Introduction to Satellite Communication 3rd Edition

Figure 5.30
IMD products generated in a nonlinear amplifier by FDMA and TDMA.

---

188
Modulation, Multiple Access, and Impairments
floor almost like white noise (Figure 5.18). Most of the time, IMD can be treated
like white noise over the bandwidth of the carrier in question and analyzed in that
manner in the link budget calculation. However, IMD products that fall back on
one of the generating carriers include the original modulation. That is only a
consideration in analog FM transmission and can be ignored for BPSK and QPSK.
The particular IMD products described in the previous example are called
third-order products, indicated by the sum of the absolute values of the frequency
terms (i.e., 2
+ |−
1
|
and 1
+
1
+ |−
1
|
, both of which are equal to 3). Fifth-order
terms, such as 3F
a
−
2F
b
, also fall in band and would need to be included in the
analysis since they can add a significant although lesser amount of interference.
Generally speaking, it is the odd-numbered orders of IMD that fall in band; as the
order increases, their impact on performance decreases.
5.4.2.2
Single-Carrier IMD
A single carrier operating at or near saturation usually is not expected to experience
detrimental effects from IMD. However, it will be shown that digital transmission
using QPSK often is subject to amplifier nonlinearity, particularly when pulse
shaping such as that described previously in this chapter is employed. A PSK carrier
(or either the I or Q components of a QPSK carrier) has a reversal of phase at the
transition from one binary state to the other. Rectangular pulses would cause
the modulated carrier to always maintain a constant amplitude, which eliminates
the possibility of either AM-to-AM or AM-to-PM conversion in a nonlinear ampli-
fier. As explained previously, rectangular pulses have infinite bandwidth of the
form shown at the bottom of Figure 5.7.
The input and output spectra for a TDMA system using PSK with raised cosine
spectrum pulse shaping is shown at the right in Figure 5.30. At the top, the ideal
raised cosine shaping is evident and no sidelobes are present. However, after passing
through the nonlinear amplifier, the sidelobes reappear, having been regenerated.
Another way of viewing this is that the saturation of the amplifier flattens the tops
of the AM pulses and the resulting resquared pulse modulation has an infinite
spectrum of the form sin (
x
)/
x
.
The new sidelobes of the digital carrier defeat part of the purpose of shaping
the pulses in the first place. Sidelobes are approximately 14 dB down from the
carrier and can cause interference to carriers operating in adjacent transponders.
By backing off the amplifier input by 1 dB or more, it is possible to reduce greatly
the sidelobe level and make adjacent transponders more compatible with one
another. Once again, there is a tradeoff in total link performance, since backing
off the input reduces the downlink power. Fortunately, the appropriate amount
of backoff may reduce the downlink only slightly.
Sideband regeneration can be prevented by using a modulation waveform that
does not contain wide amplitude swings associated with filtered QPSK. An early
approach was to stagger the Q channel by one half of a bit period with respect to
the I channel. As a result, the swing is reduced because a complete 180-degree
phase reversal cannot occur. This technique is called offset QPSK (OQPSK) because
of the relationship between the I and Q channels. Maintaining a more stable
envelope for the carrier is the goal of another method called minimum shift keying

---

5.4
Distortion and Impairments
189
(MSK) that also provides two bits per modulation symbol. The envelope is smoothed
out using a filtering transform ahead of the QPSK modulator. One drawback is
that while there is no sideband regeneration, the nominal bandwidth of an MSK
signal is approximately 1.5 times that of a filtered QPSK or OPSK signal. A
reduction in the MSK bandwidth is obtained by transforming the input using a
filter with the shape of a Gaussian characteristic. The term used for this technique
is Gaussian MSK (GMSK); it has been applied in some VSAT equipment and more
broadly within the GSM standard. GMSK is preferred in systems with amplifier
nonlinearity because it has both a narrow bandwidth and resistance to sideband
regeneration. Its wider adoption is only limited by the complexity of the modulating
waveform itself.
When several narrowband TDMA carriers are operated in the same transpon-
der, sideband regeneration is nearly insignificant; hence, the carriers can be packed
tightly together in frequency. Multicarrier IMD would have to be carefully consid-
ered in setting the operating point of the transponder, since several carriers will
be transmitting at the same time. That is the case for VSAT networks using the
various TDMA and FDMA modes, demanding that the operation of the transponder
be carefully examined before full-scale operation is commenced.