Modulacja amplitudy kwadraturowej - Quadrature amplitude modulation

Kwadraturowa modulacja amplitudy ( QAM ) to nazwa rodziny metod modulacji cyfrowej i pokrewnej rodziny metod modulacji analogowej szeroko stosowanych we współczesnej telekomunikacji do przesyłania informacji. Przesyła dwa analogowe sygnały wiadomości lub dwa cyfrowe strumienie bitów , zmieniając ( modulując ) amplitudy dwóch fal nośnych , wykorzystując schemat modulacji cyfrowej z kluczowaniem z przesunięciem amplitudy (ASK) lub schemat modulacji analogowej modulacji amplitudy (AM). Dwie fale nośne o tej samej częstotliwości są przesunięte w fazieze sobą o 90 °, stan znany jako ortogonalność lub kwadratura . Przesyłany sygnał jest tworzony przez zsumowanie dwóch fal nośnych. W odbiorniku te dwie fale mogą być koherentnie rozdzielone (demodulowane) ze względu na ich właściwość ortogonalności. Inną kluczową właściwością jest to, że modulacje są przebiegami o niskiej częstotliwości/niskiej szerokości pasma w porównaniu z częstotliwością nośną, co jest znane jako założenie wąskopasmowe .

Modulację fazy (analogowe PM) i kluczowanie przesunięcia fazowego (cyfrowe PSK) można uznać za szczególny przypadek QAM, gdzie amplituda przesyłanego sygnału jest stała, ale jego faza jest zmienna. Można to również rozszerzyć na modulację częstotliwości (FM) i kluczowanie z przesunięciem częstotliwości (FSK), ponieważ można je uznać za szczególny przypadek modulacji fazy.

QAM jest szeroko stosowany jako schemat modulacji dla cyfrowych systemów telekomunikacyjnych , takich jak standardy Wi-Fi 802.11 . Za pomocą QAM można osiągnąć dowolnie wysokie wydajności widmowe, ustawiając odpowiedni rozmiar konstelacji , ograniczony jedynie poziomem szumu i liniowością kanału komunikacyjnego. QAM jest używany w systemach światłowodowych wraz ze wzrostem szybkości transmisji; QAM16 i QAM64 mogą być emulowane optycznie za pomocą 3-drożnego interferometru .

Demodulacja QAM

Analog QAM: zmierzony sygnał paska kolorów PAL na ekranie analizatora wektorów.

W sygnale QAM jedna nośna jest opóźniona względem drugiej o 90°, a jej modulacja amplitudy jest zwyczajowo nazywana składową współfazową, oznaczoną przez I ( t ). Druga funkcja modulująca jest składnik w kwadraturze , P ( t ). Tak więc złożony kształt fali jest matematycznie modelowany jako:

    lub:

 

 

 

 

( Równanie 1 )

gdzie f c jest częstotliwością nośną. W odbiorniku koherentny demodulator mnoży odebrany sygnał oddzielnie zarówno z sygnałem kosinusoidalnym, jak i sinusoidalnym , aby wytworzyć odebrane estymaty I ( t ) i Q ( t ) . Na przykład:

Używając standardowych tożsamości trygonometrycznych , możemy zapisać to jako:

Dolnoprzepustowego filtrowania R ( t ) usuwa warunki wysokiej częstotliwości (zawierające f c t ), pozostawiając tylko I ( t ) określenia. Na ten filtrowany sygnał nie ma wpływu Q ( t ), co pokazuje, że składowa w fazie może być odbierana niezależnie od składowej kwadraturowej. Podobnie możemy pomnożyć s c ( t ) przez falę sinusoidalną, a następnie filtr dolnoprzepustowy, aby wyodrębnić Q ( t ).

Dodanie dwóch sinusoid jest operacją liniową, która nie tworzy nowych składowych częstotliwości. Tak więc szerokość pasma sygnału kompozytowego jest porównywalna z szerokością pasma komponentów DSB (Double-Sideband). Efektywnie redundancja widmowa DSB umożliwia podwojenie pojemności informacyjnej przy użyciu tej techniki. Dzieje się to kosztem złożoności demodulacji. W szczególności sygnał DSB ma przejścia przez zero przy regularnej częstotliwości, co ułatwia odzyskanie fazy sinusoidy nośnej. Mówi się, że jest samoczynny . Ale nadawca i odbiorca sygnału z modulacją kwadraturową muszą współdzielić zegar lub w inny sposób wysyłać sygnał zegarowy. Jeśli fazy zegara oddalają się, zdemodulowane sygnały I i Q przenikają się nawzajem, dając przesłuch . W tym kontekście sygnał zegarowy nazywany jest „fazą odniesienia”. Synchronizacja zegara jest zazwyczaj osiągana przez przesyłanie podnośnej serii lub sygnału pilota . Na przykład odniesienie fazy dla NTSC jest zawarte w jego sygnale Colorburst .

Analogowy QAM jest używany w:

  • Systemy telewizji kolorowej analogowej NTSC i PAL , w których sygnały I i Q przenoszą składniki informacji o chromie (kolorze). Faza nośna QAM jest odzyskiwana ze specjalnej serii kolorów transmitowanej na początku każdej linii skanowania.
  • C-QUAM ("Compatible QAM") jest używany w stereofonicznym radiu AM do przenoszenia informacji o różnicy stereo.

Analiza Fouriera QAM

W dziedzinie częstotliwości QAM ma podobny wzór widmowy do modulacji DSB-SC . Stosując wzór Eulera do sinusoid w równaniu 1 , część s c o dodatniej częstotliwości (lub reprezentacja analityczna ) to:

gdzie oznacza transformatę Fouriera, a?i oraz ?Qsą transformacjami I ( t ) i Q ( t ). Wynik ten reprezentuje sumę dwóch sygnałów DSB-SC o tej samej częstotliwości środkowej. Współczynnik i (= e /2 ) reprezentuje przesunięcie fazowe o 90°, które umożliwia ich indywidualne demodulacje.

Cyfrowy QAM

Cyfrowy 16-QAM z przykładowymi punktami konstelacji
Cyfrowy 16-QAM z przykładowymi punktami konstelacji

Podobnie jak w wielu schematach modulacji cyfrowej, diagram konstelacji jest przydatny dla QAM. W QAM punkty konstelacji są zwykle ułożone w siatkę kwadratową z równymi odstępami w pionie i poziomie, chociaż możliwe są inne konfiguracje (np. siatka sześciokątna lub trójkątna). W telekomunikacji cyfrowej dane są zwykle binarne , więc liczba punktów w siatce jest zwykle potęgą 2 (2, 4, 8, …), odpowiadającą liczbie bitów na symbol. Najprostsze i najczęściej używane konstelacje QAM składają się z punktów ułożonych w kwadrat, tj. 16-QAM, 64-QAM i 256-QAM (parzyste potęgi dwójki). Konstelacje niekwadratowe, takie jak Cross-QAM, mogą oferować większą wydajność, ale są rzadko używane ze względu na koszt zwiększonej złożoności modemu.

Przechodząc do konstelacji wyższego rzędu, możliwe jest przesyłanie większej liczby bitów na symbol . Jednakże, jeśli średnia energia konstelacji ma pozostać taka sama (poprzez dokonanie rzetelnego porównania), punkty muszą być bliżej siebie, a zatem są bardziej podatne na zakłócenia i inne uszkodzenia; powoduje to wyższą bitową stopę błędów, a więc QAM wyższego rzędu może dostarczać więcej danych mniej niezawodnie niż QAM niższego rzędu, dla stałej średniej energii konstelacji. Korzystanie z QAM wyższego rzędu bez zwiększania bitowej stopy błędów wymaga wyższego stosunku sygnału do szumu (SNR) poprzez zwiększenie energii sygnału, redukcję szumów lub jedno i drugie.

Jeśli wymagane są szybkości transmisji danych przekraczające te oferowane przez 8- PSK , zwykle przechodzi się na QAM, ponieważ osiąga większą odległość między sąsiednimi punktami w płaszczyźnie IQ poprzez bardziej równomierne rozmieszczenie punktów. Czynnikiem komplikującym jest to, że punkty nie mają już tej samej amplitudy, więc demodulator musi teraz poprawnie wykryć zarówno fazę, jak i amplitudę , a nie tylko fazę.

64-QAM i 256-QAM są często używane w zastosowaniach cyfrowej telewizji kablowej i modemów kablowych . W Stanach Zjednoczonych, 64-QAM i 256-QAM są obowiązkowymi schematami modulacji dla kabla cyfrowego (patrz tuner QAM ) standaryzowanymi przez SCTE w standardzie ANSI/SCTE 07 2013 . Zwróć uwagę, że wiele osób zajmujących się marketingiem będzie określać je jako QAM-64 i QAM-256. W Wielkiej Brytanii 64-QAM jest używane do cyfrowej telewizji naziemnej ( Freeview ), podczas gdy 256-QAM jest używane do Freeview-HD.

Ładowanie bitów (bity na konstelację QAM) na linii ADSL

Systemy komunikacyjne zaprojektowane w celu osiągnięcia bardzo wysokich poziomów wydajności widmowej zwykle wykorzystują bardzo gęste konstelacje QAM. Na przykład obecne urządzenia Homeplug AV2 500-Mbit/s powerline Ethernet wykorzystują 1024-QAM i 4096-QAM, a także przyszłe urządzenia wykorzystujące standard ITU-T G.hn do łączenia w sieć za pomocą istniejącego okablowania domowego ( kabel koncentryczny , linie telefoniczne i zasilanie linie ); 4096-QAM zapewnia 12 bitów na symbol. Innym przykładem jest technologia ADSL dla skrętek miedzianych, których rozmiar konstelacji sięga 32768-QAM (w terminologii ADSL określa się to jako ładowanie bitów lub bit na ton, 32768-QAM odpowiada 15 bitom na ton).

Mikrofalowe systemy dosyłowe o ultrawysokiej wydajności również wykorzystują 1024-QAM. Dzięki 1024-QAM, adaptacyjnemu kodowaniu i modulacji (ACM) oraz XPIC sprzedawcy mogą uzyskać gigabitową przepustowość w pojedynczym kanale 56 MHz.

Zakłócenia i hałas

Przechodząc do konstelacji QAM wyższego rzędu (wyższa szybkość transmisji danych i tryb) w nieprzyjaznych środowiskach aplikacji RF / mikrofalowej QAM, takich jak nadawanie lub telekomunikacja , zwykle wzrastają zakłócenia wielościeżkowe . Następuje rozproszenie plamek w konstelacji, zmniejszające separację między sąsiednimi stanami, co utrudnia odpowiednie dekodowanie sygnału przez odbiornik. Innymi słowy, odporność na zakłócenia jest zmniejszona . Istnieje kilka pomiarów parametrów testowych, które pomagają określić optymalny tryb QAM dla określonego środowiska operacyjnego. Następujące trzy są najbardziej znaczące:

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Jonqyin (Russell) Sun „Analiza zróżnicowania liniowego dla QAM w kanałach zanikania Rician”, IEEE WOCC 2014
  • John G. Proakis , „ Komunikacja cyfrowa, wydanie 3

Zewnętrzne linki