Quadraturamplitudenmodulation

Modulationsverfahren dienen einer vielfältigen Signalübermittlung, wobei immer nur ein Informationssignal eine bestimmte Trägerfrequenz moduliert. Wird gleichzeitig eine zweite Information nach dem gleichen Modulationsverfahren auf denselben Träger moduliert werden, so lassen sich nach der Demodulation die beiden Informationen nicht mehr trennen. Sie haben sich additiv überlagert und ein neues Summensignal gebildet.

Die Signaltrennung ist möglich, wenn zwei unterschiedliche Träger mit jeweils einem der Signale moduliert werden. Haben beide Träger die gleiche Frequenz, dann müssen sie zueinander in einer festen Phasenverschiebung stehen. Eine einfache und leicht verständliche Möglichkeit bietet die Phasenverschiebung von 90°. Der erste Träger mit der Bezugsphase 0° entspricht der Sinusschwingung. Der zweite Träger mit gleicher Frequenz wird aus ihm durch eine 90°-Phasenverschiebung gewonnen und stellt sich als Cosinusschwingung dar.

Beide Träger lassen sich auch nach der Modulation durch geeignete Schaltungen einwandfrei trennen. Zu den Zeitpunkten, wo eine Trägerschwingung durch null geht, hat der andere Träger sein Maximum. Für alle anderen Zeiten errechnen sich die Amplitudenwerte aus der geometrischen Addition der Werte in x- und y-Richtung.

Die Amplituden der zueinander um 90° phasenverschobenen Träger liegen in allen vier Quadranten des rechtwinkligen Koordinatensystems. Die Amplituden der nicht modulierten Träger liegen auf einem Kreis. Das Bild, als Lissajou-Figur bekannt, erhält man am Oszilloskop im X–>Y Betrieb, bei dem die interne Zeitablenkung durch das Signal eines Kanals ersetzt wird.

Die Sinus- und Cosinus-Träger gleicher Frequenz werden in ihrer Amplitude moduliert. Das Verfahren nennt sich Quadraturamplitudenmodulation, abgekürzt QAM, da sich der Summenzeiger in zwei senkrecht zueinanderstehende Komponenten trennen lässt. Das hier beschriebene Verfahren ist die analoge QAM, die zum Beispiel in der analogen Farbfernsehtechnik zum Einsatz kommt. Dort modulieren die beiden Farbdifferenzsignale (B−Y) und (R−Y) die Amplitude derselben 4,43 MHz Trägerfrequenz. Für das (B−Y) Signal liegt der Farbträger in seiner 0° Phasenlage als Sinusschwingung und für das (R−Y) Signal in der fest verkoppelten 90° Phasenlage als Cosinusschwingung vor. Das entstehende Farbartsignal F ist das QAM-Signal.

Da der Träger selbst keine Information enthält, kann er im Modulationsverfahren unterdrückt werden. Die AM-Verfahren mit unterdrücktem Träger haben eine bessere Leistungsbilanz. Die Energie, die der Sender für den Träger einspart, kann den Seitenbändern zugewiesen werden. Zur fehlerfreien Demodulation im Empfänger müssen die senderseitigen Trägereigenschaften bekannt sein. Der Sender muss ein an den ursprünglichen Träger gekoppeltes Triggersignal senden. Mit diesem Hilfssignal wird der Hilfsträgeroszillator im Empfänger synchronisiert.

Das Blockschaltbild zeigt die Entstehung eines analogen QAM-Signals. Als Modulatoren eignen sich Diodenringmodulatoren oder Vollmultiplizierer. Ein HF-Oszillator generiert die Trägerschwingung. Sie wird im Modulator ZM1 direkt vom Informationssignal NF1 zur AM mit unterdrücktem Träger (rot) moduliert. Der Träger durchläuft den Phasenschieber und wird als Cosinussignal im Modulator ZM2 vom zweiten Informationssignal NF2 in der Amplitude moduliert (blau). Beide AM-Signale bilden in einer Addierstufe das QAM-Signal (grün).

Der folgende Videoclip zeigt QAM-Signale für Informationsfrequenzen. Um noch Auflösungen im Signalverlauf erkennen zu können, sind die Frequenzen bewusst niedrig gehalten. Die Simulation verwendet Produktmodulatoren und erzeugt ZM-Signale. Das ZM-Ausgangssignal ist zuerst im Zeitdiagramm und dann in der I-Q-Darstellung zu sehen. Die Inline-(I)-Achse entspricht mit φ=0° dem Sinusträger und die Quadratur-(Q)-Achse dem Cosinusträger mit φ = 90°. Dem I-Q-Diagramm ist zu entnehmen, dass der Zeiger des analogen QAM-Signals alle Punkte innerhalb der Kreisfläche einnehmen kann. Mit der einblendbaren Controlleiste kann das Video individuell gesteuert werden.

Demodulation der QAM

Zur Demodulation müssen im Empfangsgerät die zum Sender entsprechenden Sinus- und Cosinusträger generiert werden. Zwei gleiche Demodulatorschaltungen erhalten als Eingangssignal das QAM-Signal. Ein Demodulator erhält den Hilfsträger, mit der 0°-Phasenlage, der andere Demodulator erhält den um φ = 90° in der Phase gedrehten Hilfsträger. An den Ausgängen stehen die getrennten, demodulierten Informationssignale zur Verfügung. Die Phasendrehung kann mithilfe einer geeignet dimensionierten OPV-Integrierschaltung erfolgen. Das Blockschaltbild zeigt das QAM-Demodulationsverfahren.

Das vom Sender kommende Trägerhilfssignal wird im Empfänger von einem Bandpass ausgefiltert und kann mithilfe einer Phasenregelschleife den Trägeroszillator im Empfänger phasenstarr an den im QAM-Signal unterdrückten Sendeträger binden. Das gewährleistet die korrekte Demodulation zum Erhalt der beiden NF-Signale.

Beim PAL-Farbfernsehen wird periodisch nach jeder Zeile die V-Komponente um 180° umgeschaltet. Daher muss vor der QAM-Demodulation im Laufzeitdecoder eine Auftrennung in die beiden ZM-Komponenten durchgeführt werden. Gleichzeitig wird auch der entsprechende Träger um 180° umgeschaltet. Die beiden Demodulatoren erhalten das getrennte U-ZM- und ±V-ZM-Signal mit den phasenrichtigen Hilfsträgern.