W związku z dużym zapotrzebowaniem na większą przepustowość danych, w komunikacji satelitarnej stosuje się schematy modulacji wysokiego rzędu w celu poprawy wydajności spektralnej. Jednakże, satelitarne zakłócenia kanału, takie jak duże straty w ścieżce, opóźnienia i przesunięcia Dopplera stanowią poważne wyzwania dla realizacji sieci satelitarnej. Techniki modulacji dla komunikacji satelitarnej wymaga nie tylko szybsze prędkości danych, ale także minimalizacji wpływu zakłóceń kanału. Ten post omawia techniki modulacji dla nowoczesnej komunikacji satelitarnej.

Wymagania komunikacji satelitarnej

W cyfrowych systemach modulacji, sygnał wektorowy może być w zmianie sygnału nośnego w magnitudzie, fazie, lub niektóre kombinacje tych. Najbardziej podstawowe schematy modulacji cyfrowej to kluczowanie z przesunięciem amplitudy (ASK), kluczowanie z przesunięciem fazy (PSK), kluczowanie z przesunięciem częstotliwości (FSK) i kwadraturowa modulacja amplitudy (QAM).

W transmisji satelitarnej, wzmacniacze mocy RF często działają na poziomach kompresji, aby zmaksymalizować wydajność konwersji. Praca na poziomach kompresji powoduje zniekształcenia AM/AM i AM/PM, jak pokazano na rysunku 1. Na przykład, zewnętrzne punkty konstelacji I/Q mają wyższe poziomy mocy wyjściowej, a kompresja jest ze względu na nasycenie mocy wyjściowej we wzmacniaczu mocy RF. Dlatego wzmacniacze nieliniowe wymagają schematu modulacji odpornego na zniekształcenia. Ponadto, wyższa moc wyjściowa powoduje większy szum w sygnale.

Schematy modulacji cyfrowej o stałej obwiedni

Schematy modulacji o stałej obwiedni, takie jak FSK i PSK, są najbardziej odpowiednie do komunikacji satelitarnej, ponieważ minimalizują efekt nieliniowego wzmocnienia we wzmacniaczu dużej mocy. Rysunek 2 ilustruje schematy konstelacji binarnego PSK (BPSK), kwadraturowego PSK (QPSK) i 8PSK. Przesyłają one odpowiednio 1, 2 i 3 bity na symbol. Dla PSK wyższego rzędu, punkty konstelacji są bliżej siebie, a system jest bardziej wrażliwy na zakłócenia kanału. Dla FSK, 4FSK (2 bity na symbol) ma wyższą efektywność spektralną niż 2FSK, ale mniejsza dewiacja częstotliwości spowoduje złą czułość odbiornika.

Schematy modulacji cyfrowej o niestałej obwiedni

Kwadraturowa modulacja amplitudy (QAM) jest modulacją niestałą, która zmienia zarówno fazę, jak i amplitudę w celu zwiększenia wydajności widmowej. Rysunek 3 ilustruje diagram konstelacji 16PSK i 16QAM. 16QAM zwiększa odległość między punktami konstelacji i ma lepszą odporność na zakłócenia sygnału. Jednak 16QAM zwiększa również poziomy amplitudy do trzech (pierścieni) w porównaniu z 16PSK. Wzmacniacze mocy RF wymagają szerszego zakresu liniowego dla niestałych schematów modulacji.

Urządzenia satelitarne muszą być zdolne do nadawania z dużą mocą przy zachowaniu wysokiej liniowości wyjścia. Ponadto, wyższe schematy modulacji umożliwiają większą przepustowość danych, ale są wrażliwe na zakłócenia sygnału.

Odporność na zniekształcenia nieliniowe dzięki APSK

Komunikacja satelitarna wykorzystuje kluczowanie z przesunięciem fazy amplitudy (APSK) w celu zapewnienia odporności na zniekształcenia nieliniowe. Rysunek 4 ilustruje diagram konstelacji dla APSK i schematów modulacji QAM. Stany APSK są w pierścieniach, tak że kompresja amplitudy jest taka sama w określonym pierścieniu. Konstelacja 16APSK ma tylko dwie amplitudy (pierścienie), podczas gdy 16QAM ma trzy amplitudy. Konstelacja 32APSK ma trzy amplitudy w porównaniu z pięcioma w 32QAM. Więcej poziomów amplitudy powoduje, że pierścienie są bliżej siebie i trudniej jest skompensować nieliniowości.

Istnieje kilka zmiennych parametrów modulacji APSK, takich jak liczba pierścieni, liczba symboli w pierścieniu i odstępy między pierścieniami. Projektant może również osiągnąć równowagę między niższym współczynnikiem mocy szczytowej do średniej (PAPR) a lepszą odpornością na zniekształcenia.

Zwiększanie szybkości transmisji danych za pomocą OFDM

Ortogonalne dzielenie częstotliwości (OFDM) jest cyfrową techniką wielodostępu do nośnej, która posiada wiele unikalnych zalet w porównaniu z metodami jednodostępu do nośnej. Technika ta została przyjęta dla wielu szerokopasmowych standardów komunikacji bezprzewodowej, takich jak 4G/5G, Wi-Fi, cyfrowy przekaz wideo dla naziemnych i satelitarnych systemów komunikacyjnych.

OFDM wykorzystuje wiele ściśle rozmieszczonych ortogonalnych sygnałów podnośnych do równoległej transmisji danych. Proces ten zapewnia lepszą wydajność spektralną niż tradycyjne schematy modulacji cyfrowej, takie jak QAM i PSK, oraz odporność na zniekształcenia liniowe kanału. Rysunek 5 przedstawia pojedynczą nośną OFDM (lewy wykres) i wiele podnośnych (prawy wykres). Szczyt każdej z podnośnych występuje przy zerowych przecięciach pozostałych. Sygnał jest ortogonalny w dziedzinie częstotliwości, a każda podnośna nie zakłóca pozostałych. W podnośnych można stosować różne formaty modulacji i kodowania kanału, w zależności od poziomu szumów i zakłóceń w poszczególnych podzakresach, które zapewniają solidne łącze komunikacyjne.

Sygnał OFDM ma jednak wyższy PAPR niż tradycyjne schematy modulacji, co wymaga dużego back offu, aby uniknąć kompresji przy wysokim poziomie mocy wyjściowej. Efekty nieliniowe generowane przez wzmacniacz dużej mocy mogą wprowadzać więcej zniekształceń do systemu satelitarnego, co powoduje awarię systemu. Dlatego charakterystyka zniekształceń elementów satelitarnych RF jest niezbędna do wykonania dobrego projektu systemu.

Wniosek

Większość systemów komunikacyjnych optymalizuje wydajność w projektach systemów, w tym spektralne, moc i koszty. Wybór schematów modulacji dla komunikacji satelitarnej zależy od kanałów komunikacyjnych, ograniczeń sprzętowych i wymagań dotyczących przepustowości danych.

Również, zarówno niestandardowe schematy modulacji APSK i OFDM przynoszą wyzwania testowe – generowanie i analiza niestandardowych, własnych schematów modulacji. W następnym poście omówimy, jak uprościć generowanie i analizę niestandardowych sygnałów.