Quadraturamplitudenmodulation
frame|right|Lissajous Figur der Komponenten "I" und "Q" eines 4-QAM Signals in einem verzerrten und leicht verrauschten Übertragungskanal Mit der Quadraturamplitudenmodulation (Abkürzung: QAM) (engl: Quadrature Amplitude Modulation) werden in der elektronischen Nachrichtentechnik die Amplitudenmodulation und die Phasenmodulation miteinander kombiniert.
Ihre Hauptanwendung besteht in der Übertragung digitaler Daten über einen analogen, rauschbelasteten Frequenzkanal. Dazu werden in der durch Amplitude und Phase als Polarkoordinaten aufgespannten 2-dimensionalen Ebene eine Anzahl von Punkten (z.B. vier Punkte im Bild rechts) festgelegt, eine sog. Konstellation von Signalpunkten, welche voneinander einen Mindestabstand und einzeln eine maximale Energie haben. Im Empfänger wird die Lage der Punkte festgestellt und damit die in Phase und Amplitude gewonnene Information zurückgewonnen.
Ist das Signal Störungen wie Rauschen und Verzerrungen ausgesetzt, kann es im Empfänger zu fehlerhaften Dekodierungen kommen. Deswegen wird die Quadraturamplitudenmodulation häufig mit Vefahren kombiniert, mit denen sich Fehler erkennen und teilweise sogar korrigieren lassen.
Abgetastet wird das Signal mit einer zur Bandbreite reziproken Taktfrequenz. Man kann so pro Zeitintervall einen Signalpunkt übertragen.
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Digitale Modulationstechnik
"I" und "Q"
Bei der Quadraturamplitudenmodulation werden von einem gemeinsamen Generator zwei Sinusschwingungen erzeugt: "Inphase" und "Quadrature", oder kurz: "I" und "Q". Beide Signale haben die gleiche Frequenz. Der Unterschied zwischen beiden Signalen besteht darin, das "Q" gegenüber "I" in der Phase um 90° verschoben ist.
Da sie Informationen aufmoduliert bekommen, nennt man die beiden Schwingungen "Träger", und die gemeinsame Frequenz ist die "Trägerfrequenz". Beide Trägersschwingungen durchlaufen jeweils einen Amplitudenmodulator. In der einfachsten Implementierung von QAM gilt:
- Bei 4-QAM (QPSK) kann jeder Träger zur Darstellung von einem Bit (2 Stufen) mit den Faktoren -1 und 1 multipliziert werden.
- Bei 16-QAM kann jeder Träger zur Darstellung von 2 Bits (4 Stufen) mit den Faktoren -3, -1, 1 und 3 multipliziert werden.
- Bei 32-QAM kann jeder Träger zur Darstellung von 6 Stufen mit den Faktoren -5, -3, -1, 1, 3 und 5 multipliziert werden.
- Bei 64-QAM kann jeder Träger zur Darstellung von 3 Bits (8 Stufen) mit den Faktoren -7, -5, -3, -1, 1, 3, 5 und 7 multipliziert werden.
- usw.
Nach der Amplitudenmodulation werden die beiden modulierten Träger addiert und in den technisch notwendigen Arbeitsbereich skaliert. Diese skalierte Summe wird dann zur Sendestrecke weitergeleitet. Weil der eine Träger gegenüber dem anderen Träger um 90° verschoben ist, entsteht durch die Addition der beiden Träger ein als Vektor oder "Zeiger" darstellbares Signal. Abhängig von den gewählten Multiplikationsfaktoren ist dabei die Länge (Amplitude) und der Winkel (Phase) dieses Vektors einstellbar. Man kann den Vektor damit auf verschiedene Punkte zeigen lassen und auf diese Art und Weise Daten übertragen.
Konstellationen
Kennzeichnend für QAM ist, dass die Punkte in einem gedachten Quadrat angeordnet sind. Die Anordnung wird "Konstellation" genannt.
- Bei 4-QAM sind das 4 Punkte (2 Bits),
- Bei 8-QAM sind 8 Punkte möglich, die aber nicht gut in ein Quadrat passen (Alternative: 8-PSK mit 8 Punkten auf einem Kreis; Multiplikationsfaktoren für die beiden Multiplikatoren in "I" und "Q" z.B.: 0 und 2, √2 und √2, 2 und 0, √2 und -√2, 0 und -2, -√2 und -√2, -2 und 0, -√2 und √2),
- bei 16-QAM sind das 16 Punkte (4 Bits),
- bei 32-QAM gibt es 32 Punkte (5 Bits; technisch wären 36 Punkte möglich, aber um 32 nicht zu überschreiten, werden die Eckpunkte des Quadrats nicht benutzt),
- bei 64-QAM stehen 64 Punkte (6 Bits) zur Verfügung,
- bei 128-QAM sind es 128 Punkte (7 Bits; technisch wären 144 Punkte möglich, aber um 128 nicht zu überschreiten, werden an den Ecken des Quadrats jeweils 4 Punkte nicht benutzt),
- bei 256-QAM gibt es 256 Punkte (8 Bits; beispielsweise im Kabel bei DVB-C ist diese Auflösung oft schon nicht mehr erreichbar),
- bei 512-QAM und darüber ist die Störanfälligkeit schon so hoch, dass diese Konstellationen nur selten eingesetzt werden.
Codierung von Symbolen
Jedem Punkt lässt sich ein Symbol zuordnen, das z.B. eine Zahl oder ein Zeichen aus einem Zeichensatz repräsentiert. n-QAM bedeutet, dass mit der Modulation einer Periodenlänge des Trägers eines aus n Symbolen ausgesendet werden kann.
Auswahl der Konstellation
Die Zahl der Punkte ist durch die Störungen begrenzt, die für den Übertragungskanal erwartet werden. 4-QAM ist ziemlich "robust". Man sieht in der Abbildung, dass sich die Punkte zwar aufweiten, sich aber noch nicht überlappen. Bei 32-QAM würden in der abgebildeten Störsituation schon Fehler auftreten. In gewissen Grenzen und für den Preis einer geringeren Netto-Datenrate kann man solche Fehler durch Vorwärtsfehlerkorrektur beseitigen. Darum wird QAM oft zusammen mit entsprechenden Fehlerkorrekturverfahren eingesetzt.
Analoge Modulation
QAM gibt es auch als analoge Modulation. Ein analoger Einsatz dieses Verfahrens findet z.B. bei der PAL-Codierung statt, und zwar bei der Modulation der beiden Farbdifferenzsignale zu dem Farbartsignal F.
Die Quadraturamplitudenmodulation wird auch beim AM-Stereo-Verfahren verwendet.
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Kategorie:Nachrichtentechnik