Квадратурно-амплітудна модуляція

Як і всі схеми модуляції, КАМ передає дані змінюючи деякі аспекти сигналу носія, або опорної хвилі, (зазвичай синусоїди) відповідно до сигналу даних. У випадку КАМ, змінюється (модулюється) амплітуда двох хвиль, що відрізняються на 90° по фазі одна від одної (в квадратурі) для того, щоб представити сигнал. Амплітудна модуляції двох носіїв в квадратурі можна еквівалентно розглядати як модуляцію обох: фази і амплітуди одного носія.

Фазова модуляція (аналогова ФМ) і фазова маніпуляція (цифрова ФМ) можуть розглядатися як особливий різновид КАМ, в якій магнітуда модульованого сигналу не змінюється, і лише фаза змінюється.

Аналогова КАМ: заміряного кольорового сигналу PAL на екрані векторного аналізатору.

При передачі двох сигналів, модульованих за допомогою КАМ, сигнал що передається буде мати форму:

${\displaystyle {\begin{aligned}s(t)&=\Re \left\{\left[I(t)+iQ(t)\right]e^{i2\pi f_{0}t}\right\}\\&=I(t)\cos(2\pi f_{0}t)-Q(t)\sin(2\pi f_{0}t)\end{aligned}}}$

де ${\displaystyle \scriptstyle i^{2}\;=\;-1}$, ${\displaystyle \scriptstyle I(t)}$ і ${\displaystyle \scriptstyle Q(t)}$ модулюючі сигнали, ${\displaystyle \scriptstyle f_{0}}$ частота-носій і ${\displaystyle \Re \{\}}$ - дійсна частина.

Приймачем, ці два модульовані сигнали можуть бути демодульовані з використанням когерентного демодулятору. Такий приймач помножує отриманий сигнал окремо із косинусним і синусним сигналом, щоб отримати прийняті оцінки для ${\displaystyle \scriptstyle I(t)}$ і ${\displaystyle \scriptstyle Q(t)}$ відповідно. Завдяки властивості ортогональності опорних сигналів, модульовані сигнали можна виявити незалежно один від одного.

В ідеальному випадку ${\displaystyle \scriptstyle I(t)}$ зворотня модулюється виконується за допомогою множення сигналу що передається із косинусним сигналом:

${\displaystyle {\begin{aligned}r(t)&=s(t)\cos(2\pi f_{0}t)\\&=I(t)\cos(2\pi f_{0}t)\cos(2\pi f_{0}t)-Q(t)\sin(2\pi f_{0}t)\cos(2\pi f_{0}t)\end{aligned}}}$

Використовуючи стандартні тригонометричні тотожності, ми можемо записати це як:

${\displaystyle {\begin{aligned}r(t)&={\frac {1}{2}}I(t)\left[1+\cos(4\pi f_{0}t)\right]-{\frac {1}{2}}Q(t)\sin(4\pi f_{0}t)\\&={\frac {1}{2}}I(t)+{\frac {1}{2}}[I(t)\cos(4\pi f_{0}t)-Q(t)\sin(4\pi f_{0}t)]\end{aligned}}}$

Фільтр низьких частот ${\displaystyle \scriptstyle r(t)}$ усуває високочастотні складові (що містять в собі ${\displaystyle \scriptstyle 4\pi f_{0}t}$), залишаючи лише складову ${\displaystyle \scriptstyle I(t)}$. Цей фільтрований сигнал не залежить від ${\displaystyle \scriptstyle Q(t)}$, що показує, що синфазна складова може бути отримана незалежно квадратурної складової. Так само ми можемо помножити ${\displaystyle \scriptstyle s(t)}$ на синусну хвилю і потім пропустити через фільтр низьких частот ${\displaystyle \scriptstyle Q(t)}$.

Аналогова КАМ має ті самі недоліки, що і односмугова модуляція: точна фаза носія потрібна аби правильно демодулювати сигнал на приймачі. Якщо демодулююча фаза хоча б трохи інша, це призведе до появи перехресних завад між модульованими сигналами. В КАМ системах потрібно вирішувати якимось чином цю задачу синхронізації носія на приймачі. Когерентний демодулятор повинен бути точно у фазі з отриманим сигналом, інакше модульовані сигнали не можна отримати незалежно. Зазвичай це досягається передачею імпульсного субносія або пілот-сигналу.

Аналогова КАМ використовується в:

• Аналогових системах кольорового телебачення NTSC і PAL, де I- та Q-сигнали передають компоненти хрома (колір) інформації. КАМ фаза-носій відновлується відновлюється із спеціального cигналу кольорової синхронізації, що передається на початку кожного рядка розгортки.
• C-QUAM ("Сумісна КАМ, англ. Compatible QAM") використовується в AM стерео радіо для передачі різниці стерео інформації.

Цифрова 16-КАМ з прикладом точок сузір'я

Як і в багатьох схемах цифрової модуляції, для КАМ можна побудувати діаграму сигнального сузір'я. В КАМ точки сузір'я, як правило, розташовуються у вигляді квадратної сітки із однаковими вертикальними і горизонтальними відстанями, хоча можливі і інші конфігурації (наприклад Крос-КАМ). Оскільки в цифрових телекомунікаціях дані як правило двійкові, кількість точок в сітці як правило це ступінь числа 2 (2, 4, 8, …). Оскільки КАМ зазвичай квадратні, найпоширенішими загальноприйнятими формами її є 16-КАМ, 64-КАМ і 256-КАМ. Переходячи до сузір'їв більш високого порядку, стає можливим передавати більше біт на символ. Однак, якщо середня енергія сузір'я залишається незмінною, точки повинні знаходитися ближче одна до одної, і тому такий сигнал буде більш чутливим до шуму і іншого спотворення; це призведе до більшої частоти бітових помилок і тому КАМ вищого порядку може передавати більше даних з меншою надійністю доставки їх, ніж КАМ нижчого порядку при постійній середній енергії сузір'я. Для використання КАМ вищого порядку, без збільшення при тому частоти бітових помилок необхідно мати краще співвідношення сигнал/шум збільшуючи енергію сигналу, зменшуючи шум або і те і інше одночасно.

Коли частота передачі даних, яку треба забезпечити більше ніж така, яку може утворити 8-ФМн, зазвичай переходять до використання КАМ, оскільки вона дозволяє досягти більшої відстані між сусідніми точками в площині I-Q, більш рівномірно розподіляючи точки. Ускладненням є те, що точки більше не мають однакової амплітуди, і тому демодулятор тепер повинен правильно визначати як фазу так і амплітуду.

• Модуляція (фізика)
• Квадратурно-фазова модуляція (КФМ)
• 16-позиційна КАМ
• Амплітудна модуляція
• Фазова модуляція
• Частотна модуляція