Квадратурная амплитудная модуляция

Лекция 20. Квадратурная амплитудная модуляция

При квадратурной фазовой манипуляции сигнальные отсчеты имеют одинаковую амплитуду и параметром модуляции является фазовое состояние отсчета. Если использовать одновременно с фазовой модуляцией и модуляцию отсчетов дискретными амплитудами, то появляется возможность реализации многоуровневой амплитудно-фазовой манипуляции (АФМ), параметром которой является комплексная амплитуда радиосигнала.

Пользуясь геометрической трактовкой, каждый сигнал многоуровневой (М-уровневой) модуляции можно изобразить вектором в сигнальном пространстве. Отмечая только концы векторов, для сигналов М-уровневой модуляции получаем изображение в виде сигнальных точек, координаты которых определяются значениями координат  и . Совокупность сигнальных точек образует сигнальное созвездие, имеющее вид, показанный на рис. 20.1.

Рис. 20.1. Сигнальное созвездие многоуровневой

амплитудно-фазовой манипуляции

Многоуровневую АФМ называют также многопозиционной квадратурной амплитудной модуляцией (M-QAM) или М-ичной QAM , где число возможных позиций в сигнальном созвездии указывает число М (например, КАМ-16 или 16-QAM; КАМ-256 или 256-QAM и т.д.).

При многоуровневой АФМ из-за большого количества сигнальных точек в созвездии можно значительно (для систем без дополнительного кодирования в  раз) повысить скорость передачи цифровой информации источника сообщения, т. е. реализовать увеличение спектральной эффективности, равной отношению [12]

.

Платой за такое увеличение эффективности использования спектра явится усложнение схемы демодема, необходимость применения линейных усилителей и требование более высоких соотношений сигнал/шум на входе приёмника M-QAM.

Сигнал многоуровневой модуляции можно записать в следующем виде:

, где     ;

 ;

 – длительность радиоимпульса.

Формировать многоуровневую АФМ можно с помощью-уровневой балансной амплитудной манипуляции квадратурных колебаний несущей частоты и сложения полученных амплитудно-манипулированных радиосигналов. Именно поэтому амплитудно-фазовую манипуляцию стали называть квадратурной амплитудной манипуляцией – КАМ. Вид сигнала квадратурной амплитудной модуляции для модулирующей последовательности, сгруппированной полубайтами, показан на рис. 20.2.

На рис. 20.3 показана структурная схема модулятора КАМ-16 для случая, когда  принимают значения ±1, ±3 (4-уровневая КАМ).

Информационный поток поступает на вход блока кодирования (БК), который выполняет две функции. Первая функция заключается в разбиении последовательного информационного потока на два двухразрядных параллельных потока. Вторая  функция блока кодирования заключается в придании информационному потоку такого вида, который в минимальной степени подвержен влиянию ошибок.

Рис. 20.2. Сигналы на входе и выходе модулятора КАМ-16

Рис. 20.3. Модулятор КАМ-16

Так как при ошибках вероятность приёма ближайшей по созвездию соседней кодовой комбинации максимальна, то кодирование созвездия производится таким образом, чтобы соседние состояния отличались только на один бит (отличительный признак кода Грея), что минимизирует ущерб от ошибки [24 – 27].

Пример цифрового потока после блока кодирования с сигнальной диаграммой по Грею показан на рис. 20.4. Передавая промодулированный с помощью одновременной манипуляции по амплитуде и по фазе один информационный бит по линии связи, реально передаем  бит сообщения. В частности, как видно из рис. 20.4, полубайт сообщения передаётся одним отсчётом сигнала (одной точкой сигнального созвездия).

Блок кодирования выполняется обычно на микросхемах программируемой логики, например на микросхеме типа XC95144. Полученные сигналы I и Q преобразуются в аналоговую форму с помощью ЦАП. На выходах ЦАП присутствуют сигналы I¹ и Q¹ с относительными амплитудными уровнями +1, -1, +3, -3, необходимыми для организации КАМ-16. Далее, с помощью сглаживающих фильтров (Ф) формируется необходимая маска спектра сигнала.

Рис. 20.4. Сигнальное созвездие КАМ – 16,

сформированное по правилу Грея

Маска спектра является критичной формой частотного спектра, ограничивающей относительные уровни спектральных составляющих сигнала в пределах отведенной полосы частот. Она определяется при выделении пользователю радиочастотного спектра полосы (номиналов) частот с учетом вида его сигналов и класса излучения. Маска спектра строится в соответствии с Регламентом радиосвязи [28 – 32] и ГОСТом [33] как линейно-ломанная аппроксимация огибающей нормированного спектра сигналов конкретного класса излучения.

Полученные таким образом сигналы поступают на входы смесителя (СМ), состоящего из двух перемножителей, фазовращателя (ЛЗ ) и сумматора. Еще на один вход смесителя поступает сигнал промежуточной частоты. Для его формирования используется генератор промежуточной частоты (ГПЧ). В качестве смесителя можно выбрать микросхему, содержащую все необходимые компоненты, например, типа U2793.

С выхода смесителя промодулированый сигнал поступает на вход линейного УРЧ и усиливается до требуемого уровня на определенной нагрузке.