АМПЛИТУДНО-ФАЗОВАЯ И КВАДРАТУРНАЯ АМПЛИТУДНАЯ МАНИПУЛЯЦИИ В СТАНДАРТАХ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Аннотация: В статье приведен сравнительный анализ типов манипуляции сигналов, применяемых в стандартах цифрового телевидения: амплитудно-фазовой и квадратурной амплитудной манипуляции. Рассмотрены отличия их сигнальных созвездий, спектральная эффективность.

Ключевые слова: АФМ, КАМ, манипуляция, цифровое телевидение

Во втором поколении стандарта цифрового спутникового вещания DVB-S2, который является преемником популярного DVB-S, используется амплитудно-фазовый модулятор. 16АФМ и 32АФМ используются для специальных целей и полулинейной передачи. Однако данный вид модуляции может применяется и для широкого вещания, требуя при этом большего отношения сигнал/шум, а также сложных способов устранения искажений.

Амплитудно-фазовую модуляцию (АФМ) используют для того, чтобы реализовать модуляцию, нечувствительную к помехам. В этом случае сигналы, связанные с каждым битовым словом, имеют отдельную фазу и амплитуду. Выбор разности фаз и амплитуд сигналов между различными сигналами должен быть сделан таким образом, чтобы помехи, возникающие при передаче сигнала, такие как шум, фазовые сдвиги, многолучевое распространение и тому подобное, не будут мешать амплитуде и фазе сигнала до такой степени, чтобы вызвать неправильную оценку сигнала.

Другим способом решения проблем, возникающих при фазовой манипуляции, является использование квадратурной амплитудной манипуляции (КАМ). При данном виде манипуляции, также как при АФМ, изменяется и амплитуда, и фаза сигнала. КАМ широко используется в качестве схемы модуляции для цифровых систем связи. Однако, амплитудно-фазовая манипуляция имеет преимущество по сравнению с обычной квадратурной амплитудной манипуляцией, так как имеет меньшее число возможных уровней амплитуды, что приводит к уменьшению проблем с нелинейными усилителями.

Амплитудно-фазовая манипуляция представляет собой комбинацию фазовой и амплитудной манипуляций. Таким образом, при передачи данных изменяется и амплитуда и фаза несущего колебания. Амплитудно-фазовый модулированный сигнал описывается формулой (1) .

Пример временной и векторной диаграммы сигнала для 8АФМ показан на рисунке 1. В данном случае 4 первых вектора имеют одну амплитуду, а 4 последующих – другую. На временной диаграмме хорошо видны одновременные изменения значения амплитуды и частоты сигнала во время начала передачи символа .

При квадратурной манипуляции (КАМ) изменяется не только фаза, но и амплитуда передаваемого сигнала. В случае 4КАМ передаются 2 бита за символ, при 16КАМ - 4 бита на символ, и т. д. Таким образом, увеличивается скорость передачи сигналов. Квадратурную амплитудную манипуляцию можно считать частным случаем амплитудно-фазовой манипуляции, при которой угол между сигналами прямой. На рисунке 4 представлены созвездия КАМ .

Квадратурная амплитудная манипуляция применяется в различных стандартах цифрового телевидения. Например, 16КАМ используется в стандарте спутникового вещания DVB-S, КАМ более высоких порядков применяются в кабельном и наземном вещании (стандарты DVB-C и DVB-T).

АФМ, также как и КАМ, имеет преимущество по сравнению с фазовой манипуляцией (ФМн), так как является манипуляцией более устойчивой к шумам и фазовым сдвигам. Сравнение сигнальных созвездий 32(4+12+16)АФМ и 32ФМн представлено на рисунке 3.

Кроме того, амплитудно-фазовая манипуляция имеет преимущество по сравнению с квадратурной амплитудной манипуляцией: в случае АФМ используется меньшее количество амплитудных уровней, что позволяет уменьшить проблемы с усилителями. Отличие сигнальных созвездий 16АФМ и 16КАМ показано на рисунке 4 .

Модуляция АФМ используется в стандарте спутникового цифрового  телевидения DVB-S2. На рисунке 5 представлено сравнение спектральной эффективности различных видов модуляции, использующихся в стандартах DVB-S и DVB-S2 .