ReSAT (Repeater Simulation and Analysis Tool)...Laufzeit 1.7.2011 – 31.1.2013, Förderkennzeichen...

PIONEERING WITH PASSION

©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG 2012

1


PROPRIETARY INFORMATION

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and all rights of disposal such as copying and passing to third parties

ReSAT (Repeater Simulation and Analysis Tool) Auswirkung linearer und nichtlinearer Verzerrungen auf Kanäle mit codierter

Modulation und Frequenzmultiplexing

Prof. Dr. Bernd Friedrichs (Tesat)

Simon Mauch (Tesat)

Wolfgang Steinert (ST²C)

Dr. Philipp Wertz (Tesat)


©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG 2012 26.03.2012

Ziel und Projektorganisation

2

Stufe 1

Konsolidierung

Stufe 2

Modellierung realer Repeater

Stufe 3

Vollausbau, wiss. Analysen

Ziel: Ausbau der Systemfähigkeit bei Auslegungen von Nutzlasten

Zuwendungsgeber

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)

Laufzeit 1.7.2011 – 31.1.2013, Förderkennzeichen 50 YB 1116

Unterauftragnehmer

ST2C GmbH

Gliederung in Stufen (Releases)

Aktueller

Stand



Allgemeine Architektur einer Kommunikations-Nutzlast

27.02.2012 3

SWA

Electr. Power Conditioner

TWTA/SSPA

Leistungs- verstärker

OMUX

Sende- Antenne

Ausgangs- multiplexer

Schalter- bank

Empfänger/Umsetzer

IMUX RCV/CONV

Eingangs- demultiplexer

SWA

Schalter- bank

L/CAMP

Kanal- verstärker

Empfangs- Antenne

ANT RX DEMOD MOD

Equipment)

OBP

Bordprozessor (Vermittlungs-

einrichtung)

transparent transparent regenerativ

EPC

EPC

Elektronikteil

OISL

Optischer Kopf

LCT (Opt. Terminal)

ANT TX



LNA

LNA

Medusa-RX

120 W Flex MPMs

Control

CFK Reflektor from

HPS

Medusa Feedsystem from

Astrium

Flex INET

from Tesat

Global Horn

Sw

itch

Ma

trix

(1

3 in

pu

ts, 1

3 o

utp

uts

)

(re

du

ce

d c

on

ne

ctivity)

Beacon

Generator

Beacon

Generator

IOV Equipment

IOV Equipment not designed

for 15 years

Equipment which has to be

developed

Spot 1

Spot 2

Spot 3

Spot 4

Input FilterTest Coupler

Channel Filter

Harmonic Filter

Global Horn

GeReLEO (Bidirectional)

Medusa-TX

Medusa Feedsystem from

Astrium

CFK Reflektor

from HPS

Frequency Converter

26 / 20 GHz

LISA23 – 27 GHz

APME

LISA Antenna

from TU

München

RX

TX

LNA

LNA

LNA

LNA

LNA

LNA

MPA, Sissi, Mixer (Keramis

Program) from IMST, KT

Docon

fix

Gateway-Spot1 (C5)

Spot 1

Gateway

Docon

fix

Spot1/2-Gateway

Docon

fix

Spot1/2-Gateway

Docon

fix

Spotx-Spotx

Docon

fix

Spotx-Spotx

Docon

fix

Spotx-Spotx

Docon

fix

Spotx-Spotx

FhG

SSU

(Internally

redundant)

DAC from KT

Frequency Converter

Frequency Converter

OBP

DAC from KT OBP for

NEXT

Frequency Converter

20 / 26 GHz

26 GHz

GeReLEO (Bidirectional)

TWT

EPC

CAMP

TWT

EPC

CAMP

TWT

EPC

CAMP

Frequency Converter

20 GHz/IF Switch Matrix

Processing Unit

Frequency Converter

IF/20 GHz

Pol

Gateway -> Spot 1

Gateway -> Spot 2

Spot 1 ->

Gateway

Spot 2 ->

Gateway

GeReLEO A (ISL)

LISA (ISL)

OBP 1

OBP 2

Spot 1 -> Gateway

Spot 2 -> Gateway

Spot 1

Spot 2

Spot 3

Spot 4

GeReLEO A (ISL)

GeReLEO A (Feeder)

LISA (Feeder)

OBP 1

OBP 2

OBP 3

Spot 1

Spot 2

Spot 3

Spot 4

LNA

LNA

Frequency Converter

26 / 20 GHz

19720/1650 MHz

19780/1650 MHz

19760/1650 MHz

1650/19760 MHz

1650/20000 MHz

1650/19720 MHz

1650/20000 MHz

Spot 3

ISL

Spot 1

Liquida from

IMST

30/20 GHz Section

26 GHz Section + OBP

Dynamic Switch

Ka-Band Beacon

Legende

Spot 2

Spot 3

Spot 4

Spot 5

4 x

4 S

witch

Mo

du

le

Gateway

Spot 1

Spot 2

Spot 3

Spot 4

Ansteuerung

Abstimmbarer OMUX

Flex ONET

von Tesat

TWTLCAMP

EPC

FPM

TWTLCAMP

EPC

FPM

Phase

Shifter

Phase

Shifter

200 W TWT

from Thales

Power Combining

200 W MPM

from TESAT

Docon

fix

Spot1/2-Gateway

Docon

fix

Spot1-Spot2

Docon

fix

Spot2-Spot1

Switch Module

from KERAMIS

Test cable

ISL

Docon fix

Gateway-Spot2 (C5)

Gateway-Horn (C6)

Docon fix

Gateway-Spot2 (C5)

Gateway-Horn (C6)

Docon fix

Gateway-Spot2 (C5)

Gateway-Horn (C6)

C5

C5

C6

Gateway ->

GeReLEO A (ISL)

LISA (ISL)

TWT

LCAMP

Dual-EPC

TWT

LCAMP

Dual MPM

from Tesat

TWT

LCAMP

Dual-EPC

TWT

LCAMP

Beispiel

H2Sat IOV-Nutzlast (Stand 2010)

27.02.2012 4

Fazit - reguläre Struktur im mittleren Bereich, - insgesamt aber variantenreiche Nutzlast



ReSAT-Konfiguration (Basis)

27.02.2012 5

Referenzzweig

+ DatenquelleModulator

Rauschquelle Antenne

& LNA

Demodulator

IMUX

CAMP HPA

OMUX

MC

MC

TX-Filter Impuls-

formung

EVM Statistische

Verteilungen

RX-Filter Matched

Filter +


& LNA MC

Repeater Bodensegment Bodensegment

DL-Subsystem Bodensegment

Zeit Frequenz Zeit Frequenz Zeit

ReSAT

IBO OBO

Nyquist-Pulse Optimale Abtastung



ReSAT-Konfiguration (Erweitert)

27.02.2012 6

Referenzzweig

+

DatenquelleModulator

Rausch quelle

Demodulator

IMUX

CAMP

OMUX

MC

MC

TX-Filter

EVM Statistische

Verteilungen

+


TX-Filter

+

MC

HPA

Rausch quelle MC

RX-Filter

RX-Filter Demodulator

+


Rausch quelle

Demodulator

CAMP

MC

MC

TX-Filter

+


TX-Filter

+

MC

HPA

Rausch quelle

MC

RX-Filter

RX-Filter Demodulator

IMUX

UL & Antennen DL & Antennen

Multispotbeam- Antenne

MP MP

ACS ACLR OOB

MP = Multipath ACLR = Adjacent Channel Leakage Ratio OOB = Out of Band Emissions ACS = Adjacent Channel Selectivity

Nutzkanal

Nachbarkanal



Realistische Dimensionierung Dimensionierung von Repeatern unter realistischen Randbedingungen

Vermeidung Over- wie Under-Engineering

Beispiele wichtiger Einflussgrößen Lineare Verzerrungen, insbesondere bei Kanalfiltern wie IMUX, OMUX

Nichtlineare Verzerrungen, insbesondere bei CAMP und HPA, auch kaskadierte Intermods

Linearisierung (Sender- oder Transponder-seitig)

Multipath und Reflektionen, einschließlich statistischer Analysen (Phase)

Breitband-Komponenten, z.B. LNA, Docon (schwach nichtlinear), Filter (linear)

Frequenzumsetzer: Phasenrauschen, Mischprodukte (Ein- und Ausgangsfrequenz nicht gemeinsam repräsentiert weil simulationstechnisch zu aufwendig)

Temperatur-Effekte

Komplette Transponderzüge, eingeschränkt auch Antennen (ohne Beamforming)

Verstärker- und OMUX-Techniken hinsichtlich Multispot-Antennen

Komplette Repeater via separater Transponderzüge (keine Schaltfunktionalität)

Bestimmung von EVM-Verteilungen zur Analyse hochstufiger Modulationsverfahren

Grundprinzipien Messung via Mehrträgersignal: flexibles FDM-Signal pro Kanal

Flexibler Tradeoff: Bandbreite – Frequenzauflösung – FFT – Zeitdauer Musterfunktionen

Wesentliche Einflussgrößen in Repeatern

27.02.2012 7



ReSAT GUI (gemäß Stufe 1)

27.02.2012 8



Beispiel Kanalbelegung mit FDM-Signal

27.02.2012 9

Jeder Subcarrier ist individuell konfigurierbar

Modulationsverfahren (PSK, APSK, CW, etc)

Breite (Symbolrate)

Schutzabstand (Guardband)

Impulsformung (roll-off)

Leistungsdichte

Position innerhalb der Trägergruppe

Jeder Subcarrier wird im Simulator individuell gemessen mit Auswertung der Degradation

Breite oder schmale Subcarrier

Position in der Mitte oder am Rand des Kanals

Die spezielle Belegung von Transponder-Kanälen im Betrieb ist oftmals nicht absehbar

Beachte: Subcarrier eines FDM Signals sind hier als vollständig unabhängig zu verstehen und nicht mit OFDM-Subcarriern zu verwechseln

FDM-Signal besteht aus 13 Unterträgern (Subcarrier)



Beispiel eines Frequenz-Zeit Übergangs

27.02.2012 10

z.B. IMUX z.B. HPA

|·|

<(·)

AM/AM LUT

AM/PM LUT

+ |·|

<(·)

IDFT

s(t) S(f)

|·|

<(·)

|·|

<(·)

|H(f)| LUT

<(H(f)) LUT

s(t)

S(f)

LUT=Look-up table

Betrag AM/AM

AM/PM Phase

Inverse Diskrete Fourier Transformation



Mehrfache MC-Simulation mit gleichen Eingangsparametern aber neuen Zufallswerten

Leistungsdichte durch Mittelung von Periodogrammen (Bartlett-Metode): Minderung der Varianz

Fehler < 0.01dB möglich

Spektrum gemittelt über unabhängige Simulationsläufe

27.02.2012 11

Beispiel: Leistungsdichtespektrum für breitbandigen Einzelträger und IMUX (rechts vergrößert) „Messung (grün) ist das Produkt aus Signal (blau) und Filter (rot)“



Augen- und Scatterdiagramme (QPSK, 32APSK)

27.02.2012 12

Augendiagramm

Trajektorie

Streuung um die Idealwerte (optimaler Abtastzeitpunkt)

QPSK

32APSK

QPSK

QPSK



y = x + e + nDL (per Subcarrier)

thermisches Rauschen

Degradation

Ideales Signal

Empfangssignal

EVM (Error Vector Magnitude) – Definition

27.02.2012 13

)(

)(100%

)()(

)(

)(

)(

2

2

22

2

2

2

xE

eEEVM

nEeE

xESNR

nE

xESNR

DL

total

DL

Referenzzweig

+ DatenquelleModulator


& LNA

Demodulator

IMUX

CAMP HPA

OMUX

MC

MC

TX-Filter Impuls-

formung

EVM Statistische

Verteilungen

RX-Filter Matched

Filter +


& LNA MC

x

y

nDL

x‘+e‘

nUL Anmerkungen:

e effektiv definiert als y-x ohne nDL

nDL unverändert durch RX-Filter

x+e entsteht nach RX-Filter aus x‘+e‘



EVM – Gemessene Verteilungen sind nahezu Gaußisch

27.02.2012 14

PDF von I,Q

CCDF von I,Q

PDF von Betrag

CCDF von Betrag



SNRtotal über SNRRauschen

für spezielle EVM-Werte

EVM – Auswirkungen bei idealisierter Gauß-Verteilung

27.02.2012 15

BER über SNRRauschen

für spezielle EVM-Werte bei 8-PSK

Beachte: Bei codierter Modulation ohne perfektes Inter-

leaving ist die Statistik der Störungen relevant. Die beiden

Rauschsignale nUL und nDL sind weiß, die Degradation e aber

nicht unbedingt (denn lineare Filter erzeugen Gedächtnis)



Analyse- vs. Simulations-Ansatz

27.02.2012 16

Analyse Simulation Operiert in Frequenzbereich Zeit- und Frequenzbereich

Methodik Verknüpfung von Übertragungsfunktionen nichtlineare Elemente bleiben unberücksichtigt

Zufallsgeneratoren (Monte-Carlo) für - Datenquelle - thermisches Rauschen Berücksichtigung - linearer Elemente im Frequenzbereich - nichtlinearer Elemente via AM/AM und AM/PM

Ermittlung von Spektren Analytische Berechnung Mittelung über Leistungsdichte-spektren von Musterfunktionen

Scatterdiagramme, EVM nicht möglich gut geeignet

Statistische Analysen, z.B. worst-case Kombinationen

sehr gut möglich (nur lineare Elemente)

möglich

Rechenzeit gering exponentiell ansteigend mit Genauigkeitsanforderungen und Bandbreiten



Analyse-Ansatz (Schwerpunkt Multipath)

27.02.2012 17

Im wesentlichen werden Übertragungsfunktionen verknüpft (Docon als Filter, nicht als echte Frequenzverschiebung)



ReSAT – Vorgehensmodell:

27.02.2012 18

Analyse primär im Frequenzbereich

MC-Simulation sowohl im Zeit- wie Frequenzbereich

Konsistenz-Check Prüfung auf Vollständigkeit und Wertebereiche

Steuerdatei Parameter: (Analyse, Gemeinsame, Simulation)

Text-Editor

Datenbasis S-Parameter,

Kennlinien, etc. in Standardformaten

Ergebnisse (nur linear)

Vergleich

GUI (optional)

Ergebnisse (nur linear)

Ergebnisse (mit NL)

Aufbereitung/Visualisierung der Ergebnisse Vektorgrafiken, Histogramme, Tabellen, etc.

Nutzerschnittstelle

Subset Subset

EVM-Analysen (digitale Modulation)

Interaktive Nutzerschnittstelle

Generisches Modell eines Repeaters/

Transponderzugs

Anwender Flexible Parametrisierung und Aktivierung einzelner

Komponenten

Programm-Ersteller ggfs. Erweiterungen

Analyse & Simulation kombiniert Generisches Modell Repeater Steuerdatei für den Kern, Abtrennung sekundärer Funktionen



Analysewerkzeuge für lineare Komponenten

lineare Effekte: Multipath, Reflexionen,

z.B. Tesat Werkzeuge in MATLAB und Excel

Simulationswerkzeuge für DL-Subsysteme (hochdatenratige Modulatoren)

Modulation und Codierung mit Nichtlinearitäten,

z.B. Tesat Werkzeuge in Simulink und C++

Linkbudget-Rechner

z.B. Satmaster, Pegelpläne, Boden-zu-Boden, nicht nur Transponderzug

Simulatoren auf Repeaterebene

z.B. SATRIS, jedoch Fokus auf max. 3 Träger, Analysewerkzeuge außer SER nicht bekannt)

Universalwerkzeuge

z.B. Space-Engineering PST (Payload Simulation Tool), einschl. Repeater, Antennen,

Ausleuchtung, Kanalcodierung, jedoch limitierte Flexibilität und Doku

Simulatoren auf Schaltungsebene

z.B. ADS (Fokus auf Netzelemente, wenig geeignet für komplette Repeater)

ReSAT: Maßgeschneidert als „Repeater Simulation and Analysis Tool“

Matlab-Quellcode unter eigener Kontrolle

ReSAT vs. andere Werkzeuge

27.02.2012 19

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