Квадратурная амплитудная модуляция

Эта статья может быть слишком технической для понимания большинства читателей . Пожалуйста, помогите улучшить его, чтобы он был понятен неспециалистам , не удаляя технических деталей. ( Июнь 2020 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Квадратурная амплитудная модуляция ( QAM ) - это название семейства методов цифровой модуляции и родственного семейства методов аналоговой модуляции, широко используемых в современных телекоммуникациях для передачи информации. Он передает два аналоговых сигнала сообщения или два цифровых потока битов , изменяя ( модулируя ) амплитуды двух несущих волн , используя схему цифровой модуляции с амплитудной манипуляцией (ASK) или схему аналоговой модуляции с амплитудной модуляцией (AM). Две несущие волны одинаковой частоты не в фазедруг с другом на 90 °, условие, известное как ортогональность или квадратура . Переданный сигнал создается путем сложения двух несущих волн. В приемнике две волны могут быть когерентно разделены (демодулированы) благодаря их свойству ортогональности. Другим ключевым свойством является то, что модуляции представляют собой низкочастотные / узкополосные сигналы по сравнению с несущей частотой, что известно как узкополосное предположение .

Фазовая модуляция (аналоговая PM) и фазовая манипуляция (цифровая PSK) могут рассматриваться как частный случай QAM, где амплитуда передаваемого сигнала постоянна, но его фаза изменяется. Это также может быть расширено до частотной модуляции (FM) и частотной манипуляции (FSK), поскольку их можно рассматривать как частный случай фазовой модуляции.

QAM широко используется в качестве схемы модуляции для цифровых телекоммуникационных систем, например, в стандартах 802.11 Wi-Fi. С помощью QAM можно достичь произвольно высокой спектральной эффективности , установив подходящий размер созвездия , ограниченный только уровнем шума и линейностью канала связи. ^[1]   QAM используется в волоконно-оптических системах по мере увеличения скорости передачи данных; QAM16 и QAM64 могут быть оптически эмулированы с помощью 3-лучевого интерферометра . ^{[2] [3]}

Демодуляция QAM [ править ]

В сигнале QAM одна несущая отстает от другой на 90 °, и ее амплитудная модуляция обычно называется синфазной составляющей , обозначаемой I ( t ). Другая функция модулирующей является квадратурной составляющей , Q ( т ). Таким образом, составной сигнал математически моделируется как:

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

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

( Уравнение 1 )

где f _c - несущая частота. В приемнике когерентный демодулятор умножает принятый сигнал отдельно как на косинусоидальный, так и на синусоидальный сигнал, чтобы произвести полученные оценки I ( t ) и Q ( t ) . Например:

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

Используя стандартные тригонометрические тождества , мы можем записать это как:

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

Фильтрация нижних частот r ( t ) удаляет высокочастотные члены (содержащие 4π f _c t ), оставляя только член I ( t ) . На этот отфильтрованный сигнал не влияет Q ( t ), показывая, что синфазная составляющая может приниматься независимо от квадратурной составляющей. Точно так же мы можем умножить s _c ( t ) на синусоидальную волну, а затем на фильтр нижних частот, чтобы извлечь Q ( t ).

Сложение двух синусоид - это линейная операция, которая не создает новых частотных составляющих. Таким образом, ширина полосы композитного сигнала сравнима с шириной полосы компонентов DSB (Double-Sideband). Фактически, спектральная избыточность DSB позволяет удвоить информационную емкость с использованием этого метода. Это происходит за счет сложности демодуляции. В частности, сигнал DSB имеет переходы через ноль на регулярной частоте, что упрощает восстановление фазы синусоиды несущей. Говорят, что он самосинхронизируется . Но отправитель и получатель квадратурно-модулированного сигнала должны совместно использовать часы или иным образом отправлять тактовый сигнал. Если фазы тактовых импульсов расходятся, демодулированные сигналы I и Q перетекают друг в друга, даваяперекрестные помехи . В этом контексте тактовый сигнал называется «эталонной фазой». Тактовая синхронизация обычно достигается путем передачи пакетной поднесущей или пилот-сигнала . Фазовый опорный сигнал для NTSC , например, включен в его сигнал цветовой синхронизации.

Аналоговый QAM используется в:

• Аналоговые системы цветного телевидения NTSC и PAL , в которых I- и Q-сигналы несут компоненты информации цветности (цвета). Фаза несущей QAM восстанавливается из специальной цветовой палитры, передаваемой в начале каждой строки развертки.
• C-QUAM («совместимый QAM») используется в стереофоническом радио AM для передачи информации о разности стереозвуков.

Фурье-анализ QAM [ править ]

В частотной области QAM имеет спектральный образец, подобный модуляции DSB-SC . Применяя формулу Эйлера к синусоидам в уравнении 1 , положительная частотная часть s _c (или аналитическое представление ) будет:

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

где обозначает преобразование Фурье, а${\displaystyle {\mathcal {F}}}$︿я и ︿Qявляются преобразованиями I ( t ) и Q ( t ). Этот результат представляет собой сумму двух сигналов DSB-SC с одинаковой центральной частотой. Коэффициент i (= e ^{iπ / 2} ) представляет собой фазовый сдвиг на 90 °, который обеспечивает их индивидуальную демодуляцию.

Цифровой QAM [ править ]

Как и во многих схемах цифровой модуляции, диаграмма созвездия полезна для QAM. В QAM точки созвездия обычно располагаются в квадратной сетке с равным интервалом по вертикали и горизонтали, хотя возможны и другие конфигурации (например, Cross-QAM). Поскольку в цифровых телекоммуникациях данные обычно двоичны , количество точек в сетке обычно является степенью 2 (2, 4, 8,…). Поскольку QAM обычно имеет квадратную форму, некоторые из них встречаются редко - наиболее распространенными формами являются 16-QAM, 64-QAM и 256-QAM. Переходя к созвездию более высокого порядка, можно передавать больше бит на символ. Однако, если средняя энергия созвездия должна оставаться неизменной (путем справедливого сравнения), точки должны быть ближе друг к другу и, следовательно, более восприимчивы к шуму и другим искажениям; это приводит к более высокому уровню ошибок по битам, и поэтому QAM более высокого порядка может доставлять больше данных менее надежно, чем QAM более низкого порядка, для постоянной средней энергии совокупности. Использование QAM более высокого порядка без увеличения частоты ошибок по битам требует более высокого отношения сигнал / шум (SNR) за счет увеличения энергии сигнала, уменьшения шума или того и другого.

Если требуются скорости передачи данных, превышающие те, которые предлагает 8- PSK , более обычным является переход к QAM, поскольку он обеспечивает большее расстояние между соседними точками в плоскости IQ за счет более равномерного распределения точек. Усложняющий фактор состоит в том, что все точки больше не имеют одинаковой амплитуды, и поэтому демодулятор теперь должен правильно определять фазу и амплитуду , а не только фазу.

64-QAM и 256-QAM часто используются в приложениях цифрового кабельного телевидения и кабельных модемов . В США 64-QAM и 256-QAM являются обязательными схемами модуляции для цифрового кабеля (см. Тюнер QAM ), как это стандартизировано SCTE в стандарте ANSI / SCTE 07 2013 . Обратите внимание, что многие маркетологи будут называть их QAM-64 и QAM-256. ^{[ необходима цитата ]} В Великобритании 64-QAM используется для цифрового наземного телевидения ( Freeview ), а 256-QAM используется для Freeview-HD.

Системы связи, разработанные для достижения очень высоких уровней спектральной эффективности, обычно используют очень плотные группировки QAM. Например, текущие устройства Powerline Ethernet Homeplug AV2 500 Мбит / с используют 1024-QAM и 4096-QAM, ^[4], а также будущие устройства, использующие стандарт ITU-T G.hn для организации сети по существующей домашней проводке ( коаксиальный кабель , телефон Линии и ЛЭП ); 4096-QAM обеспечивает 12 бит / символ. Другой пример - ADSL.технология для медных витых пар, размер созвездия которых достигает 32768-QAM (в терминологии ADSL это называется битовой загрузкой или бит на тон, 32768-QAM эквивалентно 15 битам на тон). ^[5]

СВЧ-транзитные системы сверхвысокой емкости также используют 1024-QAM. ^[6] Благодаря 1024-QAM, адаптивному кодированию и модуляции (ACM) и XPIC производители могут получить гигабитную емкость в одном канале 56 МГц. ^[6]

Помехи и шум [ править ]

При переходе к созвездию QAM более высокого порядка (более высокая скорость передачи данных и режим) во враждебных средах приложений RF / микроволнового QAM, таких как радиовещание или телекоммуникации , многолучевые помехи обычно возрастают. Пятна в созвездии расширяются, уменьшая разделение между соседними состояниями, что затрудняет надлежащее декодирование сигнала приемником. Другими словами, снижается шум иммунитета. Существует несколько измерений параметров тестирования, которые помогают определить оптимальный режим QAM для конкретной операционной среды. Следующие три наиболее значимы: ^[7]

• Отношение несущая / помеха
• Отношение несущая / шум
• Отношение порогового уровня к шуму

См. Также [ править ]

• Амплитудная и фазовая манипуляция или асимметричная фазовая манипуляция (APSK)
• Безнесущая амплитудно-фазовая модуляция (CAP)
• Синфазная и квадратурная составляющие
• Модуляция для других примеров методов модуляции
• Фазовая манипуляция
• QAM-тюнер для HDTV
• Случайная модуляция

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Jonqyin (Russell) Sun "Анализ линейного разнесения для QAM в каналах с замираниями в Районе", IEEE WOCC 2014
• Джон Г. Проакис , " Цифровые коммуникации, 3-е издание "

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы, связанные с квадратурной амплитудной модуляцией .

• Демодуляция QAM
• Интерактивная веб-демонстрация созвездия QAM с аддитивным шумом Институт телекоммуникаций, Штутгартский университет
• Коэффициент битовых ошибок QAM для канала AWGN - онлайн-эксперимент
• Как несовершенства влияют на созвездие QAM
• Обзор микроволновых фазовращателей от Herley General Microwave
• Моделирование QPSK с двойной поляризацией (DP-QPSK) для оптической передачи 100G