Modulation d'amplitude en quadrature - Quadrature amplitude modulation

La modulation d'amplitude en quadrature ( MAQ ) est le nom d'une famille de méthodes de modulation numérique et d'une famille apparentée de méthodes de modulation analogique largement utilisées dans les télécommunications modernes pour transmettre des informations. Il transporte deux signaux de message analogiques, ou deux flux de bits numériques , en modifiant ( modulant ) les amplitudes de deux ondes porteuses , en utilisant le schéma de modulation numérique ASK ( amplitude-shift keying ) ou le schéma de modulation analogique de modulation d' amplitude (AM). Les deux ondes porteuses de même fréquence sont déphasées de 90°, une condition connue sous le nom d' orthogonalité ou de quadrature . Le signal transmis est créé en additionnant les deux ondes porteuses. Au niveau du récepteur, les deux ondes peuvent être séparées de manière cohérente (démodulées) en raison de leur propriété d'orthogonalité. Une autre propriété clé est que les modulations sont des formes d'onde à basse fréquence/faible bande passante par rapport à la fréquence porteuse, qui est connue sous le nom d' hypothèse de bande étroite .

La modulation de phase (PM analogique) et la modulation par déplacement de phase (PSK numérique) peuvent être considérées comme un cas particulier de QAM, où l'amplitude du signal transmis est constante, mais sa phase varie. Cela peut également être étendu à la modulation de fréquence (FM) et à la modulation par déplacement de fréquence (FSK), car ceux-ci peuvent être considérés comme un cas particulier de modulation de phase.

QAM est largement utilisé comme schéma de modulation pour les systèmes de télécommunications numériques , comme dans les normes Wi-Fi 802.11 . Des efficacités spectrales arbitrairement élevées peuvent être obtenues avec la QAM en définissant une taille de constellation appropriée , limitée uniquement par le niveau de bruit et la linéarité du canal de communication. Le QAM est utilisé dans les systèmes à fibre optique à mesure que les débits binaires augmentent ; QAM16 et QAM64 peuvent être émulés optiquement avec un interféromètre à 3 voies .

Démodulation de QAM

QAM analogique : signal de barre de couleur PAL mesuré sur un écran d'analyseur vectoriel.

Dans un signal QAM, une porteuse est en retard de 90° sur l'autre, et sa modulation d'amplitude est habituellement appelée composante en phase , notée I ( t ). L'autre fonction modulante est la composante en quadrature , Q ( t ). Ainsi, la forme d'onde composite est modélisée mathématiquement comme suit :

    ou:

 

 

 

 

( Éq.1 )

f c est la fréquence porteuse. Au niveau du récepteur, un démodulateur cohérent multiplie le signal reçu séparément avec à la fois un signal cosinus et sinus pour produire les estimations reçues de I ( t ) et Q ( t ) . Par exemple:

En utilisant les identités trigonométriques standard , nous pouvons écrire ceci comme :

Le filtrage passe-bas r ( t ) supprime les termes de haute fréquence (contenant f c t ), ne laissant que le terme I ( t ) . Ce signal filtré n'est pas affecté par Q ( t ), montrant que la composante en phase peut être reçue indépendamment de la composante en quadrature. De même, nous pouvons multiplier s c ( t ) par une onde sinusoïdale puis un filtre passe-bas pour extraire Q ( t ).

L'ajout de deux sinusoïdes est une opération linéaire qui ne crée aucune nouvelle composante de fréquence. Ainsi, la bande passante du signal composite est comparable à la bande passante des composants DSB (Double-Sideband). En effet, la redondance spectrale du DSB permet de doubler la capacité d'information grâce à cette technique. Cela se fait au détriment de la complexité de la démodulation. En particulier, un signal DSB présente des passages par zéro à fréquence régulière, ce qui permet de retrouver facilement la phase de la sinusoïde porteuse. On dit qu'il s'auto-synchronise . Mais l'émetteur et le récepteur d'un signal modulé en quadrature doivent partager une horloge ou sinon envoyer un signal d'horloge. Si les phases d'horloge s'écartent, les signaux démodulés I et Q s'entremêlent, produisant une diaphonie . Dans ce contexte, le signal d'horloge est appelé "référence de phase". La synchronisation d'horloge est généralement réalisée en transmettant une sous - porteuse en rafale ou un signal pilote . La référence de phase pour NTSC , par exemple, est incluse dans son signal de salve de couleur .

Le QAM analogique est utilisé dans :

  • Systèmes de télévision couleur analogique NTSC et PAL , où les signaux I et Q transportent les composants des informations de chrominance (couleur). La phase porteuse QAM est récupérée à partir d'une salve de couleur spéciale transmise au début de chaque ligne de balayage.
  • C-QUAM ("Compatible QAM") est utilisé dans la radio stéréo AM pour transmettre les informations de différence stéréo.

Analyse de Fourier de la QAM

Dans le domaine fréquentiel , le QAM a un modèle spectral similaire à la modulation DSB-SC . L' application de la formule d'Euler pour les sinusoïdes à Eq.1 , la partie à fréquence positive de s c (ou une représentation analytique ) est:

où désigne la transformée de Fourier, et??je et ??Qsont les transformées de I ( t ) et Q ( t ). Ce résultat représente la somme de deux signaux DSB-SC avec la même fréquence centrale. Le facteur de i (= e /2 ) représente le déphasage de 90° qui permet leurs démodulations individuelles.

QAM numérique

16-QAM numérique avec des exemples de points de constellation
16-QAM numérique avec des exemples de points de constellation

Comme dans de nombreux schémas de modulation numérique, le diagramme de constellation est utile pour la QAM. En QAM, les points de constellation sont généralement disposés dans une grille carrée avec un espacement vertical et horizontal égal, bien que d'autres configurations soient possibles (par exemple une grille hexagonale ou triangulaire). Dans les télécommunications numériques les données sont généralement binaires , donc le nombre de points dans la grille est typiquement une puissance de 2 (2, 4, 8, …), correspondant au nombre de bits par symbole. Les constellations QAM les plus simples et les plus couramment utilisées sont constituées de points disposés en carré, c'est-à-dire 16-QAM, 64-QAM et 256-QAM (même puissances de deux). Les constellations non carrées, telles que Cross-QAM, peuvent offrir une plus grande efficacité mais sont rarement utilisées en raison du coût de la complexité accrue des modems.

En passant à une constellation d'ordre supérieur, il est possible de transmettre plus de bits par symbole . Cependant, si l'énergie moyenne de la constellation doit rester la même (à titre de comparaison équitable), les points doivent être plus proches les uns des autres et sont donc plus sensibles au bruit et à d'autres corruptions ; cela se traduit par un taux d' erreur binaire plus élevé et donc un QAM d'ordre supérieur peut fournir plus de données de manière moins fiable que le QAM d'ordre inférieur, pour une énergie de constellation moyenne constante. L'utilisation d'une QAM d'ordre supérieur sans augmenter le taux d'erreur sur les bits nécessite un rapport signal/bruit (SNR) plus élevé en augmentant l'énergie du signal, en réduisant le bruit, ou les deux.

Si des débits de données supérieurs à ceux offerts par le 8- PSK sont requis, il est plus courant de passer au QAM car il permet d'atteindre une plus grande distance entre les points adjacents dans le plan IQ en répartissant les points plus uniformément. Le facteur de complication est que les points n'ont plus tous la même amplitude et donc le démodulateur doit maintenant détecter correctement à la fois la phase et l' amplitude , plutôt que juste la phase.

64-QAM et 256-QAM sont souvent utilisés dans les applications de télévision par câble numérique et de modem câble . Aux États-Unis, 64-QAM et 256-QAM sont les schémas de modulation obligatoires pour le câble numérique (voir tuner QAM ) tels que normalisés par le SCTE dans la norme ANSI/SCTE 07 2013 . Notez que de nombreux responsables marketing les appelleront QAM-64 et QAM-256. Au Royaume-Uni, 64-QAM est utilisé pour la télévision numérique terrestre ( Freeview ) tandis que 256-QAM est utilisé pour Freeview-HD.

Chargement de bits (bits par constellation QAM) sur une ligne ADSL

Les systèmes de communication conçus pour atteindre des niveaux d' efficacité spectrale très élevés utilisent généralement des constellations QAM très denses. Par exemple, les appareils Ethernet sur courant porteur Homeplug AV2 500 Mbit/s utilisent 1024-QAM et 4096-QAM, ainsi que les futurs appareils utilisant la norme ITU-T G.hn pour la mise en réseau sur le câblage domestique existant ( câble coaxial , lignes téléphoniques et alimentation lignes ); 4096-QAM fournit 12 bits/symbole. Un autre exemple est la technologie ADSL pour paires torsadées en cuivre, dont la taille de constellation va jusqu'à 32768-QAM (dans la terminologie ADSL on parle de bit-loading, ou bit par tonalité, 32768-QAM étant équivalent à 15 bits par tonalité).

Les systèmes de liaison hyperfréquence à ultra-haute capacité utilisent également 1024-QAM. Avec 1024-QAM, le codage et la modulation adaptatifs (ACM) et XPIC , les fournisseurs peuvent obtenir une capacité gigabit dans un seul canal de 56 MHz.

Interférences et bruit

Lors du passage à une constellation QAM d'ordre supérieur (débit et mode de données plus élevés) dans des environnements d'application QAM RF / micro - ondes hostiles , tels que la radiodiffusion ou les télécommunications , les interférences par trajets multiples augmentent généralement. Il y a un étalement des taches dans la constellation, diminuant la séparation entre les états adjacents, ce qui rend difficile pour le récepteur de décoder le signal de manière appropriée. En d'autres termes, l' immunité au bruit est réduite . Il existe plusieurs mesures de paramètres de test qui aident à déterminer un mode QAM optimal pour un environnement d'exploitation spécifique. Les trois suivants sont les plus significatifs :

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

  • Jonqyin (Russell) Sun « Analyse de la diversité linéaire pour la QAM dans les canaux à évanouissement de Rician », IEEE WOCC 2014
  • John G. Proakis , " Communications numériques, 3e édition "

Liens externes