninger. I næste indlæg vil vi diskutere, hvordan man kan forenkle den brugerdefinerede signalgenerering og -analyse.