より高速なデータスループットに対する強い要求により、衛星通信は高次変調方式を使用して、スペクトル効率を向上させます。 しかし、大きな経路損失、遅延、ドップラーシフトなどの衛星チャネル障害は、衛星ネットワークの実現に厳しい課題を突きつけている。 衛星通信のための変調技術には、データレートの高速化だけでなく、チャネル障害の影響を最小化することも求められています。 この記事では、最新の衛星通信のための変調技術について説明します。
衛星通信の要件
デジタル変調システムでは、ベクトル信号は、キャリア信号の大きさ、位相、またはそれらのいくつかの組み合わせを変更することにあることができます。 最も基本的なデジタル変調方式は、振幅シフト・キーイング（ASK）、位相シフト・キーイング（PSK）、周波数シフト・キーイング（FSK）、直交振幅変調（QAM）です。
衛星通信では、RF電力アンプは変換効率を最大化するためにしばしばその圧縮レベルで動作します。 圧縮レベルで動作させると、図1に示すように、AM/AMおよびAM/PMの歪みが発生します。 例えば、I/Qコンスタレーション外周点は出力電力レベルが高く、RF電力増幅器の出力電力が飽和するため、圧縮がかかるのです。 このように、非線形増幅器には、歪みに対して耐性のある変調方式が必要です。 また、出力電力が高くなると、信号に対するノイズが多くなります。
定包絡線デジタル変調方式
FSKやPSKなどの定包絡線変調方式は、高出力増幅器の非線形増幅による影響を最小限に抑えるため衛星通信に最も適している方式である。 図2に2値PSK（BPSK）、直交PSK（QPSK）、8PSKのコンステレーション図を示す。 1シンボルあたり1ビット、2ビット、3ビットを伝送する。 高次のPSKでは、コンスタレーションポイントが互いに近くなり、チャネル障害に対してより敏感になります。 FSKの場合、4FSK（2ビット/シンボル）は2FSKのものよりスペクトル効率が高いが、周波数偏差が小さいため、受信機の感度が悪くなる。
非定常エンベロープデジタル変調方式
直交振幅変調（QAM）は、位相と振幅の両方を変化させてスペクトル効率を高める非定常変調である。 図3は、16PSKと16QAMのコンスタレーション図である。 16QAMは、コンスタレーションポイント間の距離が長くなり、信号の障害に対する耐性が高くなります。 しかし、16QAMは16PSKに比べ、振幅レベルが3（リング）に増加することも事実です。 RF電力増幅器は、非定常変調方式に対してより広い線形範囲を必要とします。
衛星機器は、高い出力直線性を維持しながら、高い出力レベルで送信できることが要求されます。 また、高い変調方式は高いデータスループットを可能にしますが、信号の障害に敏感です。
Resist Nonlinear Distortion with APSK
衛星通信では、非線形歪みに耐えるためにAPSK (amplitude phase-shift keying) を採用しています。 図4は、APSKとQAM変調方式のコンステレーション図です。 APSKの状態はリング状になっており、特定のリングで振幅圧縮が同じになるようになっています。 16APSKのコンスタレーションは2つの振幅（リング）しかありませんが、16QAMは3つの振幅を持ちます。 32APSKコンステレーションは3つの振幅を持つのに対し、32QAMは5つの振幅を持ちます。 4079>
リングの数、リング上のシンボルの数、リング間の間隔など、APSK変調の可変パラメータがいくつかあります。 設計者は、より低いピーク対平均電力比 (PAPR) とより優れた歪み抵抗のバランスをとることもできます。
Enhance Data Rate Using OFDM
直交周波数分割多重 (OFDM) はデジタル マルチキャリア技術で、シングルキャリアのアプローチに対して多くの独自の利点を備えています。 この技術は、4G/5G、Wi-Fi、地上波および衛星通信システムのデジタルビデオ放送など、多くのブロードバンド無線通信規格に採用されています。
OFDMでは、多数の間隔の狭い直交サブキャリア信号を使用して、データを並行して伝送します。 このプロセスは、QAMやPSKなどの従来のデジタル変調方式よりも優れたスペクトル効率と、チャネルの線形歪みに対する堅牢性を提供します。 図5は、1つのOFDMキャリア（左のプロット）と複数のサブキャリア（右のプロット）を示しています。 各サブキャリアのピークは、他のサブキャリアのゼロクロスで発生します。 この信号は周波数領域で直交しており、各サブキャリアは他のキャリアと干渉しません。 サブキャリアは、堅牢な通信リンクを提供する個々のサブバンドのノイズと干渉レベルに応じて、異なる変調形式とチャネルコーディングを適用できます。
しかし、OFDM信号は従来の変調方式よりもPAPRが高く、高い出力電力レベルでの圧縮を避けるために大きなバックオフが必要です。 大電力増幅器で発生する非線形効果は、衛星システムにさらなる歪みをもたらし、システム障害の原因となる可能性があります。 したがって、衛星RFコンポーネントの歪み性能を特性化することは、良いシステム設計を行うために不可欠である。
Conclusion
ほとんどの通信システムは、スペクトル、電力、コストなどのシステム設計における効率を最適化している。 衛星通信用の変調方式の選択は、通信チャネル、ハードウェアの制限、およびデータ スループット要件に依存します。
また、カスタム APSK および OFDM 変調方式の両方は、カスタム、独自の変調方式の生成と分析というテストの課題をもたらしています。 次回は、カスタム信号の生成と解析を簡素化する方法について説明します
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