Квадратурная амплитудная модуляция.

При квадратурной амплитудной модуляции (КАМ, QAM – Quadrature Amplitude Modulation) изменяется как фаза, так и амплитуда несущего сигнала. Это позволяет увеличить количество кодируемых в единицу времени бит и при этом существенно повысить помехоустойчивость их передачи по каналу связи. В настоящее время число кодируемых информационных бит на одном интервале может достигать 8-9, а число позиций сигнала (возможных комбинаций единиц и нулей) в сигнальном пространстве – 256…512.

Квадратурное представление сигналов является удобным и достаточно универсальным средством их описания. Квадратурное представление заключается в выражении колебания линейной комбинацией двух ортогональных составляющих – синусоидальной и косинусоидальной:

,

где x (t) и y (t) – биполярные дискретные величины.

Рис. 3.4.22. Векторная диаграмма возможных состояний
сигнала при QAM-16 (c = 1).

Пользуясь геометрической трактовкой, каждый сигнал КАМ можно изобразить вектором в сигнальном пространстве. Отмечая только концы векторов, для сигналов КАМ получаем изображение в виде сигнальной точки, координаты которой определяются значениями x(t) и y(t). Совокупность сигнальных точек образует так называемое сигнальное созвездие (signal constellation). На рис. 3.4.23 показана структурная схема модулятора и демодулятора для случая, когда x(t) и y(t) принимают значения ±1, ±3. Величины ±1, ±3 определяют уровни модуляции и имеют относительный характер. Созвездие содержит 16 сигнальных точек, каждая из которых соответствует четырем передаваемым информационным битам. В модуляции типа QAM-16 несущая может иметь три значения амплитуды и 12 значений фазы, причем каждой позиции сигнального вектора соответствует четырехразрядный символ, состоящий из двоичных импульсов (рис. 3.4.22). При формировании подобных символов используется код Грея, поэтому соседние символы отличаются значением бита только в одном разряде, что минимизирует вероятность ошибки на символ.

Рис. 3.4.23. Модулятор-демодулятор КАМ.

Существует несколько способов практической реализации 4-х уровневой КАМ, наиболее распространенным из которых является так называемый способ модуляции наложением (SPM — Supersposed Modulation). В схеме, реализующей данный способ, используются два одинаковых 4-х фазных модулятора. Структурная схема модулятора SPM и диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. 3.4.24.

Из теории связи известно, что при равном числе точек в сигнальном созвездии спектр сигналов КАМ идентичен спектру сигналов ФМ. Однако помехоустойчивость систем ФМ и КАМ различна. При большом числе точек сигналы системы КАМ имеют лучшие характеристики, чем системы ФМ. Основная причина этого состоит в том, что расстояние между сигнальными точками в системе ФМ меньше расстояния между сигнальными точками в системе КАМ. На рис. 3.4.26 представлены сигнальные созвездия систем КАМ-16 и ФМ-16 при одинаковой мощности сигнала.

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.

Для примера рассмотрим принцип построения квадратурного модулятора QAM-16 (рис. 3.4.25). Входной поток данных вначале подвергается необходимой цифровой обработке в процессоре данных. Так как модуляция QAM-16 обеспечивает удельную скорость передачи 4 (бит/с)/Гц, то для последующей модуляции поток данных в ходе его цифровой обработки разделяется на четыре подпотока с соответственно сниженными скоростями. Затем производится цифро-аналоговое преобразование двух двоичных подпотоков в один четырехуровневый с одновременным формированием их спектра в ЦТФ, где импульсам придается сглаженная форма. Четырехуровневые сигналы в каналах I и Q управляют работой балансных модуляторов, выходные сигналы которых складываются, образуя сигнал QAM-16 с двумя полосами и подавленной несущей. На балансные модуляторы несущая поступает со сдвигом p/2, т.е. в квадратуре. Выходной сигнал модулятора на промежуточной частоте несущей проходит через полосовой фильтр, ограничивающий внеполосные излучения, и может быть конвертирован в полосу любого вещательного канала.

Рис. 3.4. 24. Схема модулятора КАМ-16.

В демодуляторе имеется аналогичная пара балансных модуляторов и блоки обратного преобразования из четырехуровневых в двоичные сигналы с последующей обработкой данных.

Рис. 3.4.25. Возможная структурная схема модулятора QAM-16.

Рис. 3.4. 26. Сигнальные созвездия КАМ 16 и ФМ-16.

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. Например, в модуляции QAM-64 несущая частота может иметь 9 значений амплитуды и 48 значений фазы (рис. 3.4.27). Учитывая относительно высокое отношение сигнал-шум, в системе кабельного телевидения DVB-C используется квадратурная амплитудная модуляция от КАМ-16 до КАМ-256.

Рис. 3.4.27. Диаграмма созвездий 64-QAM.

Анализ ошибок модуляции сигнала.

При наличии нелинейных и фазовых искажений, помех и шумов канала возникают переходные помехи между квадратурными каналами. Сигнальные созвездия при этом размываются, то есть в каждом такте точка созвездия имеет случайные координаты (рис. 3.4.28). MER (Modulation Error Ratio) - коэффициент ошибок модуляции) представляет меру, показывающую насколько фактическое значение комплексной амплитуды несущей спектра сигнала OFDM, отличается от ее номинального значения. На звездной диаграмме (рис. 3.4.29), обозначено номинальное положение комплексной амплитуды одной из несущих (для простоты выбрана QPSK модуляция) и её фактическое положение. В общем случае они не совпадают из-за нелинейных искажений амплитуды и фазы в усилительном тракте, и из-за внесения шума преобразования в модуляторе.

Рис. 3.4.28. Форма 16-QAM созвездий при наличии помех при сдвиге частоты 25 Гц:
а) нет дополнительных помех, кроме ухода частоты,
б) добавляется влияние гауссовой помехи с отношением сигнал/шум 16 дБ.

Показан вектор сигнала ошибки между номинальным и фактическим значением комплексной амплитуды данной несущей. Усредняя значения MER для каждой несущей, вычисляется интегральное значение MER. На экране прибора это выглядит следующим образом, чем меньше облако из точек (рис. 3.4.30 -3.4.31), чем более точно они попадают в центр сектора, тем меньше ошибка каждой отдельной несущей и соответственно меньше среднеквадратичная ошибка по всем несущим. Четыре точки на оси I являются маркерными.

Рис. 3.4.29. Возникновение ошибки при QPSK-модуляции.

Следовательно, коэффициент ошибок модуляции MER можно определить по следующему выражению:

,

где i – число символов OFDM в кадре.

Суммирование ведется по количеству символов в кадре DVB-T. Усредняя значение MER для каждой несущей, вычисляется интегральное значение MER.

Рис. 3.4.30. MER=35 дБ.

Рис. 3.4.31. MER=28 дБ.

На рис. 3.4.30 и 3.4.31 показаны осциллограммы сигналов с разными значениями МЕR.

Иерархический режим.

Иерархический режим нужен для одновременной передачи двух транспортных потоков. Например, один транспортный поток предназначен для мобильных телевизоров. В этом случае требуется достаточно низкая скорость передачи и используется самый помехоустойчивый режим - QPSK. Второй транспортный поток предназначен для стационарного приема и имеет больше скорость, но значительно меньше помехоустойчивость.

При иерархической передаче применяется неоднородная квадратурная модуляция. Особенности иерархической передачи (16-QAM) иллюстрируют диаграммы рис. 3.4.32. Каждая точка диаграммы определяется четырьмя битами, из которых y0, q' и y1, q' являются битами высшего приоритета, а y2, q' и y3, q' – низшего (рис. 3.4.33). Как видно, четыре явно выраженные групп по четыре точки характеризуются одинаковыми битами высшего приоритета. Расположение точек векторной диаграммы зависит от параметра модуляции, обозначаемого в системе DVB-T буквой α. Этот параметр равен отношению расстояния между соседними точками в двух разных квадрантах к расстоянию между точками водном квадранте. Стандарт DVB-T предусматривает три значения параметра. При использовании однородной модуляции параметр устанавливается равным 1, в случае неоднородной: a=2 или a=4. В этом случае по высокому приоритету передается информация 00. По низкому приоритету передается информация 10. Информация, передаваемая с высоким и низким приоритетом, может различаться. Транспортный поток, передаваемый с высоким приоритетом, обязательно будет иметь модуляцию QPSK. Максимальная скорость передачи по высокому приоритету составляет 10, 56 MB/c, максимальная скорость передачи по низкому приоритету составляет 21, 11 MB/c.

Рис. 3.4.32. Иерархический режим.

Рис. 3.4.33. Биты низшего и высшего порядка при иерархическом
режиме модуляции (16-QAM a = 4).