A gyorsabb adatátvitel iránti erős igény miatt a műholdas kommunikáció a spektrális hatékonyság javítása érdekében magas rendű modulációs sémákat használ. A műholdas csatorna károsodásai, például a nagy útvonalveszteségek, késleltetések és Doppler-eltolódások azonban komoly kihívást jelentenek a műholdas hálózatok megvalósítása során. A műholdas kommunikáció modulációs technikái nemcsak gyorsabb adatátviteli sebességet igényelnek, hanem a csatornakárosodások hatásainak minimalizálását is. Ez a bejegyzés a modern műholdas kommunikáció modulációs technikáit tárgyalja.
A műholdas kommunikáció követelményei
A digitális modulációs rendszerekben a vektorjel lehet a vivőjel nagyságának, fázisának vagy ezek valamilyen kombinációjának megváltoztatásában. A legalapvetőbb digitális modulációs sémák az amplitúdóeltolásos kulcsolás (ASK), a fáziseltolásos kulcsolás (PSK), a frekvenciatolásos kulcsolás (FSK) és a kvadratúra amplitúdó moduláció (QAM).
A műholdas átvitelben az RF teljesítményerősítők a konverziós hatékonyság maximalizálása érdekében gyakran a kompressziós szintjükön működnek. A tömörítési szinteken való működés AM/AM és AM/PM torzítást okoz, amint azt az 1. ábra mutatja. Például az I/Q konstelláció külső pontjai magasabb kimeneti teljesítményszintekkel rendelkeznek, és a kompresszió az RF teljesítményerősítő telített kimeneti teljesítménye miatt van. Így a nemlineáris erősítőkhöz a torzítással szemben toleráns modulációs sémára van szükség. Emellett a nagyobb kimeneti teljesítmény több zajt okoz a jelben.
A konstans burkológörbe digitális modulációs sémák
A konstans burkológörbe modulációs sémák, mint például az FSK és a PSK a legalkalmasabbak a műholdas kommunikációra, mert minimalizálják a nemlineáris erősítés hatását a nagy teljesítményű erősítőben. A 2. ábra a bináris PSK (BPSK), a kvadratúra PSK (QPSK) és a 8PSK konstellációs diagramjait szemlélteti. Ezek szimbólumonként 1, 2 és 3 bitet továbbítanak, ennek megfelelően. A magasabb rendű PSK esetében a konstellációs pontok közelebb vannak egymáshoz, és a rendszer érzékenyebb a csatornahibákra. Az FSK esetében a 4FSK (2 bit szimbólumonként) nagyobb spektrális hatékonysággal rendelkezik, mint a 2FSK, de a kisebb frekvenciaeltérés rossz érzékenységet okoz a vevőben.
Nonkonstans burkoló digitális modulációs sémák
A quadraturális amplitúdómoduláció (QAM) olyan nem konstans moduláció, amely a spektrális hatékonyság növelése érdekében a fázist és az amplitúdót is változtatja. A 3. ábra a 16PSK és a 16QAM konstellációs diagramját szemlélteti. A 16QAM növeli a konstellációs pontok közötti távolságot, és jobban ellenáll a jelkárosításoknak. A 16QAM azonban az amplitúdószinteket is háromra (gyűrűkre) növeli a 16PSK-hoz képest. Az RF teljesítményerősítők szélesebb lineáris tartományt igényelnek a nem konstans modulációs sémákhoz.
A műholdas berendezéseknek képesnek kell lenniük nagy teljesítményszintű adásra, miközben nagy kimeneti linearitást tartanak fenn. Emellett a magasabb modulációs sémák nagyobb adatátvitelt tesznek lehetővé, de érzékenyek a jelkárosodásokra.
A nemlineáris torzítás ellenállása APSK-val
A műholdas kommunikáció a nemlineáris torzításnak való ellenállás érdekében amplitúdó-fáziseltolásos billentyűzést (APSK) alkalmaz. A 4. ábra az APSK és a QAM modulációs sémák konstellációs diagramját szemlélteti. Az APSK állapotai gyűrűkben helyezkednek el úgy, hogy az amplitúdótömörítés egy adott gyűrűben azonos. A 16APSK konstellációnak csak két amplitúdója (gyűrűje) van, míg a 16QAM három amplitúdóval rendelkezik. A 32APSK konstelláció három amplitúdóval rendelkezik, szemben a 32QAM öt amplitúdójával. A több amplitúdószint miatt a gyűrűk közelebb vannak egymáshoz, és nehezebb a nemlinearitások kompenzálása.
Az APSK-modulációnak számos változó paramétere van, mint például a gyűrűk száma, a szimbólumok száma egy gyűrűn és a gyűrűk közötti távolság. A tervező egyensúlyt is elérhet az alacsonyabb csúcs-átlagteljesítmény arány (PAPR) és a torzítással szembeni jobb ellenállás között.
Az adatátviteli sebesség növelése OFDM használatával
Az ortogonális frekvenciaosztásos multiplexelés (OFDM) egy digitális többhordozós technika, amely számos egyedi előnnyel rendelkezik az egyhordozós megközelítésekkel szemben. A technikát számos szélessávú vezeték nélküli kommunikációs szabvány, például a 4G/5G, a Wi-Fi, a földi és műholdas kommunikációs rendszerek digitális videóközvetítése során alkalmazták.
Az OFDM sok szorosan egymáshoz közeli ortogonális segédhordozó jelet használ az adatok párhuzamos továbbítására. Ez az eljárás jobb spektrális hatékonyságot biztosít, mint a hagyományos digitális modulációs sémák, például a QAM és a PSK, és robusztusságot a csatorna lineáris torzításával szemben. Az 5. ábra egyetlen OFDM-hordozót (a bal oldali ábra) és több altartót (a jobb oldali ábra) mutat. Az egyes segédhordozók csúcsa a többi segédhordozó zérusátmeneteinél jelentkezik. A jel ortogonális a frekvenciatartományban, és az egyes segédhordozók nem zavarják a többit. Az altartók különböző modulációs formátumokat és csatornakódolást alkalmazhatnak, az egyes altartók zaj- és interferenciaszintjétől függően, amelyek robusztus kommunikációs kapcsolatot biztosítanak.
Az OFDM jel azonban magasabb PAPR-rel rendelkezik, mint a hagyományos modulációs sémák, ami nagy visszalépést igényel a nagy kimeneti teljesítményszintű tömörítés elkerülése érdekében. A nagy teljesítményű erősítő által generált nemlineáris hatások több torzítást vihetnek be a műholdas rendszerbe, ami rendszerhibát okozhat. Ezért a műholdas RF-összetevők torzítási teljesítményének jellemzése elengedhetetlen a jó rendszertervezéshez.
Vonatkozás
A legtöbb kommunikációs rendszer optimalizálja a rendszertervek hatékonyságát, beleértve a spektrumot, a teljesítményt és a költségeket. A műholdas kommunikáció modulációs sémáinak kiválasztása a kommunikációs csatornáktól, a hardveres korlátozásoktól és az adatátviteli követelményektől függ.
Az egyedi APSK és OFDM modulációs sémák is kihívást jelentenek a tesztelésben – egyedi, saját modulációs sémák generálása és elemzése. A következő bejegyzésben arról lesz szó, hogyan lehet egyszerűsíteni az egyedi jelek generálását és elemzését.