Med stark efterfrågan på snabbare dataöverföring använder satellitkommunikation modulationsscheman med hög ordning för att förbättra sin spektrala effektivitet. Satellitkanalens försämringar såsom stora vägförluster, fördröjningar och dopplerförskjutningar utgör dock allvarliga utmaningar för förverkligandet av ett satellitnätverk. Modulationsteknikerna för satellitkommunikation kräver inte bara högre datahastigheter utan också att man minimerar effekterna av kanalstörningarna. I det här inlägget diskuteras modulationsteknikerna för modern satellitkommunikation.

Kraven på satellitkommunikation

I digitala modulationssystem kan en vektorsignal vara i att ändra bärsignalens magnitud, fas eller någon kombination av dessa. De mest grundläggande digitala moduleringssystemen är amplitude-shift keying (ASK), phase-shift keying (PSK), frequency-shift keying (FSK) och quadrature amplitude modulation (QAM).

I satellittransmission arbetar RF-effektförstärkare ofta på sina komprimeringsnivåer för att maximera omvandlingseffektiviteten. Drift på kompressionsnivåer orsakar AM/AM- och AM/PM-distorsion, vilket visas i figur 1. Till exempel har de yttre punkterna i I/Q-konstellationen högre utgångseffektnivåer, och kompressionen beror på den mättade utgångseffekten i RF-effektförstärkaren. Icke-linjära förstärkare kräver därför ett moduleringsschema som är tolerant mot distorsion. Dessutom skapar den högre utgångseffekten mer brus i signalen.

Konstant envelope digitala moduleringsscheman

De konstanta envelope-moduleringsscheman som FSK och PSK är de mest lämpade för satellitkommunikation eftersom de minimerar effekten av ickelinjär förstärkning i hög effektförstärkaren. Figur 2 illustrerar konstellationsdiagrammen för binär PSK (BPSK), kvadratur PSK (QPSK) och 8PSK. De överför 1, 2 och 3 bitar per symbol. För PSK med högre ordning ligger konstellationspunkterna närmare varandra och systemet är känsligare för kanalstörningar. För FSK har 4FSK (2 bitar per symbol) högre spektral effektivitet än 2FSK, men den mindre frekvensavvikelsen orsakar dålig känslighet i mottagaren.

Nonkonstant hölje digitala moduleringsscheman

Kvadrature amplitudmodulering (QAM) är en icke-konstant modulering som ändrar både fas och amplitud för att öka den spektrala effektiviteten. Figur 3 visar konstellationsdiagrammet för 16PSK och 16QAM. 16QAM ökar avståndet mellan konstellationspunkterna och har bättre motståndskraft mot signalstörningar. 16QAM ökar dock också amplitudnivåerna till tre (ringar) jämfört med 16PSK. RF-effektförstärkare kräver ett bredare linjärt område för icke-konstanta moduleringsscheman.

Satellitutrustning måste kunna sända vid en hög effektnivå samtidigt som den bibehåller en hög utgångslinjäritet. Dessutom möjliggör de högre moduleringsscheman högre dataförbrukning men är känsliga för signalstörningar.

Resist Nonlinear Distortion with APSK

Satellitkommunikation använder amplitude phase-shift keying (APSK) för att motstå icke-linjär distorsion. Figur 4 visar ett konstellationsdiagram för APSK- och QAM-moduleringsscheman. APSK:s tillstånd ligger i ringar så att amplitudkompressionen är densamma i en specifik ring. Konstellationen 16APSK har endast två amplituder (ringar), medan 16QAM har tre amplituder. 32APSK-konstellationen har tre amplituder jämfört med fem i 32QAM. Fler amplitudnivåer gör att ringarna ligger närmare varandra och det blir svårare att kompensera för olinjäriteter.

Det finns flera variabla parametrar för APSK-modulering, t.ex. antalet ringar, antalet symboler på en ring och avståndet mellan ringarna. En konstruktör kan också nå en balans mellan lägre PAPR (peak-to-average power ratio) och bättre motståndskraft mot distorsion.

Förbättra datahastigheten med hjälp av OFDM

Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) är en digital teknik med flera bärare som har många unika fördelar jämfört med metoder med en enda bärare. Tekniken har antagits för många trådlösa bredbandskommunikationsstandarder, t.ex. 4G/5G, Wi-Fi, digital videosändning för mark- och satellitkommunikationssystem.

OFDM använder många ortogonala underbärarsignaler med nära avstånd för att överföra data parallellt. Denna process ger bättre spektral effektivitet än traditionella digitala moduleringsscheman, t.ex. QAM och PSK, och robusthet mot kanalens linjära distorsion. Figur 5 visar en enda OFDM-bärare (den vänstra bilden) och flera underbärare (den högra bilden). Toppvärdet för varje underbärare inträffar vid nollgenomgångarna för de andra. Signalen är ortogonal i frekvensdomänen och varje delbärare stör inte de andra. Underbärarna kan tillämpa olika modulationsformat och kanalkodning, beroende på brus- och störningsnivån i enskilda delband som ger en robust kommunikationslänk.

Däremot har OFDM-signalen en högre PAPR än traditionella moduleringsscheman, vilket kräver en stor back off för att undvika komprimering vid en hög utgångseffektnivå. Icke-linjära effekter som genereras av förstärkaren med hög effekt kan införa fler störningar i ett satellitsystem som orsakar ett systemfel. Därför är det viktigt att karakterisera satellit RF-komponenternas distorsionsprestanda för att göra en bra systemdesign.

Slutsats

De flesta kommunikationssystem optimerar effektiviteten i systemdesignen, inklusive spektral-, effekt- och kostnadseffektivitet. Valet av moduleringsscheman för satellitkommunikation beror på kommunikationskanalerna, hårdvarubegränsningar och krav på dataflöde.

Det är också så att både anpassade APSK- och OFDM-moduleringsscheman medför testutmaningar – att generera och analysera anpassade, proprietära moduleringsscheman. I nästa inlägg kommer vi att diskutera hur man kan förenkla den anpassade signalgenereringen och analysen.