Quadratur-Amplitudenmodulation - Quadrature amplitude modulation

Quadratur-Amplituden-Modulation ( QAM ) ist der Name einer Familie digitaler Modulationsverfahren und einer verwandten Familie analoger Modulationsverfahren , die in der modernen Telekommunikation weit verbreitet zur Übertragung von Informationen verwendet werden. Es überträgt zwei analoge Nachrichtensignale oder zwei digitale Bitströme durch Ändern ( Modulieren ) der Amplituden von zwei Trägerwellen unter Verwendung des digitalen Modulationsschemas der Amplitudenumtastung (ASK) oder des analogen Modulationsschemas der Amplitudenmodulation (AM). Die beiden Trägerwellen derselben Frequenz sind um 90° phasenverschoben , ein Zustand, der als Orthogonalität oder Quadratur bekannt ist . Das übertragene Signal entsteht durch Addition der beiden Trägerwellen. Am Empfänger können die beiden Wellen aufgrund ihrer Orthogonalitätseigenschaft kohärent getrennt (demoduliert) werden. Eine weitere Schlüsseleigenschaft ist, dass die Modulationen im Vergleich zur Trägerfrequenz niederfrequente/niedrige Bandbreiten-Wellenformen sind, was als Schmalbandannahme bekannt ist .

Phasenmodulation (analoges PM) und Phasenumtastung (digitales PSK) können als Spezialfall von QAM angesehen werden, bei dem die Amplitude des übertragenen Signals konstant ist, aber seine Phase variiert. Dies lässt sich auch auf Frequenzmodulation (FM) und Frequenzumtastung (FSK) erweitern, da diese als Sonderfall der Phasenmodulation angesehen werden können.

QAM wird in großem Umfang als Modulationsschema für digitale Telekommunikationssysteme verwendet, beispielsweise in 802.11 Wi-Fi-Standards. Beliebig hohe spektrale Effizienzen können mit QAM durch Einstellen einer geeigneten Konstellationsgröße erreicht werden , die nur durch den Rauschpegel und die Linearität des Kommunikationskanals begrenzt wird. QAM wird bei steigenden Bitraten in Glasfasersystemen verwendet; QAM16 und QAM64 können mit einem 3-Pfad- Interferometer optisch emuliert werden .

Demodulation von QAM

Analoges QAM: gemessenes PAL-Farbbalkensignal auf einem Vektoranalysatorbildschirm.

In einem QAM-Signal eilt ein Träger dem anderen um 90° nach, und seine Amplitudenmodulation wird üblicherweise als gleichphasige Komponente bezeichnet , die mit I ( t ) bezeichnet wird. Die andere Modulationsfunktion ist die Quadraturkomponente , Q ( t ). Die zusammengesetzte Wellenform wird also mathematisch modelliert als:

    oder:

 

 

 

 

( Gl.1 )

wobei f c die Trägerfrequenz ist. Am Empfänger multipliziert ein kohärenter Demodulator das empfangene Signal getrennt mit sowohl einem Kosinus- als auch einem Sinussignal , um die empfangenen Schätzungen von I ( t ) und Q ( t ) zu erzeugen . Zum Beispiel:

Unter Verwendung von trigonometrischen Standardidentitäten können wir dies schreiben als:

Tiefpaßfilterung r ( t ) entfernt die Hochfrequenzterme (enthaltend f c t ) nur den Abgang I ( t ) Term. Dieses gefilterte Signal wird von Q ( t ) nicht beeinflusst, was zeigt, dass die gleichphasige Komponente unabhängig von der Quadraturkomponente empfangen werden kann. Ebenso können wir multiply s c ( t ) mit einer Sinuswelle und dann Tiefpassfilters zu extrahieren , Q ( t ).

Die Addition von zwei Sinuskurven ist eine lineare Operation, die keine neuen Frequenzkomponenten erzeugt. Die Bandbreite des zusammengesetzten Signals ist also vergleichbar mit der Bandbreite der DSB (Double-Sideband)-Komponenten. Die spektrale Redundanz von DSB ermöglicht effektiv eine Verdoppelung der Informationskapazität unter Verwendung dieser Technik. Dies geht auf Kosten der Demodulationskomplexität. Insbesondere hat ein DSB-Signal Nulldurchgänge bei einer regulären Frequenz, was es leicht macht, die Phase der Trägersinuskurve zurückzugewinnen. Es wird als selbsttaktend bezeichnet . Aber Sender und Empfänger eines quadraturmodulierten Signals müssen sich einen Takt teilen oder auf andere Weise ein Taktsignal senden. Driften die Taktphasen auseinander, so gehen die demodulierten I- und Q- Signale ineinander über, wodurch ein Übersprechen entsteht . In diesem Zusammenhang wird das Taktsignal als "Phasenreferenz" bezeichnet. Die Taktsynchronisation wird typischerweise durch die Übertragung eines Burst- Hilfsträgers oder eines Pilotsignals erreicht . Die Phasenreferenz für NTSC ist beispielsweise in seinem Colorburst- Signal enthalten.

Analoges QAM wird verwendet in:

  • Analoge NTSC- und PAL- Farbfernsehsysteme , bei denen die I- und Q-Signale die Komponenten von Chroma-(Farb-)Informationen tragen. Die QAM-Trägerphase wird aus einem speziellen Farbburst wiedergewonnen, der am Anfang jeder Abtastzeile gesendet wird.
  • C-QUAM ("Compatible QAM") wird im AM-Stereoradio verwendet, um die Stereodifferenzinformationen zu übertragen.

Fourier-Analyse von QAM

Im Frequenzbereich hat QAM ein ähnliches Spektralmuster wie die DSB-SC- Modulation. Wendet man die Eulersche Formel auf die Sinuskurven in Gl.1 an , so lautet der positive Frequenzanteil von s c (oder analytische Darstellung ):

wobei bezeichnet die Fourier-Transformation undIchich und IchQsind die Transformationen von I ( t ) und Q ( t ). Dieses Ergebnis stellt die Summe zweier DSB-SC-Signale mit derselben Mittenfrequenz dar. Der Faktor von i (= e /2 ) repräsentiert die 90°-Phasenverschiebung, die ihre individuellen Demodulationen ermöglicht.

Digitale QAM

Digitales 16-QAM mit Beispielkonstellationspunkten
Digitales 16-QAM mit Beispielkonstellationspunkten

Wie bei vielen digitalen Modulationsschemata ist das Konstellationsdiagramm für QAM nützlich. Bei QAM werden die Konstellationspunkte normalerweise in einem quadratischen Raster mit gleichem vertikalen und horizontalen Abstand angeordnet, obwohl andere Konfigurationen möglich sind (zB ein sechseckiges oder dreieckiges Raster). In der digitalen Telekommunikation sind die Daten normalerweise binär , so dass die Anzahl der Punkte im Raster typischerweise eine Potenz von 2 (2, 4, 8, …) ist, entsprechend der Anzahl der Bits pro Symbol. Die einfachsten und am häufigsten verwendeten QAM-Konstellationen bestehen aus quadratisch angeordneten Punkten, dh 16-QAM, 64-QAM und 256-QAM (gerade Zweierpotenzen). Nicht-quadratische Konstellationen wie Cross-QAM können eine höhere Effizienz bieten, werden jedoch aufgrund der Kosten der erhöhten Modemkomplexität selten verwendet.

Durch den Übergang zu einer Konstellation höherer Ordnung ist es möglich, mehr Bits pro Symbol zu übertragen . Wenn jedoch die mittlere Energie der Konstellation gleich bleiben soll (im Sinne eines fairen Vergleichs), müssen die Punkte näher beieinander liegen und sind daher anfälliger für Rauschen und andere Verfälschungen; dies führt zu einer höheren Bitfehlerrate und so kann QAM höherer Ordnung bei konstanter mittlerer Konstellationsenergie mehr Daten weniger zuverlässig liefern als QAM niedrigerer Ordnung. Die Verwendung von QAM höherer Ordnung ohne Erhöhung der Bitfehlerrate erfordert ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) durch Erhöhung der Signalenergie, Reduzierung des Rauschens oder beides.

Werden Datenraten benötigt, die über die von 8- PSK hinausgehen , ist es üblicher, zu QAM zu wechseln, da es durch eine gleichmäßigere Verteilung der Punkte einen größeren Abstand zwischen benachbarten Punkten in der IQ-Ebene erreicht. Der erschwerende Faktor ist, dass die Punkte nicht mehr alle die gleiche Amplitude haben und der Demodulator daher jetzt sowohl Phase als auch Amplitude korrekt erkennen muss , anstatt nur die Phase.

64-QAM und 256-QAM werden häufig in digitalen Kabelfernseh- und Kabelmodemanwendungen verwendet . In den Vereinigten Staaten sind 64-QAM und 256-QAM die vorgeschriebenen Modulationsschemata für digitales Kabel (siehe QAM-Tuner ), wie vom SCTE im Standard ANSI/SCTE 07 2013 standardisiert . Beachten Sie, dass viele Marketingleute diese als QAM-64 und QAM-256 bezeichnen. In Großbritannien wird 64-QAM für digitales terrestrisches Fernsehen ( Freeview ) verwendet, während 256-QAM für Freeview-HD verwendet wird.

Bit-Loading (Bits pro QAM-Konstellation) auf einer ADSL-Leitung

Kommunikationssysteme, die dafür ausgelegt sind, sehr hohe Niveaus an spektraler Effizienz zu erreichen, verwenden normalerweise sehr dichte QAM-Konstellationen. Zum Beispiel verwenden aktuelle Homeplug AV2 500-Mbit/s- Powerline-Ethernet- Geräte 1024-QAM und 4096-QAM sowie zukünftige Geräte, die den ITU-T G.hn- Standard für die Vernetzung über vorhandene Hausverkabelung ( Koaxialkabel , Telefonleitungen und Strom) verwenden Zeilen ); 4096-QAM bietet 12 Bit/Symbol. Ein weiteres Beispiel ist die ADSL- Technologie für verdrillte Kupferleitungen, deren Konstellationsgröße bis zu 32768-QAM reicht (in der ADSL-Terminologie wird dies als Bit-Loading oder Bit pro Ton bezeichnet, 32768-QAM entspricht 15 Bit pro Ton).

Mikrowellen-Backhaul-Systeme mit ultrahoher Kapazität verwenden ebenfalls 1024-QAM. Mit 1024-QAM, adaptiver Codierung und Modulation (ACM) und XPIC können Anbieter Gigabit-Kapazität in einem einzigen 56-MHz-Kanal erhalten.

Störungen und Rauschen

Beim Übergang zu einer QAM-Konstellation höherer Ordnung (höhere Datenrate und Modus) in feindlichen HF- / Mikrowellen- QAM-Anwendungsumgebungen, wie beispielsweise im Rundfunk oder in der Telekommunikation , nimmt die Mehrwegestörung typischerweise zu. Es gibt eine Streuung der Flecken in der Konstellation, wodurch die Trennung zwischen benachbarten Zuständen verringert wird, was es für den Empfänger schwierig macht, das Signal angemessen zu decodieren. Mit anderen Worten, es gibt reduzierte Rauschimmunität. Es gibt mehrere Testparametermessungen, die helfen, einen optimalen QAM-Modus für eine bestimmte Betriebsumgebung zu bestimmen. Die folgenden drei sind am wichtigsten:

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

  • Jonqyin (Russell) Sun "Linear Diversity Analysis for QAM in Rician Fading Channels", IEEE WOCC 2014
  • John G. Proakis , " Digitale Kommunikation, 3. Auflage "

Externe Links