Aufgrund der starken Nachfrage nach schnellerem Datendurchsatz werden in der Satellitenkommunikation Modulationsschemata höherer Ordnung eingesetzt, um die spektrale Effizienz zu verbessern. Allerdings stellen die Beeinträchtigungen des Satellitenkanals, wie große Pfadverluste, Verzögerungen und Dopplerverschiebungen, eine große Herausforderung für die Realisierung eines Satellitennetzes dar. Die Modulationstechniken für die Satellitenkommunikation erfordern nicht nur schnellere Datenraten, sondern auch die Minimierung der Auswirkungen der Kanalbeeinträchtigungen. In diesem Beitrag werden die Modulationsverfahren für die moderne Satellitenkommunikation erörtert.
Die Anforderungen der Satellitenkommunikation
In digitalen Modulationssystemen kann ein Vektorsignal die Größe, die Phase oder eine Kombination davon des Trägersignals ändern. Die grundlegendsten digitalen Modulationsverfahren sind die Amplitudenumtastung (ASK), die Phasenumtastung (PSK), die Frequenzumtastung (FSK) und die Quadraturamplitudenmodulation (QAM).
Bei der Satellitenübertragung arbeiten die HF-Leistungsverstärker oft auf ihren Kompressionsstufen, um die Umwandlungseffizienz zu maximieren. Der Betrieb bei Kompressionspegeln führt zu AM/AM- und AM/PM-Verzerrungen, wie in Abbildung 1 dargestellt. Beispielsweise haben die äußeren Punkte der I/Q-Konstellation höhere Ausgangsleistungspegel, und die Kompression ist auf die gesättigte Ausgangsleistung im HF-Leistungsverstärker zurückzuführen. Daher erfordern nichtlineare Verstärker ein Modulationsschema, das gegenüber Verzerrungen tolerant ist. Außerdem führt die höhere Ausgangsleistung zu mehr Rauschen im Signal.
Digitale Modulationsverfahren mit konstanter Hüllkurve
Die Modulationsverfahren mit konstanter Hüllkurve wie FSK und PSK sind für die Satellitenkommunikation am besten geeignet, da sie die Auswirkungen der nichtlinearen Verstärkung im Hochleistungsverstärker minimieren. In Abbildung 2 sind die Konstellationsdiagramme von binärer PSK (BPSK), Quadratur-PSK (QPSK) und 8PSK dargestellt. Sie übertragen 1, 2 bzw. 3 Bits pro Symbol. Bei PSK höherer Ordnung liegen die Konstellationspunkte näher beieinander, und das System reagiert empfindlicher auf Kanalbeeinträchtigungen. Bei FSK hat 4FSK (2 Bits pro Symbol) eine höhere spektrale Effizienz als 2FSK, aber die geringere Frequenzabweichung führt zu einer schlechteren Empfindlichkeit im Empfänger.
Digitale Modulationsverfahren mit nicht konstanter Hüllkurve
Die Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM) ist eine nicht konstante Modulation, die sowohl die Phase als auch die Amplitude ändert, um die spektrale Effizienz zu erhöhen. In Abbildung 3 ist das Konstellationsdiagramm von 16PSK und 16QAM dargestellt. 16QAM vergrößert den Abstand zwischen den Konstellationspunkten und hat eine bessere Resistenz gegenüber Signalstörungen. Allerdings erhöht 16QAM auch die Amplitudenstufen auf drei (Ringe) im Vergleich zu 16PSK. HF-Leistungsverstärker benötigen einen größeren linearen Bereich für nicht konstante Modulationsverfahren.
Satellitenanlagen müssen in der Lage sein, mit hoher Leistung zu senden und dabei eine hohe Ausgangslinearität beizubehalten. Außerdem ermöglichen die höheren Modulationsverfahren einen höheren Datendurchsatz, sind aber empfindlich gegenüber Signalbeeinträchtigungen.
Mit APSK gegen nichtlineare Verzerrungen
Bei der Satellitenkommunikation wird die Amplituden-Phasenumtastung (APSK) eingesetzt, um nichtlineare Verzerrungen zu vermeiden. Abbildung 4 zeigt ein Konstellationsdiagramm für APSK- und QAM-Modulationsverfahren. Die Zustände von APSK sind in Ringen angeordnet, so dass die Amplitudenkompression in einem bestimmten Ring gleich ist. Die 16APSK-Konstellation hat nur zwei Amplituden (Ringe), während 16QAM drei Amplituden hat. Die 32APSK-Konstellation hat drei Amplituden gegenüber fünf bei 32QAM. Je mehr Amplitudenstufen, desto enger liegen die Ringe beieinander und desto schwieriger ist es, Nichtlinearitäten auszugleichen.
Es gibt mehrere variable Parameter für die APSK-Modulation, wie die Anzahl der Ringe, die Anzahl der Symbole auf einem Ring und der Abstand zwischen den Ringen. Ein Entwickler kann auch ein Gleichgewicht zwischen einem niedrigeren Verhältnis von Spitzenleistung zu mittlerer Leistung (PAPR) und einer besseren Resistenz gegen Verzerrungen erreichen.
Erhöhung der Datenrate mit OFDM
Das orthogonale Frequenzmultiplexing (OFDM) ist ein digitales Mehrträgerverfahren, das viele einzigartige Vorteile gegenüber Einträgerverfahren aufweist. Die Technik wurde für viele drahtlose Breitband-Kommunikationsstandards wie 4G/5G, Wi-Fi, digitale Videoübertragung für terrestrische und satellitengestützte Kommunikationssysteme übernommen.
OFDM verwendet viele eng beieinander liegende orthogonale Unterträgersignale, um Daten parallel zu übertragen. Dieses Verfahren bietet eine bessere spektrale Effizienz als herkömmliche digitale Modulationsverfahren wie QAM und PSK und eine höhere Robustheit gegenüber linearen Kanalverzerrungen. Abbildung 5 zeigt einen einzelnen OFDM-Träger (linke Grafik) und mehrere Unterträger (rechte Grafik). Die Spitze jedes Unterträgers tritt bei Nulldurchgängen der anderen auf. Das Signal ist im Frequenzbereich orthogonal, und jeder Unterträger stört die anderen nicht. Die Unterträger können unterschiedliche Modulationsformate und Kanalcodierungen anwenden, je nach Rausch- und Störpegel der einzelnen Unterbänder, die eine robuste Kommunikationsverbindung ermöglichen.
Das OFDM-Signal hat jedoch eine höhere PAPR als herkömmliche Modulationsverfahren, so dass ein großer Backoff erforderlich ist, um die Kompression bei einem hohen Ausgangsleistungspegel zu vermeiden. Nichtlineare Effekte, die durch den Hochleistungsverstärker erzeugt werden, können zu weiteren Verzerrungen in einem Satellitensystem führen, die einen Systemausfall verursachen. Daher ist die Charakterisierung der Verzerrungsleistung von Satelliten-HF-Komponenten für ein gutes Systemdesign unerlässlich.
Schlussfolgerung
Die meisten Kommunikationssysteme optimieren die Effizienz von Systemdesigns, einschließlich Spektral-, Leistungs- und Kostenoptimierung. Die Auswahl von Modulationsschemata für die Satellitenkommunikation hängt von den Kommunikationskanälen, den Hardwarebeschränkungen und den Anforderungen an den Datendurchsatz ab.
Außerdem stellen sowohl benutzerdefinierte APSK- als auch OFDM-Modulationsschemata eine Herausforderung für den Test dar – die Erstellung und Analyse benutzerdefinierter, proprietärer Modulationsschemata. Im nächsten Beitrag werden wir erörtern, wie sich die Erzeugung und Analyse von kundenspezifischen Signalen vereinfachen lässt.