Satelliittiviestinnässä käytetään nopeamman tiedonsiirtonopeuden voimakkaan kysynnän vuoksi korkeamman kertaluvun modulaatiojärjestelmiä spektritehokkuuden parantamiseksi. Satelliittikanavan häiriöt, kuten suuret polkuhäviöt, viiveet ja Doppler-siirtymät, aiheuttavat kuitenkin vakavia haasteita satelliittiverkon toteuttamiselle. Satelliittiviestinnän modulaatiotekniikat edellyttävät paitsi nopeampia tiedonsiirtonopeuksia myös kanavahäiriöiden vaikutusten minimoimista. Tässä kirjoituksessa käsitellään nykyaikaisen satelliittiviestinnän modulaatiotekniikoita.
Satelliittiviestinnän vaatimukset
Digitaalisissa modulaatiojärjestelmissä vektorisignaali voi olla muuttamalla kantoaaltosignaalin suuruutta, vaihetta tai jotain näiden yhdistelmää. Perusluonteisimpia digitaalisia modulaatiojärjestelmiä ovat amplitudinsiirtoavain (ASK), vaiheensiirtoavain (PSK), taajuudensiirtoavain (FSK) ja kvadraattiamplitudimodulaatio (QAM).
Satelliittilähetyksessä RF-tehovahvistimet toimivat usein kompressiotasoillaan muuntotehokkuuden maksimoimiseksi. Toiminta kompressiotasoilla aiheuttaa AM/AM- ja AM/PM-säröä, kuten kuvassa 1 on esitetty. Esimerkiksi I/Q-konstellaation ulkopisteissä on korkeammat lähtötehotasot, ja kompressio johtuu RF-tehovahvistimen kyllästyneestä lähtötehosta. Epälineaariset vahvistimet vaativat siis vääristymiä sietävän modulaatiojärjestelmän. Lisäksi suurempi lähtöteho aiheuttaa signaaliin enemmän kohinaa.
Konstant Envelope -digitaaliset modulaatiojärjestelmät
Konstant Envelope -modulaatiojärjestelmät, kuten FSK ja PSK, soveltuvat parhaiten satelliittiviestintään, koska ne minimoivat epälineaarisen vahvistuksen vaikutuksen suuritehovahvistimessa. Kuvassa 2 esitetään binäärisen PSK:n (BPSK), kvadratuurisen PSK:n (QPSK) ja 8PSK:n konstellaatiokaaviot. Ne lähettävät vastaavasti 1, 2 ja 3 bittiä symbolia kohti. Korkeamman asteen PSK:ssa konstellaatiopisteet ovat lähempänä toisiaan, ja järjestelmä on herkempi kanavahäiriöille. FSK:n osalta 4FSK:lla (2 bittiä per symboli) on suurempi spektrinen hyötysuhde kuin 2FSK:lla, mutta pienempi taajuuspoikkeama aiheuttaa huonon herkkyyden vastaanottimessa.
Nonconstant Envelope Digital Modulation Schemes
Quadratuura amplitudimodulaatio (QAM, quadrature amplitude modulation) on ei-konstantti modulaatio, joka vaihtaa sekä vaihetta että amplitudia spektrisen hyötysuhteen parantamiseksi. Kuvassa 3 on esitetty 16PSK:n ja 16QAM:n konstellaatiokaavio. 16QAM kasvattaa konstellaatiopisteiden välistä etäisyyttä ja kestää paremmin signaalin häiriöitä. Kuitenkin 16QAM kasvattaa myös amplituditasoja kolmeen (renkaat) verrattuna 16PSK:hon. RF-tehovahvistimet vaativat laajemman lineaarisen alueen ei-konstantteja modulaatiojärjestelmiä varten.
Satelliittilaitteiden on pystyttävä lähettämään suurella teholla säilyttäen samalla suuri lähtölinaarisuus. Lisäksi korkeammat modulaatiojärjestelmät mahdollistavat suuremman tiedonsiirtotehon, mutta ne ovat herkkiä signaalin häiriöille.
Kestää epälineaarista vääristymää APSK:lla
Satelliittiviestinnässä käytetään amplitudivaiheensiirtoavainsignaalia (amplitude phase-shift keying, APSK) epälineaarisen vääristymän estämiseksi. Kuvassa 4 on esitetty APSK- ja QAM-modulaatiojärjestelmien konstellaatiokaavio. APSK:n tilat ovat renkaissa siten, että amplitudipuristus on sama tietyssä renkaassa. 16APSK-konstellaatiossa on vain kaksi amplitudia (rengasta), kun taas 16QAM:ssä on kolme amplitudia. 32APSK-konstellaatiossa on kolme amplitudia verrattuna viiteen amplitudiin 32QAM:ssä. Useammat amplituditasot tekevät renkaista lähempänä toisiaan ja vaikeuttavat epälineaarisuuksien kompensointia.
APSK-modulaatiossa on useita muuttuvia parametreja, kuten renkaiden lukumäärä, symbolien lukumäärä renkaalla ja renkaiden välinen etäisyys. Suunnittelija voi myös saavuttaa tasapainon pienemmän huippu-keskitehosuhteen (PAPR) ja paremman vääristymiskestävyyden välillä.
Paranna tiedonsiirtonopeutta OFDM:llä
Ortogonaalinen taajuusjakomultipleksointi (Orthogonal Frequency-division Multiplexing, OFDM) on digitaalinen monikantoaaltotekniikka, jolla on monia ainutlaatuisia etuja verrattuna yksikantoaaltoihin. Tekniikka on otettu käyttöön monissa laajakaistaisissa langattomissa viestintästandardeissa, kuten 4G/5G:ssä, Wi-Fi:ssä sekä maanpäällisten ja satelliittiviestintäjärjestelmien digitaalisissa videolähetyksissä.
OFDM käyttää monia lähekkäin toisiaan lähellä olevia ortogonaalisia alikantoaaltosignaaleja lähettämään dataa rinnakkain. Tämä prosessi tarjoaa paremman spektritehokkuuden kuin perinteiset digitaaliset modulaatiojärjestelmät, kuten QAM ja PSK, ja kestävyyden kanavan lineaarisia vääristymiä vastaan. Kuvassa 5 esitetään yksi OFDM-kantoaalto (vasen kuvaaja) ja useita alikantoaaltoja (oikea kuvaaja). Kunkin alikantoaallon huippu esiintyy muiden alikantoaaltojen nollakohdissa. Signaali on ortogonaalinen taajuusalueella, eikä kukin alikantoaalto häiritse muita. Alikantoaaltoihin voidaan soveltaa erilaisia modulaatioformaatteja ja kanavakoodausta riippuen yksittäisten alikantoaaltojen kohina- ja häiriötasosta, jotka tarjoavat vankan tietoliikenneyhteyden.
OfDM-signaalilla on kuitenkin suurempi PAPR kuin perinteisillä modulaatiojärjestelmillä, mikä edellyttää suurta takaisinkytkentää, jotta vältetään pakkautuminen suurella lähtötehotasolla. Suuren tehovahvistimen tuottamat epälineaariset vaikutukset voivat aiheuttaa satelliittijärjestelmään lisää vääristymiä, jotka aiheuttavat järjestelmävian. Siksi satelliitin RF-komponenttien särösuorituskyvyn karakterisointi on olennaista hyvän järjestelmäsuunnittelun tekemiseksi.
Johtopäätökset
Useimmissa viestintäjärjestelmissä optimoidaan järjestelmäsuunnittelun tehokkuus, mukaan lukien spektri, teho ja kustannukset. Satelliittiviestinnän modulaatiojärjestelmien valinta riippuu viestintäkanavista, laitteistorajoituksista ja tiedonsiirtovaatimuksista.
Myös sekä räätälöidyt APSK- että OFDM-modulaatiojärjestelmät tuovat mukanaan testaushaasteita – räätälöityjen, omien modulaatiojärjestelmien luominen ja analysointi. Seuraavassa postauksessa keskustelemme siitä, miten mukautetun signaalin tuottamista ja analysointia voidaan yksinkertaistaa.