print | close
`
`Understanding Modern Digital Modulation Techniques
`
`Electronic Design
`Lou Frenzel
`Louis E. Frenzel
`Mon, 2012­01­23 12:00
`
`Fundamental to all wireless communications is modulation, the process of impressing the data to be
`transmitted on the radio carrier. Most wireless transmissions today are digital, and with the limited
`spectrum available, the type of modulation is more critical than it has ever been.
`
`The main goal of modulation today is to squeeze as much data into the least amount of spectrum possible.
`That objective, known as spectral efficiency, measures how quickly data can be transmitted in an assigned
`bandwidth. The unit of measurement is bits per second per Hz (b/s/Hz). Multiple techniques have emerged
`to achieve and improve spectral efficiency.
`
`Table of Contents
`
`1.  Amplitude Shift Keying (ASK) and Frequency Shift Keying (FSK)
`2.  Binary Phase Shift Keying (BPSK) and Quadrature Phase Shift Keying (QPSK)
`3.  Data Rate And Baud Rate
`4.  Multiple Phase Shift Keying (M­PSK)
`5.  Quadrature Amplitude Modulation (QAM)
`6.  Amplitude Phase Shift Keying (APSK)
`7.  Orthogonal Frequency Division Multiplexing
`8.  Determining Spectral Efficiency
`9.  Other Factors Affecting Spectral Efficiency
`10.  Implementing Modulation And Demodulation
`11.  The Pursuit Of Greater Spectral Efficiency
`12.  Acknowledgment
`13.  References
`
`Amplitude Shift Keying (ASK) and Frequency Shift Keying (FSK)
`There are three basic ways to modulate a sine wave radio carrier: modifying the amplitude, frequency, or
`phase. More sophisticated methods combine two or more of these variations to improve spectral efficiency.
`These basic modulation forms are still used today with digital signals.
`
`MTel., Exhibit 2003, Aruba v. MTel., Page 1, IPR2016-00768
`
`

`

`1. Three basic digital modulation formats are still very popular with low­data­rate short­range wireless applications: amplitude shift
`keying (a), on­off keying (b), and frequency shift keying (c). These waveforms are coherent as the binary state change occurs at carrier
`zero crossing points.
`
`Figure 1 shows a basic serial digital signal of binary zeros and ones to be transmitted and the corresponding
`AM and FM signals resulting from modulation. There are two types of AM signals: on­off keying (OOK) and
`amplitude shift keying (ASK). In Figure 1a, the carrier amplitude is shifted between two amplitude levels to
`produce ASK. In Figure 1b, the binary signal turns the carrier off and on to create OOK.
`
`Related
`
`Modern DSP Chips Serve Up Variations On A Theme
`
`Cooling Techniques Attack MPU Processing Heat
`
`Today’s Antennas Tune Into The Needs Of Modern Wireless Devices
`
`Multi­Antenna Techniques Require Thorough Testing Solutions
`
`AM produces sidebands above and below the carrier equal to the highest frequency content of the
`modulating signal. The bandwidth required is two times the highest frequency content including any
`harmonics for binary pulse modulating signals.
`
`Frequency shift keying (FSK) shifts the carrier between two different frequencies called the mark and space
`frequencies, or fm and fs(Fig. 1c). FM produces multiple sideband frequencies above and below the carrier
`frequency. The bandwidth produced is a function of the highest modulating frequency including harmonics
`
`MTel., Exhibit 2003, Aruba v. MTel., Page 2, IPR2016-00768
`
`

`

`and the modulation index, which is:
`
`m = Δf(T)
`
`Δf is the frequency deviation or shift between the mark and space frequencies, or:
`
`Δf = fs – fm
`
`T is the bit time interval of the data or the reciprocal of the data rate (1/bit/s).
`
`Smaller values of m produce fewer sidebands. A popular version of FSK called minimum shift keying (MSK)
`specifies m = 0.5. Smaller values are also used such as m = 0.3.
`
`Here are two ways to further improve the spectral efficiency for both ASK and FSK. First, select data rates,
`carrier frequencies, and shift frequencies so there are no discontinuities in the sine carrier when changing
`from one binary state to another. These discontinuities produce glitches that increase the harmonic content
`and the bandwidth.
`
`The idea is to synchronize the stop and start times of the binary data with when the sine carrier is
`transitioning in amplitude or frequency at the zero crossing points. This is called continuous phase or
`coherent operation. Both coherent ASK/OOK and coherent FSK have fewer harmonics and a narrower
`bandwidth than non­coherent signals.
`
`A second technique is to filter the binary data prior to modulation. This rounds the signal off, lengthening
`the rise and fall times and reducing the harmonic content. Special Gaussian and raised cosine low pass filters
`are used for this purpose. GSM cell phones widely use a popular combination, Gaussian filtered MSK
`(GMSK), which allows a data rate of 270 kbits/s in a 200­kHz channel.
`
`Binary Phase Shift Keying (BPSK) And Quadrature Phase Shift Keying (QPSK)
`A very popular digital modulation scheme, binary phase shift keying (BPSK), shifts the carrier sine wave
`180° for each change in binary state (Fig. 2). BPSK is coherent as the phase transitions occur at the zero
`crossing points. The proper demodulation of BPSK requires the signal to be compared to a sine carrier of
`the same phase. This involves carrier recovery and other complex circuitry.
`
`2. In binary phase shift keying, note how a binary 0 is 0° while a binary 1 is 180°. The phase changes when the binary state switches so
`the signal is coherent.
`
`A simpler version is differential BPSK or DPSK, where the received bit phase is compared to the phase of
`
`MTel., Exhibit 2003, Aruba v. MTel., Page 3, IPR2016-00768
`
`

`

`the previous bit signal. BPSK is very spectrally efficient in that you can transmit at a data rate equal to the
`bandwidth or 1 bit/Hz.
`
`In a popular variation of BPSK, quadrature PSK (QPSK), the modulator produces two sine carriers 90°
`apart. The binary data modulates each phase, producing four unique sine signals shifted by 45° from one
`another. The two phases are added together to produce the final signal. Each unique pair of bits generates a
`carrier with a different phase (Table 1).
`
`Figure 3a illustrates QPSK with a phasor diagram where the phasor represents the carrier sine amplitude
`peak and its position indicates the phase. A constellation diagram in Figure 3b shows the same information.
`QPSK is very spectrally efficient since each carrier phase represents two bits of data. The spectral efficiency
`is 2 bits/Hz, meaning twice the data rate can be achieved in the same bandwidth as BPSK.
`
`3. Modulation can be represented without time domain waveforms. For example, QPSK can be represented with a phasor diagram (a)
`or a constellation diagram (b), both of which indicate phase and amplitude magnitudes.
`
`Data Rate And Baud Rate
`The maximum theoretical data rate or channel capacity (C) in bits/s is a function of the channel bandwidth
`(B) channel in Hz and the signal­to­noise ratio (SNR):
`
`C = B log2 (1 + SNR)
`
`This is called the Shannon­Hartley law. The maximum data rate is directly proportional to the bandwidth
`and logarithmically proportional the SNR. Noise greatly diminishes the data rate for a given bit error rate
`(BER).
`
`MTel., Exhibit 2003, Aruba v. MTel., Page 4, IPR2016-00768
`
`

`

`Another key factor is the baud rate, or the number of modulation symbols transmitted per second. The term
`symbol in modulation refers to one specific state of a sine carrier signal. It can be an amplitude, a frequency,
`a phase, or some combination of them. Basic binary transmission uses one bit per symbol.
`
`In ASK, a binary 0 is one amplitude and a binary 1 is another amplitude. In FSK, a binary 0 is one carrier
`frequency and a binary 1 is another frequency. BPSK uses a 0° shift for a binary 0 and a 180° shift for a
`binary 1. In each of these cases there is one bit per symbol.
`
`Data rate in bits/s is calculated as the reciprocal of the bit time (tb):
`
`bits/s = 1/tb
`
`With one symbol per bit, the baud rate is the same as the bit rate. However, if you transmit more bits per
`symbol, the baud rate is slower than the bit rate by a factor equal to the number of bits per symbol. For
`example, if 2 bits per symbol are transmitted, the baud rate is the bit rate divided by 2. For instance, with
`QPSK a 70 Mb/s data stream is transmitted at a baud rate of 35 symbols/second.
`
`Multiple Phase Shift Keying (M­PSK)
`QPSK produces two bits per symbol, making it very spectrally efficient. QPSK can be referred to as 4­PSK
`because there are four amplitude­phase combinations. By using smaller phase shifts, more bits can be
`transmitted per symbol. Some popular variations are 8­PSK and 16­PSK.
`
`8­PSK uses eight symbols with constant carrier amplitude 45° shifts between them, enabling three bits to be
`transmitted for each symbol. 16­PSK uses 22.5° shifts of constant amplitude carrier signals. This
`arrangement results in a transmission of 4 bits per symbol.
`
`While Multiple Phase Shift Keying (M­PSK) is much more spectrally efficient, the greater the number of
`smaller phase shifts, the more difficult the signal is to demodulate in the presence of noise. The benefit of
`M­PSK is that the constant carrier amplitude means that more efficient nonlinear power amplification can
`be used.
`
`Quadrature Amplitude Modulation (QAM)
`The creation of symbols that are some combination of amplitude and phase can carry the concept of
`transmitting more bits per symbol further. This method is called quadrature amplitude modulation (QAM).
`For example, 8QAM uses four carrier phases plus two amplitude levels to transmit 3 bits per symbol. Other
`popular variations are 16QAM, 64QAM, and 256QAM, which transmit 4, 6, and 8 bits per symbol
`respectively (Fig. 4).
`
`MTel., Exhibit 2003, Aruba v. MTel., Page 5, IPR2016-00768
`
`

`

`4. 16QAM uses a mix of amplitudes and phases to achieve 4 bits/Hz. In this example, there are three amplitudes and 12 phase shifts.
`
`While QAM is enormously efficient of spectrum, it is more difficult to demodulate in the presence of noise,
`which is mostly random amplitude variations. Linear power amplification is also required. QAM is very
`widely used in cable TV, Wi­Fi wireless local­area networks (LANs), satellites, and cellular telephone
`systems to produce maximum data rate in limited bandwidths.
`
`Amplitude Phase Shift Keying (APSK)
`Amplitude phase shift keying (APSK), a variation of both M­PSK and QAM, was created in response to the
`need for an improved QAM. Higher levels of QAM such as 16QAM and above have many different amplitude
`levels as well as phase shifts. These amplitude levels are more susceptible to noise.
`
`Furthermore, these multiple levels require linear power amplifiers (PAs) that are less efficient than
`nonlinear (e.g., class C). The fewer the number of amplitude levels or the smaller the difference between the
`amplitude levels, the greater the chance to operate in the nonlinear region of the PA to boost power level.
`
`APSK uses fewer amplitude levels. It essentially arranges the symbols into two or more concentric rings with
`a constant phase offset θ. For example, 16APSK uses a double­ring PSK format (Fig. 5). This is called 4­12
`16APSK with four symbols in the center ring and 12 in the outer ring.
`
`MTel., Exhibit 2003, Aruba v. MTel., Page 6, IPR2016-00768
`
`

`

`5. 16APSK uses two amplitude levels, A1 and A2, plus 16 different phase positions with an offset of θ. This technique is widely used in
`satellites.
`
`Two close amplitude levels allow the amplifier to operate closer to the nonlinear region, improving
`efficiency as well as power output. APSK is used primarily in satellites since it is a good fit with the popular
`traveling wave tube (TWT) PAs.
`
`Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)
`Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) combines modulation and multiplexing techniques to
`improve spectral efficiency. A transmission channel is divided into many smaller subchannels or subcarriers.
`The subcarrier frequencies and spacings are chosen so they’re orthogonal to one another. Their spectra
`won’t interfere with one another, then, so no guard bands are required (Fig. 6).
`
`6. In the OFDM signal for the IEEE 802.11n Wi­Fi standard, 56 subcarriers are spaced 312.5 kHz in a 20­MHz channel. Data rates to
`300 Mbits/s can be achieved with 64QAM.
`
`MTel., Exhibit 2003, Aruba v. MTel., Page 7, IPR2016-00768
`
`

`

`The serial digital data to be transmitted is subdivided into parallel slower data rate channels. These lower
`data rate signals are then used to modulate each subcarrier. The most common forms of modulation are
`BPSK, QPSK, and several levels of QAM. BPSK, QPSK, 16QAM, and 64QAM are defined with 802.11n. Data
`rates up to about 300 Mbits/s are possible with 64QAM.
`
`The complex modulation process is only produced by digital signal processing (DSP) techniques. An inverse
`fast Fourier transform (IFFT) generates the signal to be transmitted. An FFT process recovers the signal at
`the receiver.
`
`OFDM is very spectrally efficient. That efficiency level depends on the number of subcarriers and the type of
`modulation, but it can be as high as 30 bits/s/Hz. Because of the wide bandwidth it usually occupies and the
`large number of subcarriers, it also is less prone to signal loss due to fading, multipath reflections, and
`similar effects common in UHF and microwave radio signal propagation.
`
`Currently, OFDM is the most popular form of digital modulation. It is used in Wi­Fi LANs, WiMAX
`broadband wireless, Long Term Evolution (LTE) 4G cellular systems, digital subscriber line (DSL) systems,
`and in most power­line communications (PLC) applications. For more, see “Orthogonal Frequency­Division
`Multiplexing (OFDM): FAQ Tutorial.”
`
`Determining Spectral Efficiency
`Again, spectral efficiency is a measure of how quickly data can be transmitted in an assigned bandwidth, and
`the unit of measurement is bits/s/Hz (b/s/Hz). Each type of modulation has a maximum theoretical spectral
`efficiency measure (Table 2).
`
`SNR is another important factor that influences spectral efficiency. It also can be expressed as the carrier to
`noise power ratio (CNR). The measure is the BER for a given CNR value. BER is the percentage of errors
`that occur in a given number of bits transmitted. As the noise becomes larger compared to the signal level,
`more errors occur.
`
`Some modulation methods are more immune to noise than others. Amplitude modulation methods like
`
`MTel., Exhibit 2003, Aruba v. MTel., Page 8, IPR2016-00768
`
`

`

`ASK/OOK and QAM are far more susceptible to noise so they have a higher BER for a given modulation.
`Phase and frequency modulation (BPSK, FSK, etc.) fare better in a noisy environment so they require less
`signal power for a given noise level (Fig. 7).
`
`7. This is a comparison of several popular modulation methods and their spectral efficiency expressed in terms of BER versus CNR.
`Note that for a given BER, a greater CNR is needed for the higher QAM levels.
`
`Other Factors Affecting Spectral Efficiency
`While modulation plays a key role in the spectral efficiency you can expect, other aspects in wireless design
`influence it as well. For example, the use of forward error correction (FEC) techniques can greatly improve
`the BER. Such coding methods add extra bits so errors can be detected and corrected.
`
`These extra coding bits add overhead to the signal, reducing the net bit rate of the data, but that’s usually an
`acceptable tradeoff for the single­digit dB improvement in CNR. Such coding gain is common to almost all
`wireless systems today.
`
`Digital compression is another useful technique. The digital data to be sent is subjected to a compression
`algorithm that greatly reduces the amount of information. This allows digital signals to be reduced in
`content so they can be transmitted as shorter, slower data streams.
`
`For example, voice signals are compressed for digital cell phones and voice over Internet protocol (VoIP)
`phones. Music is compressed in MP3 or AAC files for faster transmission and less storage. Video is
`compressed so high­resolution images can be transmitted faster or in bandwidth­limited systems.
`
`Another factor affecting spectral efficiency is the use of multiple­input multiple­output (MIMO), which is
`the use of multiple antennas and transceivers to transmit two or more bit streams. A single high­rate stream
`is divided into two parallel streams and transmitted in the same bandwidth simultaneously.
`
`MTel., Exhibit 2003, Aruba v. MTel., Page 9, IPR2016-00768
`
`

`

`By coding the streams and their unique path characteristics, the receiver can identify and demodulate each
`stream and reassemble it into the original stream. MIMO, therefore, improves data rate, noise
`performance, and spectral efficiency. Newer wireless LAN (WLAN) standards like 802.11n and 802.11ac/ad
`and cellular standards like LTE and WiMAX use MIMO. For more, see “How MIMO Works.”
`
`Implementing Modulation And Demodulation
`In the past, unique circuits implemented modulation and demodulation. Today, most modern radios are
`software­defined radios (SDR) where functions like modulation and demodulation are handled in software.
`DSP algorithms do the job previously assigned to modulator and demodulator circuits.
`
`The modulation process begins with the data to be transmitted being fed to a DSP device that generates two
`digital outputs, which are needed to define the amplitude and phase information required at the receiver to
`recover the data. The DSP produces two baseband streams that are sent to digital­to­analog converters
`(DACs) that produce the analog equivalents.
`
`These modulation signals feed the mixers along with the carrier. There is a 90° shift between the carrier
`signals to the mixers. The resulting quadrature output signals from the mixers are summed to produce the
`signal to be transmitted. If the carrier signal is at the final transmission frequency, the composite signal is
`ready to be amplified and sent to the antenna. This is called direct conversion. Alternately, the carrier signal
`may be at a lower intermediate frequency (IF). The IF signal is upconverted to the final carrier frequency by
`another mixer before being applied to the transmitter PA.
`
`At the receiver, the signal from the antenna is amplified and downconverted to IF or directly to the original
`baseband signals. The amplified signal from the antenna is applied to mixers along with the carrier signal.
`Again, there is a 90° shift between the carrier signals applied to the mixers.
`
`The mixers produce the original baseband analog signals, which are then digitized in a pair of analog­to­
`digital converters (ADCs) and sent to the DSP circuitry where demodulation algorithms recover the original
`digital data.
`
`There are three important points to consider. First, the modulation and demodulation processes use two
`signals in quadrature with one another. The DSP calculations call for two quadrature signals if the phase and
`amplitude are to be preserved and captured during modulation or demodulation.
`
`Second, the DSP circuitry may be a conventional programmable DSP chip or may be implemented by fixed
`digital logic implementing the algorithm. Fixed logic circuits are smaller and faster and are preferred for
`their low latency in the modulation or demodulation process.
`
`Third, the PA in the transmitter needs to be a linear amplifier if the modulation is QPSK or QAM to
`faithfully reproduce the amplitude and phase information. For ASK, FSK, and BPSK, a more efficient non­
`linear amplifier may be used.
`
`The Pursuit Of Greater Spectral Efficiency
`With spectrum being a finite entity, it is always in short supply. The Federal Communications Commission
`(FCC) and other government bodies have assigned most of the electromagnetic frequency spectrum over the
`years, and most of that is actively used.
`
`Shortages now exist in the cellular and land mobile radio sectors, inhibiting the expansion of services such
`as high data speeds as well as the addition of new subscribers. One approach to the problem is to improve
`the efficiency of usage by squeezing more users into the same or less spectrum and achieving higher data
`
`MTel., Exhibit 2003, Aruba v. MTel., Page 10, IPR2016-00768
`
`

`

`rates. Improved modulation and access methods can help.
`
`One of the most crowded areas of spectrum is the land mobile radio (LMR) and private mobile radio (PMR)
`spectrum used by the federal government, state governments, and local public safety agencies like fire and
`police departments. Currently they’re assigned spectrum by FCC license in the 150­ to 174­MHz VHF
`spectrum and the 421­ to 512­MHz UHF spectrum.
`
`Most radio systems and handsets use FM analog modulation that occupies a 25­kHz channel. Recently the
`FCC has required all such radios to switch over to 12.5­kHz channels. This conversion, known as
`narrowbanding, doubles the number available channels.
`
`Narrowbanding is expected to improve a radio’s ability to get access to a channel. It also means that more
`radios can be added to the system. This conversion must take place before January 1, 2013. Otherwise, an
`agency or business could lose its license or be fined. This switchover will be expensive as new radio systems
`and handsets are required.
`
`In the future, the FCC is expected to mandate a further change from the 12.5­kHz channels to 6.25­kHz
`channels, again doubling capacity without increasing the amount of spectrum assigned. No date for that
`change has been assigned.
`
`The new equipment can use either analog or digital modulation. It is possible to put standard analog FM in a
`12.5­kHz channel by adjusting the modulation index and using other bandwidth­narrowing techniques.
`However, analog FM in a 6.25­kHz channel is unworkable, so a digital technique must be used.
`
`Digital methods digitize the voice signal and use compression techniques to produce a very low­rate serial
`digital signal that can be modulated into a narrow band. Such digital modulation techniques are expected to
`meet the narrowbanding goal and provide some additional performance advantages.
`
`New modulation techniques and protocols—including P25, TETRA, DMR, dPMR, and NXDN—have been
`developed to meet this need. All of these new methods must meet the requirements of the FCC’s Part 90
`regulations and/or the regulations of the European Telecommunications Standards Institute (ETSI)
`standards such as TS­102 490 and TS­102­658 for LMR.
`
`The most popular digital LMR technology, P25, is already in wide use in the U.S. with 12.5­kHz channels. Its
`frequency division multiple access (FDMA) method divides the assigned spectrum into 6.25­kHz or 12.5­kHz
`channels.
`
`Phase I of the P25 project uses a four­symbol FSK (4FSK) modulation. Standard FSK, covered earlier, uses
`two frequencies or “tones” to achieve 1­bit/Hz. However, 4FSK is a variant that uses four frequencies to
`provide 2­bits/Hz efficiency. With this scheme the standard achieves a 9600­bit/s data rate in a 12.5­KHz
`channel. With 4FSK, the carrier frequency is shifted by ±1.8 kHz or ±600 Hz to achieve the four symbols.
`
`In Phase 2, a compatible QPSK modulation scheme is used to achieve a similar data rate in a 6.25­kHz
`channel. The phase is shifted either ±45° or ±135° to get the four symbols. A unique demodulator has been
`developed to detect either the 4FSK or QPSK signal to recover the digital voice. Only different modulators
`on the transmit end are needed to make the transition from Phase 1 to Phase 2.
`
`The most widespread digital LMR technology outside of the U.S. is TETRA, or Terrestrial Trunked Radio.
`This ETSI standard is universally used in Europe as well as in Africa, Asia, and Latin America. Its time
`division multiple access (TDMA) approach multiplexes four digital voice or data signals into a 25­kHz
`channel.
`
`MTel., Exhibit 2003, Aruba v. MTel., Page 11, IPR2016-00768
`
`

`

`A single channel is used to support a digital stream of four time slots for the digital data for each subscriber.
`This is equivalent to four independent signals in adjacent 6.25­kHz channels. The modulation is π/4­
`DQPSK, and the data rate is 7.2 kbits/s per time slot.
`
`Another ETSI standard, digital mobile radio (DMR), uses a 4FSK modulation scheme in a 12.5­kHz channel.
`It can achieve a 6.25­kHz channel equivalent in a 12.5­kHz channel by using two­slot TDMA. The voice is
`digitally coded with error correction, and the basic rate is 3.6 kbits/s. The data rate in the 12.5­kHz band is
`9600 kbits/s.
`
`A similar technology is dPMR, or digital private mobile radio standard. This ETSI standard also uses a 4FSK
`modulation scheme, but the access is FDMA in 6.25­kHz channels. The voice coding rate is also 3.6 kbits/s
`with error correction.
`
`LMR manufacturers Icom and Kenwood have developed NXDN, another standard for LMR. It is designed to
`operate in either 12.5­ or 6.25­kHz channels using digital voice compression and a four­symbol FSK system.
`A channel may be selected to carry voice or data.
`
`The basic data rate is 4800 bits/s. The access method is FDMA. NXDN and dPMR are similar, as they both
`use 4FSK and FDMA in 6.25­kHz channels. The two methods are not compatible, though, as the data
`protocols and other features are not the same.
`
`Because all of these digital techniques are similar and operate in standard frequency ranges, Freescale
`Semiconductor was able to make a single­chip digital radio that includes the RF transceiver plus an ARM9
`processor that can be programmed to handle any of the digital standards. The MC13260 system­on­a­chip
`(SoC) can form the basis of a handset radio for any one if not multiple protocols. For more, see “Chip Makes
`Two­Way Radio Easy.”
`
`Another example of modulation techniques improving spectral efficiency and increasing data throughput in
`a given channel is a new technique from NovelSat called NS3 modulation. Satellites are positioned in an
`orbit around the equator about 22,300 miles from earth. This is called the geostationary orbit, and
`satellites in it rotate in synchronization with the earth so they appear fixed in place, making them a good
`signal relay platform from one place to another on earth.
`
`Satellites carry several transponders that pick up the weak uplink signal from earth and retransmit it on a
`different frequency. These transponders are linear and have a fixed bandwidth, typically 36 MHz. Some of
`the newer satellites have 72­MHz channel transponders. With a fixed bandwidth, the data rate is somewhat
`fixed as determined by the modulation scheme and access methods.
`
`The question is how one deals with the need to increase the data rate in a remote satellite as required by the
`ever increasing demand for more traffic capacity. The answer lies in simply creating and implementing a
`more spectrally efficient modulation method. That’s what NovelSat did. Its NS3 modulation method
`increases bandwidth capacity up to 78%.
`
`That level of improvement comes from a revised version of APSK modulation covered earlier. One
`commonly used satellite transmission standard, DVB­S2, is a single carrier (typically L­band, 950 to 1750
`MHz) that can use QPSK, 8PSK, 16APSK, and 32APSK modulation with different forward error correction
`(FEC) schemes. The most common application is video transmission.
`
`NS3 improves on DVB­S2 by offering 64APSK with multiple amplitude and phase symbols to improve
`efficiency. Also included is low density parity check (LDPC) coding. This combination provides a maximum
`
`MTel., Exhibit 2003, Aruba v. MTel., Page 12, IPR2016-00768
`
`

`

`data rate of 358 Mbits/s in a 72­MHz transponder. Because the modulation is APSK, the TWT PAs don’t
`have to be backed off to preserve perfect linearity. As a result, they can operate at a higher power level and
`achieve the higher data rate with a lower CNR than DVB­S2. NovelSat offers its NS1000 modulator and
`NS2000 demodulator units to upgrade satellite systems to NS3. In most applications, NS3 provides a data
`rate boost over DVB­S2 for a given CNR.
`
`Acknowledgment
`Special thanks to marketing director Debbie Greenstreet and technical marketing manager Zhihong Lin at
`Texas Instruments as well as David Furstenberg, chairman of NovelSat, for their help with this article.
`
`References
`
`1.  De Gaudenzi, Riccardo, et al, European Space Agency, American Institute of Aeronautics and
`Astronautics paper, 2002.
`2.  Frenzel, Louis E., Principles of Electronics Communication Systems, 3rd edition, McGraw Hill, 2008.
`3.  Kolimbiris, Haorld, Digital Communications Systems, Prentice Hall, 2000.
`4.  Young, Paul H., Electronic Communications Techniques, 5th edition, Prentice Hall, 2004.
`5.  Company briefings: Texas Instruments, Freescale and NovelSat
`
`Source URL: http://electronicdesign.com/communications/understanding­modern­digital­modulation­
`techniques
`
`MTel., Exhibit 2003, Aruba v. MTel., Page 13, IPR2016-00768
`
`