Konstellationsdiagramme verstehen und nutzen - Grundlagen
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Grundlagen
Konstellationsdiagramme verstehen
und nutzen
Konstellationsdiagramme Bevor wir uns jedoch damit • FM (Frequenzmodulation) das Signal moduliert wird. Bei
sind ein wichtiges befassen, wie Konstellations- • PM (Phasenmodulation) analogen Techniken wird ein
diagramme verwendet wer- Nachrichtensignal direkt auf
Werkzeug im Arsenal den, ist es wichtig, zu verste- Digitale Modulation eine Trägersinuswelle modu-
eines Ingenieurs bei der hen, welche Grundlagen hinter • PSK (Phasenumtastung) liert. Bei digitalen Techniken
Untersuchung, ob sich digitalen Modulationsschemata wird ein Nachrichtensignal von
stehen und warum sie verwen- • FSK (Frequenzumtastung) einem Analog/Digital-Wandler
ein digital moduliertes det werden. in digitale Bits verwandelt und
• MSK (Minimum Shift Keying)
Hochfrequenzsignal mit diesen die Trägersinuswelle
Hintergrundinformati • QAM (Quadraturamplituden- moduliert.
korrekt verhält und modulation)
beim Beheben der onen zu Signalen und
Modulationstypen Ob eine Technik analog oder In jedem Signalmodulations-
zugrunde liegenden digital ist, hängt davon ab, wie schema gibt es drei Variable,
Probleme, wenn dies Die drahtlose Übertragung von
Daten von einem Punkt zu einem
nicht der Fall ist. anderen ist in der Praxis zwar
komplex, aber einfach im Kon-
zept. Im weitesten Sinne gibt
es in diesem Prozess nur drei
Hauptschritte:
(1) Erzeugung eines reinen Trä-
gersignals (d.h. einer unmodu-
lierten Sinuswelle) im Sender
(2) Beeinflussung des Trägersi-
gnals mit Information (Modu-
lation)
(3) Extrahieren der Informa-
tionen aus dem empfangenen
Signal (Demodulation)
Es gibt viele Modulationstech-
Quelle: niken, die heute verwendet wer-
Application Note AN-005: den, aber alle sind in zwei große
Understanding Constellation Kategorien unterteilt, analog
Diagrams and How they are und digital.
Used Analoge Modulation
NuWaves Engineering, www.
nuwaves.com • AM (Amplitudenmodulation) Bild 1: Polardiagramm für Amplitude (Betrag) und Phase
48 hf-praxis 2/2020
Grundlagen
Datensatz darstellt (d.h. Größe Q-Komponente ein anschlie-
und Phase). Man übersetzt die ßender 90°-Phasenschieber im
Informationen zu Größe und Signalweg liegt. Die I/Q-Signale
Phase eines Signals in ein ein- werden dann zum kombinierten
faches Rechteck. Das ist ein- Ausgangssignal summiert (Bild
facher und etwas zweckmäßiger, 3). Die Summierung der I/Q-
wie aus Bild 2 hervorgeht [1, 3, Signale führt zum Erreichen
5]. Die Vorteile der Anzeige von der gewünschte Amplitude und
digital modulierten Signalen im Phase des kombinierten Aus-
rechteckigen I/Q-Format liegen gangssignals. Wenn dieses beim
auf der Hand, wenn verstanden Empfänger erfasst wird, erfolgt
der umgekehrte Vorgang. Das
wird, dass fast alle digital modu-
lierten Signale auf I/Q-Signalen kombinierte Signal wird wieder
beruhen. mit einem LO gemischt und auf-
geteilt in I- und Q-Signale, wie-
Hintergrund der mit dem Quadratursignal mit
informationen zur einem 90°-Phasenschieber im
I/Q-Modulation Signalweg. Die Aufteilung in
I- und Q-Signal im Empfänger
Zwei Signale werden als „in lässt sich einfach auf einer I/Q-
Quadratur“ bezeichnet, wenn sie Ebene abbilden und analysieren,
exakt phasengetrennt sind durch und das ist die Basis für Kon-
einen Winkel von 90 °. Quadra- stellationsdiagramme [1, 3, 5].
tursignale sind orthogonal und
Bild 2: I/Q-Diagramm über dem Polardiagramm interferieren nicht miteinander. I/Q-Daten und Kon
Die Quadraturmodulation nutzt stellationsdiagramme
mit denen ein Trägersignal Eine Möglichkeit zur Betrach- dieses Prinzip aus, indem zwei
manipuliert werden kann, um tung von Betrag und Phase eines Signale, die in Quadratur liegen, Die meisten digitalen Modula-
Informationen zu übermit- Signals bietet ein polares Dia- für ein kombiniertes Ausgangs- tionsschemata beinhalten eine
teln: Amplitude, Frequenz und gramm (Bild 1). In ihm wird die signal kombiniert werden. Der diskrete Anzahl von Symbolen,
Phase. Amplitudenmodulation Größe durch den Abstand des Vorteil davon ist, dass Amplitude die verwendet werden um Infor-
(AM) verändert die Stärke Punktes vom Ursprung darge- und Phase dieses Ausgangssi- mationen zu übermitteln. Diese
(oder Amplitude) eines Signals, stellt, während die Phase durch gnals unabhängig voneinander Symbole werden einem diskreten
während Frequenzmodulation den Winkel mit der horizontalen moduliert werden können, und Satz von Größen und Phasen-
(FM) und Phasenmodulation Achse zur gebildeten Linie vom das gleichzeitig und digital, ohne werten auf der I/Q-Ebene zuge-
(PM) beide den Phasenwinkel Ursprung bis zum Punkt darge- unnötig komplexen Aufwand ordnet, die als Konstellations-
stellt wird. hinzuzufügen (HF-Hardware- punkte bezeichnet werden.
eines Signals verändern. Dies
deshalb, weil die Frequenz ein Schaltung).
Praktischerweise verwenden Modulationsschemata mit einer
Maß für die Änderungsrate der digitale Modulationsschemata Die beiden Trägersignale wer- größeren Anzahl von Konstella-
Phase ist, während die Phase ein I/Q-Diagramms. Ein I/Q- den In-Phase (I) und Quadra- tionspunkten können mehr Infor-
relativ zu einem Referenzwin- Diagramm ist einfach ein Dia- tur (Q) genannt und mit einem mationen pro Symbol senden,
kel (typischerweise 0° relativ gramm unter Verwendung eines I/Q-Modulator erstellt. Im Sen- je mehr Symbole sich in einer
zum Trägersignal in digitaler rechteckigen Koordinatensy- der werden die I/Q-Signale bestimmten Modulationsart
Modulation) [1, 2, 3, 4, 5] stems, das über ein Polardia- mit einem lokalen Oszillator befinden, umso größer ist die
gemessen wird. gramm gelegt ist, das den selben (LO) gemischt, wobei bei der Anzahl von Bits, die ein ein-
Bild 3: Blockdiagramm eines I/Q-Senders (links) und eines I/Q-Empfängers (rechts)
50 hf-praxis 2/2020
Grundlagen
immer noch richtig interpretiert,
weil das empfangene Symbol in
den richtigen Entscheidungsab-
schnitt fällt. Dies ist dargestellt
in Bild 5.
Bei QPSK ist die I/Q-Ebene
jedoch unterteilt in vier
Abschnitte mit Entscheidungs-
grenzen auf der I- und der
Q-Achse, sodass weniger Spiel-
raum bleibt, um Fehler zu ver-
meiden. In QPSK würde ein
Symbol, das um 89° phasenver-
schoben empfangen wird, falsch
vom Empfänger interpretiert
und würde zu einem Symbol-
fehler führen.
Mithilfe von Polardiagrammen
wird der Momentanwert des Trä-
Bild 4: Zustandsdiagramme für BPSK (links) und QPSK (rechts) gersignals zu jedem Zeitpunkt
angezeigt. Dies schließt auch die
zelnes Symbol darstellen kann M=2n Nachteil ist jedoch, dass das Werte ein, die bei jedem Sym-
[1]. Zum Beispiel in der Binären M ... Anzahl der Konstellati- System weniger Fehlertoleranz boltaktübergang als Übergangs-
Phasenumtastung (BPSK) kann onspunkte aufweist (in Bezug auf Größe wege zwischen den einzelnen
jedes Symbol nur eine 0 oder und Phase) [1]. Entscheidungspunkten aufge-
eine 1 darstellen, weil es nur n ... Bits/Symbol oder n = log zeichnet wurden. In der Praxis ist
zwei Konstellationspunkte hat. 2 (M) Um dies besser zu verstehen,
ein Signal-Momentanwert in der
Man überträgt daher nur ein Bit erinnern wir uns an BPSK. Es
Bild 4 skizziert Zustandsdia- Regel unwichtig, es sei denn, die
pro Symbol. gibt hier nur zwei Konstellati-
gramme für BPSK (links) und Übergangswege zwischen Ent-
onspunkte, was bedeutet, dass
QPSK (rechts). scheidungspunkten sind erfor-
Quadratur-Phasenumtastung die gesamte I/Q-Ebene getrennt
derlich, um die Grundursache
(QPSK), die vier Konstellations- Daher kann QPSK theoretisch ist in nur zwei Abschnitte mit
eines dominanten Fehlbetriebs
punkte aufweist, kann die Werte doppelt so viele Daten mit der- der Entscheidungsgrenze auf
besser zu verstehen. Vielmehr
00, 01, 10 oder 11 darstellen und selben Menge übertragen in der der Q-Achse. Das bedeutet, dass
sind in der Regel wichtige Ent-
daher 2 Bits pro Symbol über- gleichen Bandbreite wie BPSK, ein empfangener I/Q-Wert 89°
scheidungspunkte ausschlagge-
tragen. Diese Beziehung kann oder es könnte die gleiche Daten- phasenverschoben sein kann,
bend, ausgerichtet am Symbol-
durch die folgende Gleichung menge mit der Hälfte der Band- ohne dass sich das beabsichti-
takt. Mit jedem Zyklus des Sym-
ausgedrückt werden: breite übertragen werden. Der gte Symbol verändert. Es wird
boltakts werden die erwarteten
I/Q- oder Magnitude/Phase-
Werte des Signals mit einem
entsprechenden Konstellations-
punkt für das gegebene Modu-
lationsschema abgeglichen. Die
Amplituden- und Phasenwerte
an diesen Entscheidungspunk-
ten werden erfasst und können in
einem Konstellationsdiagramm
angezeigt werden [1].
Die Aufmachergrafik zeigt ein
Konstellationsdiagramm (links)
und ein Polardiagramm (rechts)
für 64QAM mit einem Eingangs-
signal von -30 dBm.
Das Konstellationsdiagramm
ist nützlich, da es sowohl das
ideale (Referenz-)Signal anzeigt
als auch das tatsächlich gemes-
sene Signal - auf dem gleichen
Plot. Die idealen Signalorte im
Konstellationsdiagramm wer-
den abhängig vom Modulati-
Bild 5: Entscheidungsgrenzen für BPSK (links) und QPSK (rechts) onsformat generisch vordefiniert
52 hf-praxis 2/2020
Grundlagen
von I/Q-Betrag und -Phasenfeh-
ler näher beschreibt.
Referenzen
1] Keysight Technologies, Digi-
tale Modulation in Kommu-
nikationssystemen – eine Ein-
führung, https://literature.cdn.
keysight.com/litweb/pdf/5965-
7160E.pdf
[2] National Instruments, Analog
and Digital Modulation, National
Bild 6: Gemessene Signalsymbole (rote Punkte) stimmen zunehmend nicht mehr mit dem Ideal überein, Instruments, 19.3.2019, www.
Signalkonstellationspunkte (weiße Kreise) aufgrund größerer Signalverzerrung als Eingang, Pegel von -30 dBm auf 0 ni.com/en-us/innovations/white-
dBm erhöht papers/06/analog-and-digital-
Modulation.html
gewählt. In der Grafik reprä- zwischen den Endpunkten des Zusammenfassung
sentieren die 64 weißen Kreise gemessenen und des idealen [3] National Instruments, Was
die ideale Größe und Phase für Zeigers und ist ein Maß dafür, Konstellationsdiagramme sind sind I/Q-Daten?, 12.9.2018,
jedes der in 64QAM verwende- wie gut ein digitales Kommuni- ein unschätzbares Werkzeug www.ni.com/tutorial/4805/en/
ten Symbole. Die roten Punkte kationssystem funktioniert. Die zur Bewertung einer digitalen https://literature.cdn.keysight.
repräsentieren die gemessene EVM kann in Prozent als auch
Kommunikationssystemleistung. com/litweb/pdf/5965-7160E.pdf
Signalgröße und -phase für jedes Dezibel definiert werden [1].
der 64 Symbole. Diese grafischen Darstellungen
[4] BP Lathi und Z. Ding,
Der Größenfehler ist der Unter- eines digital modulierten Signals Modern Digital and Analog
Verwenden wir also Konstella- schied in der Größe zwischen kann verwendet werden, um ver- Communication Systems, 4.
tionsdiagramme, so können wir dem tatsächlichen und dem schiedene Arten von Signalver- Aufl., New York City, New York:
die Signalsituation im Kontext idealen Signal. Der Phasenfeh- zerrungen und Interferenzen zu Oxford University Press, 2009
einfach visualisieren und erken- ler ist der Winkel zwischen dem beheben und zu isolieren, um
nen, ob ein Signal eine gute Lei- gemessenen und dem idealen ihre Ursache zu bestimmen. [5] A. Wolke, Was ist Ihr IQ?
stung erbringt oder nicht. Zeiger (Bild 7). Das Aufteilen Diese Darstellung ist besonders Über Quadratursignale..., Tek-
Ein digitales Kommunikations- der EVM in diese beiden Kom- wirksam beim Identifizieren des tronix, 22.6.2015www.tek.com/
system funktioniert einwand- ponenten ist in der Regel der dominanten Fehlermodus´, der blog/what%E2%80%99s-your-
frei, wenn die roten Punkte erste Schritt, wenn die Fehler- die Integrität eines Signals bei iq-%E2%80%93-about-Quadra-
dicht gruppiert in jedem weißen behebung bei einem problema- Betrachtung im Zusammenhang tursignale% E2% 80% A6 ◄
Kreis sind. Wenn übermäßiges tischen System erfolgen soll.
Rauschen auftritt, also Verzer- Wenn ein Fehlertyp deutlich
rungen und Störgeräusche oder größer ist als der andere, wird
andere problematische Beiträge, dies als dominanter Fehlermo-
die die Integrität eines Signals dus bezeichnet und kann zum
beeinträchtigen, weicht die Dar- Isolieren des Problems führen.
stellung deutlich von diesem Wenn zum Beispiel der Fehler
Optimum ab. Es treten Phasen- der durchschnittlichen Größe
fehler auf, die dazu führen, dass der dominante Fehlermodus
die roten Punkte außerhalb der ist, könnte eine unerwünschte
Kreise, die das Ideal definieren, Amplitudenmodulation mit dem
liegen (Bild 6). Ergebnis einer AM-Verzerrung
Daher sind Konstellationsdia- das Problem sein. Sie kann z.B.
gramme hilfreich, um Signal- durch eine ungünstige Transi-
daten schnell zu visualisieren. storvorspannung, thermische
Effekte oder ungenügende
Die Fehlervektorgröße Abschirmung verursacht wor-
den sein. Wenn hingegen der
(EVM) durchschnittliche Phasenfeh-
Um Probleme zu identifizieren, ler den dominanten Fehlermo-
ist es auch nützlich, den Unter- dus darstellt, könnte eine uner-
schied zwischen gemessenem wünschte Phasenmodulation
und ideal zu quantifizierendem die Ursache sein. Verzerrungs-,
Signal durch Berechnung der Rausch-, Stör- und/oder Kreuz-
Fehlervektorgröße (Error Vector kopplungsprobleme in der Fre-
Magnitude, EVM) festzustellen. quenzerzeugung kommen als
Die EVM ist der skalare Abstand Ursache infrage [1]. Bild 7: Ein EVM-Beispiel für QPSK
hf-praxis 2/2020 53
Sie können auch lesen
