Требования к точности характеристик формирующих и полосовых фильтров тем выше, чем больше число позиций в модулированном сигнале.
При квадратурной амплитудной модуляции (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, (2.1)
то в результате квадратурной амплитудной модуляции такой несущей сигналами uI и uQпередаваемый сигнал будет выглядеть так:
u(t) = uI cosωt + uQ sinωt. (2.2)
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 рис. 2.1.
Основу модулятора составляют два балансных модулятора и сумматор ВЧ сигналов, на выходе которого образуется квадратурномодулированный сигнал u(t). Несущие, поступающие на опорные входы балансных модуляторов, имеют взаимный фазовый сдвиг 90°, т.е. находятся в квадратуре. Входные модулирующие сигналы uI и uQ являются квантованными по уровню и дискретными во времени. Длительность их тактового интервала определяется частотой тактирования. Таким образом, входные сигналы - это сигналы с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ) в основной полосе. Они могут поступать на сигнальные входы балансных модуляторов непосредственно или через низкочастотные формирующие фильтры, как показано на рис. 2.1. В первом случае формируется нефильтрованный выходной ВЧ сигнал с частотными составляющими, выходящими за пределы необходимой полосы. При НЧ фильтрации модулирующих сигналов модулированный сигнал также локализуется по спектру и согласуется с выделенной полосой частот канала.
Получение различных видов модуляции с помощью квадратурного модулятора обеспечивается подачей на его входы биполярных АИМ сигналов uI и uQ, квантованных на различное число уровней и симметричных относительно нуля. В “вырожденном” случае, т.е. когда на один из входов подан ноль напряжения, а на другой двоичная последовательность с относительными уровнями ±1, работает только один канал, и модулятор превращается из квадратурного в обычный балансный. На выходе формируется одномерный сигнал фазовой модуляции с изменением фазы на 180°, переносящий 1 бит/символ. При подаче двоичных АИМ сигналов в оба канала модулятора по каждому из каналов передается 1 бит/символ, а общая скорость передачи составляет 2 бит/символ. В результате образуется сигнал 4-PSK, обычно называемый квадратурной фазовой модуляцией (QPSK), но формально относящейся к широкому классу квадратурной амплитудно-фазовой модуляции (QAM).
Такой вид модуляции можно пояснить с помощью векторной диаграммы, на которой в декартовой системе координат с вертикальной осью Qи 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 рис. 2.2.
Рисунок 2.2 Векторная диаграмма сигнала при различных видах квадратурной амплитудной модуляции
Каждая точка характеризуется своим сочетанием амплитуды и фазы сигнала, поэтому соответствующий каждой точке символ переносит информацию в количестве
I = log2N, (2.3)
где I - число битов информации, передаваемое каждым символом; N – число возможных «позиций» вектора, или точек на векторной диаграмме.
Нетрудно заметить, что 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 рис. 2.2.
Наиболее распространен формат модуляции 16-QАМ. 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.
а)
б)
Рисунок 2.3 Структурные схемы модулятора 16-QАМ(а) и демодулятора 16-QАМ(б)
Структурные схемы модулятора 16-QАМ и демодулятора 16-QАМ показаны на рис. 2.3. Входной поток данных вначале подвергается необходимой цифровой обработке в процессоре данных: выделению тактовой частоты, скремблированию, дифференциальному кодированию, последовательно-параллельному преобразованию. Т.к. модуляция 16-QАМ обеспечивает удельную скорость передачи 4 бит/(с∙Гц), то для последующей модуляции поток данных в ходе его цифровой обработки разделяется на 4 подпотока с соответственно сниженными скоростями. Затем производится цифро-аналоговое преобразование двух двоичных подпотоков в один четырехуровневый с одновременным формированием их спектра в ЦТФ, где импульсам придается сглаженная форма. Четырехуровневые сигналы в каналах I и Q управляют работой балансных модуляторов, выходные сигналы которых складываются, образуя сигнал 16-QАМ с двумя полосами и подавленной несущей. На балансные модуляторы несущая поступает со сдвигом π/2, т.е. в квадратуре. Выходной сигнал модулятора на промежуточной частоте несущей проходит через полосовой фильтр, ограничивающий внеполосные излучения, и может быть конвертирован в полосу любого вещательного канала.
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 некоторых системах цифрового телевизионного наземного вещания.
а)