Лекции: Лекция - Квадратурная амплитудная модуляция QAM

QAM – (Quadrature Amplitude Modulation – Модуляция методом Квадратичных Амплитуд) – это технология передачи цифрового информационного потока в виде аналогового сигнала. В КАМ - модуляции используются два квадратурных несущих сигнала, одновременно модулируемых по амплитуде передаваемыми информационными сигналами.
Квадратурными называются два гармонических сигнала с разностью фаз, равной π/2, — синусоидальные и косинусоидальные сигналы одной частоты.
Алгоритм КАМ-модуляции описывается формулой:
где a_k и b_k — значения передаваемых на k-м тактовом интервале кодовых символов.
Колебания одновременно передаются по одному каналу, и амплитуда (включающая знак и величину) каждого колебания отображает передаваемую информацию (биты). При этом набор битов посылается по крайней мере в течении одного периода( а иногда и больше) этих колебаний.
Рассмотрим подробнее физику процесса на примере QPSK:
QPSK – (QuadraturePhaseShiftKeying – Кодирование методом Квадратичного Фазового
Сдвига) – это простейшая форма QAM (или 4-QAM). QPSK использует две несущие одинаковой частоты, сдвинутые на 90 грдусов и два возможных уровня амплитуды.
Один уровень амплитуды соответствует 0, другой – 1
В правом верхнем углу расположена канстелляционная диаграмма (или диаграмма-созвездие) – это карта, или квадратная
матрица, в которой уровни амплитуды I и Q компонент QAM сигнала отображены в виде значащих точек в квадратной системе координат IQ. Координата I определяет горизонтальную позицию точки, а Q– вертикальную. Канстелляционная диаграмма в этой матрице образуется из горизонтальных и вертикальных линий соединяющих возможные значения компонент I и Q.
На данном слайде показана передача 2 бит за 1 КАМ символ. Также существуют 16, 32, 64 - QAM, соответственно для передачи 4, 5 и 6 бит в одном КАМ символе. В настоящее время QAM на практике ограничена значением 256QAM, но всё же ведутся работы по расширению границ формата до 512QAM и до 1024QAM.
Разберемся в процедуре модулирования и демодулирования КАМ на примере 16QAM:
Четыре информационных бита, подлежащих передаче, отображаются в одну из 16-и точек КАМ-созвездия. Причем любой комбинации из 4-х битов соответствует “своя” определенная точка. Координаты x и y точки, которой соответствуют передаваемые биты, определяют амплитуды колебаний соответственно косинуса и синуса, которые будут посланы по каналу. И передатчик, и приемник знают заранее определенный метод отображения между битами и точками созвездия.
После того, как косинусоидальное и синусоидальное колебания были посланы по каналу связи, приемник восстанавливает и оценивает амплитуду каждого колебания (что обычно требует значительной коррекции и обработки). Снова, амплитуда колебания косинуса - координата x, а амплитуда синуса - координата y.


Достоинство высоких значений номера QAM – это повышенная скорость передачи данных, поскольку таким образом большее количество битов информации может быть передано в течении одного цикла. Однако, с другой стороны, в этом случае большее число уровней амплитуды сигнала располагаются близко друг к другу, повышая тем самым вероятность неразличимости двух уровней, и как следствие – повышая чувствительность системы к шуму. Таким образом, высокие значения номера QAM более требовательны к параметру ОСШ (Carrier Noise Ratio – Отношение Сигнал/Шум)
Фазовый Сдвиг – возникает из-за остаточных радиочастотных помех, которые обычно являются проблемой головного оборудования.
Нелинейность амплитудной характеристики – вызвана нелинейностью промежуточных и высокочастотных усилителей, фильтров, конвертеров и эквалайзеров.
Квадратурная амплитудная модуляция (КАМ) широко применяется в современных системах передачи.
Современные системы связи представляют собой модемные технологии, построенные под конкретные скорости передачи информации. Наиболее часто используются следующие виды модуляции:
- в спутниковой связи: QPSK, 16QAM, 32QAM;
- в радиорелейных линиях связи: QPSK, 16QAM, 32QAM, 64QAM, 128QAM, 256QAM;
- в кабельных линиях связи: QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM;
- в телефонии: 16QAM

Множество современных коммуникационных протоколов используют квадратурную амплитудную модуляцию. Среди них, например, 802.11b беспроводной Ethernet (Wi-Fi) и цифровое видео-вещание (Digital Video Broadcast (DVB)), в которых применяется модуляция 64-QAM, а также новые беспроводные технологии, такие как WiMAX, 802.11n и HSDPA/HSUPA (новый стандарт передачи данных в сотовой связи). Таким образом, благодаря широкому использованию QAM, понимание этого способа модуляции необходимо.