Что такое квадратурная амплитудная модуляция

Квадратурная амплитудная модуляция (КАМ) широко применяется в современных  системах передачи. Особенную актуальность она приобрела в последнее время в связи  со стремительным ростом популярности систем с OFDM (или, что то же самое, DMT). А дело все в том, что на каждой несущей OFDM-системы с используется именно КАМ. Попытаемся разобраться, что же это такое - КАМ.

Для передачи информации квадратурная амплитудная модуляция (КАМ) использует синусоидальное и косинусоидальное колебания одной и той же частоты. Колебания одновременно передаются по одному каналу, и амплитуда (включающая знак и величину) каждого колебания отображает передаваемую информацию (биты). Прежде чем посылается новый набор битов (приводящий к новым амплитудам синуса и косинуса), для передачи набора битов передается по крайней мере один период (а иногда и больше) этих колебаний. КАМ-модуляция используется уже много лет и является основой для многих спецификаций модемов голосовой полосы частот, включая V.34, и не только.
     Что случилось с Валентином Борменталевичем?

Простой пример КАМ

Пример системы КАМ-модуляции, передающей четыре бита информации за КАМ-символ, показан на рисунке 1. Четыре информационных бита, подлежащих передаче, отображаются в одну из 16-и точек КАМ-созвездия. Причем любой комбинации из 4-х битов соответствует “своя” определенная точка. Координаты x и y точки, которой соответствуют передаваемые биты, определяют амплитуды колебаний соответственно косинуса и синуса, которые будут посланы по каналу. И передатчик, и приемник знают заранее определенный метод отображения между битами и точками созвездия.

Рис. 1 - Пример КАМ-системы, посылающей четыре бит за символ по каналу

После того, как косинусоидальное и синусоидальное колебания были посланы по каналу связи, приемник восстанавливает и оценивает амплитуду каждого колебания (что обычно требует значительной коррекции и обработки). Снова, амплитуда колебания косинуса - координата x, а амплитуда синуса - координата y. Обычно шум и искажения в канале связи, а также в электронике передатчика и приемника приводят к тому, что полученная точка не попадает непосредственно на “истинную” переданную точку. Приемник, однако, выбирает самую близкую к полученной “истинную” точку. Эта точка - та, которую передатчик вероятнее всего использовал, чтобы генерировать КАМ-символ. Эта точка затем преобразовывается в четыре бита, причем используется тот же самый метод отображения, который используется в передатчике (но отображение в противоположном направлении). Если канал слишком зашумлен, то полученная точка созвездия может быть ближе к неправильной известной точке, чем к правильной известной точке, что приводит к ошибочной оценке символа.

Этот пример иногда называют КАМ-16, так как созвездие имеет 16 точек. Вообще, и другое количество битов может передаваться в течение КАМ-символа. Например, если бы передавалось два бита на символ, то потребовалось бы созвездие с четырьмя точками, и модуляция была бы названа КАМ-4. Рисунок 2 изображает созвездие КАМ-4, наложенное на созвездие КАМ –16.

Средняя энергия каждого набора сигналов приблизительно одинаковая. Следует заметить, что расстояние между точками созвездия КАМ-4 (обозначенное d₄) больше, чем расстояние между точками в созвездии КАМ-16 (обозначенное d₁₆). Следовательно, для одного и того же канала, чтобы произошла ошибка, в случае КАМ-4 необходима большая мощность шума, чем в случае КАМ-16. Иначе говоря, КАМ-16 требует большего отношения сигнал/шум, чем КАМ-4.

Рис. 2 - Пример созвездия КАМ-4, наложенного на созвездие КАМ-16, при одинаковой средней энергии.

Блок-схема КАМ-модулятора изображена на рисунке 3. Ветвь модулятора, которая содержит амплитуду косинусоидального колебания, иногда называют синфазной ветвью. Амплитуду косинуса называют синфазной составляющей. Ветвь модулятора, которая содержит амплитуду синусоидального колебания, иногда называют квадратурной ветвью. Амплитуду синуса называют квадратурой составляющей.

Рисунок 3 - Блок-схема КАМ-модулятора

О КАМ-модуляции и других многопозиционных видах модуляции можно прочитать в книге В.А. Балашов, А.Г. Лашко, Л.М. Ляховецкий. Технологии широкополосного доступа xDSL. Инженерно-технический справочник – М.: Эко-Трендз, 2009. Его с недавних пор можно скачать бесплатно.