Квадратурная амплитудная модуляция - Википедия - Quadrature amplitude modulation

Эта статья может быть слишком техническим для большинства читателей, чтобы понять. Пожалуйста помогите улучшить это к сделать понятным для неспециалистов, не снимая технических деталей. (Июнь 2020 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Квадратурная амплитудная модуляция (QAM) - это название семьи цифровая модуляция методы и родственное семейство аналоговая модуляция методы, широко используемые в современных телекоммуникации для передачи информации. Он передает два аналоговых сигнала сообщения или два цифровых битовые потоки, путем изменения (модулирующий) амплитуды из двух несущие волны, с использованием амплитудная манипуляция (ASK) схема цифровой модуляции или амплитудная модуляция (AM) схема аналоговой модуляции. Две несущие волны одинаковой частоты не в фазе друг с другом на 90 °, условие, известное как ортогональность или же квадратура. Переданный сигнал создается путем сложения двух несущих волн. В приемнике две волны могут быть когерентно разделены (демодулированы) благодаря их свойству ортогональности. Еще одним ключевым свойством является то, что модуляции представляют собой низкочастотные / узкополосные сигналы по сравнению с несущей частотой, которая известна как узкополосное предположение.

Фазовая модуляция (аналоговый PM) и фазовая манипуляция (цифровой PSK) можно рассматривать как частный случай QAM, где амплитуда передаваемого сигнала постоянна, но его фаза изменяется. Это также может быть расширено на модуляция частоты (FM) и частотная манипуляция (FSK), поскольку их можно рассматривать как частный случай фазовой модуляции.

QAM широко используется в качестве схемы модуляции для цифровых телекоммуникации системы, например, в 802.11 Стандарты Wi-Fi. Произвольно высокий спектральная эффективность может быть достигнуто с помощью QAM путем установки подходящего созвездие размер, 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 3-канальным интерферометр.^[2][3]

Демодуляция QAM

Эта секция не цитировать любой источники. Пожалуйста помоги улучшить этот раздел к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удаленный. Найдите источники: «Квадратурная амплитудная модуляция»  – Новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR (Декабрь 2018 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Аналоговый QAM: измеренный сигнал цветовой полосы PAL на экране векторного анализатора.

В сигнале QAM одна несущая отстает от другой на 90 °, и ее амплитудная модуляция обычно упоминается как синфазный компонент, обозначаемый я(т). Другая функция регулирования - это квадратурная составляющая, 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:

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

(Уравнение 1)

куда ж_c это несущая частота. В приемнике когерентный демодулятор умножает полученный сигнал отдельно как на косинус и синус сигнал для получения полученных оценок я(т) и Q(т). Например:

${ Displaystyle г (т) треугольник s_ {с} (т) соз (2 пи е_ {с} т) = я (т) соз (2 пи е_ {с} т) соз (2 пи f_ {c} t) -Q (t) sin (2 pi f_ {c} t) cos (2 pi f_ {c} t).}$

Используя стандартные тригонометрические тождества, мы можем записать это как:

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

Фильтрация нижних частот р(т) удаляет часто встречающиеся термины (содержащие 4πж_cт), оставив только я(т) срок. На этот отфильтрованный сигнал не влияют Q(т), показывая, что синфазная составляющая может быть получена независимо от квадратурной составляющей. Аналогично мы можем умножить s_c(т) синусоидальной волной, а затем фильтром нижних частот для извлечения Q(т).

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 позволяет легко восстановить фазу синусоиды несущей. Говорят, что это самосинхронизация. Но отправитель и получатель квадратурно-модулированного сигнала должны совместно использовать часы или иным образом отправлять тактовый сигнал. Если фазы тактового сигнала расходятся, демодулированный я и Q сигналы перетекают друг в друга, давая перекрестные помехи. В связи с этим, тактовый сигнал называется «опорной фазы». Тактовая синхронизация обычно достигается путем передачи пакета поднесущая или пилот-сигнал. Фазовый эталон для NTSC, например, входит в его цветная вспышка сигнал.

Аналоговый QAM используется в:

• NTSC и PAL аналог цветной телевизор системы, 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 AM стерео радио для передачи информации о разнице стереозвуков.

Фурье-анализ QAM

в частотная область, QAM имеет спектральный образец, аналогичный DSB-SC модуляция. Применение Формула Эйлера к синусоидам в Уравнение 1, положительно-частотная часть s_c (или же аналитическое представление ) является:

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

куда ${ displaystyle { mathcal {F}}}$ обозначает преобразование Фурье, а ︿я и ︿Q трансформации я(т) и Q(т). Этот результат представляет собой сумму двух сигналов DSB-SC с одинаковой центральной частотой. Фактор я (= е^я/2) представляет собой фазовый сдвиг на 90 °, который обеспечивает их индивидуальную демодуляцию.

Цифровой QAM

Цифровой 16-QAM с примерами точек созвездия

Как и во многих схемах цифровой модуляции, диаграмма созвездия полезно 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 цифровом телекоммуникации данные обычно двоичный, количество точек в сетке обычно равно степени 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 биты на символ. Однако, если средняя энергия созвездия должна оставаться неизменной (путем справедливого сравнения), точки должны быть ближе друг к другу и, таким образом, более восприимчивы к шум и прочая коррупция; это приводит к более высокому частота ошибок по битам и поэтому QAM более высокого порядка может доставлять больше данных с меньшей надежностью, чем QAM более низкого порядка, для постоянной средней энергии созвездия. Использование QAM более высокого порядка без увеличения частоты ошибок по битам требует более высокого соотношение сигнал шум (SNR) за счет увеличения энергии сигнала, уменьшения шума или того и другого.

Если скорость передачи данных превышает те, которые предлагает 8-PSK требуются, более обычным является переход к QAM, поскольку он обеспечивает большее расстояние между соседними точками в плоскости I-Q за счет более равномерного распределения точек. Усложняющий фактор состоит в том, что точки больше не имеют одинаковой амплитуды, и поэтому демодулятор теперь должен правильно определять оба фаза и амплитуда, а не просто фаза.

64-QAM и 256-QAM часто используются в цифровой кабель телевидение и кабельный модем Приложения. В США 64-QAM и 256-QAM являются обязательными схемами модуляции для цифровой кабель (видеть QAM-тюнер ) как стандартизировано SCTE в стандарте ANSI / SCTE 07 2013. Обратите внимание, что многие маркетологи будут называть их QAM-64 и QAM-256.^{[нужна цитата ]} В Великобритании 64-QAM используется для цифровое наземное телевидение (Freeview ), а для Freeview-HD используется 256-QAM.

Битовая загрузка (бит на созвездие QAM) на линии ADSL

Системы связи, предназначенные для достижения очень высокого уровня спектральная эффективность обычно используют очень плотные созвездия QAM. Например, текущий Homeplug AV2 500-Мбит / с Powerline Ethernet устройства используют 1024-QAM и 4096-QAM,^[4] а также будущие устройства, использующие ITU-T G.hn стандарт для организации сети по существующей домашней проводке (коаксиальный кабель, телефонные линии и линии электропередач ); 4096-QAM обеспечивает 12 бит / символ. Другой пример ADSL технология для медных витых пар, размер группировки 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] С 1024-QAM, адаптивное кодирование и модуляция (ACM) и XPIC, поставщики могут получить гигабитную емкость в одном канале 56 МГц.^[6]

Помехи и шум

При переходе к созвездию QAM более высокого порядка (более высокая скорость передачи данных и режим) во враждебном РФ /микроволновая печь Среды приложений QAM, например в вещание или же телекоммуникации, многолучевые помехи обычно увеличивается. Пятна в созвездии расширяются, уменьшая разделение между соседними состояниями, что затрудняет надлежащее декодирование сигнала приемником. Другими словами, уменьшается шум иммунитет. Существует несколько измерений параметров тестирования, которые помогают определить оптимальный режим QAM для конкретной операционной среды. Следующие три наиболее значимы:^[7]

• Перевозчик / коэффициент помех
• Отношение несущая / шум
• Отношение порогового уровня к шуму

Смотрите также

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

Рекомендации

дальнейшее чтение