Modulação de amplitude em quadratura - Quadrature amplitude modulation

Modulação de amplitude em quadratura ( QAM ) é o nome de uma família de métodos de modulação digital e uma família relacionada de métodos de modulação analógica amplamente usados ​​nas telecomunicações modernas para transmitir informações. Ele transmite dois sinais de mensagens analógicas, digitais ou dois fluxos de bit , alterando ( modulação ) as amplitudes das duas ondas portadoras , usando a modulação por chaveamento de amplitude (ASK) esquema de modulação digital ou modulação de amplitude (AM) esquema de modulação analógica. As duas ondas portadoras da mesma frequência estão desfasadas uma da outra em 90 °, uma condição conhecida como ortogonalidade ou quadratura . O sinal transmitido é criado pela adição de duas ondas portadoras. No receptor, as duas ondas podem ser separadas de forma coerente (demoduladas) devido à sua propriedade de ortogonalidade. Outra propriedade importante é que as modulações são formas de onda de baixa frequência / largura de banda baixa em comparação com a frequência da portadora, que é conhecida como suposição de banda estreita .

A modulação de fase (PM analógico) e o chaveamento de mudança de fase (PSK digital) podem ser considerados como um caso especial de QAM, onde a amplitude do sinal transmitido é uma constante, mas sua fase varia. Isso também pode ser estendido para modulação de frequência (FM) e chaveamento de mudança de frequência (FSK), pois estes podem ser considerados como um caso especial de modulação de fase.

QAM é amplamente usado como um esquema de modulação para sistemas de telecomunicações digitais , como nos padrões Wi-Fi 802.11 . Eficiências espectrais arbitrariamente altas podem ser alcançadas com QAM definindo um tamanho de constelação adequado , limitado apenas pelo nível de ruído e linearidade do canal de comunicação. O QAM está sendo usado em sistemas de fibra óptica à medida que as taxas de bits aumentam; QAM16 e QAM64 podem ser emulados opticamente com um interferômetro de 3 vias .

Demodulação de QAM

QAM analógico: sinal de barra de cores PAL medido em uma tela de analisador vetorial.

Em um sinal QAM, uma portadora está atrasada em relação à outra em 90 °, e sua modulação de amplitude é normalmente referida como o componente em fase , denotado por I ( t ). A outra função de modulação é o componente de quadratura , Q ( t ). Portanto, a forma de onda composta é modelada matematicamente como:

    ou:

 

 

 

 

( Eq.1 )

onde f c é a frequência portadora. No receptor, um desmodulador coerente multiplica o sinal recebido separadamente com um sinal de cosseno e seno para produzir as estimativas recebidas de I ( t ) e Q ( t ) . Por exemplo:

Usando identidades trigonométricas padrão , podemos escrever isso como:

A filtragem passa-baixa r ( t ) remove os termos de alta frequência (contendo f c t ), deixando apenas o termo I ( t ) . Este sinal filtrado não é afetado por Q ( t ), mostrando que o componente em fase pode ser recebido independentemente do componente em quadratura. Da mesma forma, podemos multiplicar s c ( t ) por uma onda sinusoidal e, em seguida, um filtro passa-baixa para extrair Q ( t ).

A adição de duas sinusóides é uma operação linear que não cria novos componentes de frequência. Portanto, a largura de banda do sinal composto é comparável à largura de banda dos componentes DSB (Double-Sideband). Efetivamente, a redundância espectral do DSB permite uma duplicação da capacidade de informação usando esta técnica. Isso ocorre às custas da complexidade da demodulação. Em particular, um sinal DSB tem cruzamentos de zero em uma frequência regular, o que torna mais fácil recuperar a fase da sinusóide portadora. Diz-se que é self-clocking . Mas o emissor e o receptor de um sinal modulado em quadratura devem compartilhar um relógio ou, de outra forma, enviar um sinal de relógio. Se as fases do relógio se afastam, os sinais demodulados I e Q se misturam, gerando diafonia . Neste contexto, o sinal de clock é denominado "referência de fase". A sincronização do relógio é tipicamente alcançada pela transmissão de uma subportadora de burst ou um sinal piloto . A referência de fase para NTSC , por exemplo, está incluída em seu sinal de explosão de cor .

O QAM analógico é usado em:

  • Sistemas analógicos de televisão em cores NTSC e PAL , onde os sinais I e Q transportam os componentes das informações de croma (cor). A fase da portadora QAM é recuperada de um colorburst especial transmitido no início de cada linha de varredura.
  • C-QUAM ("QAM compatível") é usado em rádio AM estéreo para transportar as informações de diferença estéreo.

Análise de Fourier de QAM

No domínio da frequência , QAM tem um padrão espectral semelhante à modulação DSB-SC . Aplicando a fórmula de Euler aos sinusóides na Eq.1 , a porção de frequência positiva de s c (ou representação analítica ) é:

onde denota a transformada de Fourier, e︿eu e ︿Qsão as transformadas de I ( t ) e Q ( t ). Este resultado representa a soma de dois sinais DSB-SC com a mesma frequência central. O fator de i (= e / 2 ) representa o deslocamento de fase de 90 ° que permite suas demodulações individuais.

QAM digital

Digital 16-QAM com exemplos de pontos de constelação
Digital 16-QAM com exemplos de pontos de constelação

Como em muitos esquemas de modulação digital, o diagrama de constelação é útil para QAM. No QAM, os pontos da constelação são geralmente organizados em uma grade quadrada com espaçamento vertical e horizontal iguais, embora outras configurações sejam possíveis (por exemplo, uma grade hexagonal ou triangular). Em telecomunicações digitais, os dados são geralmente binários , então o número de pontos na grade é tipicamente uma potência de 2 (2, 4, 8, ...), correspondendo ao número de bits por símbolo. As constelações QAM mais simples e mais comumente usadas consistem em pontos dispostos em um quadrado, ou seja, 16-QAM, 64-QAM e 256-QAM (potências pares de dois). Constelações não quadradas, como Cross-QAM, podem oferecer maior eficiência, mas raramente são usadas devido ao custo do aumento da complexidade do modem.

Movendo-se para uma constelação de ordem superior, é possível transmitir mais bits por símbolo . No entanto, se a energia média da constelação deve permanecer a mesma (por meio de uma comparação justa), os pontos devem estar mais próximos e, portanto, mais suscetíveis a ruído e outras corrupções; isso resulta em uma taxa de erro de bit mais alta e, portanto, o QAM de ordem superior pode fornecer mais dados com menos confiabilidade do que o QAM de ordem inferior, para energia de constelação média constante. Usar QAM de ordem superior sem aumentar a taxa de erro de bit requer uma relação sinal-ruído (SNR) mais alta, aumentando a energia do sinal, reduzindo o ruído ou ambos.

Se taxas de dados além das oferecidas pelo 8- PSK forem necessárias, é mais comum mudar para QAM, pois ele atinge uma distância maior entre os pontos adjacentes no plano IQ ao distribuir os pontos de maneira mais uniforme. O fator complicador é que os pontos não têm mais a mesma amplitude e, portanto, o demodulador deve agora detectar corretamente a fase e a amplitude , em vez de apenas a fase.

64-QAM e 256-QAM são freqüentemente usados ​​em aplicações de TV a cabo digital e modem a cabo . Nos Estados Unidos, 64-QAM e 256-QAM são os esquemas de modulação obrigatórios para cabo digital (consulte o sintonizador QAM ), conforme padronizado pela SCTE no padrão ANSI / SCTE 07 2013 . Observe que muitas pessoas de marketing se referem a eles como QAM-64 e QAM-256. No Reino Unido, 64-QAM é usado para televisão digital terrestre ( TDT ), enquanto 256-QAM é usado para TDT-HD.

Carregamento de bits (bits por constelação QAM) em uma linha ADSL

Os sistemas de comunicação projetados para atingir níveis muito altos de eficiência espectral geralmente empregam constelações QAM muito densas. Por exemplo, os dispositivos atuais Homeplug AV2 500-Mbit / s powerline Ethernet usam 1024-QAM e 4096-QAM, bem como dispositivos futuros usando o padrão ITU-T G.hn para rede em fiação doméstica existente ( cabo coaxial , linhas telefônicas e energia linhas ); 4096-QAM fornece 12 bits / símbolo. Outro exemplo é a tecnologia ADSL para pares trançados de cobre, cujo tamanho da constelação vai até 32768-QAM (na terminologia ADSL, isso é conhecido como carregamento de bits, ou bit por tom, sendo 32768-QAM equivalente a 15 bits por tom).

Os sistemas de backhaul de microondas de capacidade ultra-alta também usam 1024-QAM. Com o 1024-QAM, codificação e modulação adaptativa (ACM) e XPIC , os fornecedores podem obter capacidade de gigabit em um único canal de 56 MHz.

Interferência e ruído

Ao mudar para uma constelação QAM de ordem superior (taxa e modo de dados mais altos) em ambientes de aplicativos QAM de RF / microondas hostis , como em radiodifusão ou telecomunicações , a interferência de múltiplos caminhos normalmente aumenta. Há um espalhamento dos pontos na constelação, diminuindo a separação entre estados adjacentes, tornando difícil para o receptor decodificar o sinal de forma adequada. Em outras palavras, há redução da imunidade ao ruído . Existem várias medições de parâmetros de teste que ajudam a determinar um modo QAM ideal para um ambiente operacional específico. Os três seguintes são os mais significativos:

Veja também

Referências

Leitura adicional

  • Jonqyin (Russell) Sun "Linear Diversity Analysis for QAM in Rician fading channels", IEEE WOCC 2014
  • John G. Proakis , " Digital Communications, 3rd Edition "

links externos