Kvadraturní amplitudová modulace - Quadrature amplitude modulation

Passband modulace
Analogová modulace
DOPOLEDNE FM ODPOLEDNE QAM SM SSB
Digitální modulace
DOTÁZAT SE APSK CPM FSK MFSK MSK OK PPM PSK QAM SC-FDE TCM WDM
Hierarchická modulace
QAM WDM
Rozprostřené spektrum
CSS DSSS FHSS THSS
Viz také
Kódy blížící se kapacitě Demodulace Kódování řádků Modem AnM PoM PAM PCM PDM PWM ΔΣM OFDM FDM Multiplexování
proti t E

Kvadraturní amplitudová modulace ( QAM ) je název rodiny metod digitální modulace a související rodiny metod analogové modulace široce používaných v moderní telekomunikaci k přenosu informací. Přenáší dva signály analogových zpráv nebo dva digitální bitové toky změnou ( modulací ) amplitud dvou nosných vln pomocí schématu digitální modulace amplitudového posunu (ASK) nebo schématu analogové modulace amplitudové modulace (AM). Dvě nosné vlny stejné frekvence jsou navzájem mimo fázi o 90 °, což je stav známý jako ortogonalita nebo kvadratura . Vysílaný signál je vytvořen sečtením dvou nosných vln dohromady. U přijímače mohou být obě vlny koherentně odděleny (demodulovány) kvůli jejich vlastnosti ortogonality. Další klíčovou vlastností je, že modulace jsou nízkofrekvenční/nízkopásmové průběhy ve srovnání s nosnou frekvencí, která je známá jako úzkopásmový předpoklad .

Fázovou modulaci (analogový PM) a klíčování s fázovým posunem (digitální PSK) lze považovat za zvláštní případ QAM, kde amplituda vysílaného signálu je konstantní, ale jeho fáze se mění. To lze také rozšířit na frekvenční modulaci (FM) a frekvenční směrovací klíčování (FSK), protože tyto lze považovat za zvláštní případ fázové modulace.

QAM se široce používá jako modulační schéma pro digitální telekomunikační systémy, například ve standardech Wi-Fi 802.11 . Libovolně vysokých spektrálních účinností lze dosáhnout pomocí QAM nastavením vhodné velikosti konstelace , omezené pouze úrovní šumu a linearitou komunikačního kanálu. Jak se zvyšují přenosové rychlosti, používá se QAM v systémech s optickými vlákny; Modely QAM16 a QAM64 lze opticky emulovat pomocí třícestného interferometru .

Demodulace QAM

Analog QAM: změřený signál barevného pruhu PAL na obrazovce vektorového analyzátoru.

V signálu QAM jedna nosná zaostává za druhou o 90 ° a její amplitudová modulace se obvykle označuje jako fázová složka označená I ( t ). Druhá funkce modulace je kvadraturních složek , Q ( t ). Složený tvar vlny je tedy matematicky modelován jako:

${\ Displaystyle s_ {s} (t) \ triangleq \ sin (2 \ pi f_ {c} t) I (t) \ +\ \ underbrace {\ sin \ left (2 \ pi f_ {c} t +{\ tfrac {\ pi} {2}} \ right)} _ {\ cos \ left (2 \ pi f_ {c} t \ right)} \; Q (t),}$     nebo:

${\ Displaystyle s_ {c} (t) \ triangleq \ cos (2 \ pi f_ {c} t) I (t) \ +\ \ underbrace {\ cos \ left (2 \ pi f_ {c} t +{\ tfrac {\ pi} {2}} \ right)} _ {-\ sin \ left (2 \ pi f_ {c} t \ right)} \; Q (t),}$

( Rovnice 1 )

kde f _c je nosná frekvence. V přijímači koherentní demodulátor vynásobí přijatý signál odděleně kosinovým a sinusovým signálem, aby vytvořil přijaté odhady I ( t ) a Q ( t ) . Například:

${\ Displaystyle r (t) \ triangleq s_ {c} (t) \ cos (2 \ pi f_ {c} t) = I (t) \ cos (2 \ pi f_ {c} t) \ cos (2 \ pi f_ {c} t) -Q (t) \ sin (2 \ pi f_ {c} t) \ cos (2 \ pi f_ {c} t).}$

Pomocí standardních goniometrických identit to můžeme zapsat jako:

${\ Displaystyle {\ begin {aligned} r (t) & = {\ tfrac {1} {2}} I (t) \ left [1+ \ cos (4 \ pi f_ {c} t) \ right]- {\ tfrac {1} {2}} Q (t) \ sin (4 \ pi f_ {c} t) \\ & = {\ tfrac {1} {2}} I (t)+{\ tfrac {1 } {2}} \ left [I (t) \ cos (4 \ pi f_ {c} t) -Q (t) \ sin (4 \ pi f_ {c} t) \ right]. \ End {zarovnaný} }}$

Nízkoprůchodové filtrování r ( t ) odstraní vysokofrekvenční členy (obsahující 4π f _c t ) a ponechá pouze termín I ( t ) . Tento filtrovaný signál není ovlivněn Q ( t ), což ukazuje, že fázovou složku lze přijímat nezávisle na kvadraturní složce. Podobně můžeme s _c ( t ) vynásobit sinusovou vlnou a poté dolnoprůchodovým filtrem pro extrakci Q ( t ).

Přidání dvou sinusoidů je lineární operace, která nevytváří žádné nové frekvenční složky. Šířka pásma kompozitního signálu je tedy srovnatelná s šířkou pásma komponent DSB (Double-Sideband). Spektrální redundance DSB efektivně umožňuje zdvojnásobení informační kapacity pomocí této techniky. To je na úkor složitosti demodulace. Zejména má signál DSB nulové křížení na pravidelné frekvenci, což usnadňuje obnovení fáze nosné sinusoidy. Říká se, že je samospoušť . Ale odesílatel a přijímač kvadraturně modulovaného signálu musí sdílet hodiny nebo jinak posílat hodinový signál. Pokud se fáze hodin rozejdou, demodulované signály I a Q do sebe krvácejí, čímž dojde k přeslechu . V této souvislosti se hodinový signál nazývá „fázová reference“. Synchronizace hodin je typicky dosažena přenosem shlukové nosné nebo pilotního signálu . Fázová reference pro NTSC je například zahrnuta v signálu colorburst .

Analogová QAM se používá v:

• NTSC a PAL analogové barevné televizní systémy, kde I- a Q-signály nesou složky informací o chroma (barvě). Fáze nosiče QAM je získána ze speciálního barevného výbuchu přenášeného na začátku každého skenovacího řádku.
• C-QUAM („Kompatibilní QAM“) se používá ve stereofonním rádiu AM k přenášení informací o stereofonním rozdílu.

Fourierova analýza QAM

Ve frekvenční doméně má QAM podobný spektrální vzor jako DSB-SC modulace. Při použití Eulerova vzorce na sinusoidy v rovnici 1 je kladná frekvence s _c (nebo analytická reprezentace ):

${\ Displaystyle s_ {c} (t) _ {+} = {\ tfrac {1} {2}} e^{i2 \ pi f_ {c} t} [I (t)+iQ (t)] \ quad {\ stackrel {\ mathcal {F}} {\ Longrightarrow}} \ quad {\ tfrac {1} {2}} \ left [{\ widehat {I \}} (f-f_ {c})+e^{ i \ pi /2} {\ widehat {Q}} (f-f_ {c}) \ right],}$

kde označuje Fourierovu transformaci a${\ displaystyle {\ mathcal {F}}}$︿Já a ︿Otázkajsou transformace I ( t ) a Q ( t ). Tento výsledek představuje součet dvou signálů DSB-SC se stejnou střední frekvencí. Faktor i (= e ^{iπ /2} ) představuje fázový posun 90 °, který umožňuje jejich individuální demodulaci.

Digitální QAM

Digitální 16-QAM s příklady konstelačních bodů

Digitální 16-QAM s příklady konstelačních bodů

Stejně jako v mnoha digitálních modulačních schématech je konstelační diagram užitečný pro QAM. V QAM jsou konstelační body obvykle uspořádány ve čtvercové mřížce se stejnými svislými a vodorovnými rozestupy, i když jsou možné i jiné konfigurace (např. Šestiúhelníková nebo trojúhelníková mřížka). V digitální telekomunikaci jsou data obvykle binární , takže počet bodů v síti je obvykle mocninou 2 (2, 4, 8, ...), což odpovídá počtu bitů na symbol. Nejjednodušší a nejčastěji používané konstelace QAM se skládají z bodů uspořádaných do čtverce, tj. 16-QAM, 64-QAM a 256-QAM (sudé mocniny dvou). Non-square konstelace, jako je Cross-QAM, mohou nabídnout větší účinnost, ale jsou zřídka používány kvůli nákladům na vyšší složitost modemu.

Přesunem do souhvězdí vyššího řádu je možné přenášet více bitů na symbol . Má -li však střední energie souhvězdí zůstat stejná (formou spravedlivého srovnání), musí být body blíže u sebe, a jsou tedy náchylnější k hluku a další korupci; to má za následek vyšší bitovou chybovost a tak QAM vyššího řádu může dodávat více dat méně spolehlivě než QAM nižšího řádu, pro konstantní střední konstelační energii. Použití QAM vyššího řádu bez zvýšení bitové chybovosti vyžaduje vyšší poměr signálu k šumu (SNR) zvýšením energie signálu, snížením šumu nebo obojího.

Pokud jsou požadovány datové rychlosti nad rámec těch, které nabízí 8- PSK , je obvyklejší přejít na QAM, protože dosahuje větší vzdálenosti mezi sousedními body v rovině IQ rovnoměrnějším rozložením bodů. Komplikujícím faktorem je, že body již nemají stejnou amplitudu, a proto demodulátor nyní musí správně detekovat jak fázi, tak amplitudu , nikoli pouze fázi.

64-QAM a 256-QAM se často používají v aplikacích digitální kabelové televize a kabelového modemu . Ve Spojených státech jsou 64-QAM a 256-QAM nařízená modulační schémata pro digitální kabel (viz tuner QAM ) podle standardu SCTE ve standardu ANSI/SCTE 07 2013 . Mnoho marketingových lidí je bude označovat jako QAM-64 a QAM-256. Ve Velké Británii se 64-QAM používá pro digitální pozemní televizi ( Freeview ), zatímco 256-QAM se používá pro Freeview-HD.

Bitové načítání (bitů na konstelaci QAM) na lince ADSL

Komunikační systémy určené k dosažení velmi vysokých úrovní spektrální účinnosti obvykle používají velmi husté konstelace QAM. Například stávající ethernetová zařízení Powereplug AV2 500-Mbit/s powerline využívají 1024-QAM a 4096-QAM, stejně jako budoucí zařízení využívající standard ITU-T G.hn pro propojení přes stávající domácí kabeláž ( koaxiální kabel , telefonní linky a napájení linky ); 4096-QAM poskytuje 12 bitů/symbol. Dalším příkladem je technologie ADSL pro měděné kroucené páry, jejichž velikost konstelace dosahuje až 32768-QAM (v terminologii ADSL se tomu říká bitové načítání neboli bit na tón, 32768-QAM odpovídá 15 bitům na tón).

Ultravysokokapacitní mikrovlnné páteřní systémy také používají 1024-QAM. S 1024-QAM, adaptivním kódováním a modulací (ACM) a XPIC mohou prodejci získat gigabitovou kapacitu v jednom kanálu 56 MHz.

Rušení a hluk

Při přechodu na konstelaci QAM vyššího řádu (vyšší datová rychlost a režim) v nepřátelských prostředích QAM aplikací RF / mikrovln , jako je vysílání nebo telekomunikace , se vícecestné rušení obvykle zvyšuje. V souhvězdí dochází k šíření skvrn, což zmenšuje vzdálenost mezi sousedními stavy, což přijímači ztěžuje vhodnou dekódování signálu. Jinými slovy, je zde snížená hlučnost imunita. Existuje několik měření testovacích parametrů, které pomáhají určit optimální režim QAM pro konkrétní operační prostředí. Následující tři jsou nejvýznamnější:

• Poměr nosná /interference
• Poměr nosného k šumu
• Poměr prahu k šumu

Viz také

• Klíčování s amplitudou a fázovým posunem nebo asymetrické klíčování s fázovým posunem (APSK)
• Amplitudová fázová modulace (CAP) bez nosiče
• Fázové a kvadraturní komponenty
• Modulace pro další příklady technik modulace
• Klíčování s fázovým posunem
• Tuner QAM pro HDTV
• Náhodná modulace

Reference

Další čtení