Modulação de amplitude: formatos e seus diferenciais.

Os formatos de modulação PAM (Modulação de Amplitude de Pulso) são uma categoria de modulações digitais que codificam o sinal mensagem na amplitude de diversos pulsos de sinais. A amplitude do pulso depende do valor da amostra em cada instante de tempo.

Dois formatos de modulação PAM muito comuns nas comunicações ópticas são o PAM2 (mais comumente referido como NRZ – Non-return-to-zero) e PAM4. No NRZ, uma condição específica é atribuída ao bit ‘1’, geralmente uma voltagem positiva, e uma outra condição específica é atribuída ao bit ‘0’, geralmente uma voltagem negativa, sem nenhum outro nível neutro ou condição de repouso. Ou seja, ao todo possuímos dois estados (ou níveis) possíveis.

Já no PAM4, os bits são codificados entre 4 diferentes níveis de pulso, de acordo com uma combinação de 2 bits/pulso. Dessa forma, serão atribuídos diferentes estados para ‘00’, ‘01’, ‘10’ e ‘11’. Podemos então perceber que o PAM4 é duas vezes mais eficiente que o NRZ, considerando que em cada pulso ele carrega o dobro de dados.

Para esses formatos, a detecção é feita usando detecção direta, ou seja, o receptor é capaz de extrair do sinal portadora apenas sua amplitude. O detector para PAM4 deverá ser mais preciso (e por consequência mais custoso), visto que possui mais níveis dentre os quais ele deve diferenciar.

Por motivos como esse, o NRZ é usado mais comumente em soluções de até 25 Gbps, enquanto o PAM4 é mais usado em soluções acima de 50 Gbps.

PSK 

O PSK (Phase Shift Keying) é um processo de modulação digital onde os dados são codificados alterando a fase de um sinal referência com frequência constante (onda portadora). Como em sinais digitais, os dados são finitos e discretos, o PSK M-ário seleciona um número M de fases, definindo diferentes estados para cada combinação de bits possível.

Dentre os mais comuns, temos o BPSK e o QPSK. O modelo BPSK (também referido como 2PSK), Binary Phase Shift Keying, trata-se do modelo onde são utilizados dois estados, onde cada bit é atribuído a um estado, sendo os dois estados defasados por 180°. Enquanto no QPSK, Quadrature Phase Shift Keying, são relacionados 4 estados, defasados por 90°, a combinações de 2 bits. Também podemos ter M-PSK de ordens maiores, como o 8PSK, que possui 8 estados possíveis, 3 bits/símbolo e defasagem de 45º graus entre os estados mais próximos. Abaixo, seguem as constelações das três modulações citadas:

A detecção do sinal será realizada utilizando um esquema de detecção direta, visto que é suficiente ter informações sobre a fase dos sinais para identificar em qual estado o símbolo se encontra. Para cada caso, são definidos limites de decisão ótima, onde o detector entende que se um símbolo se encontra entre dois limites, ele estará no estado definido para eles.

Dito isso, é possível visualizar que quanto maior a ordem do PSK, menor será a região de decisão, portanto a probabilidade de erro aumenta. Isso exige que, à medida que a ordem aumenta, a qualidade e a assertividade do detector e dos métodos de correção de erro também aumente.

QAM Modulação de Amplitude em Quadratura

A família de modulações QAM (Modulação de Amplitude em Quadratura) utiliza estados com variações na modulação de amplitude e na fase para representar diferentes conjuntos de bits. Existem diversas formas de atribuir amplitude e fase aos estados, de acordo com a aplicação desejada. A seguir estão descritas as constelações de alguns exemplos comuns de M-QAM:

Assim como no PSK, no processo de detecção para sistemas que utilizam modulação QAM é necessário utilizar detecção direta, já que esta consegue absorver informações de modulação de amplitude e fase. Dessa forma, a região de decisão ótima considera tanto a intensidade do sinal quanto a fase. Portanto, o detector será consideravelmente mais complexo do que aquele usado nos modelos PSK.

Comparativo entre modulações de amplitude

Modulação	Número de estados	Bits/símbolo	Esquema de detecção	Complexidade do detector
NRZ	2	1	Direta	Baixa
PAM4	4	2	Direta	Intermediária
BPSK	2	1	Direta/ Coerente	Baixa
QPSK/4QAM	4	2	Coerente	Intermediária
8PSK	8	3	Coerente	Intermediária
16QAM	16	4	Coerente	Alta
64QAM	64	6	Coerente	Muito Alta

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