18-10-2018 08:45

Квадратурная амплитудная модуляция (QAM): что это такое и где применяется

Модуляция QAM передает два аналоговых сигнала сообщений или два цифровых битовых потока путем изменения (модуляции) амплитуд двух несущих волн с использованием схемы цифровой модуляции с амплитудной манипуляцией (ASK) или аналоговой AM.

Принцип работы

Две несущие волны одной и той же частоты, обычно синусоиды, находятся вне фазы друг с другом на 90° и, таким образом, называются квадратурными несущими или квадратурными компонентами - отсюда и название схемы. Модулированные волны суммируются, а окончательная форма волны представляет собой комбинацию как фазовой манипуляции (PSK), так и амплитудной манипуляции (ASK), или в аналоговом случае фазовой модуляции (PM) и амплитудной модуляции.

Интерфаза — это период клеточного цикла. Определение и характеристика, стадии интерфазыВам будет интересно:Интерфаза — это период клеточного цикла. Определение и характеристика, стадии интерфазы

Как и все схемы модуляции, QAM передает данные путем изменения какого-либо аспекта сигнала несущей волны (обычно синусоиды) в ответ на сигнал данных. В случае цифрового QAM используются несколько дискретных значений фазового и множественного дискретных значений амплитуды. Фазовая манипуляция (PSK) - это более простая форма QAM, в которой амплитуда несущей постоянна и сдвигается только фаза.

В случае основы передачи QAM, несущая волна является совокупностью двух синусоидальных волн с одинаковой частотой, 90° по фазе друг от друга (в квадратуре). Они часто называются «I» или синфазной составляющей, а также «Q» или квадратурной составляющей. Каждая волна компонента модулируется по амплитуде, то есть ее амплитуда изменяется для представления данных, которые должны быть перенесены до того, как они будут объединены вместе.

Применение

Надпись decision boundaries на фото выше обозначает границу поверхности (или "границу принятия решений", дословно).

QAM (quadrature amplitude modulation) широко используется в качестве схемы модуляции для цифровых телекоммуникационных систем таких, как стандарты 802.11 Wi-Fi. Произвольная высокая спектральная эффективность может быть достигнута с помощью QAM путем установки подходящего размера созвездия, ограниченного только уровнем шума и линейностью канала связи.

Модуляция QAM используется в системах с оптическим волокном по мере увеличения скорости передачи битов. QAM16 и QAM64 могут быть оптически эмулированы с 3-канальным интерферометром.

Цифровая техника

В цифровой QAM каждая составляющая волна состоит из выборок постоянной амплитуды, каждая из которых занимает единый временной интервал, а амплитуда квантуется, ограничивается одним из конечного числа уровней, представляющим одну или несколько двоичных цифр (бит) цифровой бит. В аналоговой QAM амплитуда каждой составляющей синусоидальной волны непрерывно изменяется во времени аналоговым сигналом.

Температура Кюри - это... Определение, особенности и формулаВам будет интересно:Температура Кюри - это... Определение, особенности и формула

Фазовую модуляция (аналоговый PM) и манипуляцию (цифровая PSK) можно рассматривать как частный случай QAM, где величина модулирующего сигнала является постоянной, причем только фаза изменяется. Квадратурную модуляцию также можно расширить до частотной модуляции (FM) и манипуляции (FSK), поскольку они могут рассматриваться как ее подвид.

Как и во многих схемах цифровой модуляции, диаграмма созвездия полезна для QAM. В QAM точки созвездия обычно расположены в квадратной сетке с равным вертикальным и горизонтальным расстоянием, хотя возможны и другие конфигурации (например, Cross-QAM). Поскольку в цифровой телекоммуникации данные обычно двоичные, количество точек в сетке обычно составляет 2 (2, 4, 8, ...).

Поскольку QAM обычно является квадратным, некоторые из них редки - наиболее распространенными формами являются 16-QAM, 64-QAM и 256-QAM. Перемещаясь в более созвездие более высокого порядка, можно передавать больше бит на символ. Однако, если средняя энергия созвездия остается неизменной (путем проведения справедливого сравнения), точки должны быть ближе друг к другу и, следовательно, более восприимчивы к шуму и другой коррупции.

Это приводит к более высокой частоте ошибок в битах, и поэтому QAM более высокого порядка может предоставлять больше данных менее надежно, чем QAM более низкого порядка, для постоянной средней энергии созвездия. Использование QAM более высокого порядка без увеличения скорости битовых ошибок требует более высокого отношения сигнал / шум (SNR) за счет увеличения энергии сигнала, уменьшения шума или того и другого.

Технические приспособления

Если требуются скорости передачи данных, превышающие тарифы, предлагаемые 8-PSK, более обычным является переход в QAM, поскольку он достигает большего расстояния между соседними точками в плоскости I-Q, распределяя точки более равномерно. Усложняющим фактором является то, что точки больше не имеют одинаковой амплитуды, и поэтому демодулятор должен теперь правильно определять как фазу, так и амплитуду, а не просто фазу.

Телевидение

64-QAM и 256-QAM часто используются в цифровом кабельном телевидении и кабельных модемах. В Соединенных Штатах 64-QAM и 256-QAM являются санкционированными схемами модуляции для цифрового кабеля, которые стандартизованы SCTE в стандартном ANSI / SCTE 07 2013. Обратите внимание, что многие специалисты по маркетингу будут ссылаться на них как на QAM-64 и QAM-256. Великобритании модуляция QAM-64 используется для цифрового наземного телевидения (Freeview), а 256-QAM используется для Freeview-HD.

Системы связи, предназначенные для достижения очень высоких уровней спектральной эффективности, обычно используют очень плотные частоты из этой серии. Например, в современных устройствах Ethernet Powerplug AV2 500-Mbit используются устройства 1024-QAM и 4096-QAM, а также будущие устройства, использующие стандарт ITU-T G.hn для подключения к существующей домашней проводке (коаксиальный кабель, телефонные линии и линии электропередач); 4096-QAM обеспечивает 12 бит / символ.

Другим примером является технология ADSL 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 бит на тон).

Системы сверхвысокой пропускной способности с обратной связью также используют 1024-QAM. При использовании 1024-QAM, адаптивного кодирования и модуляции (ACM) и XPIC, производители могут получить гигабитную емкость в одном канале с частотой 56 МГц.

В SDR-приемнике

Известно, что круговая частота 8-QAM является оптимальной модуляцией 8-QAM в смысле необходимости наименьшей средней мощности для данного минимального евклидова расстояния. Частота 16-QAM является субоптимальной, хотя оптимальная может быть создана по тем же принципам, что и 8-QAM. Эти частоты часто используются при настройке SDR-приемника. Другие частоты могут быть воссозданы путем манипуляций с аналогичными (или похожими) частотами. Эти качества активно используются в современных СДР-приемниках и трансиверах, маршрутизаторах, роутерах.



Источник