Was ist QAM (Quadrature Amplitude Modulation)?

QAM steht für "Quadrature Amplitude Modulation" und ist eine Modulationstechnik, die in der drahtlosen Kommunikation, in der Übertragung von digitalen Signalen über Kabel und anderen Übertragungsmedien verwendet wird. Bei QAM werden sowohl die Amplitude als auch die Phase einer Trägerwelle moduliert, um digitale Daten zu übertragen.

QAM ermöglicht es, mehrere Bits von digitalen Daten auf ein einzelnes Signal zu übertragen, indem verschiedene Amplituden- und Phasenzustände der Trägerwelle genutzt werden. Je mehr Zustände verwendet werden, desto mehr Bits können pro Signal übertragen werden. Beispielsweise kann 16-QAM 16 verschiedene Zustände darstellen und somit 4 Bit pro Symbol übertragen, während 64-QAM 64 Zustände verwendet, um 6 Bit pro Symbol zu übertragen.

QAM wird in vielen drahtlosen Kommunikationssystemen wie WLAN, Mobilfunk und Satellitenkommunikation eingesetzt, um eine effiziente und leistungsfähige Datenübertragung zu ermöglichen. Es ist jedoch anfällig für Störungen und Rauschen, da die Unterscheidung zwischen den verschiedenen Zuständen schwieriger wird, wenn die Signalqualität beeinträchtigt wird.

QAM Modulationsschema

RF-Wellen haben drei Haupteigenschaften, die wir kontrollieren können, um Informationen auf sie zu übertragen: die Amplitude, die Frequenz und die Phase. Digitale Kommunikationssysteme arbeiten mit Einsen und Nullen, die einfach zu kodieren sind. Bei der Amplitudenmodulation reicht ein einfacher Ein-/Aus-Schalter aus, um 1 und 0 zu kodieren. Mit Frequenzmodulation erledigen Signale mit zwei verschiedenen Frequenzen die Aufgabe. Und mit Phasenmodulation wird das Signal um 180 Grad verschoben.

Die QAM ist eine Kombination aus Amplituden- und Phasenmodulation. Hier ist das einfachste QAM-Modulationsschema: Am Eingang werden digitale Daten in Gruppen von Bits oder Symbolen verarbeitet. Am anderen Eingang des Modulators befindet sich das RF-Trägersignal. Diese Eingangssignale werden im Modulator kombiniert, der die Amplitude und die Phase des resultierenden Ausgangssignals steuert. Dadurch können wir im Vergleich zu jeder anderen Modulation allein mehr Informationen auf das Signal übertragen.

Die Länge des Symbols bestimmt die QAM-Modulationstiefe und die maximale Anzahl der Symbole. Die Symbole können in ein sogenanntes Konstellationsdiagramm abgebildet werden. Das QPSK hat 4 mögliche Symbole mit 2 Informationsbits pro Symbol, das 16QAM hat 16 Symbole mit 4 Informationsbits pro Symbol, 64QAM hat 64 Symbole und so weiter.

QAM-Modulation Raten im Überblick

Aufgrund von Störungen schwanken die übertragenen Symbole um den idealen Wert herum. Die Rauschgrenze von QAM mit gegebener Tiefe wird durch den Punkt bestimmt, an dem die akzeptablen Rauschpegelbereiche für jedes Symbol beginnen, sich zu überlappen. Sobald dies geschieht, können die überlappenden Symbole falsch identifiziert werden, was zu Fehlern bei der Datenübertragung führen kann.

Mit zunehmender QAM-Tiefe packen wir mehr Informationen in dasselbe Signal, aber wir verringern auch den Abstand zwischen den Symbolen, was natürlich den akzeptablen Rauschpegel verringert und der Grund dafür ist, warum hohe MCS-Raten hohe Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)-Werte benötigen, um zu funktionieren.

Wenn wir den Standard 802.11ac und einen 20-MHz-Kanal betrachten, benötigen wir mindestens 5 dB SNR für QPSK, 11 dB SNR für 16QAM, 18 dB SNR für 64QAM und so weiter. Für die praktische Anwendung kombinieren die MCS-Raten des 802.11ac-Standards Informationen zur Modulationstiefe, zur Anzahl der räumlichen Kanäle und zur Kodierungsrate - die angibt, welcher Teil der übertragenen Daten Benutzerdaten ist.

QAM Bedeutung für Wi-Fi (Heimnetzwerk)

QAM-Modulationen spielen auch im Wi-Fi (Heimnetzwerk) eine entscheidende Rolle, da sie die Datenübertragungseffizienz und -kapazität in drahtlosen Netzwerken verbessern. Im Wi-Fi-Umfeld werden QAM-Modulationen verwendet, um die Datenübertragung zwischen WLAN-Routern und -Geräten zu optimieren.

• QAM-Modulationen wie 16QAM, 64QAM und höhere Varianten werden im Wi-Fi-Standard eingesetzt, um höhere Datenraten und eine bessere Übertragungseffizienz zu erzielen. Je höher die QAM-Stufe, desto mehr Bits können pro Symbol übertragen werden, was zu schnelleren Datenraten führt.

• Die Wahl der QAM-Modulation hängt von der Signalqualität ab. In Umgebungen mit geringem Rauschen und guter Signalstärke können höhere QAM-Stufen verwendet werden, um schnellere Datenraten zu erreichen. In störungsanfälligen Umgebungen kann jedoch eine niedrigere QAM-Stufe gewählt werden, um die Stabilität der Verbindung aufrechtzuerhalten.

• Die Unterstützung von fortgeschrittenen QAM-Modulationen ist eine der Möglichkeiten, wie Wi-Fi 6 (802.11ax) und Wi-Fi 6E die Leistung im Heimnetzwerk verbessern. Diese Standards ermöglichen es, mehr Daten mit höherer Effizienz zu übertragen und gleichzeitig die Verbindungsdichte in stark frequentierten Umgebungen zu erhöhen.

QAM Bedeutung für das 4G und 5G Netz

QAM-Modulationen spielen eine entscheidende Rolle in den Mobilfunknetzen der 4G- und 5G-Generationen (LTE und 5G). Sie werden verwendet, um die Übertragungseffizienz und die Datenraten in diesen Netzwerken zu optimieren.

In 4G (LTE):

• In LTE-Netzwerken werden QAM-Modulationen wie 16QAM und 64QAM eingesetzt, um höhere Datenraten zu ermöglichen. Durch die Verwendung von mehr Symbolen pro Übertragung können größere Datenmengen pro Zeiteinheit übertragen werden.
• Dies trägt dazu bei, die Kapazität des Netzwerks zu erhöhen und eine schnellere Datenübertragung für Benutzer zu ermöglichen.

In 5G:

• In 5G-Netzwerken wird eine breite Palette von QAM-Modulationen verwendet, einschließlich 256QAM und sogar noch höheren Varianten.
• Diese Modulationen ermöglichen extrem hohe Datenraten und effiziente Nutzung des verfügbaren Spektrums.
• Mit 5G werden größere Bandbreiten und Frequenzbereiche genutzt, was die Verwendung von anspruchsvolleren QAM-Modulationen ermöglicht.
• Dies führt zu beeindruckenden Datenraten und einer verbesserten Netzwerkleistung, was für Anwendungen wie HD- und UHD-Video-Streaming, Virtual Reality (VR) und das Internet der Dinge (IoT) von entscheidender Bedeutung ist.

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Quellen

QAM Formats: 8-QAM, 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM, 128-QAM, 256-QAM (eng.) | Inside Wireless: QAM modulation (Video eng.) |