Тип qam в телевизоре
Обновлено: 17.05.2024
В статье описывается принцип квадратурной модуляции, рассматривается связь между разными типами модуляции, показано векторное разложение сигнала на составляющие.
Модуляция является основополагающей процедурой в электронных системах связи. Модулирующий сигнал может быть аналоговым (голос или музыка) или цифровым (поток битов). Большинство современных систем связи цифровые – в них используются разные уровни амплитуды или фазы для представления передаваемых данных. Чем в большей мере модулирован сигнал, тем больше данных доставляется за определенный промежуток времени. Квадратурная модуляция широко применяется в цифровых системах связи вплоть до самых современных 5G.
Основной задачей модуляции является управление одним или несколькими параметрами несущего радиосигнала. Математически она выражается следующим образом:
x(t) = a (t) cos [2πfct – θ(t)],
где a(t) – амплитудная модуляция; θ(t) – фазовая модуляция; fc – несущая частота.
В амплитудной модуляции используется модулирующий сигнал, а фазовая составляющая отсутствует (θ(t) = 0). Аналогично, при фазовой модуляции функция a(t) равна константе, прилагается только θ(t). Далее для простоты мы не будем рассматривать частотную модуляцию, однако не сложно показать, что частотная модуляция может осуществляться с помощью фазовой модуляции.
Векторное представление
Векторная диаграмма является наглядным способом представления модулированного сигнала путем разложения на синфазную (I) и квадратурную компоненты (Q).
Используя тригонометрическое представление, получаем:
cos(X + Y) = cosX cosY – sinX sinY.
Тогда модулированный сигнал имеет вид:
x(t) = a(t) cos(θ(t)) cos (2πfct) + a(t) sin(θ(t)) sin(2πfct).
Преобразуем его, вводя синфазную и квадратурную составляющие:
x(t) = i(t) cos(2πfct) + q(t) sin(2πfct),
где: i(t) = a(t) cos(θ(t)), q(t) = a(t) sin(θ(t)).
На рисунке 1 показана векторная диаграмма. Синфазная составляющая I откладывается по горизонтали, квадратурная Q – по вертикали.
Рис. 1. Векторная диаграмма, представляющая амплитуду и фазу модулированного сигнала
Связь между амплитудой и фазой модулированного сигнала и I и Q выражается следующим образом:
Функциональная схема квадратурного модулятора показана на рисунке 2.
Рис. 2. Функциональная схема квадратурного модулятора
Как упоминалось, составляющая i(t) управляет синфазной (косинусоидальной) компонентой, а q(t) отвечает за квадратурную компоненту (синус). После суммирования получаем требуемый выходной сигнал. Эту схему можно реализовать и программно, и аппаратно либо комбинированным методом. Тем не менее, чаще всего применяются блоки цифровой обработки сигнала.
На рисунке 2 показана передающая часть. На приемном конце квадратурный детектор выделяет квадратурную и синфазную составляющие из модулированного сигнала.
Цифровая модуляция
Квадратурную модуляцию можно использовать для реализации бесконечного количества схем модуляции, однако наиболее важна она именно в схемах цифровой модуляции.
В качестве примера рассмотрим модуляцию с фазовым сдвигом (Phase Shift Keying, PSK). На рисунке 3 показаны два наиболее простых варианта PSK: с четырьмя (4‑PSK) и восемью состояниями (8‑PSK). Амплитуда вектора остается постоянной. На рисунке крестиками отмечены точки – концы вектора. На диаграмме состояний указаны все возможные комбинации двоичных значений (00, 01, 10, 11) для модуляции с четырьмя состояниями, а также восемь состояний для 8‑PSK. При увеличении количества состояний за отведенный промежуток времени можно передать больше информации; при этом вероятность появления ошибочных битов также увеличивается.
Рис. 3. Диаграмма состояний для модуляции с фазовым сдвигом
При квадратурной амплитудной модуляции (Quadrature amplitude modulation, QAM) для добавления состояний используется и амплитуда, и фаза. На рисунке 4 показана модуляция с 16 состояниями (16‑QAM). Вектор поочередно проходит все эти состояния. В каждый момент времени передаются четыре бита информации.
Рис. 4. Диаграмма состояний в случае 16-QAM
Частотная модуляция
Итак, модуляция амплитуды и фазы несущей является удобным и гибким способом получения модулированной несущей. Тем не менее, частотная модуляция не уходит на второй план, продолжая активно использоваться в системах широковещательного радио и систем наземной мобильной связи. Рассмотрим, как выполнить частотную модуляцию с помощью квадратурного модулятора.
В общем случае, мгновенная частота f(t) является производной мгновенной фазы θ(t):
Мгновенная частота меняется:
где kd – постоянная девиации; m(t) – модулирующий сигнал.
Разрешая это уравнение относительно фазы, получаем:
Таким образом, частотно модулированный сигнал можно получить с помощью фазовой модуляции – для этого требуется аналоговый интегратор или эквивалентный программный алгоритм.
Выводы
Квадратурная модуляция и квадратурные сигналы широко используются в системах связи. В частности, в цифровых модуляторах. Для модуляции несущей выбираются даже устаревшие типы модуляции, например амплитудная или частотная.
Принцип разделения сигнала на цифровые потоки I и Q применяется в большом количестве систем связи. Благодаря своей гибкости он де-факто стал стандартным методом модуляции.
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.
где Uc - амплитуда сигнала; щc - частота несущей,
c1(t), c2(t) - модулирующие сигналы в квадратурных каналах.
При приеме сигнала с QAM производится когерентное детектирование.
Если модулирующие сигналы c1(t), c2(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 c(t) = ±1; ±3, то при этом получается 16-позиционная QAM (QAM-16), которую можно описать выражением (4) и представить в фазово-амплитудном пространстве в виде специального рисунка 2, где точками показаны положения концов вектора сигнала At при различных значениях i. Оси координат на рисунке 2 соответствуют синфазной J и квадратурной Q составляющим сигнала. 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.
Рисунок 2 - Векторная диаграмма возможных состояний сигнала при QAM-16 (х = 1).
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 х- 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 64 рекомендуются три значения коэффициента х.
X = 1 соответствует обычной QAM с равномерным сигнальным созвездием (рис. 2); % = 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. 3,а); %= 4 оценивает QAM с неравномерным сигнальным созвездием, когда различие расстояний между точками внутри и между квадрантами является четырехкратным (рис. 3,6).
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.
Для получения QAM сигнала можно использовать квадратурную схему модулятора, показанную на рис. 4.
Последовательность двоичных символов х0, xh х2, подается на последовательно-параллельный преобразователь ППП. Здесь двоичные символы группируются в модуляционные символы по N бит. Старшие разряды x 0, x 1 выделяются отдельно и служат для управления фазовращателями УФ 1 , УФQв каналах I и Q. Фазовращатели изменяют фазу несущего колебания на 180°,, если х0 = 1 и x 1= 1.
Рисунок 4 - Структурная схема модулятора QAM
Таким образом, определяется квадрант сигнального созвездия, в котором будут находиться позиции суммарного вектора несущей U? . Сочетание 00 соответствует первому квадранту, 10 -- второму, 11 -- третьему, 01 -- четвертому. Младшие разряды модуляционного символа разделяются на четные х2, х4, .. и нечетные х3, х5, которые затем поступают в кодер Грея. В этом кодере производится перекодировка полученных символов в код Грея для того одном бите. В Таблице 2 представлены натуральные двоичные числа и соответствующие им коды Грея.
Квадратурная амплитудная модуляция (QAM) - это усовершенствованная схема модуляции, широко используемая в цифровых телекоммуникационных системах. Например, в стандартах Wi-Fi 802.11 цифровые биты отображаются в символы до модуляции несущей. Эти символы можно модулировать с помощью двоичной фазовой манипуляции (BPSK), квадратурной фазовой манипуляции (QPSK) или QAM. И BPSK, и QPSK модулируют символы, изменяя их фазы, в то время как QAM объединяет фазовую модуляцию и амплитудную модуляцию.
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.
Требования к точности характеристик формирующих и полосовых фильтров тем выше, чем больше число позиций в модулированном сигнале.
При квадратурной амплитудной модуляции (Quadrature Amplitude Modulation, QAM) передаваемый сигнал модулирует и амплитуду, и фазу несущего колебания. Это происходит одновременно и независимо.
Можно сказать, что если немодулированная несущая имеет вид
u(t) = Um cosωt, (3.4)
то в результате квадратурной амплитудной модуляции такой несущей сигналами uI (Inphase) и uQ (Quadrature) передаваемый сигнал будет представлен
u(t) = uI cosωt + uQ sinωt. (3.5)
Представление сигналов в виде суммы квадратурных составляющих подсказывает простой способ их формирования в квадратурном модуляторе. Квадратурный модулятор является универсальным устройством, которое может быть использовано для получения сигнала линейно-модулированной несущей с двумя боковыми полосами, включая такие виды, как фазовая и амплитудно-фазовая модуляции.
Структурная схема квадратурного модулятора показана на рисунке 3.9.
Рисунок 3.9 — Структурная схема квадратурного модулятора
Такой вид модуляции можно пояснить с помощью векторной диаграммы, на которой в декартовой системе координат с вертикальной осью Q и горизонтальной осью I изображают положение конца вектора промодулированного сигнала. Векторная диаграмма сигнала для случая четырехпозиционной квадратурной амплитудной модуляции, или, как ее обозначают, 4-QAM, показана на рисунке 3.10.
Каждая точка характеризуется своим сочетанием амплитуды и фазы сигнала, поэтому соответствующий каждой точке символ переносит информацию в количестве
где I — число битов информации, передаваемое каждым символом;
Рисунок 3.10 — Векторная диаграмма сигнала при различных видах квадратурной амплитудной модуляции
При модуляции 4-QAM амплитуда сигнала не меняется и такой случай полностью эквивалентен четырехпозиционной фазовой манипуляции (4-PSK или QPSK).
Векторные диаграммы сигнала для способов модуляции 4-QAM, 16-QAM, 32-QAM и 64-QAM также показаны на рисунке 3.10.
Сигнальное созвездие 16-QАМ образуется ансамблем из 16 сигналов, различающихся между собой по фазе и амплитуде. В кабельных системах распределении ТВ сигналов наряду с 16-QАМ регламентируется применение форматов 64-QАМ и даже 256-QAМ, созвездия которой образованы 256 позициями фазы и амплитуды.
Рассмотрим принципы построения модема с квадратурной модуляцией на примере системы цифрового вещании с 16-QАМ. Структурные схемы модулятора 16-QАМ и демодулятора 16-QАМ показаны на рисунке 3.11.
Рисунок 3.11 — Структурные схемы модулятора 16-QАМ (а) и
демодулятора 16-QАМ (б)
В демодуляторе имеется аналогичная пара балансных модуляторов и блоки обратного преобразования из четырехуровневых в двоичные сигналы с последующей обработкой данных. Принципиально сложными узлами являются схемы восстановления подавленной несущей и тактовой синхронизации. Обе эти операции выполняются на основе анализа структуры принимаемого сигнала в синфазном и квадратурном каналах. Формирующие ФНЧ на выходах балансных модуляторов доводят спектр сигнала до требуемого по Найквисту и ослабляют шумы и помехи.
Разумеется, применение многопозиционной QAM способствует передаче большего количества информации, однако в реальных условиях, при наличии помех, на приемной стороне возможно ошибочное определение амплитуды и фазы передаваемого сигнала. Это обстоятельство и ограничивает количество информации, передаваемое одним символом. Тем не менее, основное преимущество QAM перед другими видами модуляции — в ее хорошей помехозащищенности.
Сигналы квадратурной амплитудной модуляции широко используются при передаче сигналов телевидения по радиорелейным и кабельным линиям, в системах наземного цифрового телевизионного вещания.
Читайте также: