Он способен обеспечить высокоэффективную форму модуляции для данных, и поэтому он используется во всем, от сотовых телефонов до Wi-Fi, и почти во всех других формах высокоскоростной системы передачи данных.
Например, он используется в телевизионных системах PAL и NTSC, где различные каналы, предоставляемые QAM, позволяют ему переносить компоненты информации цветности или цвета. В радиоприложениях система, известная как C-QUAM, используется для AM стерео радио. Здесь разные каналы позволяют двум каналам, необходимым для стерео, передаваться на одной несущей.
# Цифро-аналоговые методы преобразования
Цифровые форматы QAM часто называют «квантованного QAM» и они все шире используются для передачи данных часто в системах радиосвязи. Системы радиосвязи, начиная от клеточных технологий, как в случае LTE через беспроводные системы, включая WiMAX, и Wi-Fi 802.11 использовать различные формы QAM, и использование QAM будет только увеличиваться в области радиосвязи.
Базовые сигналы имеют только две позиции, которые позволяют передавать либо 0, либо 1. Используя QAM, можно использовать множество различных точек, каждая из которых имеет определенные значения фазы и амплитуды. Это известно как диаграмма созвездия. Различным позициям назначаются разные значения, и, таким образом, один сигнал может передавать данные с гораздо большей скоростью.
Используя форматы модуляции более высокого порядка, то есть больше точек в созвездии, можно передавать больше битов на символ. Однако точки расположены ближе друг к другу, и поэтому они более восприимчивы к шуму и ошибкам данных..
Преимущество перехода к форматам более высокого порядка состоит в том, что в созвездии больше точек и, следовательно, можно передавать больше битов на символ. Недостатком является то, что точки созвездия находятся ближе друг к другу, и, следовательно, линия более чувствительна к шуму. В результате версии QAM более высокого порядка используются только при достаточно высоком отношении сигнал / шум.
Чтобы обеспечить пример того, как работает КАМ, созвездие ниже диаграмма показывает значения, связанные с различными государствами для сигнала 16QAM. Из этого видно, что непрерывный поток битов могут быть сгруппированы в четыре и представлены в виде последовательности.
#QAM преимущества и недостатки
● Во-первых, он более восприимчив к шуму, поскольку состояния ближе друг к другу, поэтому для перемещения сигнала в другую точку принятия решения требуется более низкий уровень шума. Приемники для использования с фазовой или частотной модуляцией могут использовать ограничивающие усилители, которые способны удалять любые амплитудные шумы и, таким образом, улучшать шумовую зависимость. Это не так с QAM.
● Второе ограничение связано также с компонентом амплитуды сигнала. Когда сигнал фазы или частоты модулированного усиливается в радиопередатчика, нет необходимости использовать линейные усилители, в то время как при использовании QAM, содержащий амплитуды компонента, линейность должен быть сохранен. К сожалению, линейные усилители являются менее эффективными и потребляют больше энергии, и это делает их менее привлекательными для мобильных приложений.
#QAM против PSK и другие режимы При выборе формы модуляции стоит сравнить AM против PSK и другие режимы, глядя на то, что каждый из них может предложить.
В приведенной ниже таблице различные формы модуляции:
Однако точки больше не то же самое амплитуда. Это означает, что демодулятор должен обнаруживать как фазу и амплитуду. Кроме того, тот факт, что амплитуда изменяется означает, что линейный усилитель SI требуется для усиления сигнала.
Квадратурная амплитудная модуляция (QAM): что это такое и где применяется
Модуляция QAM передает два аналоговых сигнала сообщений или два цифровых битовых потока путем изменения (модуляции) амплитуд двух несущих волн с использованием схемы цифровой модуляции с амплитудной манипуляцией (ASK) или аналоговой AM.
Принцип работы
Вам будет интересно: Интерфаза — это период клеточного цикла. Определение и характеристика, стадии интерфазы
В случае основы передачи QAM, несущая волна является совокупностью двух синусоидальных волн с одинаковой частотой, 90° по фазе друг от друга (в квадратуре). Они часто называются «I» или синфазной составляющей, а также «Q» или квадратурной составляющей. Каждая волна компонента модулируется по амплитуде, то есть ее амплитуда изменяется для представления данных, которые должны быть перенесены до того, как они будут объединены вместе.
Применение
Надпись decision boundaries на фото выше обозначает границу поверхности (или «границу принятия решений», дословно).
QAM (quadrature amplitude modulation) широко используется в качестве схемы модуляции для цифровых телекоммуникационных систем таких, как стандарты 802.11 Wi-Fi. Произвольная высокая спектральная эффективность может быть достигнута с помощью QAM путем установки подходящего размера созвездия, ограниченного только уровнем шума и линейностью канала связи.
Модуляция QAM используется в системах с оптическим волокном по мере увеличения скорости передачи битов. QAM16 и QAM64 могут быть оптически эмулированы с 3-канальным интерферометром.
Цифровая техника
В цифровой QAM каждая составляющая волна состоит из выборок постоянной амплитуды, каждая из которых занимает единый временной интервал, а амплитуда квантуется, ограничивается одним из конечного числа уровней, представляющим одну или несколько двоичных цифр (бит) цифровой бит. В аналоговой QAM амплитуда каждой составляющей синусоидальной волны непрерывно изменяется во времени аналоговым сигналом.
Фазовую модуляция (аналоговый PM) и манипуляцию (цифровая PSK) можно рассматривать как частный случай QAM, где величина модулирующего сигнала является постоянной, причем только фаза изменяется. Квадратурную модуляцию также можно расширить до частотной модуляции (FM) и манипуляции (FSK), поскольку они могут рассматриваться как ее подвид.
Это приводит к более высокой частоте ошибок в битах, и поэтому QAM более высокого порядка может предоставлять больше данных менее надежно, чем QAM более низкого порядка, для постоянной средней энергии созвездия. Использование QAM более высокого порядка без увеличения скорости битовых ошибок требует более высокого отношения сигнал / шум (SNR) за счет увеличения энергии сигнала, уменьшения шума или того и другого.
Технические приспособления
Если требуются скорости передачи данных, превышающие тарифы, предлагаемые 8-PSK, более обычным является переход в QAM, поскольку он достигает большего расстояния между соседними точками в плоскости I-Q, распределяя точки более равномерно. Усложняющим фактором является то, что точки больше не имеют одинаковой амплитуды, и поэтому демодулятор должен теперь правильно определять как фазу, так и амплитуду, а не просто фазу.
Телевидение
64-QAM и 256-QAM часто используются в цифровом кабельном телевидении и кабельных модемах. В Соединенных Штатах 64-QAM и 256-QAM являются санкционированными схемами модуляции для цифрового кабеля, которые стандартизованы SCTE в стандартном ANSI / SCTE 07 2013. Обратите внимание, что многие специалисты по маркетингу будут ссылаться на них как на QAM-64 и QAM-256. Великобритании модуляция QAM-64 используется для цифрового наземного телевидения (Freeview), а 256-QAM используется для Freeview-HD.
Системы связи, предназначенные для достижения очень высоких уровней спектральной эффективности, обычно используют очень плотные частоты из этой серии. Например, в современных устройствах Ethernet Powerplug AV2 500-Mbit используются устройства 1024-QAM и 4096-QAM, а также будущие устройства, использующие стандарт ITU-T G.hn для подключения к 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 которых достигает 32768-QAM (в терминологии ADSL это называется битовой загрузкой или бит на тон, 32768-QAM эквивалентно 15 бит на тон).
Системы сверхвысокой пропускной способности с обратной связью также используют 1024-QAM. При использовании 1024-QAM, адаптивного кодирования и модуляции (ACM) и XPIC, производители могут получить гигабитную емкость в одном канале с частотой 56 МГц.
В SDR-приемнике
Известно, что круговая частота 8-QAM является оптимальной модуляцией 8-QAM в смысле необходимости наименьшей средней мощности для данного минимального евклидова расстояния. Частота 16-QAM является субоптимальной, хотя оптимальная может быть создана по тем же принципам, что и 8-QAM. Эти частоты часто используются при настройке SDR-приемника. Другие частоты могут быть воссозданы путем манипуляций с аналогичными (или похожими) частотами. Эти качества активно используются в современных СДР-приемниках и трансиверах, маршрутизаторах, роутерах.
Таким образом, точки на созвездии становятся более четкими, а ошибки данных уменьшаются. Хотя возможно передавать больше битов на символ, если энергия созвездия должна оставаться неизменной, точки на созвездии должны быть ближе друг к другу, и передача становится более восприимчивой к шуму. Это приводит к более высокому уровню ошибок по сравнению с вариантами QAM более низкого порядка. Таким образом, существует баланс между получением более высоких скоростей передачи данных и поддержанием приемлемой частоты ошибок по битам для любой системы радиосвязи.
#QAM приложения
КАМ во многих радиосвязи и приложений доставки данных. Однако некоторые конкретные варианты QAM используются в некоторых конкретных приложений и стандартов.
# Диаграммы созвездий для QAM
#QAM бит на символ
Преимущество использования QAM является то, что она является более высокой формой порядка модуляции, и в результате он может нести больше битов информации на символ. При выборе более высокого порядка формат КАМ, скорость передачи данных связь может быть увеличена.
Приведенная ниже таблица дает сводку битовых скоростей различных форм QAM и ФМн.
Модуляция
Биты на символ
Скорость передачи
БПСК
1
1 х битрейт
QPSK
2
1/2 битрейт
8PSK
3
1/3 битрейт
16QAM
4
1/4 битрейт
32QAM
5
1/5 битрейт
64QAM
6
1/6 битрейт
#QAM запас по шуму
Хотя уровень модуляции более высокого порядка могут предложить гораздо более высокие скорости передачи данных и более высокие уровни спектральной эффективности для системы радиосвязи, это происходит по цене. Схемы модуляции более высокого порядка значительно менее устойчивы к шумам и помехам.
В результате этого, многие системы радиосвязи в настоящее время используют динамические адаптивные методы модуляции. Они чувствуют условия канала и адаптировать схему модуляции, чтобы получить самую высокую скорость передачи данных для заданных условий. В качестве сигнала к шуму уменьшить ошибки будут вместе увеличиваться с повторно посылает данные, таким образом, замедляя пропускную способность. Вернувшись к более низкой схемы модуляции порядка связь можно сделать более надежным с меньшим количеством ошибок данных и повторно отправляет.
Квадратурная модуляция (QAM)
Для увеличения скорости передачи данных используют так называемую квадратурную амплитудную модуляцию QAM, которая является амплитудно-фазовым видом модуляции. QAM применяется в кабельных модемах, в стандарте цифрового телевидения DVB-C, а также, в цифровом радиовещании СВЧ диапазона.
С точки зрения скорости передачи этот вид модуляции намного более эффективен по сравнению с двоичной (BPSK), четырехпозиционной (QPSK) или восьмипозиционной (8-PSK) фазовой модуляцией. Следует сразу оговориться, что QPSK и 4-QAM на самом деле один и тот же вид модуляции.
В 16-позиционной QAM (16-QAM) существует по четыре сигнальных значения для каждой из квадратурных компонент I и Q. Этим достигаются шестнадцать значений суммарного сигнала.
Рисунок 1. Векторная диаграмма сигнала 16-QAM
Точно так же, как и в других системах модуляции в 16-QAM применяется кодирование Грея. Соответствие сигнальных созвездий, кода Грея и цифровых значений сигналов I и Q для 16-QAM, приведено на рисунке 2.
Рисунок 2. Соответствие сигнальных созвездий, кода Грея и цифровых значений сигналов I и Q для 16-QAM
Глазковая диаграмма сигналов I и Q для 16-позиционной квадратурной модуляции 16 QAM приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Глазковая диаграмма сигналов I и Q 16-позиционной квадратурной модуляции 16 QAM
В 16-ти позиционной QAM (16-QAM) существует по четыре сигнальных значения для каждой из квадратурных компонент I и Q. Этим достигаются 16 значений суммарного сигнала.
Для иллюстрации, на рисунке 4 приведена фотография экрана измерительного прибора — векторного анализатора. На этом рисунке видны векторная, глазковая диаграмма и основные характеристики сигнала 16-QAM на частоте 450 МГц.
Рисунок 4. Экран векторного анализатора, на котором видны векторная, глазковая диаграмма и основные характеристики сигнала 16-QAM на частоте 450 МГц
Еще одна разновидность QAM — это 32-QAM. Ее характеристики таковы: по шесть сигнальных значений для I и для Q, что в итоге дает точек созвездия для суммарного сигнала. Сигнальное созвездие сигнала 32-QAM приведено на рисунке 5.
Рисунок 5. Сигнальное созвездие сигнала 32-QAM
Особенность сигналов QAM — это возможность увеличивать количество сигнальных точек в обмен на помехоустойчивость. В результате в одной и той же полосе сигналов есть возможность увеличивать скорость передачи цифровой информации. Ограничение на увеличение пропускной способности канала накладывает только сложность реализации аппаратуры телекоммуникационных устройств
Дата последнего обновления файла 31.01.2020
Понравился материал? Поделись с друзьями!
Вместе со статьей «Квадратурная модуляция (QAM)» читают:
MSK-модуляция частотная с минимальным сдвигом по частоте https://digteh.ru/UGFSvSPS/modul/MSK/
Предыдущие версии сайта: http://neic.nsk.su/
Об авторе: к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин
Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).
А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре «Сигнал», Научно производственной фирме «Булат». В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.
Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи «Сигнал-201», авиационной системы передачи данных «Орлан-СТД», отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.
Модуляция высокого порядка 1024-QAM
Данная статья является переводом следующей статьи (автор: wlandoc):
BPSK использует фазы 0 ° и 180 ° для передачи одного бита (0 или 1) информации, как показано на следующем рисунке. Напротив, QPSK может кодировать 2 бита на символ (00, 01, 10 или 11) через следующие четыре фазы: 0 °, 90 °, 180 ° и 270 °. Это позволяет QPSK нести вдвое больше информации, чем BPSK.
QAM обычно представлен диаграммой созвездия, также известной как карта созвездия, с точками, симметрично распределенными в квадратной сетке, чтобы минимизировать интерференцию между различными формами сигналов. Количество точек совокупности в сетке обычно является степенью 2 и равно порядку QAM. Поскольку диаграмма представляет собой квадрат, распространенными форматами QAM являются 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM и так далее. На этом рисунке показаны 16 форм сигналов, в которые 16-QAM модулирует символ.
На диаграмме созвездия угол (φ) точки созвездия представляет фазовую модуляцию, а изменение расстояния от 0,0 до точки созвездия представляет изменение амплитуды.
Как QAM работает с Wi-Fi (Wi-Fi 5 против Wi-Fi 6)?
По сравнению с Wi-Fi 5, Wi-Fi 6 представил широкий спектр технологических инноваций, которые привели к более высокой скорости передачи данных. 1024-QAM, схема модуляции высшего порядка, является одним из таких нововведений. В частности, 256-QAM Wi-Fi 5 представляет 1 символ с 8 битами, а 1024-QAM представляет 1 символ до 10 битов. Чем больше битов переносится на символ, тем выше скорость передачи данных. Если мы будем думать о каждом символе как о коробке, схема модуляции более высокого порядка позволяет нам втиснуть еще больше информации в каждую коробку.
В результате схема модуляции QAM более низкого порядка является единственным вариантом в такой «шумной» среде. Другими словами, если мы говорим слишком быстро в шумной обстановке, отдельные слова могут быть заглушены. Чтобы каждое слово было понятным, мы должны сбавить скорость.
Вам будет интересно: Интерфаза — это период клеточного цикла. Определение и характеристика, стадии интерфазы 
