Com forte demanda por uma maior velocidade de transmissão de dados, as comunicações via satélite utilizam esquemas de modulação de alta ordem para melhorar sua eficiência espectral. No entanto, as deficiências dos canais de satélite, tais como grandes perdas de caminho, atrasos e turnos Doppler, representam sérios desafios para a realização de uma rede de satélite. As técnicas de modulação para as comunicações por satélite requerem não só velocidades de dados mais rápidas, mas também a minimização dos impactos das deficiências dos canais. Este post discute as técnicas de modulação para as comunicações por satélite modernas.

As exigências das comunicações por satélite

Nos sistemas de modulação digital, um sinal vetorial pode estar na mudança da magnitude do sinal portador, fase, ou alguma combinação destas. Os esquemas de modulação digital mais fundamentais são o teclado de mudança de amplitude (ASK), o teclado de mudança de fase (PSK), o teclado de mudança de frequência (FSK) e a modulação de amplitude em quadratura (QAM).

Na transmissão por satélite, os amplificadores de potência de RF muitas vezes operam em seus níveis de compressão para maximizar a eficiência de conversão. A operação em níveis de compressão causa distorção AM/AM e AM/PM, como mostrado na Figura 1. Por exemplo, os pontos externos da constelação I/Q têm níveis de potência de saída mais altos, e a compressão é devido à potência de saída saturada no amplificador de potência de RF. Assim, os amplificadores não lineares requerem um esquema de modulação tolerante à distorção. Além disso, a maior potência de saída cria mais ruído ao sinal.

Esquemas de Modulação Digital de Envelope Constante

Os esquemas de modulação de envelope constante como FSK e PSK são os mais adequados para comunicações via satélite porque minimizam o efeito da amplificação não linear no amplificador de alta potência. A Figura 2 ilustra os diagramas de constelação do PSK binário (BPSK), PSK quadratura (QPSK) e 8PSK. Eles transmitem 1, 2, e 3 bits por símbolo, de forma correspondente. Para PSK de ordem superior, os pontos da constelação estão mais próximos uns dos outros, e o sistema é mais sensível a deficiências de canal. Para FSK, 4FSK (2 bits por símbolo) tem maior eficiência espectral que 2FSK, mas o menor desvio de frequência causará uma má sensibilidade no receptor.

Esquemas de Modulação Digital de Envelope Não-Constante

Modulação de amplitude em quadratura (QAM) é uma modulação nãoconstante que altera tanto a fase como a amplitude para aumentar a eficiência espectral. A figura 3 ilustra o diagrama de constelação de 16PSK e 16QAM. O 16QAM aumenta a distância entre os pontos da constelação e tem melhor resistência às deficiências de sinal. Entretanto, o 16QAM também aumenta os níveis de amplitude para três (anéis) em comparação com o 16PSK. Os amplificadores de potência RF requerem uma faixa linear mais ampla para esquemas de modulação nãoconstante.

Os equipamentos de satélite devem ser capazes de transmitir a um alto nível de potência, mantendo uma alta linearidade de saída. Além disso, os esquemas de modulação mais elevados permitem uma maior taxa de transmissão de dados, mas são sensíveis a perturbações do sinal.

Resistente a Distorção Não Linear com APSK

Comunicações via satélite empregam chaveamento de mudança de fase de amplitude (APSK) para resistir a distorções não lineares. A figura 4 ilustra um diagrama de constelação para esquemas de modulação APSK e QAM. Os estados do APSK estão em anéis de forma que a compressão de amplitude é a mesma em um anel específico. A constelação 16APSK tem apenas duas amplitudes (anéis), enquanto que a 16QAM tem três amplitudes. A constelação 32APSK tem três amplitudes contra cinco no 32QAM. Mais níveis de amplitude tornam os anéis mais próximos entre si e mais difíceis de compensar as não linearidades.

Existem vários parâmetros variáveis para a modulação APSK como o número de anéis, número de símbolos em um anel, e espaçamento entre anéis. Um projetista também pode alcançar um equilíbrio entre uma relação de potência de pico para média mais baixa (PAPR) e uma melhor resistência à distorção.

Enhance Data Rate Using OFDM

The orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) é uma técnica digital multiportadora que possui muitas vantagens únicas sobre as abordagens de uma única portadora. A técnica tem sido adotada para muitos padrões de comunicação sem fio de banda larga, tais como 4G/5G, Wi-Fi, transmissão de vídeo digital para sistemas de comunicação terrestre e via satélite.

OFDM usa muitos sinais de subportadoras ortogonais estreitamente espaçados para transmitir dados em paralelo. Esse processo proporciona melhor eficiência espectral do que os esquemas tradicionais de modulação digital, como QAM e PSK, e robustez contra distorções lineares dos canais. A Figura 5 mostra uma única portadora OFDM (o gráfico da esquerda) e múltiplas subportadoras (o gráfico da direita). O pico de cada subportadora ocorre em cruzamentos zero das outras. O sinal é ortogonal no domínio da frequência, e cada subportadora não interfere com as outras. As subtransportadoras podem aplicar diferentes formatos de modulação e codificação de canais, dependendo do nível de ruído e interferência de sub-bandas individuais que fornecem um link de comunicação robusto.

No entanto, o sinal OFDM tem um PAPR superior aos esquemas tradicionais de modulação, exigindo um grande recuo para evitar a compressão a um alto nível de potência de saída. Os efeitos não lineares gerados pelo amplificador de alta potência podem introduzir mais distorções em um sistema de satélite que cause uma falha no sistema. Portanto, caracterizar o desempenho de distorção dos componentes de RF do satélite é essencial para fazer um bom projeto de sistema.

Conclusão

A maioria dos sistemas de comunicação otimiza a eficiência nos projetos de sistema, incluindo espectros, potência e custo. A seleção de esquemas de modulação para comunicações via satélite depende dos canais de comunicação, limitações de hardware e requisitos de transmissão de dados.

Tambem, ambos esquemas de modulação personalizados APSK e OFDM trazem desafios de teste – gerando e analisando esquemas de modulação personalizados e proprietários. No próximo post, discutiremos como simplificar a geração e análise do sinal personalizado.