Insights > RF + Microwave

Met een sterke vraag naar snellere datadoorvoer, gebruikt satellietcommunicatie modulatieschema’s van hoge orde om hun spectrale efficiëntie te verbeteren. Echter, satelliet kanaal impairments zoals grote pad verliezen, vertragingen, en Doppler verschuivingen vormen ernstige uitdagingen voor de realisatie van een satelliet-netwerk. De modulatietechnieken voor satellietcommunicatie vereisen niet alleen hogere datasnelheden, maar ook een minimalisering van de invloed van de kanaalstoringen. Dit bericht bespreekt de modulatietechnieken voor moderne satellietcommunicatie.

De vereisten van satellietcommunicatie

In digitale modulatiesystemen kan een vectorsignaal zijn in het veranderen van de magnitude van het draaggolfsignaal, de fase, of een combinatie daarvan. De meest fundamentele digitale modulatieschema’s zijn amplitude-shift keying (ASK), fase-shift keying (PSK), frequentie-shift keying (FSK), en kwadratuuramplitude-modulatie (QAM).

In satelliettransmissie werken RF-vermogensversterkers vaak op hun compressieniveaus om de omzettingsefficiëntie te maximaliseren. Het werken op compressieniveaus veroorzaakt AM/AM- en AM/PM-vervorming, zoals weergegeven in figuur 1. De buitenste punten van de I/Q-constellatie hebben bijvoorbeeld hogere uitgangsvermogensniveaus, en de compressie is het gevolg van het verzadigde uitgangsvermogen in de RF-vermogensversterker. Niet-lineaire versterkers vereisen dus een modulatieschema dat tolerant is ten aanzien van vervorming. Ook zorgt het hogere uitgangsvermogen voor meer ruis in het signaal.

Figuur 1. AM/AM- en AM/PM-effecten op een 64QAM-signaal

Constant Envelope Digital Modulation Schemes

De constant envelope-modulatieschema’s zoals FSK en PSK zijn het meest geschikt voor satellietcommunicatie omdat zij het effect van niet-lineaire versterking in de hoogvermogenversterker tot een minimum beperken. Figuur 2 illustreert de constellatieschema’s van binaire PSK (BPSK), kwadratuur PSK (QPSK), en 8PSK. Zij zenden respectievelijk 1, 2 en 3 bits per symbool uit. Voor PSK van een hogere orde liggen de constellatiepunten dichter bij elkaar, en is het systeem gevoeliger voor kanaalstoringen. Voor FSK heeft 4FSK (2 bits per symbool) een hogere spectrale efficiëntie dan 2FSK, maar de kleinere frequentieafwijking leidt tot een slechte gevoeligheid in de ontvanger.

Constellatieschema van modulatieschema's van hogere orde
Figuur 2. Constellatieschema van modulatieschema’s van hogere orde

Nonconstante Envelope Digital Modulation Schemes

Quadrature amplitude modulatie (QAM) is een niet-constante modulatie die zowel de fase als de amplitude verandert om de spectrale efficiëntie te verhogen. Figuur 3 illustreert het constellatieschema van 16PSK en 16QAM. 16QAM vergroot de afstand tussen de constellatiepunten en is beter bestand tegen signaalstoringen. In vergelijking met 16PSK verhoogt 16QAM echter ook de amplitudeniveaus tot drie (ringen). RF-vermogenversterkers hebben een groter lineair bereik nodig voor niet-constante modulatieschema’s.

Constellatieschema van 16PSK en 16QAM
Figuur 3. Constellatieschema van 16PSK en 16QAM

Satellietapparatuur moet bij een hoog vermogen kunnen zenden met behoud van een hoge uitvoerlineariteit. Bovendien maken de hogere modulatieschema’s een hogere gegevensdoorvoer mogelijk, maar zijn zij gevoelig voor signaalstoringen.

Verweersta niet-lineaire vervorming met APSK

Satellietcommunicatie maakt gebruik van amplitude phase-shift keying (APSK) om niet-lineaire vervorming te weerstaan. Figuur 4 illustreert een constellatieschema voor APSK- en QAM-modulatieschema’s. De toestanden van APSK liggen in ringen, zodat de amplitudecompressie in een specifieke ring gelijk is. De 16APSK-constellatie heeft slechts twee amplitudes (ringen), terwijl 16QAM drie amplitudes heeft. De 32APSK-constellatie heeft drie amplitudes tegenover vijf in 32QAM. Meer amplitudeniveaus maken de ringen dichter bij elkaar en moeilijker te compenseren voor niet-lineariteiten.

Opstellingsdiagrammen voor APSK-schema's en overeenkomstige QAM-indelingen
Figuur 4. Constellatieschema’s voor APSK-schema’s en overeenkomstige QAM-indelingen

Er zijn verschillende variabele parameters voor APSK-modulatie, zoals het aantal ringen, het aantal symbolen op een ring en de afstand tussen de ringen. Een ontwerper kan ook een evenwicht bereiken tussen een lagere peak-to-average power ratio (PAPR) en een betere weerstand tegen vervorming.

Verhoog de datasnelheid met OFDM

De orthogonale frequentieverdelingsmultiplexing (OFDM) is een digitale multi-carrier techniek die vele unieke voordelen biedt ten opzichte van single-carrier benaderingen. De techniek wordt gebruikt voor veel draadloze breedbandcommunicatienormen, zoals 4G/5G, Wi-Fi en digitale video-uitzendingen voor terrestrische en satellietcommunicatiesystemen.

OFDM gebruikt veel dicht bij elkaar geplaatste orthogonale subcarriersignalen om gegevens parallel te verzenden. Dat proces biedt een betere spectrale efficiëntie dan traditionele digitale modulatiesystemen, zoals QAM en PSK, en robuustheid tegen lineaire kanaalvervorming. Figuur 5 toont een enkele OFDM-draaggolf (de linker figuur) en meerdere subdraaggolven (de rechter figuur). De piek van elke subcarrier treedt op bij nuldoorgangen van de andere. Het signaal is orthogonaal in het frequentiedomein, en elke subcarrier interfereert niet met de andere. De subdragers kunnen verschillende modulatieformaten en kanaalcoderingen toepassen, afhankelijk van het ruis- en interferentieniveau van de afzonderlijke subbanden, waardoor een robuuste communicatieverbinding ontstaat.

Het spectrum van een enkele OFDM-draaggolf en meerdere subdraaggolven
Figuur 5. Het spectrum van een enkele OFDM-draaggolf en meerdere subdraaggolven

Het OFDM-signaal heeft echter een hogere PAPR dan traditionele modulatiesystemen, waardoor een grote back-off nodig is om compressie bij een hoog uitgangsvermogen te voorkomen. Niet-lineaire effecten die worden gegenereerd door de versterker met het hoge vermogen kunnen meer vervorming introduceren in een satellietsysteem dat een systeemstoring veroorzaakt. Daarom is het karakteriseren van de vervormingsprestaties van satelliet RF-componenten essentieel voor het maken van een goed systeemontwerp.

Conclusie

De meeste communicatiesystemen optimaliseren de efficiëntie in systeemontwerpen, met inbegrip van spectrale, vermogen, en kosten. De keuze van modulatieschema’s voor satellietcommunicatie hangt af van de communicatiekanalen, hardwarebeperkingen en gegevensdoorvoervereisten.

Ook brengen zowel aangepaste APSK- als OFDM-modulatieschema’s testuitdagingen met zich mee – het genereren en analyseren van aangepaste, bedrijfseigen modulatieschema’s. In de volgende post zullen we bespreken hoe we het genereren en analyseren van aangepaste signalen kunnen vereenvoudigen.