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La modulación de amplitud en cuadratura ( QAM ) es el nombre de una familia de métodos de modulación digital y una familia relacionada de métodos de modulación analógica ampliamente utilizados en las telecomunicaciones modernas para transmitir información. Transmite dos señales de mensaje analógicas, o dos flujos de bits digitales , cambiando ( modulando ) las amplitudes de dos ondas portadoras , utilizando el esquema de modulación digital de modulación por desplazamiento de amplitud (ASK) o el esquema de modulación analógica de modulación de amplitud (AM). Las dos ondas portadoras de la misma frecuencia están desfasadasentre sí en 90 °, una condición conocida como ortogonalidad o cuadratura . La señal transmitida se crea sumando las dos ondas portadoras. En el receptor, las dos ondas pueden separarse (demodularse) coherentemente debido a su propiedad de ortogonalidad. Otra propiedad clave es que las modulaciones son formas de onda de baja frecuencia / ancho de banda bajo en comparación con la frecuencia de la portadora, lo que se conoce como suposición de banda estrecha .

La modulación de fase (PM analógica) y la manipulación por desplazamiento de fase (PSK digital) se pueden considerar como un caso especial de QAM, donde la amplitud de la señal transmitida es una constante, pero su fase varía. Esto también puede extenderse a la modulación de frecuencia (FM) y la modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK), ya que pueden considerarse como un caso especial de modulación de fase.

QAM se utiliza ampliamente como esquema de modulación para sistemas de telecomunicaciones digitales , como en los estándares Wi-Fi 802.11 . Se pueden lograr eficiencias espectrales arbitrariamente altas con QAM estableciendo un tamaño de constelación adecuado , limitado solo por el nivel de ruido y la linealidad del canal de comunicaciones. [1]   QAM se está utilizando en sistemas de fibra óptica a medida que aumentan las tasas de bits; QAM16 y QAM64 se pueden emular ópticamente con un interferómetro de 3 vías . [2] [3]

Demodulación de QAM [ editar ]

QAM analógico: señal de barra de color PAL medida en una pantalla de analizador de vectores.

En una señal QAM, una portadora se retrasa 90 ° sobre la otra, y su modulación de amplitud se denomina habitualmente componente en fase , denotada por I ( t ). La otra función de modulación es la componente de cuadratura , Q ( t ). Entonces, la forma de onda compuesta se modela matemáticamente como:

    o:

donde f c es la frecuencia portadora. En el receptor, un demodulador coherente multiplica la señal recibida por separado con una señal de coseno y de seno para producir las estimaciones recibidas de I ( t ) y Q ( t ) . Por ejemplo:

Usando identidades trigonométricas estándar , podemos escribir esto como:

El filtrado de paso bajo r ( t ) elimina los términos de alta frecuencia (que contienen f c t ), dejando solo el término I ( t ) . Esta señal filtrada no se ve afectada por Q ( t ), lo que muestra que la componente en fase se puede recibir independientemente de la componente en cuadratura. De manera similar, podemos multiplicar s c ( t ) por una onda sinusoidal y luego un filtro de paso bajo para extraer Q ( t ).

La adición de dos sinusoides es una operación lineal que no crea nuevos componentes de frecuencia. Por tanto, el ancho de banda de la señal compuesta es comparable al ancho de banda de los componentes DSB (Double-Sideband). Efectivamente, la redundancia espectral de DSB permite duplicar la capacidad de información utilizando esta técnica. Esto se produce a expensas de la complejidad de la demodulación. En particular, una señal DSB tiene cruces por cero a una frecuencia regular, lo que facilita la recuperación de la fase de la sinusoide portadora. Se dice que es automático . Pero el emisor y el receptor de una señal modulada en cuadratura deben compartir un reloj o enviar una señal de reloj. Si las fases del reloj se separan, las señales I y Q demoduladas se mezclan entre sí, produciendodiafonía . En este contexto, la señal de reloj se denomina "referencia de fase". La sincronización del reloj se logra típicamente transmitiendo una subportadora en ráfagas o una señal piloto . La referencia de fase para NTSC , por ejemplo, se incluye dentro de su señal de explosión de color .

QAM analógico se utiliza en:

  • Sistemas de televisión en color analógicos NTSC y PAL , donde las señales I y Q transportan los componentes de la información cromática (color). La fase de la portadora QAM se recupera de una explosión de color especial transmitida al comienzo de cada línea de exploración.
  • C-QUAM ("Compatible QAM") se utiliza en radio estéreo AM para transportar la información de diferencia estéreo.

Análisis de Fourier de QAM [ editar ]

En el dominio de la frecuencia , QAM tiene un patrón espectral similar al de la modulación DSB-SC . Aplicando la fórmula de Euler a las sinusoides en la Ec. 1 , la porción de frecuencia positiva de s c (o representación analítica ) es:

donde denota la transformada de Fourier, y︿I y ︿Qson las transformadas de I ( t ) y Q ( t ). Este resultado representa la suma de dos señales DSB-SC con la misma frecuencia central. El factor de i (= e / 2 ) representa el cambio de fase de 90 ° que permite sus demodulaciones individuales.

QAM digital [ editar ]

16-QAM digital con puntos de constelación de ejemplo

Como en muchos esquemas de modulación digital, el diagrama de constelación es útil para QAM. En QAM, los puntos de la constelación suelen estar dispuestos en una cuadrícula con el mismo espaciado vertical y horizontal, aunque son posibles otras configuraciones (por ejemplo, una cuadrícula hexagonal o triangular). En las telecomunicaciones digitales, los datos suelen ser binarios , por lo que el número de puntos en la red suele ser una potencia de 2 (2, 4, 8,…), que corresponde al número de bits por símbolo. Las constelaciones QAM más simples y más comúnmente utilizadas consisten en puntos dispuestos en un cuadrado, es decir, 16-QAM, 64-QAM y 256-QAM (potencias pares de dos). Las constelaciones no cuadradas, como Cross-QAM, pueden ofrecer una mayor eficiencia, pero rara vez se utilizan debido al costo de una mayor complejidad del módem.

Al moverse a una constelación de orden superior, es posible transmitir más bits por símbolo . Sin embargo, para que la energía media de la constelación siga siendo la misma (a modo de comparación justa), los puntos deben estar más juntos y, por lo tanto, son más susceptibles al ruido y otros tipos de corrupción; esto da como resultado una tasa de error de bit más alta y, por lo tanto, QAM de orden superior puede entregar más datos de manera menos confiable que QAM de orden inferior, para una energía de constelación media constante. El uso de QAM de orden superior sin aumentar la tasa de errores de bits requiere una relación señal / ruido (SNR) más alta al aumentar la energía de la señal, reducir el ruido o ambos.

Si se requieren velocidades de datos superiores a las ofrecidas por 8- PSK , es más habitual pasar a QAM, ya que logra una mayor distancia entre puntos adyacentes en el plano IQ al distribuir los puntos de manera más uniforme. El factor de complicación es que los puntos ya no tienen la misma amplitud y, por lo tanto, el demodulador ahora debe detectar correctamente tanto la fase como la amplitud , en lugar de solo la fase.

64-QAM y 256-QAM se utilizan a menudo en aplicaciones de televisión por cable digital y módem por cable . En los Estados Unidos, 64-QAM y 256-QAM son los esquemas de modulación obligatorios para cable digital (ver sintonizador QAM ) según lo estandarizado por SCTE en el estándar ANSI / SCTE 07 2013 . Tenga en cuenta que muchas personas de marketing se referirán a estos como QAM-64 y QAM-256. [ cita requerida ] En el Reino Unido, 64-QAM se usa para televisión digital terrestre ( Freeview ) mientras que 256-QAM se usa para Freeview-HD.

Carga de bits (bits por constelación QAM) en una línea ADSL

Los sistemas de comunicación diseñados para lograr niveles muy altos de eficiencia espectral generalmente emplean constelaciones QAM muy densas. Por ejemplo, los dispositivos Ethernet Powerline Homeplug AV2 de 500 Mbit / s actuales utilizan 1024-QAM y 4096-QAM, [4] , así como los dispositivos futuros que utilizan el estándar ITU-T G.hn para redes sobre cableado doméstico existente ( cable coaxial , teléfono líneas y tendidos eléctricos ); 4096-QAM proporciona 12 bits / símbolo. Otro ejemplo es ADSLtecnología para pares trenzados de cobre, cuyo tamaño de constelación llega hasta 32768-QAM (en terminología ADSL esto se denomina carga de bits, o bit por tono, siendo 32768-QAM equivalente a 15 bits por tono). [5]

Los sistemas de retorno por microondas de ultra alta capacidad también utilizan 1024-QAM. [6] Con 1024-QAM, codificación y modulación adaptativas (ACM) y XPIC , los proveedores pueden obtener capacidad gigabit en un solo canal de 56 MHz. [6]

Interferencia y ruido [ editar ]

Al pasar a una constelación QAM de orden superior (velocidad y modo de datos más altos) en entornos hostiles de aplicaciones QAM de RF / microondas , como en la radiodifusión o las telecomunicaciones , la interferencia por trayectos múltiples normalmente aumenta. Hay una extensión de los puntos en la constelación, disminuyendo la separación entre estados adyacentes, lo que dificulta que el receptor decodifique la señal de manera apropiada. En otras palabras, se reduce la inmunidad al ruido . Hay varias mediciones de parámetros de prueba que ayudan a determinar un modo QAM óptimo para un entorno operativo específico. Los tres siguientes son los más importantes: [7]

  • Relación portadora / interferencia
  • Relación portadora / ruido
  • Relación umbral / ruido

Ver también [ editar ]

  • Modulación por desplazamiento de fase y amplitud o modulación por desplazamiento de fase asimétrica (APSK)
  • Modulación de fase de amplitud sin portadora (CAP)
  • Componentes en fase y en cuadratura
  • Modulación para otros ejemplos de técnicas de modulación
  • Modulación por desplazamiento de fase
  • Sintonizador QAM para HDTV
  • Modulación aleatoria

Referencias [ editar ]

  1. ^ "Eficiencias de modulación digital" . Barnard Microsystems. Archivado desde el original el 30 de abril de 2011.
  2. ^ "Ciena prueba 200G a través de 16-QAM con red de cable Japón-EE. UU . " . onda de luz. 17 de abril de 2014 . Consultado el 7 de noviembre de 2016 .
  3. ^ Productos Kylia Archivado el 13 de julio de 2011 en Wayback Machine , dwdm mux demux, híbrido óptico de 90 grados, demoduladores d (q) psk, polarización única
  4. ^ http://www.homeplug.org/media/filer_public/a1/46/a1464318-f5df-46c5-89dc-7243d8ccfcee/homeplug_av2_whitepaper_150907.pdf Documento técnico de Homeplug_AV2
  5. ^ http://www.itu.int/rec/T-REC-G.992.3-200904-I sección 8.6.3 Mapeador de constelaciones: número máximo de bits por constelación BIMAX ≤ 15
  6. ^ a b http://www.trangosys.com/products/point-to-point-wireless-backhaul/licensed-wireless/trangolink-apex-orion.shtml A Apex Orion
  7. ^ Howard Friedenberg y Sunil Naik. "Hitless Space Diversity STL permite IP + Audio en bandas STL estrechas" (PDF) . 2005 Convención Anual de la Asociación Nacional de Radiodifusores . Archivado desde el original (PDF) el 23 de marzo de 2006 . Consultado el 17 de abril de 2005 .

Lectura adicional [ editar ]

  • Jonqyin (Russell) Sun "Análisis de diversidad lineal para QAM en canales de desvanecimiento de Rician", IEEE WOCC 2014
  • John G. Proakis , " Comunicaciones digitales, tercera edición "

Enlaces externos [ editar ]

  • Demodulación QAM
  • Webdemo interactivo de la constelación QAM con ruido aditivo Instituto de Telecomunicaciones, Universidad de Stuttgart
  • Tasa de error de bits QAM para el canal AWGN - experimento en línea
  • Cómo afectan las imperfecciones a la constelación QAM
  • Descripción general de los cambiadores de fase de microondas de Herley General Microwave
  • Simulación de QPSK de doble polarización (DP-QPSK) para transmisión óptica de 100G