Квадратурная амплитудная модуляция (qam)

Данный способ модуляции относится к комбинированным. В случаеQAMпромодулированный сигнал представляет собой сумму двух ортогональных несущих: косинусоидальной и синусоидальной, амплитуды которых принимают независимые дискретные значения.

,

где U_c– амплитуда сигнала;_c– частота несущей,с_I(t), с_II(t) – модулирующие сигналы в квадратурных каналах. При приеме сигналов сQAMпроизводится когерентное детектирование.

Если в выражении модулирующие сигналы с_I(t) и с_II(t) принимают значения1, то получимQAM-4 (четырехпозиционнуюQAM). Если же для модуляции как в синфазном, так и в квадратурном каналах используются четырехуровневые сигналыс(t) =1;3, то при этом получается 16-позиционнаяQAM(QAM-16), которую можно описать следующим выражением:

и представить в фазово-амплитудном пространстве в виде специального рис. 4.15, где точками показаны положения концов вектора сигнала А_iпри различных значенияхi. Оси координат на рис. 4.15 соответствуют синфазнойJи квадратурнойQсоставляющим сигнала. В модуляции типаQ

Рис. 4.15.Векторная диаграмма возможных состояний сигнала приQAM-16 (= 1)

AM-16 несущая может иметь три значения амплитуды и 12 значений фазы, причем каждой позиции сигнального вектора соответствует четырехразрядный символ, состоящий из двоичных импульсов. При формировании подобных символов используетсякод Грея, поэтому соседние символы отличаются значением бита только в одном разряде, что минимизирует вероятность ошибки на символ.

С точки зрения помехоустойчивости важно сохранить достаточно большим минимальное расстояние между двумя соседними точками в фазово-амплитудном пространстве. Доказано, что это условие выполняется при размещении сигнальных точек в узлах квадратной решетки.

Для примера рассмотрим принцип построения квадратурного модулятора QAM-16 (рис. 4.16). Входной поток данных вначале подвергается необходимой цифровой обработке в процессоре данных. Так как модуляцияQAM-16 обеспечивает удельную скорость передачи 4 (бит/с)/Гц, то для последующей модуляции поток данных в ходе его цифровой обработки разделяется на четыре подпотока с соответственно сниженными скоростями. Затем производится цифро-аналоговое преобразование двух двоичных подпотоков в один четырехуровневый с одновременным формированием их спектра в ЦТФ, где импульсам придается сглаженная форма. Четырехуровневые сигналы в каналахIиQуправляют работой балансных модуляторов, выходные сигналы которых складываются, образуя сигналQAM-16 с двумя полосами и подавленной несущей. На балансные модуляторы несущая поступает со сдвигом/2, то есть в квадратуре. Выходной сигнал модулятора на промежуточной частоте несущей проходит через полосовой фильтр, ограничивающий внеполосные излучения, и может быть конвертирован в полосу любого вещательного канала.

Рис. 4.16.Возможная структурная схема модулятораQAM-16

В демодуляторе имеется аналогичная пара балансных модуляторов и блоки обратного преобразования из четырехуровневых в двоичные сигналы с последующей обработкой данных.

Кроме модуляции типа QAM-16 в системах цифрового телевидения широко используетсяQAM-64. В данном случае числа в обозначениях типа модуляции означают количество вариантов суммарного сигнала. Например, в модуляцииQAM-64 несущая может иметь 9 значений амплитуды и 48 значений фазы. В многопозиционных способах модуляции разрядность символа, соответствующего любой позиции сигнального вектора, равна, где– количество вариантов суммарного сигнала, то есть кратность модуляции.

Расположение сигнальных точек в фазово-амплитудном пространстве при различных типах QAMопределяютсигнальные созвездия модулированных сигналов. Практически используются как обычные равномерные, так и неравномерные сигнальные созвездия с различными расстояниями между двумя ближайшими точками созвездия в смежных квадрантах, что количественно оценивается коэффициентом неравномерности сигнального созвездия. Данный параметр равен отношению расстояния между соседними точками в двух разных квадрантах к расстоянию между точками в одном квадранте. Применительно к модуляции типаQAM-16 иQAM-64 рекомендуются три значения коэффициента:

 = 1 соответствует обычной QAMс равномерным сигнальным созвездием (см. рис. 4.15);= 2 характеризуетQAMс неравномерным сигнальным созвездием, когда расстояние между двумя ближайшими точками созвездия в смежных квадрантах в два раза больше расстояния в пределах одного квадранта (рис. 4.17);= 4 оцениваетQAMс неравномерным сигнальным созвездием, когда различие расстояний между точками внутри и между квадрантами является четырехкратным (рис. 4.18). Применение неравномерной структуры сигнальных созвездий с коэффициентами= 2,= 4 обеспечивает улучшение декодирования потока данных, модулированных методамиQAM-16 иQAM-64. Однако при этом требуется увеличение отношения сигнал/шум для потока данных, так как шумы и помехи трансформируют сигнальные точки созвездия в «облака». Центром «облака» остается сигнальная точка, а его «размытость» характер

Рис. 4.17. Векторная диаграмма возможных состо­я­ний сигнала приQAM-16 (= 2)

Рис. 4.18.Векторная диаграмма возможных состо­я­ний сигнала приQAM-64 (= 4)

изует остаточный уровень несущей, нарушение баланса уровней сигналовJиQ, коэффициент модуляционных ошибок и другие параметры. При очень сильном шуме различить сигнальные точки внутри квадрантов становится практически невозможным. Однако благодаря введенной неравномерности в сигнальные созвездия сигнальные точки между квадрантами различаются достаточно хорошо, то есть декодирование может осуществляться с приемлемой вероятностью ошибок.