Jak funguje kvadraturní amplitudová modulace

(PR zpráva) ALCOMA

Připravili jsme pro Vás stručný souhrn teorie. Popíšeme výhody a nevýhody modulace QAM (Quadrature amplitude modulation), jedné z nejpoužívanějších modulací signálu ve světě radioreléových spojů.

Jedná se o složenou modulaci, která k vytváření symbolů využívá kombinaci amplitudového a fázového klíčování. Každý stav je reprezentován určitou hodnotou amplitudy a fáze jak je zobrazeno na obrázku v konstelačním diagramu.
Jde o vícestavovou modulaci, která je schopna přenášet n bitů pomocí m symbolů, to znamená, že v jediný okamžik přenesete více bitů najednou. Vztah mezi stavy a symboly je definován jako:
n = log₂ m

Obr.1 – konstelační diagram 16QAM

Počet amplitudově-fázových stavů může být různý podle typu QAM modulace. Na přenos jednoho bitu je potřeba dvou stavů (log 0 a log 1). Pokud ale chcete přenášet v jednom symbolu např. 4 bity, je potřeba 2⁴=16 stavů (16-QAM). Všeobecně platí, že na n bitů je potřeba m modulačních stavů podle vzorce:
m = 2ⁿ

Hlavní důvod pro používání vícestavové modulace je, že umožňuje šetřit šířku pásma nebo naopak se stejnou šířkou pásma zvýšit přenosovou rychlost.
Modulace má i jednu velkou nevýhodu. Při použití více stavů se totiž signál stává náchylnější na rušení a složitější na identifikaci symbolu. Proto jsou také kladeny vyšší požadavky na kvalitu vysílaného i přijatého signálu a je požadován větší odstup signálu od šumu na vstupu demodulátoru ve srovnání s jednoduššími modulacemi (FSK, PSK apod.). Tyto uvedené vlastnosti QAM modulace představují určitá omezení z hlediska použití, a proto v radioreléových přenosech je vždy nezbytné volit takový kompromis, který splní požadavky nejen na délku skoku a přenosovou kapacitu ale i na požadovanou chybovost signálu. V některých případech se používají i modulace s nepravidelným konstelačním diagramem (viz 128QAM=12×12 bodů bez „použití rohů“). To umožňuje lépe využít přenosové vlastnosti vysílacího řetězce a dosahovat vyššího vysílaného výkonu.

Obr.2 – konstelační diagram 128QAM bez použití rohů u spoje AL10D MP155

V praxi se ke snížení nároků na odstup signálu od šumu používá dopředná chybová korekce FEC, která zvyšuje odolnost přenášeného signálu. Budete-li přijímat signál s odstupem Sš o cca 8 dB menším než je uvedeno v tabulce, bude logicky docházet k větší chybovosti. Pokud ale bude spoj podporovat opravný kód FEC, je schopen rozpoznat špatně přijaté symboly, a tím eliminovat chybovost signálu. Proto je například spoj ALCOMA AL10D MP155 při použití 128QAM schopný přenášet data s chybovostí 10e-6 a odstupem Sš 18 dB.

V tabulce je znázorněn vztah mezi použitou modulací a přenosovou rychlostí. Zde je potřeba si uvědomit, že přidáním jednoho bitu na stav (například budeme-li v jediný okamžik přenášet osm bitů namísto sedmi) se zdvojnásobí počet stavů ze 128 na 256. Nároky na modulaci se tímto zdvojnásobily, ale přenosovou kapacitu zvedly pouze logaritmicky. Také i požadovaný odstup signálu od šumu v kanále, na kterém nepřímo závisí citlivost spoje je téměř o 3 dB větší, tedy citlivost spoje pro stejnou šířku pásma a vyšší modulaci QAM musí být zákonitě nižší. Nárůst kapacity je dále ovlivněn faktem, že jsou větší nároky na RS opravný kód a FEC zabezpečení signálu.

FEC se používá především proto, že všechny mikrovlnné spoje již při vysokých QAM modulacích trpí určitou zbytkovou chybovostí (danou především fázovým šumem oscilátorů), kterou FEC beze zbytku musí opravit, ovšem neobejde se to bez určitého nutného navýšení kapacity kanálu. Přechod na modulaci 256QAM nebo vyšší se tedy vyplatí jen v případech, kdy přijímáte velmi kvalitní signál a kanál není rušen. Toho dosáhnete především při přenosech na krátké vzdálenosti nebo při vysoké hodnotě citlivosti přijímače. Pokud špatně zvolíte způsob modulace, bude docházet k velké chybovosti nebo k takovému zkreslení signálu šumem či rušením, že již nepůjde uspokojivě demodulovat.

Diskuze k článku

Radim Oliva, 8. 12. 2009 (20:30):

Dobrý den,

mohl bych Vás poprosit o zaslání materiálů o QAM, obecně o mikrovlnných spojích, přenosu signálu, materiály ke konkrétním spojů atd. píši bakalářskou práci na téma Propojování pomocí mikrovlnných spojů a moc by mi to pomohlo.

předem díky

Quaker-CZ, 3. 11. 2009 (11:50):

Ja měl na mysli ten obrázek s tím 128-i stavem.

Jakub REJZEK, 3. 11. 2009 (09:15):

Dobrý den. Tento článek byl pro věcnou přesnost zkontrolován vývojovým pracovníkem v oboru mikrovln, napsán absoloventem ČVUT.
V případě chuti do polemiky rád zašlu příslušné tabulky ze skript pro vysoké školy.

Quaker-CZ, 2. 11. 2009 (18:49):

Máte to pánové nějaké rozmydlené.. Fázový šum v pořádku, komprimace signálu v amplitudě také v mezích, ale toho šumu.. Něják se mi to nezdá..