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.
Зная, что , получаем, что в 16-QAM одним символом могут быть переданы четыре бита. Это означает, что символьная скорость в таком виде модуляции получается в четыре раза меньше битовой, т. е. равна 1/4 от битовой скорости. Таким образом, данный тип модуляции позволяет организовать спектрально более эффективную передачу данных. Векторная диаграмма сигнала 16-QAM приведена на рисунке 1.
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
Этот тип модуляции наделен особенностью. В итоге, количество значений 36 не соответствует исходным данным, т.к. слишком велико, (). Поэтому, четыре «угловых» сигнальных значения, (на которые приходится большинство мощности передатчика), опущены. Этим уменьшается значение выходной мощности, которую должен генерировать передатчик. Исходя из того, что , получаем битовую скорость, равную 5 бит/с и символьную скорость, равную 1/5.
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!
- Steve C. Cripps RF Power Amplifiers for Wireless Communications — ARTECH HOUSE, INC., 2006
- Marian K. Kazimierczuk RF Power Amplifiers — John Wiley & Sons, Ltd 2008
- Радиопередающие устройства: учебник для ВУЗов; под ред. В. В. Шахгильдяна. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 2003.
Вместе со статьей «Квадратурная модуляция (QAM)» читают:
MSK-модуляция частотная с минимальным сдвигом по частоте
https://digteh.ru/UGFSvSPS/modul/MSK/
Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 . 2020
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.
Источник
Код ГРЕЯ в многопозиционных видах модуляций
При многопозиционных видах модуляций (М-ФМн и М-КАМ) выбор положения символа в сигнальном созвездии влияет на вероятность битовой ошибки.
p, blockquote 1,0,0,0,0 —>
p, blockquote 2,0,0,0,0 —>
Рассмотрим положение символов в сигнальном созвездии для четверичной фазовой модуляции. Для 4-ФМн каждый символ представляется 2 битами. Назначим каждому символу по часовой стрелке комбинацию бит в обычной двоичной системе счисления: <00; 01; 10; 11>.
p, blockquote 3,0,0,0,0 —>
p, blockquote 4,0,0,0,0 —>
При воздействии шумов могут возникать ошибки, которые появляются в результате того, что был принят не тот символ, который передавался. Вероятность перепутать один символ с другим (т.е. допустить ошибку при приёме) тем больше, чем ближе символы на созвездии находятся друг к другу.
p, blockquote 5,0,1,0,0 —>
Пример кодирования двоичного кода
Рассмотрим пример по рисунку выше. Пусть был передан символ S0, который кодирован битами <00>. Из-за воздействия шумов наиболее частой ошибкой будет прием символа S1 или S3, т.к. они расположены ближе, чем символ S2. Ошибочный прием символа S2 также будет, но такие ошибки будут происходить реже.
p, blockquote 6,0,0,0,0 —>
Если возникла ошибка, при которой был принят символ S1 <01>вместо S0 <00>, то будет потерян всего 1 бит информации, т.к. символ S1 отличается от символа S2 на один бит. Однако если возникла ошибка, при которой был принят символ S3 <11>, то будет потеряно уже 2 бита информации.
p, blockquote 7,0,0,0,0 —>
Возникает вопрос, можно ли символам назначить такие комбинации бит, чтобы любые два соседних символа отличались не более чем на один бит. Ответ на этот вопрос положительный – нужно воспользоваться кодом Грея.
p, blockquote 8,0,0,0,0 —>
Код Грея определение
В таблице ниже представлен код Грея для 2-х и 3-х бит.
p, blockquote 9,0,0,0,0 —>
Код Грея образуется путем перестановки некоторых кодовых комбинаций таким образом, что любые две соседние кодовые комбинации отличаются друг от друга на один бит.
p, blockquote 11,0,0,0,0 —>
Если символы 4-ФМн закодировать кодом Грея, т.е. символам S0 S1 S2 S3 назначить комбинацию бит <00; 01; 10; 11>соответственно, то любые два соседних символа будут отличаться друг от друга не более чем на один бит. В этом случае, если произойдет любая ошибка, где будут перепутаны два соседних символа, будет потерян только один бит информации.
p, blockquote 12,0,0,0,0 —>
p, blockquote 13,0,0,0,0 —>
p, blockquote 14,0,0,0,0 —>
Возникает вопрос, а есть ли существенная разница между тем, сколько бит информации потеряно? Ведь информация в любом случае оказалась искаженной! Дело в том, что в радиотехнических системах практически всегда применяется помехоустойчивое кодирование , задача которого исправлять ошибки. У помехоустойчивого кода есть ограничение на количество ошибок, которые он может исправить – этот параметр называется кратностью исправляемых ошибок. Соответственно необходимо стремиться к уменьшению количества ошибок, т.к. малое количество ошибок может исправить помехоустойчивый код.
p, blockquote 15,0,0,1,0 —>
Код Грея применим в том случае, когда у каждого символа в созвездии только два соседа, т.е. близлежащих символов. Это случай четверичной и восьмеричной фазовой манипуляции.
p, blockquote 16,0,0,0,0 —>
Если рассматривать созвездие амплитудно-фазовых модуляций, в том числе КАМ, то видно, что у каждого символа более двух соседей. В этом случае нельзя придумать такой код, при котором все близлежащие символы отличались бы только на один бит. Но и в этом случае играет большую роль, каким символам, какие кодовые комбинации назначаются. Те символы, которые расположены ближе всего друг к другу, должны отличаться на минимальное количество бит, в идеальном случае на один.
p, blockquote 17,0,0,0,0 —>
p, blockquote 18,0,0,0,0 —>
Если невозможно сделать так, чтобы все соседи отличались на один бит, тогда допускается отличие на два бита, и т.д. Чем дальше символы в созвездии располагаются друг от друга, тем реже возникает ошибка, при которой эти символы будут перепутаны, следовательно, тем на большее количество бит они могут отличаться.
p, blockquote 19,0,0,0,0 —> p, blockquote 20,0,0,0,1 —>
Задача назначения битовых комбинаций каждому символу в созвездии сводится к минимизации среднего количества битовых ошибок при фиксированном отношении сигнал/шум.
Источник
ЛР_№26
Методические указания по выполнению работы
Каждый студент выполняет индивидуальный вариант работы, номер которого определяется порядковым номером его фамилии в журнале академической группы.
Исследование способа формирования сигнала КАМ-М и оценку спектральной плотности мощности этого сигнала рекомендуется проводить с использованием реального масштаба как по оси времени (секунды), так и по оси частот (Герцы). Длительность элементарного сигнала при этом можно выбрать в соответствии с рекомендациями стандартов, предусматривающих использование сигналов с КАМ. Например, для систем с технологией OFDM длительность одного элементарного сигнала может принимать значения от нескольких десятков, до нескольких сотен микросекунд.
Важно, чтобы число элементарных сигналов в моделируемом блоке было представимо целой степенью двойки; эта же рекомендация относится к числу отсчетов квадратурных модулирующих сигналов на интервале времени, равном длительности одного элементарного сигнала. В этом случае в имитаторе используются быстрые алгоритмы спектрального анализа, что значительно сокращает время моделирования.
Существенной особенностью имитатора является организация моделирования и всех вычислений с использованием понятия комплексной огибающей радиосигнала с КАМ. Этот способ является традиционным при проведении реальных исследований в научных лабораториях и овладение им является хотя и попутной, но полезной для студентов задачей.
Частоту дискретизации по времени модулирующих квадратурных компонент сигнала КАМ рекомендуется выбирать значительно выше частоты следования элементарных сигналов, так чтобы на длительности одного элементарного сигнала можно было получить 4, 8, 16 и т.д. отсчетов, что позволит получить графические изображения реализаций этих сигналов достаточно высокого качества.
В системе MATLAB один отсчет сигнала представляется в цифровой форме при длительности соответствующего кодового слова, равной 4-м байтам, т.е. ошибкой квантования при проведении исследований в данной работе можно пренебречь.
Исследование в лаборатории выполняется с помощью системы MATLAB, минимально необходимые для данной работы сведения о которой приведены в примерах приложения 3 к этим методическим указаниям. Целесообразность использования этой системы обусловлена тем, что в ней имеются встроенные специальные функции, обеспечивающие возможность вычисления значений исследуемых сигналов, их спектров и построение соответствующих графиков практически без программирования. Система MATLAB обеспечивает высокое качество графических представлений полученных результатов на экране монитора.
При спектральном анализе КАМ сигнала число отсчетов комплексной огибающей этого сигнала рекомендуется выбирать так, чтобы на длительности одного элементарного сигнала умещалось не менее 10 отсчетов. В этом случае получаемые оценки спектральной плотности мощности комплексной огибающей сигнала ГММС с дискретным временем будут достаточно точно представлять спектральную плотность мощности этого сигнала с непрерывным временем.
1. Перечислите основные параметры радиосигнала с квадратурной амплитудной модуляцией (КАМ).
2. Объясните смысл термина “ квадратурная модуляция».
3. Дайте определения квадратурным компонентам КАМ сигнала.
4. Поясните содержание термина «сигнальное созвездие». Нарисуйте возможные варианты сигнального созвездия.
5. В чем смысл кода Грея при сигнальном кодировании? Как нумеруются точки сигнального созвездия?
6. Что представляют собой реализации квадратурных компонент КАМ сигнала при отсутствии ФНЧ в квадратурных каналах? Нарисуйте эти реализации.
7. Какие значения принимает огибающая КАМ радиосигнала?
8. Поясните принцип работы устройства формирования КАМ радиосигнала.
9. Поясните назначение ФНЧ в квадратурных ветвях устройства формирования КАМ радиосигнала.
10. Поясните смысл термина «комплексная огибающая радиосигнала».
11. Поясните смысл термина “ спектральная плотность мощности сигнала” .
12. Как определяются ширина спектра КАМ сигнала?
13. Поясните способ оценки помехи от соседнего частотного канала за счет его внеполосного излучения.
Математическое описание сигнала
с квадратурной амплитудной модуляцией
В современных цифровых системах радиосвязи как правило используются многопозиционные сигналы, обеспечивающие высокую спектральную эффективность использования радиоканала с ограниченной полосой пропускания. Эффективность использования спектра для модуляции ФМ-2 составляет 0,6 бит/с/Гц, для ФМ-4 – до 2,6 бит/с/Гц, для ФМ-8 – до 4,0 бит/с/Гц. Среди существующих многопозиционных методов модуляции квадратурная амплитудная модуляция (КАМ-М) обеспечивает наибольшую энергетическую и спектральную эффективность и рассматривается как возможный предпочтительный метод модуляции для высокоскоростных систем передачи. В настоящее время КАМ-16 используется в прямой линии наземных сотовых систем третьего поколения; активно исследуется возможность использования этого способа модуляции в спутниковых системах. Широко используется этот метод модуляции в радиорелейных системах. Эффективность использования спек-
тра для КАМ-16 и КАМ-64 до 5,0 бит/с/Гц.
К сожалению КАМ при числе позиций M > 4 теряет свойство постоянства значений огибающей радиосигнала и становится чувствительной к наличию нелинейности динамической характеристики усилителей мощности передатчиков (возрастает вероятность ошибки на бит передаваемой информации, возникают трудности в вычислении значения вероятности этой ошибки).
Одним из параметров любого способа многопозиционной модуляции является число элементарных сигналов на выходе модулятора. При КАМ каждый элементарный сигнал представляет собой гармоническое колебание с определенными значениями амплитуды и фазы относительно немодулированного несущего колебания. Число возможных значений этой пары параметров равно M . Для
КАМ обычно M = 2 K при K = 1, 2, 3, . . Величину K называют кратностью модуляции. При этом каждый элементарный сигнал соответствует определенному набору из K = log 2 M двоичных ин-
формационных символов (битов). Длительность элементарного сигнала T c
= T б × log 2 M = T б × K , где
T б — длительность информационного бита. Длительность бита определяет скорость передачи инфор-
мации V = 1/ T б бит/с, а длительность элементарного сигнала T c
— скорость модуляции, равную 1 / T c
Каждый элементарный сигнал на интервале времени с номером i и длительностью T c можно
представить следующей функцией времени:
s m ( t ) = A m cos( w 0 t + F m ) = Re [ A m exp < j w 0 t >] , ( i — 1 )T c
В представлении (1) введено обозначение
для комплексной амплитуды элементарного сигнала. При построении сигнального созвездия этого сигнала удобнее использовать вещественную и мнимую части комплексной амплитуды:
s m ( t ) = A m cos( ω 0 t + Φ m ) = A m cos( Φ m ) × cos( ω 0 t ) — A m sin( Φ m ) × sin( ω 0 t ) = , (3) a m × cos( ω 0 t ) — b m × sin( ω 0 t )
где a m и b m — координаты m -й точки сигнального созвездия КАМ- M сигнала, m = 1, 2, . , M .
На рис.1 представлено сигнальное созвездие КАМ-16. Важным параметром сигналов с КАМ является средняя энергия одного элементарного сигнала:
Источник