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Note per Studenti QAM - modulazione di ampiezza in quadratura

QAM - modulazione di ampiezza in quadratura

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Idea

La PAM modula solo l'ampiezza e usa una dimensione (PAM - modulazione di ampiezza di impulsiNella PAM ogni segnale è l'impulso $h(t)$ moltiplicato per un'ampiezza $\alpha_m=2m-1-M$: $s_m(t)=\alpha_mh(t)$. La costellazione è su una retta (base $\phi=\frac h{\sqrt{E_h}}$, punti $\alpha_m\sqrt{E_h}$) con $d_{min}=2\sqrt{E_h}$ ed energia media $E_s=E_h\frac{M^2-1}3$. La probabilità di errore è $P[E]=2\left(1-\frac1M\right)Q\left(\sqrt{\frac{2E_h}{N_0}}\right)=2\left(1-\frac1M\right)Q\left(\sqrt{\frac6{M^2-1}\frac{E_s}{N_0}}\right)$ e con Gray $P_{bit}\approx\frac{P[E]}{\log_2M}$. È semplice, ma l'energia cresce come $M^2$.PAM - modulazione di ampiezza di impulsi →). La QAM (quadrature amplitude modulation) modula sia l'ampiezza sia la fase della portante: i coefficienti da numeri reali diventano complessi, αm=αm,I+j αm,Q,\alpha_m=\alpha_{m,I}+j\,\alpha_{m,Q}, con una componente in fasecomponente moltiplicata per il coseno della portante (I) e una in quadraturacomponente moltiplicata per il seno della portante (Q). Il segnale trasmesso è sm(t)=Re⁡[αm h(t) ej2πf0t]=[αm,Icos⁡(2πf0t)−αm,Qsin⁡(2πf0t)]h(t),s_m(t)=\operatorname{Re}\left[\alpha_m\,h(t)\,e^{j2\pi f_0t}\right]=\left[\alpha_{m,I}\cos(2\pi f_0t)-\alpha_{m,Q}\sin(2\pi f_0t)\right]h(t), dove h(t)h(t) è l'impulso (il pulse shaperimpulso che dà la forma al segnale e determina l'ISI, che determina l'ISI: Canale numerico, ISI e codifica di GrayNella catena bit $\to$ BMAP $\to$ modulatore $\to$ canale $\to$ proiezione $\to$ rivelatore $\to$ IMAP, un simbolo da $b=\log_2M$ bit dura $T=T_b\log_2M$. Per non avere interferenza intersimbolo (ISI) le forme d'onda devono essere ortogonali alle loro traslate di $kT$: $\langle\phi_i(t),\phi_j(t-kT)\rangle=0$ per $k\ne0$ (per esempio un impulso che dura al più $T$). Il canale numerico equivalente (bit in ingresso, bit decisi in uscita) è un canale binario simmetrico di probabilità $P_{bit}$; con la codifica di Gray simboli adiacenti differiscono in un solo bit e $P_{bit}\approx\frac{P[E]}{\log_2M}$.Canale numerico, ISI e codifica di Gray →) e f0f_0 la frequenza portante (carrier frequency). Il segnale è in banda passante (attorno a f0f_0), a differenza della PAM in banda base.

Base e costellazione

Con f0≫1Tf_0\gg\frac1T le funzioni ϕ1(t)=2Ehcos⁡(2πf0t) h(t),ϕ2(t)=−2Ehsin⁡(2πf0t) h(t)\phi_1(t)=\sqrt{\frac2{E_h}}\cos(2\pi f_0t)\,h(t),\qquad\phi_2(t)=-\sqrt{\frac2{E_h}}\sin(2\pi f_0t)\,h(t) sono ortonormali (il prodotto cos⁡⋅sin⁡\cos\cdot\sin si integra a zero, cos⁡2\cos^2 vale 12\frac12 in media e dà Eh2\frac{E_h}2, da cui il fattore 2Eh\sqrt{\frac2{E_h}}). La dimensione è I=2I=2 e sm=Eh2 [αm,I, αm,Q].\mathbf s_m=\sqrt{\frac{E_h}2}\,\left[\alpha_{m,I},\ \alpha_{m,Q}\right].

QAM quadrata (M=L2M=L^2): αm,I,αm,Q∈{±1,±3,…,±(L−1)}\alpha_{m,I},\alpha_{m,Q}\in\{\pm1,\pm3,\dots,\pm(L-1)\}: è il prodotto di due PAM a LL livelli. Esempio: L=4L=4, M=16M=16; le coordinate sono Eh2⋅{±1,±3}\sqrt{\frac{E_h}2}\cdot\{\pm1,\pm3\} per ciascun asse (una griglia 4×44\times4).

I=−3I=-3 I=−1I=-1 I=+1I=+1 I=+3I=+3
Q=+3Q=+3 00100010 01100110 11101110 10101010
Q=+1Q=+1 00110011 01110111 11111111 10111011
Q=−1Q=-1 00010001 01010101 11011101 10011001
Q=−3Q=-3 00000000 01000100 11001100 10001000

(Una possibile mappa di Gray: i primi due bit scelgono la colonna con 00,01,11,1000,01,11,10, gli ultimi due la riga con 00,01,11,1000,01,11,10 dal basso: i vicini orizzontali e verticali differiscono per un solo bit.) Altre costellazioni QAM hanno forma a croce o circolare (M=8,32,128M=8,32,128, o la 256-QAM ottenuta da una griglia 16×1616\times16).

Grafico interattivo: Costellazione 16-QAM nel piano (I, Q), in unità √(E_h/2), con la mappa di Gray della tabella: griglia 4×4 a passo 2 (d_min = √(2E_h), segmento in basso), soglie di decisione MD sulle rette tratteggiate x, y = −2, 0, 2; i vicini orizzontali e verticali differiscono per un solo bit

La distanza minima è quella tra due punti adiacenti: dmin=2Eh2=2Ehd_{min}=2\sqrt{\frac{E_h}2}=\sqrt{2E_h}. L'energia media si ottiene dalla somma delle due PAM (energia in unità di Eh2\frac{E_h}2): E[αI2+αQ2]=2L2−13=2M−13E[\alpha_I^2+\alpha_Q^2]=2\frac{L^2-1}3=2\frac{M-1}3, quindi Es=Eh2⋅2 M−13=Eh M−13,Eh=Es3M−1.E_s=\frac{E_h}2\cdot2\,\frac{M-1}3=\boxed{E_h\,\frac{M-1}3,\qquad E_h=E_s\frac3{M-1}.} (Per M=16M=16: Es=5EhE_s=5E_h.)

Probabilità di errore

Si usa il criterio MD (ottimo con AWGN ed equiprobabili, Teoria della decisione - criteri MAP, ML e MDLe regioni di decisione che massimizzano la probabilità di decisione corretta sono $\mathcal R_m={\boldsymbol\rho:\ m=\arg\max_mP_m,p_{\mathbf r|m}(\boldsymbol\rho|m)}$: criterio MAP (ottimo). Il criterio ML ignora le probabilità a priori; se i simboli sono equiprobabili coincide con il MAP. Il criterio MD sceglie il punto più vicino, $\hat m=\arg\min_m\lVert\boldsymbol\rho-\mathbf s_m\rVert$; con canale AWGN coincide con il ML. Quindi con simboli equiprobabili e AWGN la distanza minima è ottima; con probabilità diverse le soglie si spostano verso il punto meno probabile.Teoria della decisione - criteri MAP, ML e MD →); le regioni sono quadrati (per i punti interni) e settori aperti (per i punti esterni). Le due componenti del rumore sono indipendenti, N(0,N02)\mathcal N\left(0,\frac{N_0}2\right). Poiché la distanza da una soglia è dmin2=Eh2\frac{d_{min}}2=\sqrt{\frac{E_h}2}, il rapporto con σI\sigma_I è Eh/2N0/2=EhN0\frac{\sqrt{E_h/2}}{\sqrt{N_0/2}}=\sqrt{\frac{E_h}{N_0}}. Si distinguono tre casi di punti:

  • A: angoli (4 punti, due soglie di contorno vicine): PA=[1−Q(EhN0)]2P_A=\left[1-Q\left(\sqrt{\frac{E_h}{N_0}}\right)\right]^2;
  • B: lati (4(L−2)4(L-2) punti, una coordinata con una soglia, l'altra con due): PB=[1−Q][1−2Q]P_B=\left[1-Q\right]\left[1-2Q\right];
  • C: interni ((L−2)2(L-2)^2 punti, quattro soglie): PC=[1−2Q]2P_C=\left[1-2Q\right]^2,

con Q=Q(EhN0)Q=Q\left(\sqrt{\frac{E_h}{N_0}}\right) e probabilità di decisione corretta (condizionata) per ognuno. Allora P[C]=1M[4PA+4(L−2)PB+(L−2)2PC]P[C]=\frac1M\left[4P_A+4(L-2)P_B+(L-2)^2P_C\right]. Poiché la QAM quadrata è il prodotto di due PAM a LL livelli con rumori indipendenti, il risultato si semplifica: con PL=2(1−1L)Q(EhN0)P_L=2\left(1-\frac1L\right)Q\left(\sqrt{\frac{E_h}{N_0}}\right) (l'errore di ciascuna PAM, dove l'energia di ognuna è Eh2\frac{E_h}2 e quindi 2Eh/2N0\sqrt{\frac{2E_h/2}{N_0}}), si ha P[C]=(1−PL)2P[C]=(1-P_L)^2: P[E]=1−[1−2(1−1L)Q(EhN0)]2≈4(1−1L)Q(EhN0)P[E]=1-\left[1-2\left(1-\frac1L\right)Q\left(\sqrt{\frac{E_h}{N_0}}\right)\right]^2\approx4\left(1-\frac1L\right)Q\left(\sqrt{\frac{E_h}{N_0}}\right) (si trascura il termine quadratico). Sostituendo Eh=3EsM−1E_h=\frac{3E_s}{M-1} e L=ML=\sqrt M: P[E]≈4(1−1M)Q(3M−1 EsN0).\boxed{P[E]\approx4\left(1-\frac1{\sqrt M}\right)Q\left(\sqrt{\frac3{M-1}\,\frac{E_s}{N_0}}\right).} Con la codifica di Gray, Pbit≈P[E]log⁡2MP_{bit}\approx\frac{P[E]}{\log_2M}. Con l'SNR di riferimento Γ=EsN0TBmin\Gamma=\frac{E_s}{N_0TB_{min}} e Bmin=1TB_{min}=\frac1T (banda passantespettro attorno alla frequenza portante) si ha Γ=EsN0\Gamma=\frac{E_s}{N_0} e Pbit≈4log⁡2M(1−1M)Q(3ΓM−1).\boxed{P_{bit}\approx\frac4{\log_2M}\left(1-\frac1{\sqrt M}\right)Q\left(\sqrt{\frac{3\Gamma}{M-1}}\right).}

Verifiche. M=4M=4: Eh=EsE_h=E_s e P[E]=1−(1−Q(Es/N0))2≈2Q(EsN0)P[E]=1-(1-Q(\sqrt{E_s/N_0}))^2\approx2Q\left(\sqrt{\frac{E_s}{N_0}}\right), il risultato della 4-PSK (QPSK). Per M=16M=16 e Γ=20\Gamma=20 dB (Γ=100\Gamma=100): 3⋅10015=4,47\sqrt{\frac{3\cdot100}{15}}=4{,}47, Pbit≈44⋅34Q(4,47)=0,75⋅3,87⋅10−6=2,9⋅10−6P_{bit}\approx\frac44\cdot\frac34Q(4{,}47)=0{,}75\cdot3{,}87\cdot10^{-6}=2{,}9\cdot10^{-6} (P[E]≈3Q=1,16⋅10−5P[E]\approx3Q=1{,}16\cdot10^{-5}). A Γ=15\Gamma=15 dB: Pbit≈4,5⋅10−3P_{bit}\approx4{,}5\cdot10^{-3}. Con simulazione Monte Carlo a Γ=10\Gamma=10 dB: P[E]=0,222P[E]=0{,}222 (formula esatta 0,2220{,}222, approssimata 0,2360{,}236: l'approssimazione sovrastima a SNR basso).

Grafico interattivo: log₁₀ di P_bit per la M-QAM (M = 4, 16, 64, 256) in funzione di Γ in dB: a P_bit = 10⁻³ servono 9,8; 16,5; 22,6 e 28,4 dB, cioè circa 6 dB in più ogni volta che M quadruplica (2 bit in più per simbolo)

Pro e contro

Errori comuni

  • Usare αmEh\alpha_m\sqrt{E_h} come coordinata invece di αmEh/2\alpha_m\sqrt{E_h/2}: la base ha il fattore 2Eh\sqrt{\frac2{E_h}}.
  • Dimenticare che Γ=EsN0\Gamma=\frac{E_s}{N_0} per la QAM (banda 1T\frac1T): è 2EsN0\frac{2E_s}{N_0} per la PAM.
  • Applicare P[E]≈4(1−1M)QP[E]\approx4(1-\frac1{\sqrt M})Q a MM non quadrato (8, 32): non vale.
  • Scambiare MM con L=ML=\sqrt M nel fattore (1−1L)\left(1-\frac1L\right).

Versione ripasso

Segnale e base

QAM quadrata (M=L2M=L^2)

  • Ogni asse è una PAM a LL livelli: αm,I,αm,Q∈{±1,±3,…,±(L−1)}\alpha_{m,I},\alpha_{m,Q}\in\{\pm1,\pm3,\dots,\pm(L-1)\}. Per M=16M=16 si ha una griglia 4×44\times4.
  • Distanza minima tra adiacenti: dmin=2Eh2=2Ehd_{min}=2\sqrt{\frac{E_h}2}=\sqrt{2E_h}.
  • Energia: E[αI2+αQ2]=2M−13E[\alpha_I^2+\alpha_Q^2]=2\frac{M-1}3 in unità Eh2\frac{E_h}2, quindi Es=EhM−13\boxed{E_s=E_h\frac{M-1}3}, cioè Eh=Es3M−1E_h=E_s\frac3{M-1}. Per M=16M=16: Es=5EhE_s=5E_h.
  • Mappa di Gray: i primi due bit scelgono la colonna con 00,01,11,1000,01,11,10, gli ultimi due la riga; i vicini differiscono per un bit.
  • Altre costellazioni: a croce o circolari per M=8,32,128M=8,32,128.

Probabilità di errore

Verifiche

  • M=4M=4: Eh=EsE_h=E_s e P[E]≈2Q(EsN0)P[E]\approx2Q\left(\sqrt{\frac{E_s}{N_0}}\right), cioè la QPSK.
  • M=16M=16, Γ=20\Gamma=20 dB (100100): 3⋅10015=4,47\sqrt{\frac{3\cdot100}{15}}=4{,}47, Pbit≈0,75⋅3,87⋅10−6=2,9⋅10−6P_{bit}\approx0{,}75\cdot3{,}87\cdot10^{-6}=2{,}9\cdot10^{-6}; P[E]≈3Q=1,16⋅10−5P[E]\approx3Q=1{,}16\cdot10^{-5}. A Γ=15\Gamma=15 dB: Pbit≈4,5⋅10−3P_{bit}\approx4{,}5\cdot10^{-3}.
  • Monte Carlo a Γ=10\Gamma=10 dB: P[E]=0,222P[E]=0{,}222, uguale alla formula esatta; l'approssimazione dà 0,2360{,}236 e sovrastima a SNR basso.
  • Valori di Γ\Gamma per Pbit=10−3P_{bit}=10^{-3}: 9,89{,}8, 16,516{,}5, 22,622{,}6, 28,428{,}4 dB per M=4,16,64,256M=4,16,64,256.

Pro e contro

Errori tipici

  • Usare αmEh\alpha_m\sqrt{E_h} come coordinata invece di αmEh/2\alpha_m\sqrt{E_h/2}.
  • Usare Γ=2EsN0\Gamma=\frac{2E_s}{N_0}, che è la PAM: per la QAM è EsN0\frac{E_s}{N_0}.
  • Applicare 4(1−1M)Q4(1-\frac1{\sqrt M})Q a MM non quadrato (8, 32): non vale.
  • Scambiare MM con L=ML=\sqrt M nel fattore (1−1L)\left(1-\frac1L\right).

Esercizi su questo argomento

Teoria collegata