Квадратурная амплитудная модуляция (QAM)

Данный способ модуляции относится к комбинированным. В случае QAM промодулированный сигнал представляет собой сумму двух ортогональных несущих: косинусоидальной и синусоидальной, амплитуды которых принимают независимые дискретные значения.

U_QAM(t) = U_c[c_ǀ(t)cosω_ct + c_ǀǀ(t)sinω_ct], (8.1)

где U_c - амппитуда сигнала; ω_c - частота несущей; c_ǀ(t), c_ǀǀ(t)- модулирующие сигналы в квадратурных каналах. При приеме сигналов с QAM производится когерентное детектирование.

Если в выражении (8.1) модулирующие сигналы c_ǀ(t) и c_ǀǀ(t) принимают значения ±1, то получим QAM-4 (четырехпозиционную QAM). Если же для модуляции как в синфазном, так и в квадратурном каналах используются четырехуровневые сигналы с(t) = ±1; ±3, то при этом получается 16-позиционная QAM (QAM-16), которую можно описать следующим выражением:

,

и представить в фазово-амплитудном пространстве в виде специального рис. 8.12, где точками показаны положения концов вектора сигнала А_i, при различных значениях i. Оси координат на рис. 8.12 соответствуют синфазной J и квадратурной Q составляющим сигнала. В модуляции типа QAM-16 каждой позиции сигнального вектора соответствует четырехразрядный символ, состоящий из двоичных импульсов. При формировании подобных символов используется код Грея, поэтому соседние символы отличаются значением бита только в одном разряде, что минимизирует вероятность ошибки на символ.

С точки зрения помехоустойчивости важно сохранить достаточно большим минимальное расстояние между двумя соседними точками в фазово-амплитудном пространстве. Доказано, что это условие выполняется при размещении сигнальных точек в узлах квадратной решетки.

Рис. 8.12. Векторная диаграмма возможных состояний сигнала при QAM-16 (χ=1)

Кроме модуляции типа QAM-16 в системах цифрового телевидения широко используется QAM-64. В данном случае числа в обозначениях типа модуляции означают количество вариантов суммарного сигнала.

Расположение сигнальных точек в фазово-амплитудном пространстве при различных типах QAM определяют сигнальные созвездия модулированных сигналов. Практически используются как обычные равномерные, так и неравномерные сигнальные созвездия с различными расстояниями между двумя ближайшими точками созвездия в смежных квадрантах, что количественно оценивается коэффициентом неравномерности сигнального созвездия χ. Данный параметр равен отношению расстояния между соседними точками в двух разных квадрантах к расстоянию между точками в одном квадранте. Применительно к модуляции типа QAM-16 и QAM-64 рекомендуются три значения коэффициента χ: χ = 1 соответствует обычной QAM с равномерным сигнальным созвездием (см. рис. 8.12); χ = 2 характеризует QAM с неравномерным сигнальным созвездием, когда расстояние между двумя ближайшими точками созвездия в смежных квадрантах в два раза больше расстояния в пределах одного квадранта (рис. 8.13); χ = 4 оценивает QAM с неравномерным сигнальным созвездием, когда различие расстояний между точками внутри и между квадрантами является четырехкратным (рис. 8.14). Применение неравномерной структуры сигнальных созвездий с коэффициентами χ = 2, χ = 4 обеспечивает улучшение декодирования потока данных, модулированных методами QAM-16 и QAM-64. Однако при этом требуется увеличение отношения сигнал-шум для потока данных, так как шумы и помехи трансформируют сигнальные точки созвездия в «облака». Центром «облака» остается сигнальная точка, а его «размытость» характеризует остаточный уровень несущей, нарушение баланса уровней сигналов J и Q, коэффициент модуляционных ошибок и другие параметры. При очень сильном шуме различить сигнальные точки внутри квадрантов становится практически невозможным. Однако благодаря введенной неравномерности в сигнальные созвездия сигнальные точки между квадрантами различаются достаточно хорошо, т.е. декодирование может осуществляться с приемлемой вероятностью ошибок.

На практике модуляция типа QAM-16 обеспечивает удельную скорость передачи данных, равную 3,9 (бит/с)/Гц, a QAM-64 - 4,5 (бит/с)/Гц.

Пропускная способность кабельной сети с полосой канала 8 МГц составляет 38,5 Мбит/с при модуляции QAM-64. В кабельных сетях модуляция QAM-64 позволяет при соотношении сигнал-шум на входе цифрового телевизионного приемника 24 дБ обеспечивать устойчивый прием.