Квадратурная амплитудная модуляция ( QAM ) — это название семейства методов цифровой модуляции и связанного с ним семейства методов аналоговой модуляции, широко используемых в современных телекоммуникациях для передачи информации. Он передает два аналоговых сигнала сообщения или два цифровых потока битов путем изменения ( модуляции ) амплитуд двух несущих волн с использованием схемы цифровой модуляции с амплитудной манипуляцией (ASK) или схемы аналоговой модуляции с амплитудной модуляцией (AM). Две несущие волны имеют одинаковую частоту и сдвинуты по фазе друг относительно друга на 90°, что называется ортогональностью или квадратурой . Передаваемый сигнал создается путем сложения двух несущих волн. На приемнике две волны могут быть когерентно разделены (демодулированы) из-за их ортогональности. Другим ключевым свойством является то, что модуляции представляют собой низкочастотные/узкополосные формы волн по сравнению с несущей частотой, что известно как предположение об узкой полосе пропускания .
Фазовая модуляция (аналоговая PM) и фазовая манипуляция (цифровая PSK) могут рассматриваться как частный случай QAM, где амплитуда передаваемого сигнала постоянна, но его фаза меняется. Это также может быть распространено на частотную модуляцию (FM) и частотную манипуляцию (FSK), поскольку их можно рассматривать как частный случай фазовой модуляции [ требуется ссылка ] .
QAM широко используется в качестве схемы модуляции для цифровых систем связи , например, в стандартах Wi-Fi 802.11 . 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 оптоволоконных системах по мере увеличения скорости передачи данных; QAM16 и QAM64 можно оптически эмулировать с помощью трехканального интерферометра . [2] [3]
В сигнале QAM одна несущая отстает от другой на 90°, и ее амплитудная модуляция обычно называется синфазной составляющей , обозначаемой I ( t ). Другая модулирующая функция — квадратурная составляющая , Q ( t ). Таким образом, составная форма волны математически моделируется следующим образом:
где f c — несущая частота. В приемнике когерентный демодулятор умножает полученный сигнал отдельно на косинусный и синусный сигналы, чтобы получить полученные оценки I ( t ) и Q ( t ) . Например:
Используя стандартные тригонометрические тождества , мы можем записать это как:
Фильтрация нижних частот r ( t ) удаляет высокочастотные члены (содержащие 4π f c t ), оставляя только член I ( t ) . Этот отфильтрованный сигнал не подвержен влиянию Q ( t ), что показывает, что синфазный компонент может быть получен независимо от квадратурного компонента. Аналогично, мы можем умножить s c ( t ) на синусоидальную волну, а затем применить фильтр нижних частот для извлечения Q ( t ).
Сложение двух синусоид является линейной операцией, которая не создает новых частотных компонентов. Таким образом, полоса пропускания составного сигнала сопоставима с полосой пропускания компонентов DSB (double-sideband). Фактически, спектральная избыточность DSB позволяет удвоить информационную емкость с помощью этой техники. Это происходит за счет сложности демодуляции. В частности, сигнал DSB имеет нулевые переходы на регулярной частоте, что позволяет легко восстановить фазу несущей синусоиды. Говорят, что он самосинхронизируется . Но отправитель и приемник квадратурно-модулированного сигнала должны совместно использовать тактовый сигнал или иным образом посылать тактовый сигнал. Если фазы тактового сигнала расходятся, демодулированные сигналы I и Q накладываются друг на друга, что приводит к перекрестным помехам . В этом контексте тактовый сигнал называется «фазовым эталоном». Синхронизация тактового сигнала обычно достигается путем передачи пакетной поднесущей или пилот-сигнала . Фазовый эталон для NTSC , например, включен в его сигнал цветовой синхронизации .
Аналоговая QAM используется в:
Применяя формулу Эйлера к синусоидам в уравнении 1 , положительно-частотная часть s c (или аналитическое представление ) равна:
где обозначает преобразование Фурье, аиявляются преобразованиями I ( t ) и Q ( t ). Этот результат представляет собой сумму двух сигналов DSB-SC с одинаковой центральной частотой. Фактор i (= e iπ /2 ) представляет собой сдвиг фазы на 90°, который позволяет выполнять их индивидуальные демодуляции.
Как и во многих схемах цифровой модуляции, диаграмма созвездия полезна для QAM. В QAM точки созвездия обычно располагаются в квадратной сетке с равным вертикальным и горизонтальным интервалом, хотя возможны и другие конфигурации (например, шестиугольная или треугольная сетка). В цифровой телекоммуникации данные обычно являются двоичными , поэтому количество точек в сетке обычно является степенью числа 2 (2, 4, 8, …), что соответствует количеству бит на символ. Самые простые и наиболее часто используемые созвездия QAM состоят из точек, расположенных в квадрате, т. е. 16-QAM, 64-QAM и 256-QAM (четные степени двух). Неквадратные созвездия, такие как Cross-QAM, могут обеспечить большую эффективность, но редко используются из-за стоимости повышенной сложности модема.
Переходя к созвездию более высокого порядка, можно передавать больше бит на символ . Однако, если средняя энергия созвездия должна оставаться прежней (путем проведения справедливого сравнения), точки должны быть ближе друг к другу и, таким образом, более восприимчивы к шуму и другим искажениям; это приводит к более высокой частоте ошибок по битам , и поэтому QAM более высокого порядка может доставлять больше данных менее надежно, чем QAM более низкого порядка, для постоянной средней энергии созвездия. 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 предлагаемые 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. Фактором, усложняющим ситуацию, является то, что все точки больше не имеют одинаковой амплитуды, поэтому демодулятор теперь должен правильно определять и фазу , и амплитуду , а не только фазу.
64-QAM и 256-QAM часто используются в цифровом кабельном телевидении и кабельных модемных приложениях. В Соединенных Штатах 64-QAM и 256-QAM являются обязательными схемами модуляции для цифрового кабеля (см. тюнер QAM ), как стандартизировано SCTE в стандарте ANSI/SCTE 07 2013. В Великобритании 64-QAM используется для цифрового наземного телевидения ( Freeview ), в то время как 256-QAM используется для Freeview-HD.
Системы связи, разработанные для достижения очень высоких уровней спектральной эффективности, обычно используют очень плотные созвездия QAM. Например, текущие устройства Homeplug AV2 500-Mbit/s powerline Ethernet используют 1024-QAM и 4096-QAM, [4] а также будущие устройства, использующие стандарт ITU-T G.hn для сетей по 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 которой достигает 32768-QAM (в терминологии ADSL это называется битовой загрузкой или бит на тон, 32768-QAM эквивалентно 15 бит на тон). [5]
Системы сверхвысокой пропускной способности СВЧ-транзитных сетей также используют 1024-QAM. [6] С 1024-QAM, адаптивным кодированием и модуляцией (ACM) и XPIC поставщики могут получить гигабитную пропускную способность в одном канале шириной 56 МГц. [6]
При переходе к более высокому порядку созвездия QAM (более высокая скорость передачи данных и режим) в неблагоприятных средах применения RF / СВЧ QAM, таких как вещание или телекоммуникации , многолучевые помехи обычно увеличиваются. Происходит разброс пятен в созвездии, что уменьшает разделение между соседними состояниями, что затрудняет для приемника правильное декодирование сигнала. Другими словами, снижается помехоустойчивость . Существует несколько измерений тестовых параметров, которые помогают определить оптимальный режим QAM для конкретной рабочей среды. Следующие три являются наиболее значимыми: [7]
![{\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}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/548bd6eab15dcc86dd4f607025ffee024ce0c2c8)
![{\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],}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/627a100c3a2b79e4267617288854c5123cb52494)
{{cite web}}: CS1 maint: others (link)