Podręcznik

5.4. Cyfrowa modulacja QAM

Dwukanałowy modulator, w którym do podziału fali nośnej wykorzystano sprzęgacz kwadraturowy wykorzystano z powodzeniem do skonstruowania wielostanowych modulatorów amplitudy i fazy. Na rys.9.23 pokazano układ modulatora QPSK – (ang. Quadrature Phase Shift Keying). W torach I oraz Q umieszczono dwustanowe modulatory fazy. Uzyskano w ten sposób możliwość otrzymania na wyjściu modulatora czterech stanów, których amplituda fali nośnej ma tą samą wartość, a fazy różnią się o π/2.
Cztery stany modulacji pokazano na płaszczyźnie (I,Q) na rys.9.23B. Każdemu z nich odpowiada inna para cyfr: ”11”, ”10”,”00” i ”01”. Modulator w torze I kontroluje wartość pierwszej cyfry, ”1..” lub ”0..”. Modulator w torze Q kontroluje wartość drugiej cyfry, ”..1” lub ”..0”. Każdy ze stanów modulacji odpowiada liczbie dwubitowej.
Powstaje pytanie, czy można zwiększyć liczbę bitów? Modulator 3-bitowy powinien umożliwić uzyskanie 23=8 stanów modulacji. Można to osiągnąć w różny sposób.
Na rys.9.24 pokazano trzy różne możliwości uzyskania ośmiostanowej modulacji QAM sygnału. W przypadku pokazanym na rys.9.24A amplituda sygnału zmodulowanego pozostaje stała, a faza w kolejnych stanach zmienia się o π/4. Realizacja układu modulatora, który zrealizuje taką modulację wymaga konstrukcji specjalnego typu wielostanowego przerywnika fazy sterowanego z dużą prędkością.

 
Rys.9.23. Przykład modulatora QPSK
A) Układ ideowy czterostanowego modulatora. 
B) Cztery stany na płaszczyźnie (I,Q), odpowiadające czterem liczbom dwucyfrowym. Przejścia między stanami w żadnym momencie nie przechodzą przez punkt (0,0). 

 Przypadek z rysunku B) jest połączeniem modulacji amplitudy i fazy. Gdyby chcieć realizować go w modulatorze dwukanałowym I, to każdy tor winien umożliwiać trzystanową modulację amplitudy: 0, ½, 1 i dwustanową modulację fazy: 0, π. Nie jest łatwo zrealizować układ spełniający wymienione funkcje.
Przypadek modulacji z rysunku C) jest stosunkowo najprostszy. Wymaga on realizacji w torach I oraz Q dwustanowej modulacji amplitudy (1,0) i dwustanowej modulacji fazy (0,π). Jak widzimy istnieją rozmaite konfiguracje układów modulatorów, w zależności od pomysłowości projektantów.

Rys.9.25. Przykład 16-stanowej modulacji QAM. A) Przypadek idealny. B) Idea uzyskania modulacji 16-QAM w układzie z rys.9.26.

Skonstruowanie 16-stanowego modulatora QAM umożliwi transmisję liczb 4-bitowych.
Przykład 16-stanowej modulacji na płaszczyźnie (I,Q) pokazuje rys.9.25. Na rys. 9.25A widzimy przypadek idealny. Uzyskujemy go, gdy każdy z torów realizuje dwustanową modulację amplitudy 1/3, 1, oraz dwustanową modulację fazy: 0,π. Cztery stany modulacji w torze I (dwie pierwsze cyfry) oraz cztery stany modulacji w torze Q (druga para cyfr) dają razem 16 stanów 4-bitowego modulatora. Układ modulatora jest oczywiście realizowalny.

Rys.9.26. Idea działania czterokanałowego modulatora 16-QAM. Obwód S/P zamienia szeregowy strumień danych binarnych w strumień równoległy.

Inne rozwiązanie pokazano na rys.9.25B. Idea tego rozwiązania opiera się na wykorzystaniu dwóch modulatorów 4-stanowych pracujących równolegle. Zsumowanie amplitud wyjściowych może dać 16-stanów sygnału zmodulowanego. Oczywiście amplitudy wyjściowych sygnałów obu modulatorów powinny być różne, aby uniknąć wielokrotnych zer. 
Układowe rozwiązanie pokazano na rys.9.26. Dwa czterostanowe modulatory pracują równolegle. Amplitudy wyjściowego sygnału w torze A są 2 razy większe od amplitud modulatora w torze B. Zsumowanie sygnałów wyjściowych obu modulatorów daje 16 różnych stanów, co ilustruje rys.9.25B.
Powstaje pytanie, czy można mnożyć liczbę stanów i tym samym zwiększać liczbę transmitowanych bitów. Odpowiedź jest pozytywna. Skonstruowano modulatory 256 stanowe, umożliwiające transmisję liczb 8-bitowych, gdyż 28 = 256. Omawianie rozwiązań układowych, zresztą bardzo ciekawych i pomysłowych, wykracza poza ramy tego wykładu.