Η διαμόρφωση QAM στις υπηρεσίες της δορυφορικής διανομής σημάτων

Σε μεγάλα σύγχρονα συγκροτήματα κατοικιών (πολυκατοικίες, χωριά) είναι απορριπτέα η επιλογή εγκατάστασης ξεχωριστού συστήματος λήψης κεραιών για κάθε νοικοκυριού, για ποικίλους λόγους, όπως οικονομία, εμφάνιση, ευχρηστία. Σε αυτές τις περιπτώσεις γίνεται εξ’ αρχής σχεδιασμός κεντρικού δικτύου διανομής σημάτων, είτε αυτά είναι επίγεια, είτε δορυφορικά. Η τεχνολογία QAM πολλές φορές, ιδιαίτερα στο εξωτερικό, χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία τέτοιων δικτύων.

Η διανομή με διαμόρφωση QAM, όπως και με μεταλλαγή από συχνότητα IF σε IF, φαίνεται να είναι κάπως παρεξηγημένες, γιατί δεν είναι ευρέως διαδεδομένες και εφαρμοσμένες, ενώ προσφέρουν μεγάλη ευελιξία και δυνατότητες. Για τη διανομή QAM είναι λογικό, εφόσον αρμόζει περισσότερο σε εγκαταστάσεις μεγάλου μεγέθους, κάτι που δεν ισχύει όμως για τη διανομή IF -> IF, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μεγάλες, αλλά και σε μικρότερες εγκαταστάσεις.

Ένας τρόπος διανομής δορυφορικών προγραμμάτων είναι χρησιμοποιώντας τη διαμόρφωση QAM. Σε αντίθεση με τους πολυδιακόπτες, που προσφέρουν στη διανομή όλα τα προγράμματα που δορυφόρου που κάνουμε λήψη, στη διανομή QAM χρησιμοποιείται μια μονάδα για κάθε δορυφορικό πακέτο. Έτσι, λοιπόν, έχουμε ένα κέντρο επεξεργασίας σημάτων, που αποτελείται από ισάριθμες με τα κανάλια μονάδες και η έξοδός του οδηγείται στο δίκτυο διανομής (εικόνα 1). Όσον αφορά τη λήψη, διαφέρει από τις οικιακές μόνο στον τύπο του LNB, όπου χρησιμοποιείται Quatro (τέσσερις έξοδοι – κάθε έξοδος μια δορυφορική μπάντα), όπως και στους πολυδιακόπτες. Για να γίνει κατανοητή η λειτουργία της διανομής αυτής, πρέπει να αναφερθούμε στο θεωρητικό μέρος της διαμόρφωσης QAM. Είναι και μια πολύ καλή ευκαιρία να ρίξουμε και μια πολύ μικρή ματιά στις βασικές αρχές των τηλεπικοινωνιών και των διαμορφώσεων, ώστε να δημιουργηθεί σφαιρική άποψη για το θέμα.

Ένα ημιτονικό σήμα καθορίζεται από τρία χαρακτηριστικά: το πλάτος, τη συχνότητα και τη φάση. Όταν κάποιο από αυτά τα στοιχεία αλλάξει, διαφοροποιείται και το ημιτονικό σήμα. Εάν υποθέσουμε ότι το αρχικό σήμα αντιστοιχεί σε μια κατάσταση 1, τότε η διαφοροποίηση του σήματος, μετά την αλλαγή ενός χαρακτηριστικού του, αντιστοιχεί στην κατάσταση 0 και αντίστροφα. Οι καταστάσεις αυτές είναι η δυαδική αναπαράσταση των ψηφίων 1 και 0. Έτσι, αλλάζοντας μία παράμετρο του ηλεκτρικού σήματος, μπορούμε να αναπαραστήσουμε ψηφιακά δεδομένα. Οποιοδήποτε από τα τρία χαρακτηριστικά που αναφέρθηκαν, μπορεί να διαφοροποιηθεί, προσφέροντας τουλάχιστον τρεις μηχανισμούς για διαμόρφωση ψηφιακών δεδομένων σε ένα αναλογικό σήμα: Amplitude Shift Keying – ASK (με διαμόρφωση πλάτους), Frequency Shift Keying – FSK (με διαμόρφωση συχνότητας) και Phase Shift Keying – PSK (με διαμόρφωση φάσης). Αλλάζοντας το πλάτος, αλλά και τη φάση ενός σήματος, έχουμε ένα τέταρτο μηχανισμό διαμόρφωσης, που καλείται Quadrature Amplitude Modulation (Τεταρτημοριακή Διαμόρφωση Πλάτους), τη διαμόρφωση QAM (σχέδιο 1).

Τα σήματα που εκπέμπονται από τους δορυφόρους και λαμβάνονται από τα δορυφορικά κάτοπτρα, είναι διαμορφωμένα κατά QPSK. Στο σχέδιο 2 παρατηρούμε μια φέρουσα συχνότητα, διαμορφωμένη κατά PSK, η οποία μπορεί να ονομαστεί και 2-QPSK, γιατί χρησιμοποιούνται δύο διαφορετικές φάσεις (0 και 180 μοίρες). Στο σχέδιο 3 βλέπουμε αριστερά την αντιστοίχιση των bits στις δύο διαφορετικές καταστάσεις φάσης και, δεξιά, το διάγραμμα constellation, που αναπαριστά σε τριγωνομετρικούς άξονες τις δύο φάσεις.

Η QPSK, η οποία ονομάζεται και 4-QPSK, χρησιμοποιεί τέσσερις διαφορετικές φάσεις για να διαμορφώσει τη φέρουσα συχνότητα, διπλασιάζοντας έτσι τον αριθμό των bits, που αντιστοιχούν σε μια κατάσταση (σχέδιο 4). Με αυτόν τον τρόπο αξιοποιείται καλύτερα το δεδομένο εύρος ζώνης, που απαιτείται για την εκπομπή PSK. Μπορούν να αυξηθούν οι φάσεις, περνώντας σε διαμόρφωση 8-QPSK (κάθε εναλλαγή κατάστασης αναπαριστάται από 3 bits), με το μειονέκτημα ότι γίνεται δυσκολότερα η λήψη του σήματος από το δέκτη, ο οποίος πλέον έχει να ξεχωρίσει 8 διαφορετικές φάσεις, με μεγαλύτερες πιθανότητες σφάλματος.

Στην QPSK, όπως και στις άλλες διαμορφώσεις, αλλάζουμε ένα χαρακτηριστικό του ημιτονικού σήματος. Γιατί όμως, να μην αλλάξουμε δύο συγχρόνως; Οι περιορισμοί του εύρους ζώνης της διαμόρφωσης FSK, δεν επιτρέπουν το συνδυασμό της με άλλες διαμορφώσεις. Όμως, ο συνδυασμός των ASK και PSK έχει νόημα να γίνει, προσφέροντας διαφοροποιήσεις στο πλάτος, αλλά και στη φάση ταυτόχρονα. Αυτό ακριβώς κάνει η διαμόρφωση QAM. Παραλλαγές της QAM υπάρχουν αρκετές. Θεωρητικά, μπορεί να γίνει οποιοσδήποτε συνδυασμός αλλαγής πλάτους με αλλαγή φάσης.

Το σχέδιο 5 προβάλλει τα διαγράμματα των διαμορφώσεων 4-QAM και 8-QAM. Και στις δύο περιπτώσεις, οι αλλαγές πλάτους είναι λιγότερες από τις αλλαγές φάσεις. Επειδή οι αλλαγές στο πλάτος του σήματος είναι πιο ευάλωτες στο θόρυβο από τις αλλαγές στη φάση, στη διαμόρφωση QAM είναι πάντα λιγότερες από τις αλλαγές στη φάση.

Στο σχέδιο 6, βλέπουμε το διάγραμμα διαμόρφωσης 8-QAM, με άξονες το πλάτος και τη συχνότητα του σήματος. Παρατηρήστε εκτός από τις εμφανείς αλλαγές στο πλάτος του σήματος, τις αλλαγές στη φάση του.

Ορισμένα σύγχρονα, υψηλών απαιτήσεων πεδιόμετρα, πραγματοποιούν μετρήσεις QAM. Μία παραστατικότατη και πολύ χρήσιμη λειτουργία είναι η γραφική αναπαράσταση του Constellation Diagram της διαμόρφωση QAM. Έτσι, λοιπόν, όπως βλέπετε και στην εικόνα 2, από το διάγραμμα μπορούν να προκύψουν συμπεράσματα για την ποιότητα του σήματος. Στην εικόνα 2, συγκεκριμένα, απεικονίζεται ένα σήμα διαμόρφωσης 64-QAM και τα σημεία αναπαριστούν τις 64 φέρουσες συχνότητες. Όπως βλέπετε, σε αντίθεση με την εικόνα 3 (άριστο σήμα), οι φέρουσες είναι μετατοπισμένες από το κεντρικό σημείο όπου έπρεπε να βρίσκονται. Όταν λοιπόν ο δέκτης λάβει αυτό το σήμα, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα σφάλματος, εφόσον μπορεί να αντιστοιχίσει λάθος συντεταγμένες σε μία ή περισσότερες φέρουσες (παρατηρήστε κυρίως τα φωτεινά σημεία κάτω αριστερά της εικόνας 2, που βγαίνουν έξω από τα περιθώρια).

Όπως προαναφέρθηκε, σε κάθε μονάδα ενός κέντρου QAM (εικόνα 1), συντονίζουμε ένα δορυφορικό πακέτο. Στην έξοδο, επομένως, του κέντρου όπου ξεκινάει η διανομή, έχουμε ένα αριθμό πακέτων, όσα και οι μονάδες του κέντρου. Τώρα, στις πρίζες (είτε είναι τερματικές, είτε διέλευσης), ο τελικός χρήστης πρέπει να τοποθετήσει ένα δέκτη QAM, ώστε να μπορέσει να παρακολουθήσει τα προγράμματα της διανομής. Οι δέκτες φυσικά, διαφέρουν από τους κοινούς δέκτες QPSK, εφόσον μπορούν να αποδιαμορφώνουν σήματα QAM.

– Από τα σημαντικότερα θετικά της διανομής QAM, είναι ότι τα σήματα μεταφέρονται από τις υψηλές συχνότητες των δορυφορικών σημάτων, σε χαμηλότερες συχνότητες επιγείων καναλιών. Αυτό το χαρακτηριστικό επιτρέπει την προσαρμογή ενός κέντρου QAM σε υπάρχουσα εγκατάσταση, χωρίς κανένα πρόβλημα και συμβιβασμό, σε αντίθεση με τους πολυδιακόπτες.

– Ένα κέντρο QAM είναι πλήρως επεκτάσιμο. Μπορούν οποτεδήποτε, πολύ εύκολα, να προστεθούν επιπλέον μονάδες, που θα προσφέρουν στην εγκατάσταση πρόσθετα δορυφορικά πακέτα.

– Το κόστος ενός κέντρου QAM με ένα ικανοποιητικό αριθμό μονάδων (10 ψηφιακά πακέτα), είναι υψηλό για να τοποθετηθεί σε μικρές πολυκατοικίες ή ξενοδοχεία.

– Μπορεί να είναι μεν επεκτάσιμο το κέντρο, αλλά δεν παύει να περιορίζει τον αριθμό των ψηφιακών πακέτων προς διανομή, εφόσον για κάθε πακέτο απαιτείται μια ξεχωριστή μονάδα.

– Για τη λήψη των προγραμμάτων από τους τελικούς χρήστες, απαιτείται δέκτης QAM και όχι QPSK. Το αρνητικό εδώ, δεν έχει να κάνει με το κόστος, αλλά με τις δυνατότητες επιλογής, που για τους QAM δέκτες είναι μειωμένες.

Είναι αλήθεια ότι τα μειονεκτήματα της διανομής QAM την καθιστούν λίγο δύσκολη στην εφαρμογή, αλλά από την άλλη, είναι μια λύση η οποία πρέπει να λαμβάνεται υπόψιν κατά το σχεδιασμό ενός δικτύο. Δεν είναι απίθανο για παράδειγμα, σε ένα οικισμό με μεγάλες αποστάσεις και αρκετούς χρήστες, η διανομή QAM να δώσει λύση, τη στιγμή που οι πολυδιακόπτες δε θα μπορούσαν.