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Co-Authored-By: Claude Sonnet 5.5 <[email protected]>
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Bisher haben wir ASK und PSK kennengelernt. Es scheint für beide Verfahren zunächst nahezuliegen, die Anzahl der Symbole möglichst groß zu wählen, damit pro Symbol möglichst viele Informationen übertragen werden können. Doch dann muss ein Empfänger z. B. zwischen vielen unterschiedlichen Amplituden unterscheiden können. Somit wird das Verfahren anfälliger für Störungen.
Hittills har vi lärt oss ASK och PSK. För båda metoderna verkar det först självklart att välja så många symboler som möjligt, så att varje symbol kan överföra så mycket information som möjligt. Men då måste en mottagare till exempel kunna skilja mellan många olika amplituder. Metoden blir därmed känsligare för störningar.
Um dieses Problem zu mildern, kann man auf einen Trick zurückgreifen: Anstelle der Änderung nur eines Parameters (z. B. der Amplitude) werden pro Symbol zwei Parameter verändert, nämlich die Amplitude und die Phase. Ein Symbol entspricht dann einer Kombination einer bestimmten Amplitude mit einer bestimmten Phasenlage. So ergibt sich trotz kleiner Anzahl unterschiedlicher Amplituden und Phasenlagen dennoch eine größere Anzahl an Symbolen. Bei gleicher Symbolrate können somit mehr Bits pro Sekunde übertragen werden. Dieses Verfahren wird *Quadraturamplitudenmodulation* (QAM) genannt.
För att mildra detta problem kan man ta till ett knep: I stället för att ändra bara en parameter (till exempel amplituden) ändras två parametrar per symbol, nämligen amplitud och fas. En symbol motsvarar då en kombination av en viss amplitud och ett visst fasläge. Trots ett litet antal olika amplituder och faslägen får man på så vis ändå ett större antal symboler. Vid samma symbolhastighet kan alltså fler bitar per sekund överföras. Metoden kallas *kvadraturamplitudmodulation* (QAM).
Die Abbildung [ref:a_8qam] zeigt ein 8-QAM-Signal im zeitlichen Verlauf. Jedes Symbol besitzt eine bestimmte Amplitude, eine bestimmte Phasenlage und eine 3-stellige Bitfolge, die durch das Mapping festgelegt ist. Mit jedem Symbol können somit drei Bits übertragen werden. Die Abbildung [ref:a_16qam] zeigt ein 16-QAM-Mapping im Konstellationsdiagramm. Jedes Symbol entspricht einer Kombination aus einer bestimmten Amplitude und einer bestimmten Phasenlage. Mit jedem Symbol können somit vier Bits übertragen werden.
Bild [ref:a_8qam] visar en 8-QAM-signal som funktion av tiden. Varje symbol har en viss amplitud, ett visst fasläge och en tresiffrig bitföljd som bestäms av mappningen. Med varje symbol kan alltså tre bitar överföras. Bild [ref:a_16qam] visar en 16-QAM-mappning i konstellationsdiagrammet. Varje symbol motsvarar en kombination av en viss amplitud och ett visst fasläge. Med varje symbol kan alltså fyra bitar överföras.
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[picture:702:a_8qam:Signalverlauf eines 8QAM-Signals, je Symbol mit Amplitude ($\num{0,5}$ bzw. $\num{1}$), Phasenlage und 3-stelliger Bitfolge]
[picture:1061:a_16qam:I-Q-Diagramm für ein 16-QAM-Mapping]
[picture:702:a_8qam:Signalförlopp för en 8QAM-signal, för varje symbol med amplitud ($\num{0,5}$ resp. $\num{1}$), fasläge och tresiffrig bitföljd]
[picture:1061:a_16qam:I/Q-diagram för en 16-QAM-mappning]
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[question:AE403]
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Nachdem wir die I/Q-Darstellung, das Konstellationsdiagramm und die Quadraturamplitudenmodulation kennengelernt haben, stellt sich die Frage, wie ein solches Signal technisch erzeugt werden kann. Dazu kann ein sogenannter *I/Q-Modulator* verwendet werden.
Nu när vi har lärt oss I/Q-representationen, konstellationsdiagrammet och kvadraturamplitudmodulation uppstår frågan hur en sådan signal kan skapas tekniskt. Det kan göras med en så kallad *I/Q-modulator*.
Ein I/Q-Modulator arbeitet mit zwei Trägern gleicher Frequenz, die um $\qty{90}{\degree}$ gegeneinander phasenverschoben sind. Der erste Träger wird mit dem I-Signal und der um $\qty{90}{\degree}$ phasenverschobene Träger mit dem Q-Signal gewichtet. Abbildung [ref:a_iq_modulator] zeigt das Blockschaltbild eines I/Q-Modulators.
En I/Q-modulator arbetar med två bärvågor med samma frekvens som är fasförskjutna $\qty{90}{\degree}$ mot varandra. Den första bärvågen viktas med I-signalen och den bärvåg som är fasförskjuten $\qty{90}{\degree}$ viktas med Q-signalen. Bild [ref:a_iq_modulator] visar blockschemat för en I/Q-modulator.
Anschließend werden die beiden modulierten Träger addiert. Je nachdem, welche Werte I und Q besitzen, entsteht dadurch ein Signal mit einer bestimmten Amplitude und Phasenlage. Werden die Werte von I und Q verändert, kann sich somit sowohl die Amplitude als auch die Phase des resultierenden Signals ändern.
Därefter adderas de två modulerade bärvågorna. Beroende på vilka värden I och Q har uppstår en signal med en viss amplitud och ett visst fasläge. Om värdena för I och Q ändras kan alltså både amplituden och fasen hos den resulterande signalen ändras.
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[picture:196:a_iq_modulator:Blockschaltbild eines I/Q-Modulators]
[picture:196:a_iq_modulator:Blockschema för en I/Q-modulator]
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Das Ganze lässt sich leicht mathematisch beschreiben. Für die Summe eines Cosinus-Trägers mit einem anderen, um $\qty{90}{\degree}$ phasenverschobenen Cosinus-Träger gilt folgender Zusammenhang:
Sammanhanget går lätt att beskriva matematiskt. För summan av en cosinusbärvåg och en annan, $\qty{90}{\degree}$ fasförskjuten cosinusbärvåg gäller följande samband:
$ I(t)\cdot \cos\left(\omega t\right) + Q(t)\cdot \cos\left(\omega t + \qty{90}{\degree}\right)=A \cdot \cos\left(\omega t+\phi\right) $
Es entsteht also ein neues Cosinussignal mit einer Amplitude von
Det uppstår alltså en ny cosinussignal med amplituden
$A=\sqrt{I(t)^2 + Q(t)^2}$
und einer Phasenverschiebung von
och fasförskjutningen
$ \phi = \operatorname{atan2}\left(Q(t),I(t)\right)$
@@ -41,21 +39,18 @@ $ \phi = \operatorname{atan2}\left(Q(t),I(t)\right)$
</indepth>
</webonly>
[question:AF632]
[question:AE404]
I ett digitalt system kan värdena för I och Q mycket enkelt skapas i programvara. Till exempel tilldelar en mikrokontroller, signalprocessor eller SDR varje symbol som ska överföras två talvärden för I och Q. En signalpunkt i konstellationsdiagrammet motsvarar alltså direkt ett värdepar $(I,Q)$.
In einem digitalen System können die Werte für I und Q sehr einfach in Software erzeugt werden. Dazu ordnet beispielsweise ein Mikrocontroller, Signalprozessor oder SDR jedem zu übertragenden Symbol zwei Zahlenwerte für I und Q zu. Ein Signalpunkt im Konstellationsdiagramm entspricht somit unmittelbar einem Wertepaar $(I,Q)$.
Vid 16-QAM kan man till exempel använda fyra olika värden för I och fyra för Q. Genom att kombinera dem uppstår de $\num{16}$ olika signalpunkterna. Programvaran behöver för varje symbol bara mata ut de I- och Q-värden som hör till den önskade signalpunkten.
Bei einer 16-QAM könnten beispielsweise für I und Q jeweils vier unterschiedliche Werte verwendet werden. Durch ihre Kombination entstehen die $\num{16}$ verschiedenen Signalpunkte. Die Software muss für jedes Symbol lediglich die zum gewünschten Signalpunkt gehörenden I- und Q-Werte ausgeben.
Die zunächst digitalen Zahlenwerte für I und Q können anschließend mit zwei DA-Wandlern in analoge Spannungen umgewandelt und dem I/Q-Modulator zugeführt werden. So lässt sich praktisch jeder gewünschte Punkt im Konstellationsdiagramm durch Software erzeugen. Moderne *Software Defined Radios* (SDR) nutzen genau dieses Prinzip: Ein großer Teil der Modulation wird nicht mehr durch fest verdrahtete analoge Schaltungen festgelegt, sondern durch die Berechnung der I- und Q-Signale in Software.
De först digitala talvärdena för I och Q kan sedan omvandlas till analoga spänningar med två DA-omvandlare och matas till I/Q-modulatorn. På så vis kan i praktiken vilken punkt som helst i konstellationsdiagrammet skapas med programvara. Moderna *Software Defined Radio* (SDR) använder precis denna princip: En stor del av moduleringen bestäms inte längre av fast kopplade analoga kretsar utan av beräkningen av I- och Q-signalerna i programvara.
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Ein I/Q-Modulator ist dabei keineswegs auf digitale Modulationsverfahren wie QPSK oder QAM beschränkt. Anstelle einzelner fester I- und Q-Werte kann die Software auch kontinuierlich veränderliche Signalverläufe für I und Q berechnen. Damit lassen sich auch analoge Modulationsverfahren erzeugen.
En I/Q-modulator är på intet sätt begränsad till digitala moduleringsmetoder som QPSK eller QAM. I stället för enskilda fasta I- och Q-värden kan programvaran också beräkna kontinuerligt varierande signalförlopp för I och Q. Därmed kan även analoga moduleringsmetoder skapas.
Bei einer Amplitudenmodulation wird beispielsweise die Länge des resultierenden Signalzeigers verändert. Bei einer Phasenmodulation wird sein Winkel verändert. Auch bei einer Frequenzmodulation wird die Phase des Signalzeigers kontinuierlich verändert, wobei die Geschwindigkeit dieser Phasenänderung die momentane Frequenz bestimmt. Mit zwei passend erzeugten I- und Q-Signalen lässt sich außerdem ein Einseitenbandsignal (SSB) erzeugen.
Vid amplitudmodulation ändras till exempel längden på den resulterande signalvektorn. Vid fasmodulation ändras dess vinkel. Även vid frekvensmodulation ändras signalvektorns fas kontinuerligt, där hastigheten på fasändringen bestämmer den momentana frekvensen. Med två lämpligt skapade I- och Q-signaler kan dessutom en enkelsidbandssignal (SSB) skapas.
Mit demselben I/Q-Modulator können daher unter anderem AM, FM, PM, SSB, PSK und QAM erzeugt werden. Lediglich die I- und Q-Signale müssen jeweils anders berechnet werden.
Med samma I/Q-modulator kan man därför bland annat skapa AM, FM, PM, SSB, PSK och QAM. Det är bara I- och Q-signalerna som måste beräknas på olika sätt.
Der I/Q-Modulator ist damit gewissermaßen das "Schweizer Taschenmesser der Modulatoren". Dies ist zugleich ein wesentlicher Grund für die große Flexibilität moderner SDR-Technik: Das verwendete Modulationsverfahren wird zu einem großen Teil durch Software bestimmt, während die Hochfrequenzhardware weitgehend unverändert bleiben kann.
I/Q-modulatorn är därmed på sätt och vis ”modulatorernas armékniv”. Det är samtidigt en väsentlig orsak till den stora flexibiliteten hos modern SDR-teknik: Vilken moduleringsmetod som används bestäms till stor del av programvaran, medan högfrekvenshårdvaran i stort sett kan förbli oförändrad.