Avec une forte demande de débit de données plus rapide, les communications par satellite utilisent des schémas de modulation d’ordre élevé pour améliorer leur efficacité spectrale. Cependant, les dégradations du canal satellite, telles que les pertes de chemin importantes, les retards et les décalages Doppler, posent de sérieux problèmes pour la réalisation d’un réseau satellite. Les techniques de modulation pour les communications par satellite nécessitent non seulement des débits de données plus rapides, mais aussi la réduction des impacts des dégradations de canaux. Ce post traite des techniques de modulation pour les communications modernes par satellite.
Les exigences des communications par satellite
Dans les systèmes de modulation numérique, un signal vectoriel peut être en changeant la magnitude du signal porteur, la phase, ou une certaine combinaison de ceux-ci. Les schémas de modulation numérique les plus fondamentaux sont la modulation par déplacement d’amplitude (ASK), la modulation par déplacement de phase (PSK), la modulation par déplacement de fréquence (FSK) et la modulation d’amplitude en quadrature (QAM).
Dans la transmission par satellite, les amplificateurs de puissance RF fonctionnent souvent à leurs niveaux de compression pour maximiser l’efficacité de la conversion. Le fonctionnement à des niveaux de compression entraîne une distorsion AM/AM et AM/PM, comme le montre la figure 1. Par exemple, les points extérieurs de la constellation I/Q ont des niveaux de puissance de sortie plus élevés, et la compression est due à la puissance de sortie saturée dans l’amplificateur de puissance RF. Ainsi, les amplificateurs non linéaires nécessitent un schéma de modulation tolérant à la distorsion. En outre, la puissance de sortie plus élevée crée plus de bruit au signal.
Schémas de modulation numérique à enveloppe constante
Les schémas de modulation à enveloppe constante tels que FSK et PSK sont les plus adaptés aux communications par satellite car ils minimisent l’effet de l’amplification non linéaire dans l’amplificateur de haute puissance. La figure 2 illustre les diagrammes de constellation de la MDP binaire (BPSK), de la MDP en quadrature (QPSK) et de la MDP8. Ils transmettent 1, 2 et 3 bits par symbole, respectivement. Pour la MDP d’ordre supérieur, les points de constellation sont plus proches les uns des autres, et le système est plus sensible aux dégradations du canal. Pour la MDF, la 4FSK (2 bits par symbole) a une efficacité spectrale plus élevée que celle de la 2FSK, mais la plus petite déviation de fréquence provoquera une mauvaise sensibilité dans le récepteur.
Schémas de modulation numérique à enveloppe non constante
La modulation d’amplitude en quadrature (QAM) est une modulation non constante qui change à la fois la phase et l’amplitude pour augmenter l’efficacité spectrale. La figure 3 illustre le diagramme de constellation de la MDP-16 et de la MAQ-16. La MAQ16 augmente la distance entre les points de la constellation et offre une meilleure résistance aux altérations du signal. Cependant, la MAQ16 augmente également les niveaux d’amplitude à trois (anneaux) par rapport à la MDP-16. Les amplificateurs de puissance RF nécessitent une gamme linéaire plus large pour les schémas de modulation non constants.
Les équipements satellitaires doivent être capables de transmettre à un niveau de puissance élevé tout en maintenant une linéarité de sortie élevée. De plus, les schémas de modulation supérieurs permettent un débit de données plus élevé mais sont sensibles aux altérations du signal.
Résister à la distorsion non linéaire avec APSK
Les communications par satellite utilisent la modulation par déplacement de phase en amplitude (APSK) pour résister à la distorsion non linéaire. La figure 4 illustre un diagramme de constellation pour les schémas de modulation APSK et QAM. Les états de l’APSK se trouvent dans des anneaux de sorte que la compression d’amplitude est la même dans un anneau spécifique. La constellation 16APSK n’a que deux amplitudes (anneaux), alors que la 16QAM en a trois. La constellation 32APSK a trois amplitudes contre cinq pour la 32QAM. Plus de niveaux d’amplitude rendent les anneaux plus proches les uns des autres et plus difficiles à compenser pour les non-linéarités.
Il existe plusieurs paramètres variables pour la modulation APSK tels que le nombre d’anneaux, le nombre de symboles sur un anneau et l’espacement entre les anneaux. Un concepteur peut également atteindre un équilibre entre un rapport de puissance de crête à moyenne (PAPR) plus faible et une meilleure résistance à la distorsion.
Augmenter le débit de données en utilisant l’OFDM
Le multiplexage par répartition en fréquence orthogonale (OFDM) est une technique numérique multi-porteuse qui possède de nombreux avantages uniques par rapport aux approches à porteuse unique. Cette technique a été adoptée pour de nombreuses normes de communication sans fil à large bande, telles que la 4G/5G, le Wi-Fi, la diffusion vidéo numérique pour les systèmes de communication terrestres et par satellite.
L’OFDM utilise de nombreux signaux de sous-porteuses orthogonales étroitement espacés pour transmettre des données en parallèle. Ce procédé offre une meilleure efficacité spectrale que les schémas de modulation numérique traditionnels, tels que la MAQ et la MDP, ainsi qu’une certaine robustesse face à la distorsion linéaire du canal. La figure 5 montre une porteuse OFDM unique (le graphique de gauche) et plusieurs sous-porteuses (le graphique de droite). La crête de chaque sous-porteuse se produit aux passages à zéro des autres. Le signal est orthogonal dans le domaine des fréquences, et chaque sous-porteuse n’interfère pas avec les autres. Les sous-porteuses peuvent appliquer différents formats de modulation et de codage de canal, selon le niveau de bruit et d’interférence des sous-bandes individuelles qui fournissent un lien de communication robuste.
Cependant, le signal OFDM a un PAPR plus élevé que les schémas de modulation traditionnels, nécessitant un back off important pour éviter la compression à un niveau de puissance de sortie élevé. Les effets non linéaires générés par l’amplificateur à haute puissance peuvent introduire davantage de distorsions dans un système satellite, ce qui entraîne une défaillance du système. Par conséquent, la caractérisation de la performance de distorsion des composants RF du satellite est essentielle pour faire une bonne conception de système.
Conclusion
La plupart des systèmes de communication optimisent les efficacités dans les conceptions de système, y compris spectrale, de puissance et de coût. La sélection des schémas de modulation pour les communications par satellite dépend des canaux de communication, des limitations matérielles et des exigences de débit de données.
De plus, les schémas de modulation APSK et OFDM personnalisés apportent tous deux des défis de test – la génération et l’analyse de schémas de modulation personnalisés et propriétaires. Le prochain post, nous discuterons de la façon de simplifier la génération et l’analyse des signaux personnalisés.