Con la fuerte demanda de un rendimiento de datos más rápido, las comunicaciones por satélite utilizan esquemas de modulación de alto orden para mejorar su eficiencia espectral. Sin embargo, las deficiencias del canal de los satélites, como las grandes pérdidas de trayecto, los retrasos y los desplazamientos Doppler, plantean graves problemas para la realización de una red de satélites. Las técnicas de modulación para las comunicaciones por satélite no sólo requieren velocidades de datos más rápidas, sino también minimizar el impacto de las deficiencias del canal. En este artículo se analizan las técnicas de modulación para las comunicaciones por satélite modernas.
Los requisitos de las comunicaciones por satélite
En los sistemas de modulación digital, una señal vectorial puede estar en cambiar la magnitud de la señal portadora, la fase o alguna combinación de ellas. Los esquemas de modulación digital más fundamentales son la modulación por desplazamiento de amplitud (ASK), la modulación por desplazamiento de fase (PSK), la modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK) y la modulación de amplitud en cuadratura (QAM).
En la transmisión por satélite, los amplificadores de potencia de RF suelen funcionar a sus niveles de compresión para maximizar la eficacia de la conversión. El funcionamiento a niveles de compresión provoca distorsión AM/AM y AM/PM, como se muestra en la Figura 1. Por ejemplo, los puntos exteriores de la constelación I/Q tienen niveles de potencia de salida más altos, y la compresión se debe a la saturación de la potencia de salida en el amplificador de potencia de RF. Por tanto, los amplificadores no lineales requieren un esquema de modulación tolerante a la distorsión. Además, la mayor potencia de salida crea más ruido en la señal.
Esquemas de modulación digital de envolvente constante
Los esquemas de modulación de envolvente constante como FSK y PSK son los más adecuados para las comunicaciones por satélite porque minimizan el efecto de la amplificación no lineal en el amplificador de alta potencia. La figura 2 ilustra los diagramas de constelación de PSK binario (BPSK), PSK en cuadratura (QPSK) y 8PSK. Transmiten 1, 2 y 3 bits por símbolo, respectivamente. En el caso de PSK de orden superior, los puntos de constelación están más cerca unos de otros y el sistema es más sensible a las deficiencias del canal. Para FSK, 4FSK (2 bits por símbolo) tiene mayor eficiencia espectral que 2FSK, pero la menor desviación de frecuencia causará una mala sensibilidad en el receptor.
Esquemas de modulación digital de envolvente no constante
La modulación de amplitud en cuadratura (QAM) es una modulación no constante que cambia tanto la fase como la amplitud para aumentar la eficiencia espectral. La figura 3 ilustra el diagrama de constelación de 16PSK y 16QAM. La 16QAM aumenta la distancia entre los puntos de la constelación y tiene mayor resistencia a las deficiencias de la señal. Sin embargo, 16QAM también aumenta los niveles de amplitud a tres (anillos) en comparación con 16PSK. Los amplificadores de potencia de RF requieren un rango lineal más amplio para los esquemas de modulación no constante.
Los equipos de satélite deben ser capaces de transmitir a un alto nivel de potencia manteniendo una alta linealidad de salida. Además, los esquemas de modulación más altos permiten un mayor rendimiento de los datos, pero son sensibles a las deficiencias de la señal.
Resistir la distorsión no lineal con APSK
Las comunicaciones por satélite emplean la modulación por desplazamiento de fase de amplitud (APSK) para resistir la distorsión no lineal. La figura 4 ilustra un diagrama de constelación para los esquemas de modulación APSK y QAM. Los estados de APSK están en anillos de tal manera que la compresión de amplitud es la misma en un anillo específico. La constelación 16APSK tiene sólo dos amplitudes (anillos), mientras que 16QAM tiene tres amplitudes. La constelación 32APSK tiene tres amplitudes frente a las cinco de 32QAM. Más niveles de amplitud hacen que los anillos estén más juntos y sea más difícil compensar las no linealidades.
Hay varios parámetros variables para la modulación APSK, como el número de anillos, el número de símbolos en un anillo y el espaciado entre anillos. Un diseñador también puede alcanzar un equilibrio entre una menor relación pico-potencia media (PAPR) y una mayor resistencia a la distorsión.
Mejora de la velocidad de datos mediante OFDM
La multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM) es una técnica digital multiportadora que posee muchas ventajas únicas sobre los enfoques de una sola portadora. La técnica ha sido adoptada para muchos estándares de comunicación inalámbrica de banda ancha, como 4G/5G, Wi-Fi, difusión de vídeo digital para sistemas de comunicación terrestre y por satélite.
OFDM utiliza muchas señales de subportadora ortogonales poco espaciadas para transmitir datos en paralelo. Este proceso proporciona una mayor eficiencia espectral que los esquemas de modulación digital tradicionales, como QAM y PSK, y robustez frente a la distorsión lineal del canal. La figura 5 muestra una única portadora OFDM (gráfico de la izquierda) y múltiples subportadoras (gráfico de la derecha). El pico de cada subportadora se produce en los cruces de cero de las demás. La señal es ortogonal en el dominio de la frecuencia y cada subportadora no interfiere con las demás. Las subportadoras pueden aplicar diferentes formatos de modulación y codificación de canal, en función del nivel de ruido e interferencia de las subbandas individuales que proporcionan un enlace de comunicación robusto.
Sin embargo, la señal OFDM tiene una PAPR más alta que los esquemas de modulación tradicionales, lo que requiere un gran back off para evitar la compresión a un alto nivel de potencia de salida. Los efectos no lineales generados por el amplificador de alta potencia pueden introducir más distorsiones en un sistema de satélite que provoquen un fallo del sistema. Por lo tanto, la caracterización del rendimiento de la distorsión de los componentes de RF de los satélites es esencial para realizar un buen diseño del sistema.
Conclusión
La mayoría de los sistemas de comunicaciones optimizan las eficiencias en los diseños de los sistemas, incluyendo la espectral, la potencia y el coste. La selección de los esquemas de modulación para las comunicaciones por satélite depende de los canales de comunicación, de las limitaciones del hardware y de los requisitos de rendimiento de los datos.
Además, los esquemas de modulación APSK y OFDM personalizados suponen un reto para las pruebas: generar y analizar esquemas de modulación personalizados y propios. En el próximo artículo hablaremos de cómo simplificar la generación y el análisis de señales personalizadas.