|
QAM is een techniek waarmee digitale signalen op een analoge draaggolf worden geplaatst. Deze techniek wordt bij alle methodes om digitale TV naar uw huis te transporteren toegepast.
|
Inleiding
Waarom QAM?
Als u een digitale bitstroom, zoals gebruikt bij digitale TV, over een kabel wilt versturen moet u modulatie toepassen op een draaggolf. Deze draaggolf is een hoogfrequent sinusvormig signaal en dergelijke sinusvormige signalen kunt u op verschillende manieren moduleren. U kent natuurlijk AM, amplitude modulatie en FM, frequentiemodulatie. Deze systemen zijn echter absoluut niet in staat de grote hoeveelheid data te behappen, die u per seconde moet versturen bij hoge resolutie TV. Bij kabel-TV en DVB wordt daarom gebruik gemaakt van een combinatie van amplitude- en fasemodulatie, Quadrature Amplitude Modulation, een techniek die veel meer data per seconde kan versturen.
De modulatiesnelheid
Maar allereerst iets over de snelheid waarop wordt gemoduleerd. Op een draaggolf met een breedte van bijvoorbeeld 8 MHz kan een bepaalde snelheid worden behaald. Hierbij spreekt men van het aantal symbolen per seconde. Een symbool vertegenwoordigt een toestand waarin het signaal zich op vaste tijdsintervallen bevindt. Hoe het signaal wordt gemoduleerd, staat los van het aantal symbolen dat per seconde kan worden verzonden.
Binary Phase Shift Keying
BPSK
De eenvoudigste methode om een digitale datastroom te moduleren op een draaggolf is Binary Phase Shift Keying (BPSK). Bij deze modulatiemethode zijn er twee toestanden mogelijk, namelijk 0° en 180° fasedraaiing van het signaal. Aan iedere fasedraaiingstoestand wordt een binaire toestand toegekend, bijvoorbeeld 0° komt overeen met 'L' en 180° komt overeen met 'H'. Deze modulatiemethode is voorgesteld in onderstaande figuur. In dit voorbeeld worden vier bits, respectievelijk 'L', 'H', 'H' en 'L', gemoduleerd door de fase van de perioden van de draaggolf over 180° te draaien. Het voordeel van dit systeem is dat een fasedraaiing van 180° steeds goed te herkennen is door de demodulator, zelfs in een storingrijke omgeving. Het nadeel is natuurlijk dat de snelheid bijzonder laag is. Bij BPSK is de symboolsnelheid (modulatiesnelheid) gelijk aan de bitsnelheid (een bit per symbool).
 |
| Het principe van BPSK. (© 2017 Jos Verstraten) |
BPSK kan eenvoudiger op een symbolische manier worden voorgesteld onder de vorm van onderstaande figuur. Dit noemt met het 'constellatie diagram'. Hierin worden de twee toestanden van het gemoduleerde signaal voorgesteld in een assenkruis dat een horizontale X-as en een verticale Y-as heeft. In dit assenstelsel kunnen de toestanden van het gemoduleerde signaal worden voorgesteld door vectoren. De lengte van de vector komt overeen met de amplitude van het signaal. De hoek van de vector komt overeen met de fasedraaiing ten opzichte van de gekozen referentie. Het enige verschil tussen beide toestanden is een tegengestelde fase, hetgeen wordt voorgesteld door twee even grote vectoren, die echter onder een hoek van 180° staan. Nu is het natuurlijk niet noodzakelijk de gehele vector te tekenen om de fase- en amplitudetoestand van het gemoduleerde signaal te beschrijven. Een bolletje, dat overeen komt met de pijlpunt van de vector, volstaat. De symbolische voorstelling van de toestanden van het gemoduleerde signaal kan dus nog meer vereenvoudigd worden tot twee bolletjes op de X-as, die even ver van het nulpunt liggen.
 |
| Het constellatie diagram van BPSK. (© 2017 Jos Verstraten) |
Quaternary Phase Shift Keying
QPSK
Een andere modulatiemethode is Quaternary Phase Shift Keying (QPSK). Deze modulatiemethode verdraait de fase van het te verzenden signaal in stappen van 90°. Er zijn nu dus vier toestanden van het gemoduleerd signaal mogelijk en omdat er maar twee soorten bits zijn, 'L' en 'H', kunt u vier bitcombinaties aan deze toestanden koppelen, bijvoorbeeld:
- Fasedraaiing 45°:
representeert de bitvolgorde 'L'-'H' - Fasedraaiing 135°:
representeert de bitvolgorde 'L'-'L' - Fasedraaiing 225°:
representeert de bitvolgorde 'H'-'H' - Fasedraaiing 315°:
representeert de bitvolgorde 'H'-'L'
 |
| Het constellatie diagram van QPSK. (© 2017 Jos Verstraten) |
QPSK wordt bij kabelmodem standaarden toegepast voor de upstream van data, dus van u naar de provider. Het is een zeer krachtige modulatiemethode, die tegen een grote hoeveelheid ruis en storing kan, omdat er maar vier toestanden van het gemoduleerde signaal zijn te herkennen.
8-PSK
Drie bits per symbool
Door de fasemodulatie van het gemoduleerde signaal in stappen van 45° te laten verlopen, kunnen nog meer toestanden worden gecreëerd, zie onderstaande figuur. Het systeem wordt weliswaar gevoeliger voor storingen, maar u kunt meer bits per symbool versturen, namelijk drie.
 |
| Het constellatie diagram van 8-PSK. (© 2017 Jos Verstraten) |
Quadrature Amplitude Modulation
QAM
Een andere modulatiemethode om ook drie bits per symbool te kunnen versturen is Quadrature Amplitude Modulation, afgekort tot QAM. Bij QAM wordt niet alleen de fase verdraaid, maar ook de amplitude veranderd.
8-QAM
De meest eenvoudige vorm van deze modulatiemethode is 8-QAM, symbolisch voorgesteld in onderstaande figuur. Hierbij kunt u weer vier faseverdraaiingen herkennen. Per faseverdraaiing is echter een variatie in amplitude mogelijk. Zo kunnen vier extra toestanden, die dichter bij het nulpunt liggen, worden gerealiseerd. Het totaal aantal mogelijke toestanden wordt dus acht, waardoor er per symbool drie bits kunnen worden verzonden. Er zijn nu vier even grote vectoren die de toestanden weergeven met fasedraaiing, maar met maximale amplitude. De vier kleinere vectoren geven de vier overige toestanden weer, met fasedraaiing en met gereduceerde amplitude.
 |
| Het constellatie diagram van 8-QAM. (© 2017 Jos Verstraten) |
Om het aantal bits per symbool verder op te voeren, moet u meerdere fases en amplitudes toekennen. Hiermee wordt bijvoorbeeld 16-QAM verkregen. Bij 16-QAM kunt u zestien verschillende toestanden onderscheiden, waardoor er vier bits per symbool kunnen worden verstuurd. In onderstaande figuur is deze modulatiemethode symbolisch voorgesteld. Het volledige modulatieschema wordt nu voorgesteld door 16 puntjes, die de pijlpunten van de zestien signaalvectoren voorstellen. U ziet dat er gebruik wordt gemaakt van vier fasetoestanden en vier amplitudetoestanden. Vandaar dat de vectoren vier verschillende lengtes hebben.
 |
| Het constellatie diagram van 16-QAM. (© 2017 Jos Verstraten) |
De volgende stap van moduleren is 64-QAM. Hierbij kunnen 64 verschillende toestanden worden gecodeerd, waardoor er zes bits per symbool kunnen worden verzonden. Dit is een zeer efficiënte manier voor het verzenden van digitale data. Deze modulatiemethode wordt dan ook bij de downstream van kabelmodems toegepast. Deze methode is wel voor de downstream, maar niet voor de upstream mogelijk, omdat bij de downstream tussenversterkers worden toegepast, waardoor het signaal in een betere conditie bij de eindgebruiker kan worden afgeleverd.
 |
| Het constellatie diagram van 64-QAM. (© 2017 Jos Verstraten) |
256-QAM
Tegenwoordig wordt ook 256-QAM toegepast, hetgeen weer een opwaardering is van het aantal aan te nemen toestanden in het diagram. Deze modulatiemethode is de hoogste die wordt toegepast bij kabelmodems en daarmee ook de gevoeligste van de modulatiemethoden. Het signaal moet behoorlijk zuiver zijn voor een foutloze toestandsherkenning. Met deze modulatiemethode kunt u, doordat er 256 mogelijkheden zijn, acht bits per symbool versturen. Dit komt dus overeen met één byte per symbool.
 |
| Het constellatie diagram van 256-QAM. (© 2017 Jos Verstraten) |
Invulling van de symbolen
Als voorbeeld 16-QAM
De invulling van de symbolen met bits kan op twee manieren geschieden. Neem bijvoorbeeld 16-QAM. Hierbij kunt u vier bits per symbool versturen. Er zijn namelijk 24 = 16 verschillende modulatietoestanden mogelijk. Die zestien toestanden moeten worden gekoppeld aan de bitcombinaties 'L-L-L-L' tot en met 'H-H-H-H'. Voor die verdeling bestaan twee systemen, voorgesteld in onderstaande figuur:
- Grey coded tabel
- Differential coded tabel.
 |
| Het verschil tussen Grey en differential coded tabellen. (© 2017 Jos Verstraten) |
ET12S multimeter/IR-camera/logger
