Quadraturamplitudenmodulation

Quadraturamplitudenmodulation (QAM) ist der Name einer Familie von Digitale Modulation Methoden und eine verwandte Familie von Analoge Modulation Methoden, die in der Moderne weit verbreitet sind Telekommunikation Informationen übertragen. Es vermittelt zwei analoge Nachrichtensignale oder zwei digitale Bitströme, durch Austausch (Modulation) das Amplituden von zwei Trägerwellen, Verwendung der Amplitudenverschiebungsschlüsselung (Fragen) Digitalmodulationsschema oder Amplitudenmodulation (AM) Analogmodulationsschema. Die beiden Trägerwellen sind von der gleichen Frequenz und sind aus der Phase miteinander um 90 °, ein Zustand, der als bekannt ist als Orthogonalität oder Quadratur. Das übertragene Signal wird erstellt, indem die beiden Trägerwellen zusammengefügt werden. Am Empfänger können die beiden Wellen aufgrund ihrer Orthogonalitätseigenschaft kohärent getrennt (demoduliert) werden. Eine andere Schlüsseleigenschaft ist, dass die Modulationen im Vergleich zur Trägerfrequenz, die als die bezeichnet wird Schmalbandannahme.

Phasenmodulation (Analog PM) und Phasenverschiebungsschlüsselung (Digital PSK) kann als Sonderfall von QAM angesehen werden, bei dem die Amplitude des übertragenen Signals eine Konstante ist, seine Phase jedoch variiert. Dies kann auch auf erweitert werden Frequenzmodulation (Fm) und Frequenzverschiebungsschlüsselung (FSK), denn diese können als Sonderfall der Phasenmodulation angesehen werden.

QAM wird ausgiebig als Modulationsschema für Digital verwendet Telekommunikation Systeme wie in 802.11 Wi-Fi-Standards. Willkürlich hoch Spektrale Effizienz kann mit QAM erreicht werden, indem ein geeignetes Einstellen festgelegt wird Konstellation Größe, nur durch den Rauschpegel und die Linearität des Kommunikationskanals begrenzt.^[1]QAM wird in optischen Fasersystemen verwendet, wenn die Bitraten zunehmen. QAM16 und QAM64 können optisch mit einem 3-Pfad emuliert werden Interferometer.^[2][3]

Demodulation von QAM

Analog QAM: gemessenes PAL -Farbstangensignal auf einem Vektoranalysator -Bildschirm.

In einem QAM -Signal bleibt der eine Träger die andere um 90 ° zurück, und seine Amplitudenmodulation wird üblicherweise als die bezeichnet In-Phasen-Komponente, bezeichnet durch I(t). Die andere Modulationsfunktion ist die Quadraturkomponente, Q(t). Die zusammengesetzte Wellenform wird also mathematisch modelliert als:

$oder {\ pi} {2}} \ rechts)} _ {\ cos \ links (2 \ pi f_ {c} t \ rechts)} \; q (t),}$     oder:

$oder {\ pi} {2}} \ rechts)} _ {-\ sin \ links (2 \ pi f_ {c} t \ rechts)} \; q (t),}$

(Gl. 1)

wo f_c ist die Trägerfrequenz. Am Empfänger a Kohärenter Demodulator multipliziert das empfangene Signal getrennt mit beiden Kosinus und Sinus Signal, die empfangenen Schätzungen von zu erzeugen I(t) und Q(t). Zum Beispiel:

$oder pi f_ {c} t) -q (t) \ sin (2 \ pi f_ {c} t) \ cos (2 \ pi f_ {c} t).}$

Verwenden von Standard Trigonometrische IdentitätenWir können dies als:

$oder oder } {2}} \ links [i (t) \ cos (4 \ pi f_ {c} t) -q (t) \ sin (4 \ pi f_ {c} t) \ rechts]. }}$

Tiefpassfilterung r(t) Entfernt die Hochfrequenzbegriffe (enthalten 4πf_ct), nur die I(t) Begriff. Dieses gefilterte Signal ist nicht betroffen von Q(t), zeigt, dass die In-Phasen-Komponente unabhängig von der Quadraturkomponente empfangen werden kann. Ebenso können wir uns vermehren s_c(t) durch eine Sinuswelle und dann einen Tiefpassfilter zum Extrahieren Q(t).

Die Zugabe von zwei Sinusoiden ist eine lineare Operation, die keine neuen Frequenzkomponenten erzeugt. Daher ist die Bandbreite des Verbundsignals vergleichbar mit der Bandbreite der DSB-Komponenten (Double-SideBand). Effektiv ermöglicht die spektrale Redundanz von DSB eine Verdoppelung der Informationskapazität mit dieser Technik. Dies geht aus Kosten der Demodulationskomplexität. Insbesondere ein DSB-Signal hat bei regelmäßiger Frequenz keine Kreuzungen, wodurch es einfach ist, die Phase des Trägers sinusförmigen wiederherzustellen. Es soll sein Selbstverschluss. Der Absender und der Empfänger eines Quadratur-modulierten Signals müssen jedoch eine Uhr teilen oder auf andere Weise ein Taktsignal senden. Wenn die Uhr Phasen auseinander driftet, demodulierte die demodulierten I und Q Signale bluten ineinander und geben nach Übersprechen. In diesem Zusammenhang wird das Taktsignal als "Phasenreferenz" bezeichnet. Die Taktsynchronisation wird typischerweise durch Übertragen eines Burst erreicht Unterwährung oder ein Pilotsignal. Die Phasenreferenz für NtscZum Beispiel ist in seiner enthalten ColorBurst Signal.

Analog QAM wird verwendet in:

• Ntsc und KUMPEL Analog Farbfernseher Systeme, bei denen die I- und Q-Signals die Komponenten von Chroma (Farb-) Informationen tragen. Die QAM -Trägerphase wird aus einem speziellen Farbburst wiederhergestellt, der zu Beginn jeder Scan -Linie übertragen wird.
• C-Quam ("Kompatible QAM") wird in verwendet Bin Stereo Radio, um die Stereounterschiedsinformationen zu tragen.

Fourier -Analyse von QAM

In dem Frequenzbereich, QAM hat ein ähnliches spektrales Muster wie DSB-SC Modulation. Bewirbt sich Eulers Formel zu den Sinusoiden in Gl. 1der positive Frequenzanteil von s_c (oder analytische Darstellung) ist:

$oder oder i \ pi /2} {\ wideHat {q}} (f-f_ {c}) \ rechts],},},},},},},},},},},},},},},},}$

wo ${\ displaystyle {\ mathcal {f}}}$ bezeichnet die Fourier -Transformation und ︿I und ︿Q sind die Transformationen von I(t) und Q(t). Dieses Ergebnis repräsentiert die Summe von zwei DSB-SC-Signalen mit der gleichen Mittelfrequenz. Der Faktor von i (= e^iπ/2) repräsentiert die 90 ° -Phasenverschiebung, die ihre individuellen Demodulationen ermöglicht.

Digital QAM

Digital 16-QAM mit Beispielkonstellationspunkten

Konstellationspunkte für 4-QAM, 16-QAM, 32-QAM und 64-QAM überlappten

Wie in vielen Digitalmodulationsschemata, die Sternungsdiagramm ist nützlich für QAM. In QAM sind die Konstellationspunkte normalerweise in einem quadratischen Gitter mit gleichem vertikalem und horizontalem Abstand angeordnet, obwohl andere Konfigurationen möglich sind (z. B. ein hexagonales oder dreieckiges Gitter). In digital Telekommunikation Die Daten sind normalerweise binärDie Anzahl der Punkte im Gitter beträgt also typischerweise eine Leistung von 2 (2, 4, 8,…), was der Anzahl der Bits pro Symbol entspricht. Die einfachsten und am häufigsten verwendeten QAM-Konstellationen bestehen aus Punkten, die in einem Quadrat angeordnet sind, d. H. 16-QAM, 64-QAM und 256-QAM (sogar Kräfte von zwei). Nichtquadratische Konstellationen wie Cross-QAM können eine größere Effizienz bieten, werden jedoch aufgrund der Kosten für eine erhöhte Komplexität der Modems selten eingesetzt.

Durch den Umzug in eine Konstellation höherer Ordnung ist es möglich, mehr zu übertragen Bits pro Symbol. Wenn jedoch die mittlere Energie der Konstellation darin besteht, gleich zu bleiben (durch einen fairen Vergleich), müssen die Punkte näher zusammen sein und sind daher anfälliger für Lärm und andere Korruption; Dies führt zu einem höheren Bit Fehlerrate und so kann QAM höherer Ordnung mehr Daten liefern, die weniger zuverlässig als QAM niedrigerer Ordnung für konstante mittlere Konstellationsenergie liefern. Die Verwendung von QAM höherer Ordnung ohne Erhöhung der Bitfehlerrate erfordert eine höhere Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) durch Erhöhen der Signalenergie, Reduzierung von Rauschen oder beides.

Wenn Datenrate über die von 8-PSK Es ist erforderlich, es ist üblich, zu QAM zu wechseln, da es einen größeren Abstand zwischen benachbarten Punkten in der I-Q-Ebene erreicht, indem die Punkte gleichmäßiger verteilt werden. Der komplizierende Faktor ist, dass die Punkte nicht mehr alle gleiche Amplitude haben und so die Demodulator muss jetzt beide richtig erkennen Phase und Amplitude, anstatt nur Phase.

64-QAM und 256-QAM werden häufig in verwendet Digitales Kabel Fernsehen und Kabelmodem Anwendungen. In den Vereinigten Staaten sind 64-QAM und 256-QAM die vorgeschriebenen Modulationsschemata für Digitales Kabel (sehen QAM Tuner) wie durch die standardisiert SCTE im Standard ANSI/SCTE 07 2013. Beachten Sie, dass viele Marketing-Mitarbeiter diese als QAM-64 und QAM-256 bezeichnen. In Großbritannien wird 64-QAM für verwendet Digitales terrestrisches Fernsehen (Freieview) während 256-QAM für Freeview-HD verwendet wird.

Bitladung (Bits pro QAM-Konstellation) auf einer ADSL-Linie

Kommunikationssysteme entwickelt, um sehr hohe Maßstäbe von zu erreichen Spektrale Effizienz Normalerweise sehr dichte QAM -Konstellationen einsetzen. Zum Beispiel aktuelle Homeplug AV2 500-mbit/s Powerline Ethernet Geräte verwenden 1024-QAM und 4096-QAM.^[4] sowie zukünftige Geräte verwenden Itu-t G.hn Standard für die Vernetzung über bestehende Hausverkabelung (Koaxialkabel, Telefonleitungen und Stromleitungen); 4096-QAM liefert 12 Bit/Symbol. Ein anderes Beispiel ist Adsl Technologie für kupfergedrehte Paare, deren Konstellationsgröße bis zu 32768-QAM steigt (in der ADSL-Terminologie wird dies als Bitladung oder Bit pro Ton, 32768-QAM bezeichnet, entspricht 15 Bit pro Ton).^[5]

Mikrowellen-Backhaul-Systeme von Ultra-High-Kapazität verwenden auch 1024-QAM.^[6] Mit 1024-QAM, Adaptive Codierung und Modulation (ACM) und XpicAnbieter können die Gigabitkapazität in einem einzigen 56 -MHz -Kanal erhalten.^[6]

Einmischung und Rauschen

Bei einer QAM -Konstellation höherer Ordnung (höhere Datenrate und Modus) in feindlicher Weise Rf/Mikrowelle QAM -Anwendungsumgebungen wie in Rundfunk- oder Telekommunikation, Multipath -Interferenz Normalerweise zunimmt. Es gibt eine Ausbreitung der Flecken in der Konstellation, wodurch die Trennung zwischen benachbarten Zuständen verringert wird, was es dem Empfänger schwer macht, das Signal angemessen zu dekodieren. Mit anderen Worten, es gibt reduziert Lärm Immunität. Es gibt mehrere Testerparametermessungen, die dazu beitragen, einen optimalen QAM -Modus für eine bestimmte Betriebsumgebung zu bestimmen. Die folgenden drei sind am wichtigsten:^[7]

• Träger/Interferenzverhältnis
• Carrier-to-Noise-Verhältnis
• Schwellenwert-zu-Noise-Verhältnis

Siehe auch

• Amplitude- und Phasenverschiebungs-Keying oder Asymmetrische Phasenverschiebungs-Keying (APSK)
• Transportloser Amplitudenphasenmodulation (DECKEL)
• Kreisverpackung § Anwendungen
• In-Phasen- und Quadraturkomponenten
• Modulation Für andere Beispiele für Modulationstechniken
• Phasenverschiebungsschlüsselung
• QAM Tuner Für HDTV
• Zufällige Modulation

Verweise

Weitere Lektüre