Kvadraturamplitudmodulation

Från Wikipedia, den fria encyklopedin
Hoppa till navigation Hoppa till sökning

Kvadraturamplitudmodulation , eller kvadraturamplitudmodulering (förkortning QAM, engelska Quadrature amplitudmodulation ), är en moduleringsmetod inom elektronisk kommunikationsteknik som kombinerar amplitudmodulation och fasmodulering . I specialistlitteraturen räknas den övervägande bland de digitala moduleringsmetoderna , även om former av analog kvadraturamplitudmodulering också existerar under beteckningen kvadraturmodulering .

Allmän

Analog QAM: färgskillnadssignaler för en färgstångssignal i PAL -färg -TV -systemet, visade i ett vektorkopi

I QAM används bäraren med vinkelfrekvens twice två gånger med ett 90 ° fasskift . Två oberoende basbandssignaler moduleras sedan med hjälp av multiplikativ blandning . De två modulerade signalerna läggs sedan till för att erhålla överföringssignalen. Amplitudmoduleringen av två bärare i kvadratur kan också förstås som amplitud- och fasmodulering av en enda bärare. De två basbandssignalerna hänvisas också till i engelskspråkig litteratur som I för in-fas-komponent och Q för kvadraturkomponent (se I & Q-metoden ), varifrån termen IQ-modulering härleds. Det spelar ingen roll om de två basbandssignalerna är kontinuerliga i tid och värde, till exempel de analoga färgdifferenssignalerna i analog tv, eller representerar en kontinuerlig sekvens av symboler i samband med digital QAM.

De två basbandssignalerna I och Q kan väljas oberoende eller beroende av varandra. Om de två grundsignalerna är beroende av varandra enligt vissa regler, talar man inte längre om en QAM, även om modulatorstrukturen är oförändrad. På grund av typen av beroende kan alla linjära och icke-linjära moduleringsformer såsom amplitudmodulation (AM), vinkelmodulation såsom frekvensmodulation (FM) eller enkel sidbandsmodulering som SSB- eller VSB-modulering implementeras med denna modulatorstruktur. Programvarudefinierade radioapparater utnyttjar detta faktum.

Om de två basbandssignalerna I och Q bär information som är oberoende av varandra, strikt taget, används QAM endast i detta fall, bäraren måste inte bara vara närvarande vid samma frekvens som modulatorn för demodulering i mottagaren, utan också i ett identiskt fasläge. Detta är också känt som koherent demodulering . Om faspositionen var felaktig skulle delar av de två oberoende basbandssignalerna överlappa varandra och på grund av deras oberoende förhindra korrekt rekonstruktion av överföringssignalen i mottagaren.

Den korrekta faspositionen måste säkerställas med ytterligare metoder som går utöver moduleringsmetoden; procedurerna för att göra detta beror på respektive applikation. Till exempel används burstsignaler , såsom färgskillnadssignaler eller ytterligare pilottoner i analoga QAM -metoder. Inom området digital signalöverföring sänds periodiska speciella synkroniseringssekvenser som är kända för mottagaren i dataströmmen. Som en del av synkroniseringen justerar mottagaren faspositionen i demodulatorn tills de kända synkroniseringssekvenserna mottas korrekt.

På grund av den större komplexiteten när det gäller kretsar på mottagarsidan används QAM -modulering som analog kvadraturmodulering endast i specialområden. Exempel är AM -stereometoden och överföring av de två färgskillnadssignalerna i analog färg -tv med NTSC- eller PAL -metoden.

Majoriteten av alla tillämpningar av QAM är inom området digital signalöverföring, där digitala dataströmmar initialt delas mellan I- och Q -grenarna. Vissa symboler tilldelas de enskilda bitarna och dessa symbolsekvenser omvandlas till en kontinuerlig vågform av de två basbandssignalerna I och Q genom pulsformningsfilter .

Ytterligare utveckling av QAM i samband med digital signalbehandling leder till kodad modulering såsom trellis-kodad modulering (TCM), där kanalkodningen , till exempel en konvolutionskod , funktionellt "smälter samman" med moduleringsmetoden såsom QAM.

Tillämpningar av QAM i samband med digital signalbehandling är till exempel modem för dataöverföring och inom området för flerbärarprocesser, såsom DSL-teknik , med varianter sombärarlös amplitud / fasmodulering (CAP). Andra tillämpningsområden för QAM finns i COFDM , där det fungerar som den grundläggande moduleringsmetoden och förekommer bland annat i digitala markbundna tv-standarder enligt DVB-T och DVB-T2 .

Matematisk bakgrund

Principen för modulering
Principen för demodulering

Sändningssignalen är, som visas i den intilliggande figuren, av följande förhållande

från de två basbandssignalerna och bildas i modulatorn. Vinkelfrekvensen står för bärfrekvensen .

kan också använda fasen liksom amplituden av signalen kan visas:

Demoduleringen kräver en fasposition som är identisk med sändarens. Om det finns en störningsfri överföringskanal är den mottagna signalen lika med sändningssignalen annars blir det fel till den mottagna signalen:

Felsignalen beskrivs bland annat av kanalmodellen. Om det inte finns några fel med gäller för extrahering av basbandssignalen :

Detta uppstår i signalen bredvid den önskade basbandssignalen dessutom blandade produkter med dubbel frekvens. Dessa övre, oönskade frekvenskomponenter filtreras bort av ett efterföljande lågpassfilter (TP), vilket innebär att den ursprungliga signalen är vid demodulatorns utgång är formad.

Formandet av går analogt:

och en efterföljande lågpassfiltrering för att bildas . Kl och Förekommer konstant faktor 1/2 kan kompenseras av en förstärkning.

Kvantiserad QAM

Den kvantiserade QAM utökar QAM generellt presenterat ovan till att inkludera metoder för överföring av diskreta värde och tidsdiskreta signalsekvenser, även kallade digitala signaler .

Konstellationsdiagram

Konstellationsdiagram över en 4-QAM. De tillåtna beslutsområdena markeras i olika färger. Mottagningssymbolerna representeras grafiskt som en densitetsfunktion med gråvärden av olika styrkor.
Icke-ortogonal 16-QAM

En grundläggande åtskillnad görs i digital QAM mellan ortogonala nät och icke-ortogonala rutnät. De två basbandssignalerna I och Q i bandpasspositionen är alltid ortogonala mot varandra, vilket gör att symbolerna kan representeras i det komplexa planet i form av ett konstellationsdiagram . I konstellationsdiagrammet motsvarar amplituden associerad med en symbol längden på vektorn och faspositionen motsvarar vinkeln mellan I-axeln och den vektorn. Om faspositionen på mottagaren inte är korrekt anpassad till sändarens fasposition roterar konstellationsdiagrammet i det komplexa planet, med resultatet av motsvarande mottagningsfel.

Antalet tillgängliga symboler, som representerar punkter eller områden i detta komplexa plan, uttrycks i form av ett tal. Till exempel i specifikationen 64-QAM för en QAM med en omfattning av 64 symboler.

Antalet symboler i den komplexa I / Q -nivån är en effekt på två i binära sändningar för att tilldela ett visst antal bitar till de enskilda symbolerna (bitar per symbol / bithastighet). För en hög spektral effektivitet , och om detta är möjligt med ett tillräckligt stort signal-brus-förhållande (SNR), används ett stort antal symboler. Exempel på QAM -konstellationer med ett jämnt antal bitar med binär symboltilldelning är:

  • 2 bit: 4-QAM-detta är identiskt med QPSK eller 4-PSK och använder 4 punkter i ett 2 × 2 rutnät eller på en cirkel, som används med DVB-S .
  • 4 bit: Med 16-QAM används 16 symboler, till exempel applikationer med ITU-R standard V.29 och med DVB-T
  • 6 bitar: Med 64-QAM används 64 symboler, applikation med DVB-C och DVB-T
  • 8 bit: Med 256-QAM används 256 symboler, applikation med DVB-C
  • 10 bitar: 1024-QAM
  • 12 bitar: 4096-QAM. Detta är den största QAM-konstellation som för närvarande övervägs inom ramen för DVB-C2-specifikationen, som knappt är detekterbar under de bästa förhållandena-med ett signal-brusförhållande på 36 dB. ITU-T- standarden G.hn använder också en 4096-QAM förutom omfattande kanalkodning

När det gäller ett udda antal bitar per symbol kan den nödvändiga klassificeringen i kraften hos två rutnät uppnås genom att minska konstellationsutrymmet som spänner över nästa högre kvadratnummer. I många fall är detta förknippat med en försämring av felfrekvensen, varför dessa QAM -konstellationer används mindre ofta. Ett applikationsexempel är i kombination med lågdensitetskontrollkoder (LDPC) med en 8-QAM, där det i kombination med LDPC-kodningen har en bättre övergripande effektivitet än med andra QAM-konstellationer. [1]

  • 3 bitar: Med 8-QAM är detta 8 poäng (9 poäng i ett 3 × 3 rutnät minus mittlägesresultatet i de 8 nödvändiga positionerna-denna modulering liknar 8-PSK)
  • 5 bitar: Med 32-QAM är detta 32 poäng (36 poäng i ett 6 × 6 rutnät minus en position per hörnpunkt resulterar i de 32 nödvändiga positionerna)

De icke-ortogonala nätarrangemangen i QAM kan erbjuda fördelar när det gäller symbolsynkronisering från mottagarens sida. Med en hög felfrekvens kan vissa symboler därför relativt enkelt tas bort från konstellationsdiagrammet. Den tillhörande bithastighetsminskningen minskar sannolikheten för överföringsfel i den användbara signalen. Nackdelen med alla icke-ortogonala QAM är dock en sämre spektral effektivitet jämfört med det ortogonala symbolarrangemanget. Detta beror på att den högsta möjliga packningstätheten för symbolarrangemanget i det komplexa planet inte används.

För områden med hög interferens väljs konstellationer med ett lågt antal symboler. I nästan alla fall används ytterligare kanalkodning, såsom en konvolutionskod, för att korrigera överföringsfel.

5000 bullriga mottagna värden genererades för varje 4-QAM-symbol. Med en brusvarians på 0,3 kan mottagna värden ses som inte finns i matchande kvadrant. Om ett beslut fattas leder detta till ett symbolfel. Antalet felaktigt överförda bitar beror på bitsymboltilldelningen (bitmappning) som används.

Uppgifter

16-QAM med grå kod. Varje symbol skiljer sig från den närmaste grann -symbolen i endast en bitposition.

Tilldelningen av bitsekvenserna till de enskilda överföringssymbolerna i konstellationsdiagrammet kan ske statiskt eller dynamiskt enligt vissa regler.

En statisk tilldelning utförs vanligtvis på ett sådant sätt att angränsande symboler endast skiljer sig med en bit, om möjligt, som visas i figuren till höger. Gråkoden kan bland annat användas för systematisk distribution av bitsekvenserna i konstellationsdiagrammet. Huvudkarakteristiken för denna kod är att endast en bit ändras för varje steg.

Denna uppgift gör att överföringsfel kan korrigeras mer effektivt. Signalen överlagras av brus under överföringen, vilket leder till en spridning av signalpunkterna. För vanliga sannolikhetsfördelningar av brus (såsom den gaussiska fördelningen ) är det mest troligt att en signalpunkt förskjuts till en närliggande signalpunkt. Den grå kodningen säkerställer att endast en bit är fel med sådana fel. Det absoluta antalet bitfel minimeras och en valfri framåtriktad felkorrigering (FEC) är mer tillgänglig.

Dynamiska tilldelningar används i samband med kodad modulering. I dessa fall beror tilldelningen av bitmönstret bland annat på de tidigare tillstånden eller symbolkombinationerna. Ett exempel på en dynamisk bitilldelning i konstellationsdiagrammet är den spelliskodade moduleringen som nämns ovan.

Modulatorstruktur

QAM -sändare för digital överföring
16-QAM med tilldelade nivåvärden på I och Q

Med kvantiserad QAM utökas den allmänna modulatorstruktur som visas ovan för överföring av datasekvenser med följande funktionsblock, som visas i figuren nedan:

  • En delare som delar dataströmmen som genereras av datakällan S i två dataströmmar för I och Q , var och en med halva bithastigheten.
  • En pulsgenerator finns för varje gren. Detta tilldelar ett visst antal bitar, beroende på symbolstorleken, en viss signalnivå vid dess utgång. Till exempel, med 16-QAM, kombineras 2 bitar per gren av pulsgeneratorn och bildar sedan 4 nivåer med de bipolära nivåerna −3, −1, 1 och 3. Dessa numeriska värden motsvarar direkt de motsvarande avböjningarna på I eller Q -axeln i konstellationsdiagrammet.
  • När det sker en plötslig förändring mellan två olika nivåer, inträffar ett hopp vid pulsgeneratorns utgång, som har oönskad spektral störning. I syfte att minimera "formas" dessa pulser i ett pulsformande filter H för att erhålla det mest enhetliga förloppet av I- eller Q- komponenten. Pulsformningsfilter såsom det upphöjda cosinusfiltret eller det gaussiska filtret används för detta.

Pulstiden, som i 16-QAM bär informationen om 4 bitar, beror på överföringskanalens bandbredd . Om en stor bandbredd är tillgänglig kan symbolerna överföras snabbare än om bandbredden är låg. Med en given bandbredd baseras den maximala symbolhastigheten på intersymbolinterferensen , som i idealfallet kanske inte uppstår eftersom det förhindrar differentiering av symbolerna som följer varandra i tid.

Demodulator struktur

QAM -mottagare för digital överföring

Mottagaren för kvantiserad QAM är motsvarigheten till sändaren. Basbandssignalerna I och Q som erhålls från lågpassfiltren matas var och en till ett matchat filter H. Överföringsfunktionen för detta filter är utformad för de pulsformer som genereras av sändaren och möjliggör därmed optimal störningsdämpning.

Dessa två signaler matas var och en till en analog-till-digital-omvandlare (ADC). Pulsgeneratorns olika nivåer på sändarsidan omvandlas till de tillhörande bitkombinationerna i nästa steg. De två dataströmmarna kombineras sedan för vidare databehandling.

litteratur

webb-länkar

Commons : Quadrature Amplitude Modulation - samling av bilder, videor och ljudfiler

Individuella bevis

  1. ^ Richard Miller: Low Density Parity Check (LDPC) kodning och 8-QAM-modulering i CDM-600 satellitmodem ( Memento från 5 mars 2012 i Internetarkivet ) (PDF), 2005.