Modulationstechniken der Satellitenkommunikation - Messtechnik - beam ...
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Messtechnik
Modulationstechniken der
Satellitenkommunikation
Dieser Artikel Fast jede Kommunikations rend des Flugs, vernetztes Auto aren Kennlinie der Verstärkung
konzentriert sich auf branche – einschließlich Rund und 5G New Radio mit nicht der verwendeten Hochfrequenz-
funk, Navigation, Transport und terrestrischem Funknetz. Leistungsverstärker.
Modulationstechniken Mobilfunk – setzt in gewisser
Aufgrund der starken Nachfrage
für moderne Weise auf Satellitentechnologie.
nach einem schnelleren Daten Modulationsschemata
Satellitenkommunikation Anwendungen und Dienste für
die Satellitenkommunikation
durchsatz verwendet man in der für die moderne
von der Erzeugung umfassen z.B. Breitbandkom
Satellitenkommunikation kom Satellitenkommunikation
plexe Modulationsschemata zur
und Analyse der munikation, Mobilfunk und
Verbesserung der spektralen Effi Amplitude, Frequenz und Phase
Signale bis zu den Wettervorhersage.
zienz. Die Modulationstechniken sind grundlegende Modulations
Auswirkungen von Neue Anwendungen und Dienste für die Satellitenkommunikation ansätze für einen Träger. Man
Phasenrauschen auf die für die Satellitenkommunikation erlauben hohe Datenraten bei kann Modulationssignale in
umfassen Konnektivität wäh einer Minimierung der nichtline polarer Form (als Vektor) oder
Modulationsqualität.
Quelle:
Modulation Techniques for
Satellite Communications,
Keysight Technologies,
veröffentlicht in den USA, 10.
Januar 2020
www.keysight.com
übersetzt von FS Bild 1: I/Q-Modulation
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Messtechnik
als Phasenlage kennzeichnen.
Die digitale Modulation wird
häufig in Form von I (In Phase)
und Q (Quadratur) ausgedrückt,
also für zwei Komponenten nach
Entfernen der Trägerfrequenz.
Die linke Seite von Bild 1 zeigt
ein I/Q-Diagramm. Die I- und
Q-Signale mischen sich mit
demselben lokalen Oszillator
(LO), jedoch mit einem 90°-Pha
senschieber in einem der LO-
Pfade platziert. Der Hauptvor
teil der I/Q-Modulation ist die
einfache symmetrische Kom
bination unabhängiger Signal Bild 2: Konstellationsdiagramm von Modulationsschemata höherer Ordnung
komponenten zu einem einzigen
zusammengesetzten Signal für Digitale Modulations
das Senden und dann das Auf
teilen dieses zusammengesetzten
schemata mit
Signals in seine separaten Kom nichtkonstanter
ponenten beim Empfangen. Hüllkurve
Es gibt zwei Hauptkategorien Die Quadraturamplitudenmodu
von Modulationsschemata: lation (QAM) ist eine nichtkon
konstante Hüllkurve und nicht stante Modulation, die sowohl
konstante Hüllkurve. Konstante Phase als auch Amplitude zur
Hüllkurve bedeutet, dass alle Erhöhung der spektralen Effi
Konstellationspunkte einen zienz ändert. Bild 3 zeigt die
festen Abstand von der Mitte Konstellationsdiagramme von
haben. 16PSK und 16QAM. 16QAM
vergrößert den Abstand zwischen Bild 3: Konstellationsdiagramm von 16PSK und 16QAM
Digitale Modulati
onsschemata mit
konstanter Hüllkurve
Die Modulationsschemata mit
konstanten Hüllkurven sind
für Satelliten am besten geeig
net, weil sie den Effekt der
nichtlinearen Verstärkung im
Leistungsverstärker minimie
ren. Diese Schemata umfassen
Frequenzumtastung (FSK) und
Phasenumtastung (PSK). Um
höhere Datenraten zu erzielen,
bieten Modulationsschemata
höherer Ordnung eine bes
sere spektrale Effizienz, sind
aber empfindlicher gegenüber
Kanalbeeinträchtigungen. Bild
2 veranschaulicht die Konstel
lationsdiagramme von binärer
PSK (BPSK), Quadratur-PSK
(QPSK) und 8PSK. Sie übertra
gen entsprechend 1, 2 und 3 Bits
pro Symbol. Für PSK höherer
Ordnung liegen die Konstella
tionspunkte näher beieinander
und das System reagiert entspre
chend empfindlicher auf Kanal
beeinträchtigungen. Bild 4: AM/AM- und AM/PM-Effekte auf ein 64QAM-Signal
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Messtechnik
Bild 5: Konstellationsdiagramme für APSK-Schemata und entsprechende QAM-Formate
den Konstellationen und hat eine Der Betrieb bei Komprimierung Umgehung die Amplitudenkompression in
bessere Beständigkeit gegen verursacht AM/AM- und AM/ nichtlinearer einem bestimmten Ring gleich
Signalstörungen. Bei 16QAM PM-Verzerrung, wie in Bild 4 ist. Die 16APSK-Konstella
Verzerrungen mithilfe
nehmen jedoch die Amplituden dargestellt. tion hat nur zwei Amplituden
pegel im Vergleich zu 16PSK zu der Amplituden- (Ringe), während 16QAM drei
(drei Ringe). Zum Beispiel die äußeren Punkte Phasen-Umtastung Amplituden hat. Die 32APSK-
HF-Leistungsverstärker benö der I/Q-Konstellation haben Bei der Satellitenkommuni Konstellation hat drei Amplitu
tigen einen breiteren linearen höhere Ausgangsleistungspegel, kation wird eine Amplituden- den gegenüber fünf in 32QAM.
Bereich für nichtkonstante und Komprimierung erfolgt Phasen-Umtastung (APSK) Mehr Amplitudenpegel bringt
Modulation. Bei der Satelli deswegen im HF-Leistungs verwendet, um nichtlinearen die Ringe näher zusammen und
tenübertragung arbeiten HF- verstärker (= gesättigte Aus Verzerrungen zu widerstehen. es ist schwieriger, Nichtlineari
Leistungsverstärker häufig an gangsleistung). Nichtlineare Bild 5 zeigt Konstellationsdia täten zu kompensieren.
ihren Kompressionsniveaus, Verstärker erfordern daher ein gramme für APSK- und QAM-
Ein weiterer Vorteil von APSK
um die Umwandlungseffizienz modulationsverzerrungstole Schemata. Die APSK-Zustände
besteht darin, dass eine Vor
zu maximieren. rantes Schema. sind in Ringen dargestellt, wobei
verzerrung durch Variieren des
Raums zwischen den Ringen
leicht vor der Übertragung im
plementiert werden kann. Dies
erfolgt durch Einstellen des
Abstands zwischen den Ringen.
Man kann auch eine Balance
zwischen einem niedrigeren
Spitzen-/Durchschnittsleistungs-
Verhältnis (PAPR) und besserer
Beständigkeit gegen Verzerrung
erreichen.
Bild 7: Konstellationsdiagramm von
Bild 6: I/Q-Diagramme von QPSK und OQPSK p/4-DQPSK
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Messtechnik
Bild 8: Das Spektrum eines einzelnen OFDM-Trägers und mehrerer Unterträger
PAPR-Modulations
schwankungen
reduzieren
Ein hohes PAPR eines über
tragenen Signals erfordert
einen großen Dynamikbe
reich des Leistungsverstärkers
z.B. in einem Satellitensender.
Modulationsvariationen und
Modulationsschema mit gleich
bleibender Ordnung, wie z.B.
Offset-QPSK (OQPSK) und Dif
ferentialmodulation, können das
PAPR reduzieren.
OQPSK versetzt die I- und
Q-Bit-Ströme in ihrer relativen
Ausrichtung um eine Bit-Periode
Bild 9: Zur Bearbeitung eines 32APSK-moduliertes Signal mithilfe der benutzerdefinierten PathWave-Signalerzeugung (eine halbe Symbolperiode), wie
in Bild 6 gezeigt. Die Signal
verläufe (blaue Linien) gehen
nicht durch Null und verlau
fen auch nicht nahe Null (das
Zentrum der Konstellation), um
Amplitudenschwankungen zu
reduzieren. Entwickler können
daher einen energieeffizienteren,
weniger linearen HF-Leistungs
verstärker verwenden.
Differentielle Modulation bedeu
tet, dass der Übergang zwischen
den Zuständen die Informa
tion trägt. Beispielsweise ver
wendet p/4-Differential-QPSK
(DQPSK) zwei um 45° versetzte
QPSK-Konstellationen, wie
in Bild 7 gezeigt. Die Signal
verläufe (blaue Linien) ver
laufen auch hier nicht durch oder
Bild 10: Demodulationsanalyse für ein Signal mit 32APSK mithilfe von Vektor-Signalanalyse-Software nahe Null.
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Messtechnik
möglich, sodass eine robuste
Kommunikationsverbindung
bereitgestellt wird.
Das OFDM-Signal hat jedoch
ein höheres PAPR als herkömm
liche Modulationsschemata. Es
erfordert einen großen Backoff,
um die Komprimierung bei
einem hohen Ausgangsleistungs
pegel zu vermeiden. Nichtline
are Effekte, die vom Hochleis
tungsverstärker erzeugt werden,
k önnen zu weiteren Verzer
rungen führen bis hin zu einem
Satellitensystem, das einen
Systemausfall verursacht. Daher
ist die Leistung von Satelliten-
HF-Komponenten für ein gutes
System-Design von entschei
dender Bedeutung.
Benutzerdefinierte
Modulationsschemata
generieren und
analysieren
Bild 11: Vereinfachung der benutzerdefinierte OFDM-Signalerstellung mit PathWave APSK widersteht nichtlinearen
Verzerrungen für die Satel
Verbessern der gung. Dieser Prozess liefert trägers tritt bei Nulldurchgängen litenkommunikation, bringt
Datenrate durch eine bessere spektrale Effizi der anderen auf. Das Signal ist jedoch auch Herausforderungen
orthogonales enz als herkömmliche digitale im Frequenzbereich orthogo mit sich beim Generieren und
Modulationsschemata wie QAM nal und jeder Unterträger stört Analysieren von benutzerdefi
Frequenzmultiplexen und PSK und weist eine hohe die anderen nicht. Die Unter nierten, proprietären Modulati
Das orthogonale Frequenzmul Robustheit gegen kanallineare träger können unterschiedliche onsschemata. Bild 9 zeigt einen
tiplexing (OFDM) verwendet Verzerrung auf. Bild 8 zeigt Modulationsformate anwenden Konstellationseditor zum Erzeu
viele eng beieinander liegende einen einzelnen OFDM-Träger und Kanal-Codierung ist, abhän gen eines 32APSK-modulierten
orthogonale Hilfsträgersignale (links) und mehrere Unterträger gig vom Rauschen und Interfe Signals. Mit dem benutzerdefi
zur parallelen Datenübertra (rechts). Der Peak jedes Unter renzpegel einzelner Teilbänder, nierten Tool zur Signalerstellung
kann man die gewünschten I/Q-
Daten, die Größe, die Phase und
das Symbol, das jedem Punkt im
Konstellationsdiagramm ent
spricht, beeinflussen. Mit dem
Softwaretool können Anwender
Setup-Dateien für die Konfigura
tion der Signalanalysemessung
speichern. Auf diese Weise müs
sen sie die Konstellationskarte
(Constellation Map) im Signal
analyse-Tool nicht bearbeiten.
Bild 10 zeigt die Demodulations
analyse des 32APSK-Signals mit
einem Signalanalysator.
Auch erfordern das Erstel
len und das Analysieren von
benutzerd efinierten OFDM-
Wellenformen ein tieferes Hin
tergrundwissen in der OFDM-
Technologie. Glücklicherweise
kann ein benutzerdefiniertes Tool
zur Signalerstellung die Wellen
formgenerierung und Analyse
Bild 12: Gemessene SSB-Phasenrauschleistung des Keysight M9384B VXG, Option ST6 von Standard- oder proprietären
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gerempfindlichkeit und höherer
Bitfehlerrate.
OFDM ist ein beliebtes Modu
lationsschema für die Breit
bandkommunikation. Während
der Frequenzumwandlung mit
einem bezüglich Phasenrau
schen schlechten LO wird ein
Unterträger mit Phasenrauschen
beaufschlagt und wirkt für
andere Unterträger als Inter
ferenz, wie in Bild 14 gezeigt.
Das Phasenrauschen verschlech
tert die Modulationsqualität des
OFDM-Signals.
Vereinfachte
Bild 13: Das LO-Phasenrauschen beeinträchtigt das Signal benutzerdefinierte
Signalerzeugung und
OFDM-Signalen beschleuni der Auswahl der Prüfgeräte für Auswirkungen auf -analyse
gen. Bild 11 veranschaulicht anspruchsvolle Satellitentest digitale Modulation
ein benutzerdefiniertes OFDM- anwendungen. Es beeinflusst Die meisten Kommunikati
und orthogonales
Setup für die Ressourcenzuord die Signalqualität in vielerlei onssysteme optimieren die
nung einschließlich Unterträ Hinsicht und verursacht Mess Frequenz-Multiplexing Effizienz bei System-Designs
ger (Häufigkeit) und Symbolen unsicherheit, wie z.B. Modu Das Phasenrauschen des LO- einschließlich Spektralverhal
(Zeit) unter Verwendung eines lationsschemata höherer Ord Signals wird in den Ausgang ten, Leistung und Kosten. Die
benutzerdefinierten Signal nung und OFDM-Schemata. des I/Q-Modulators und des Auswahl von Modulations
erzeugungs-Werkzeugs. Man Bild 11 zeigt den Verlauf des Demodulatormischers transfe schemata für die Satelliten
kann die Setup-Dateien in das gemessenen SSB-Phasenrau riert. Die direkte Auswirkung kommunikation hängt von den
Erstellungs-Tool laden und das schens der Leistung eines Mikro des Phasenrauschens auf das Kommunikationskanälen, den
Signal problemlos demodulieren.wellen-Signalgenerators über der Konstellationsdiagramm ist ein Hardware-Beschränkungen
Frequenz. Tester müssen sicher radiales Verschmieren der Sym und den Anforderungen an den
Auswirkungen von stellen, dass das Phasenrauschen bole, wie in Bild 13 gezeigt. Datendurchsatz ab.
Phasenrauschen auf der Prüfleistung keinen Einfluss Für eine Modulation höherer
Das Generieren und Analysieren
die Modulationsqualität auf die Messergebnisse hat und Ordnung (z.B. 256QAM) sind
von modulierten Signalen für die
verstehen, welche Frequenz-Off die Symbole näher beieinander.
Das Phasenrauschverhalten ist sets für die jeweiligen Testan Diese Symbolverschmierung moderne Satellitenkommunika
häufig der Schlüsselfaktor bei wendungen am wichtigsten sind. führt zu verminderter Empfän tion bringt Herausforderungen
mit sich, da die Signale indivi
duell an proprietäre Modulati
onsschemata angepasst werden.
Ein flexibles benutzerdefiniertes
Modulations-Softwaretool redu
ziert den Zeitaufwand für die
Signalsimulation und stellt eine
Setup-Datei zur Konfiguration
des Signalanalysators für die
Demodulationsanalyse bereit.
Um genaue Messungen zu erhal
ten, benötigen Testinstrumente
für Satellitenanwendungen
eine besonders geringe Phasen
rauschleistung, die die Signal
modulation nicht beeinflusst
und damit eine hohe Qualität
für die Signalerzeugung und
-analyse sichert. Keysight bietet
eine umfangreiche Testgeräte-
Reihe mit überlegenem Pha
senrauschen und größter Band
breite zum Testen von Satelliten
Bild 14: Die Auswirkungen auf OFDM-Unterträger bei einem schlechten Phasenrauschen des LOs kommunikationsausrüstung. ◄
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