 |
Введение. Аппаратная реализация. Отображение символа QAM
|
|
|
|
Введение
Множество современных коммуникационных протоколов используют квадратурную амплитудную модуляцию или QAM. Среди них, например, 802. 11b беспроводной Ethernet (Wi-Fi) и цифровое видео-вещание (Digital Video Broadcast (DVB)), в которых применяется модуляция 64-QAM, а также новые беспроводные технологии, такие как WiMAX, 802. 11n и HSDPA/HSUPA (новый стандарт передачи данных в сотовой связи). Таким образом, благодаря широкому использованию QAM, понимание этого способа модуляции необходимо.
QAM модуляция предназначена для передачи цифровой информации путём периодического изменения фазы и амплитуды синусоидальной электромагнитной волны. Каждая комбинация фазы и амплитуды называется символом и кодирует цифровой поток битов. Мы рассмотрим, во-первых, аппаратные средства, требующиеся для изменения фазы и амплитуды несущего сигнала. А во-вторых, - двоичное значение, которое ставится в соответствие каждому символу.
Аппаратная реализация
При квадратурной амплитудной модуляции (QAM) требуется изменение фазы и амплитуды несущего синусоидального колебания. Одним из самых простых способов достичь этого является генерация и смешивание двух синусоидальных сигналов, фазы которых сдвинуты на 90° относительно друг друга. Регулируя амплитуды каждого из сигналов, мы можем влиять на фазу и амплитуду полученного смешанного сигнала.
Эти два несущих колебания называются I и Q компонентами нашего сигнала. По отдельности каждый из этих сигналов может быть записан в виде:
и
Сигнал I является компонентом «в фазе», а Q – «квадратурный» компонент. Обратите внимание, что они представлены в виде синуса и косинуса, то есть их фазы смещены относительно друг друга на 90°. В результате, генерируемый сигнал можно представить следующим образом:
|
|
|
Как видно из этого уравнения, фаза сигнала может регулироваться изменением амплитуд I и Q. Итак, цифровую модуляцию несущего сигнала можно осуществить путём изменения амплитуды двух смешиваемых сигналов.
Ниже показана блок-схема технических средств, необходимых для генерации сигнала. Блок квадратурного модулятора (Quadrature Modulator) предназначен для смешивания I и Q компонент исходного сигнала (Baseband) с сигналами гетеродина (local oscillator), и дальнейшего сложения друг с другом. Отметим, что фазы сигналов гетеродина также смещены на 90° относительно друг друга.
Далее мы обсудим, как I и Q компоненты используются для представления реальных цифровых сигналов. Для этого рассмотрим взаимосвязь между отображением символа QAM и реальным сигналом.
Отображение символа QAM
Повторим, что QAM модуляция предназначена для передачи цифровой информации путём периодического изменения фазы и амплитуды синусоидальной электромагнитной волны. При 4-QAM модуляции используется 4 комбинации фазы и амплитуды. Более того, каждая комбинация представляет собой определенный 2-х битовый набор. Например, предположим, что мы хотим сгенерировать цифровой поток: (1, 0, 0, 1, 1, 1). Так как каждый символ представляется набором из 2 битов, эти биты группируются по два. В нашем случае исходный поток битов (1, 0, 0, 1, 1, 1) группируется в три символа (10, 01, 11). Ниже будет показан модулированный сигнал (без фильтрации формы импульсов), при котором каждый символ обозначается одним периодом модулированной несущей. Видно, что цифровая информация передаётся путём изменения фазы и амплитуды несущего сигнала.
|
|
|
|
|
|
Одним из простых способов визуализировать смещения фазы и амплитуды относительно несущего сигнала является построение схемы «созвездие». Созвездие, приведённое ниже, демонстрирует все возможные фазы и амплитуды несущего сигнала в полярных координатах.
 | |||
| | |||
|
|
| |
| |
Как уже было сказано, при использовании 4-QAM можно отправить двухбитный символ. Однако, возможна передача и большего объема данных путём увеличения количества символов в нашей карте символов. Число символов на карте, обозначаемое в курсе буквой “M”, называется “M-арным” способом модуляции. Другими словами, 4-QAM имеет M=4, а 256-QAM – M=256. Кроме того, количество бит, которое может быть представлено символом, имеет логарифмическую взаимосвязь с M. Например, известно, что 2 бита могут быть представлены одним из символов в 4-QAM. Этот факт может быть записан в виде уравнения, приведённого ниже:
Бит на символ = log2 (M)
Таким образом, каждый символ в 256-QAM может быть использован для того, чтобы представить 8-битовый цифровой набор (log2 (256) = 8). Так как M-арный способ модуляции QAM определяет количество бит, кодируемых символом, он сильно влияет на фактическую скорость передачи данных.
|
|
|
