Con la forte domanda di un più veloce throughput dei dati, le comunicazioni satellitari utilizzano schemi di modulazione di alto ordine per migliorare la loro efficienza spettrale. Tuttavia, i problemi dei canali satellitari come le grandi perdite di percorso, i ritardi e gli spostamenti Doppler pongono gravi sfide alla realizzazione di una rete satellitare. Le tecniche di modulazione per le comunicazioni satellitari richiedono non solo una maggiore velocità di trasmissione dei dati, ma anche la minimizzazione degli impatti dei disturbi del canale. Questo post discute le tecniche di modulazione per le moderne comunicazioni satellitari.

I requisiti delle comunicazioni satellitari

Nei sistemi di modulazione digitale, un segnale vettoriale può essere nel cambiare la grandezza del segnale portante, la fase, o qualche combinazione di questi. Gli schemi di modulazione digitale più fondamentali sono amplitude-shift keying (ASK), phase-shift keying (PSK), frequency-shift keying (FSK) e quadrature amplitude modulation (QAM).

Nella trasmissione satellitare, gli amplificatori di potenza RF spesso operano ai loro livelli di compressione per massimizzare l’efficienza di conversione. Il funzionamento ai livelli di compressione causa la distorsione AM/AM e AM/PM, come mostrato nella Figura 1. Per esempio, i punti esterni della costellazione I/Q hanno livelli di potenza di uscita più alti, e la compressione è dovuta alla potenza di uscita satura nell’amplificatore di potenza RF. Quindi, gli amplificatori non lineari richiedono uno schema di modulazione tollerante alla distorsione. Inoltre, la maggiore potenza di uscita crea più rumore al segnale.

Schemi di modulazione digitale ad inviluppo costante

Gli schemi di modulazione ad inviluppo costante come FSK e PSK sono i più adatti alle comunicazioni satellitari perché minimizzano l’effetto dell’amplificazione non lineare nell’amplificatore ad alta potenza. La figura 2 illustra i diagrammi di costellazione di PSK binaria (BPSK), PSK in quadratura (QPSK) e 8PSK. Essi trasmettono 1, 2 e 3 bit per simbolo, in modo corrispondente. Per PSK di ordine superiore, i punti di costellazione sono più vicini l’uno all’altro, e il sistema è più sensibile ai disturbi del canale. Per FSK, 4FSK (2 bit per simbolo) ha un’efficienza spettrale più alta di quella di 2FSK, ma la minore deviazione di frequenza causerà una cattiva sensibilità nel ricevitore.

Schemi di modulazione digitale ad inviluppo non costante

La modulazione di ampiezza in quadratura (QAM) è una modulazione non costante che cambia sia fase che ampiezza per aumentare l’efficienza spettrale. La figura 3 illustra il diagramma di costellazione di 16PSK e 16QAM. 16QAM aumenta la distanza tra i punti di costellazione e ha una migliore resistenza ai disturbi del segnale. Tuttavia, 16QAM aumenta anche i livelli di ampiezza a tre (anelli) rispetto a 16PSK. Gli amplificatori di potenza RF richiedono una gamma lineare più ampia per schemi di modulazione non costante.

L’attrezzatura satellitare deve essere capace di trasmettere ad un alto livello di potenza mantenendo un’alta linearità di uscita. Inoltre, gli schemi di modulazione più alti permettono un più alto throughput di dati ma sono sensibili ai disturbi del segnale.

Resistere alla distorsione non lineare con APSK

Le comunicazioni satellitari impiegano l’amplitude phase-shift keying (APSK) per resistere alla distorsione non lineare. La figura 4 illustra un diagramma di costellazione per gli schemi di modulazione APSK e QAM. Gli stati dell’APSK sono in anelli tali che la compressione dell’ampiezza è la stessa in un anello specifico. La costellazione 16APSK ha solo due ampiezze (anelli), mentre 16QAM ha tre ampiezze. La costellazione 32APSK ha tre ampiezze contro le cinque del 32QAM. Più livelli di ampiezza rendono gli anelli più vicini tra loro e più difficili da compensare per le non linearità.

Ci sono diversi parametri variabili per la modulazione APSK come il numero di anelli, il numero di simboli su un anello, e la spaziatura tra gli anelli. Un progettista può anche raggiungere un equilibrio tra un più basso rapporto di potenza picco-media (PAPR) e una migliore resistenza alla distorsione.

Migliorare il tasso di dati usando OFDM

La multiplazione ortogonale a divisione di frequenza (OFDM) è una tecnica digitale multi-carrier che possiede molti vantaggi unici rispetto agli approcci a singola portante. La tecnica è stata adottata per molti standard di comunicazione wireless a banda larga, come 4G/5G, Wi-Fi, trasmissione video digitale per sistemi di comunicazione terrestri e satellitari.

OFDM usa molti segnali a sottoportante ortogonale strettamente distanziati per trasmettere dati in parallelo. Questo processo fornisce una migliore efficienza spettrale rispetto ai tradizionali schemi di modulazione digitale, come QAM e PSK, e robustezza contro la distorsione lineare del canale. La Figura 5 mostra una singola portante OFDM (il grafico a sinistra) e più sottoportanti (il grafico a destra). Il picco di ogni sottoportante si verifica agli incroci dello zero degli altri. Il segnale è ortogonale nel dominio della frequenza, e ogni sottoportante non interferisce con le altre. Le sottoportanti possono applicare diversi formati di modulazione e codifica di canale, a seconda del rumore e del livello di interferenza delle singole sottobande che forniscono un robusto collegamento di comunicazione.

Tuttavia, il segnale OFDM ha un PAPR più alto degli schemi di modulazione tradizionali, richiedendo un grande back off per evitare la compressione ad un alto livello di potenza di uscita. Gli effetti non lineari generati dall’amplificatore ad alta potenza possono introdurre più distorsioni in un sistema satellitare che causa un fallimento del sistema. Pertanto, caratterizzare le prestazioni di distorsione dei componenti RF del satellite è essenziale per fare una buona progettazione del sistema.

Conclusione

La maggior parte dei sistemi di comunicazione ottimizza le efficienze nei progetti di sistema, compresi spettro, potenza e costi. La selezione degli schemi di modulazione per le comunicazioni satellitari dipende dai canali di comunicazione, dalle limitazioni dell’hardware e dai requisiti di throughput dei dati.

Inoltre, entrambi gli schemi di modulazione APSK e OFDM personalizzati comportano delle sfide di test – generare e analizzare schemi di modulazione personalizzati e proprietari. Nel prossimo post, discuteremo su come semplificare la generazione e l’analisi del segnale personalizzato.

Per quanto riguarda il test, il test si basa sulla generazione e l’analisi del segnale.