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, 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 dove 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 la frequenza portante (carrier frequency). Il segnale è in banda passante (attorno a ), a differenza della PAM in banda base.
Base e costellazione
Con le funzioni sono ortonormali (il prodotto si integra a zero, vale in media e dà , da cui il fattore ). La dimensione è e
QAM quadrata (): : è il prodotto di due PAM a livelli. Esempio: , ; le coordinate sono per ciascun asse (una griglia ).
(Una possibile mappa di Gray: i primi due bit scelgono la colonna con , gli ultimi due la riga con dal basso: i vicini orizzontali e verticali differiscono per un solo bit.) Altre costellazioni QAM hanno forma a croce o circolare (, o la 256-QAM ottenuta da una griglia ).
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: . L'energia media si ottiene dalla somma delle due PAM (energia in unità di ): , quindi (Per : .)
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, . Poiché la distanza da una soglia è , il rapporto con è . Si distinguono tre casi di punti:
- A: angoli (4 punti, due soglie di contorno vicine): ;
- B: lati ( punti, una coordinata con una soglia, l'altra con due): ;
- C: interni ( punti, quattro soglie): ,
con e probabilità di decisione corretta (condizionata) per ognuno. Allora . Poiché la QAM quadrata è il prodotto di due PAM a livelli con rumori indipendenti, il risultato si semplifica: con (l'errore di ciascuna PAM, dove l'energia di ognuna è e quindi ), si ha : (si trascura il termine quadratico). Sostituendo e : Con la codifica di Gray, . Con l'SNR di riferimento e (banda passantespettro attorno alla frequenza portante) si ha e
Verifiche. : e , il risultato della 4-PSK (QPSK). Per e dB (): , (). A dB: . Con simulazione Monte Carlo a dB: (formula esatta , approssimata : 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
- Pro: due dimensioni nella stessa banda : a parità di banda e di distanza trasmette più bit della PAM (stessa efficienza spettrale di PAM, ma in banda passante); a SNR alto è la scelta migliore tra le modulazioni di ampiezza e fase (Confronto tra modulazioni - banda, SNR di riferimento ed efficienza spettralePer confrontare le modulazioni si usa l'SNR di riferimento $\Gamma=\frac{E_{s,rc}}{N_0,T,B_{min}}=\frac{P_{tx}}{kT_{eff}B_{min}a_{ch}}$, con $B_{min}$ la banda minima ($\frac1{2T}$ per la PAM in banda base, $\frac1T$ per QAM e PSK, $\frac M{2T}$ per le ortogonali). Ogni modulazione ha una $P_{bit}(\Gamma)$ approssimata (tabella) e un'efficienza spettrale $\nu=\frac{R_b}{B_{min}}$, limitata da Shannon: $\nu\le\log_2(1+\Gamma)$. A SNR alto conviene la QAM, a SNR molto basso le ortogonali e biortogonali (ma con più banda).Confronto tra modulazioni - banda, SNR di riferimento ed efficienza spettrale →).
- Contro: l'energia media cresce con ( a parità di ) e a SNR basso le costellazioni fitte sono troppo vulnerabili al rumore: si usa una cardinalità più bassa.
Errori comuni
- Usare come coordinata invece di : la base ha il fattore .
- Dimenticare che per la QAM (banda ): è per la PAM.
- Applicare a non quadrato (8, 32): non vale.
- Scambiare con nel fattore .
Versione ripasso
Segnale e base
- e .
- Segnale in banda passante attorno a , con l'impulso 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 →).
- Base: , , ortonormali con . Dimensione .
- Punti .
QAM quadrata ()
- Ogni asse è una PAM a livelli: . Per si ha una griglia .
- Distanza minima tra adiacenti: .
- Energia: in unità , quindi , cioè . Per : .
- Mappa di Gray: i primi due bit scelgono la colonna con , gli ultimi due la riga; i vicini differiscono per un bit.
- Altre costellazioni: a croce o circolari per .
Probabilità di errore
- 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 componenti del rumore sono indipendenti, .
- Distanza dalla soglia , quindi con i tre tipi di punti hanno:
- angoli (4 punti): ;
- lati ( punti): ;
- interni ( punti): .
- Poiché la QAM quadrata è il prodotto di due PAM indipendenti: e .
- , trascurando il termine quadratico.
- Con e : .
- Con Gray e (, banda passante): .
Verifiche
- : e , cioè la QPSK.
- , dB (): , ; . A dB: .
- Monte Carlo a dB: , uguale alla formula esatta; l'approssimazione dà e sovrastima a SNR basso.
- Valori di per : , , , dB per .
Pro e contro
- Pro: due dimensioni nella banda . A SNR alto è la scelta migliore tra modulazioni di ampiezza e di fase (Confronto tra modulazioni - banda, SNR di riferimento ed efficienza spettralePer confrontare le modulazioni si usa l'SNR di riferimento $\Gamma=\frac{E_{s,rc}}{N_0,T,B_{min}}=\frac{P_{tx}}{kT_{eff}B_{min}a_{ch}}$, con $B_{min}$ la banda minima ($\frac1{2T}$ per la PAM in banda base, $\frac1T$ per QAM e PSK, $\frac M{2T}$ per le ortogonali). Ogni modulazione ha una $P_{bit}(\Gamma)$ approssimata (tabella) e un'efficienza spettrale $\nu=\frac{R_b}{B_{min}}$, limitata da Shannon: $\nu\le\log_2(1+\Gamma)$. A SNR alto conviene la QAM, a SNR molto basso le ortogonali e biortogonali (ma con più banda).Confronto tra modulazioni - banda, SNR di riferimento ed efficienza spettrale →).
- Contro: cresce con , e a SNR basso le costellazioni fitte sono vulnerabili al rumore.
Errori tipici
- Usare come coordinata invece di .
- Usare , che è la PAM: per la QAM è .
- Applicare a non quadrato (8, 32): non vale.
- Scambiare con nel fattore .
Esercizi su questo argomento
- Esercizio 9 · conversione A-D di un segnale uniforme e SNR di riferimento per la 64-QAM (tema d'esame degli anni precedenti)
- Esercizio 11 · radio locale in M-QAM, distanza, SNR, cardinalità e potenza minima (temi d'esame gennaio e agosto 2025)
- Esercizio 12 · cavo o radio, SNR di riferimento e cardinalità massima della QAM (tema d'esame giugno 2025)
- Esercizio 13 · radio a 90 MHz con banda di 2 kHz, attenuazione e potenza minima per la 4-QAM (tema d'esame giugno 2026)
- Esercizio 14 · Wi-Fi a 16-QAM, densità del rumore, guadagno minimo e impulso triangolare (tema d'esame febbraio 2025)
- Esercizio 15 · cavo di riserva per un collegamento radio e amplificatore in ricezione (tema d'esame febbraio 2026)
Teoria collegata
- Calcoli di comunicazioni in Python - Q, dB, quantizzatore, Huffman e link budget
- Canale numerico, ISI e codifica di Gray
- Confronto tra modulazioni - banda, SNR di riferimento ed efficienza spettrale
- Formulario - fondamenti di comunicazioni
- Modulazioni M-arie - bound sulla probabilità di errore, ortogonali e biortogonali
- Progetto di un collegamento - link budget e modulazione
- PSK - modulazione di fase
- Modulazione QAM - costellazioni, energia e probabilità d'errore
- Modulazioni PAM, PSK, QAM e FSK