Com forte demanda por transferência de dados mais rápida, as comunicações por satélite usam esquemas de modulação de alta ordem para melhorar sua eficiência espectral. No entanto, as deficiências do canal de satélite, como grandes perdas de caminho, atrasos e mudanças Doppler, representam sérios desafios para a realização de uma rede de satélite. As técnicas de modulação para comunicações por satélite requerem não apenas taxas de dados mais rápidas, mas também minimizam os impactos das deficiências do canal. Este artigo discute as técnicas de modulação para comunicações modernas por satélite.
OS REQUISITOS DAS COMUNICAÇÕES VIA SATÉLITE
Em sistemas de modulação digital, um sinal vetorial pode estar mudando a magnitude do sinal da portadora, a fase ou alguma combinação delas. Os esquemas de modulação digital mais fundamentais são o chaveamento de amplitude (ASK), o chaveamento de fase (PSK), o chaveamento de frequência (FSK) e a modulação de amplitude em quadratura (QAM).
Na transmissão por satélite, os amplificadores de potência RF geralmente operam em seus níveis de compressão para maximizar a eficiência da conversão. Operar em níveis de compressão causa distorção AM / AM e AM / PM, conforme 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 na potência de RF amplificador. Assim, os amplificadores não lineares requerem um esquema de modulação tolerante à distorção. Além disso, a maior potência de saída cria mais ruído para o sinal.
Figura 1. Efeitos AM / AM e AM / PM em um sinal 64QAM
Esquemas de modulação digital de envelope constante
Os esquemas de modulação de envelope constante, como FSK e PSK, são os mais adequados para comunicações por satélite porque minimizam o efeito da amplificação não linear no amplificador de alta potência. A Figura 2 ilustra os diagramas de constelação de PSK binário (BPSK), PSK de quadratura (QPSK) e 8PSK. Eles transmitem 1, 2 e 3 bits por símbolo, correspondentemente. 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 do que 2FSK, mas o menor desvio de frequência causará uma sensibilidade ruim no receptor
Figura 2. Diagrama de constelação de esquemas de modulação de ordem superior
Esquemas de modulação digital de envelope não constante
A modulação de amplitude de quadratura (QAM) é uma modulação não constante que muda a fase e a amplitude para aumentar a eficiência espectral. A Figura 3 ilustra o diagrama de constelação de 16PSK e 16QAM. 16QAM aumenta a distância entre os pontos da constelação e tem melhor resistência a deficiências de sinal. No entanto, 16QAM também aumenta os níveis de amplitude para três (anéis) em comparação com 16PSK. Os amplificadores de potência de RF requerem uma faixa linear mais ampla para esquemas de modulação não constante. |
| Figura 3 - Diagrama de constelação de 16PSK e 16QAM O equipamento de satélite deve ser capaz de transmitir em um nível de alta potência enquanto mantém uma alta linearidade de saída. Além disso, os esquemas de modulação mais alta permitem maior rendimento de dados, mas são sensíveis a deficiências de sinal. RESISTA À DISTORÇÃO NÃO LINEAR COM APSKAs comunicações por satélite empregam o chaveamento de fase de amplitude (APSK) para resistir à distorção não linear. 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 seja a mesma em um anel específico. A constelação 16APSK tem apenas duas amplitudes (anéis), enquanto 16QAM tem três amplitudes. A constelação 32APSK tem três amplitudes contra cinco em 32QAM. Mais níveis de amplitude tornam os anéis mais próximos e mais difícil de compensar as não linearidades. |
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| Figura 4 - Diagramas de constelação para esquemas APSK e formatos QAM correspondentes |
Existem vários parâmetros variáveis para a modulação APSK, como o número de anéis, o número de símbolos em um anel e o espaçamento entre os anéis. Um designer também pode alcançar um equilíbrio entre a relação de potência média de pico inferior (PAPR) e melhor resistência à distorção.
AUMENTE A TAXA DE DADOS USANDO OFDM
A multiplexação ortogonal por divisão de frequência (OFDM) é uma técnica digital de portadora múltipla que possui muitas vantagens exclusivas sobre as abordagens de portadora única. A técnica foi adotada para muitos padrões de comunicação sem fio de banda larga, como 4G / 5G, Wi-Fi, transmissão de vídeo digital para sistemas de comunicação terrestre e via satélite.
OFDM usa muitos sinais de subportadora ortogonais próximos para transmitir dados em paralelo. Esse processo fornece melhor eficiência espectral do que os esquemas de modulação digital tradicionais, como QAM e PSK, e robustez contra distorção linear de canal. A Figura 5 mostra uma única portadora OFDM (o gráfico à esquerda) e várias subportadoras (o gráfico à direita). O pico de cada subportadora ocorre no cruzamento zero das outras. O sinal é ortogonal no domínio da frequência e cada subportadora não interfere nas outras. As subportadoras podem aplicar diferentes formatos de modulação e codificação de canal, dependendo do nível de ruído e interferência de sub-bandas individuais que fornecem um link de comunicação robusto.
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| Figura 5 - O espectro de uma única portadora OFDM e várias subportadoras |
No entanto, o sinal OFDM tem um PAPR mais alto do que os esquemas de modulação tradicionais, exigindo um grande recuo para evitar a compressão em um nível de potência de saída alto. Os efeitos não lineares gerados pelo amplificador de alta potência podem introduzir mais distorções em um sistema de satélite, o que causa 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 em projetos de sistema, incluindo espectral, energia e custo. A seleção de esquemas de modulação para comunicações por satélite depende dos canais de comunicação, limitações de hardware e requisitos de transferência de dados.
Além disso, os esquemas de modulação personalizados APSK e OFDM trazem desafios de teste - gerar e analisar esquemas de modulação proprietários personalizados.
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