QAM (điều chế biên độ vuông góc) là phương pháp kết hợp hai tín hiệu điều chế biên độ (AM) thành một kênh duy nhất. Hình thức điều chế này làm tăng gấp đôi băng thông hiệu dụng của kênh. QAM cũng được sử dụng với tín hiệu xung AM trong các hệ thống kỹ thuật số, chẳng hạn như truyền thông không dây.

QAM hoạt động như thế nào?

QAM được sử dụng để đạt hiệu suất phổ cao hơn bằng cách sử dụng cả biên độ và pha để điều chế hoặc thay đổi dạng sóng. Trong trường hợp này, dạng sóng QAM bao gồm hai tín hiệu, còn được gọi là sóng mang.

Một tín hiệu được gọi là tín hiệu I và tín hiệu còn lại được gọi là tín hiệu Q. Đây là lý do tại sao QAM còn được gọi là điều chế IQ. Về mặt toán học, một tín hiệu có thể được biểu diễn bằng sóng sin và tín hiệu kia bằng sóng cosin. Các sóng mang này có cùng tần số, nhưng lệch pha 90 độ, hay một phần tư chu kỳ. Hơn nữa, các sóng mang lệch pha 90 độ, đó là lý do tại sao chúng được gọi là  vuông góc hoặc bậc hai. Đây là cơ sở của thuật ngữ bậc hai trong QAM.

Cả hai tín hiệu có thể được hiển thị như sau:

Cos(θ) = Sin(θ-90°)

Hai sóng mang đã điều chế được kết hợp tại nguồn - trong dạng sóng QAM - để truyền tín hiệu. Bộ điều chế hoạt động tương tự như bộ dịch. Nhiệm vụ của nó là mã hóa hoặc dịch các gói tin kỹ thuật số thành tín hiệu tương tự, đảm bảo truyền dữ liệu mượt mà. Các tín hiệu sóng mang đã kết hợp sau đó được gửi qua cùng một kênh đến bộ giải mã (bộ thu).

Tại đích, bộ giải điều chế tách sóng mang và trích xuất thông tin từ mỗi sóng. Một bộ lọc thông thấp, một mạch điện tử cắt bỏ tần số cao, được sử dụng để trích xuất các thành phần đồng pha và vuông pha của tín hiệu, sau đó được kết hợp với dữ liệu điều chế ban đầu.

Sự khác biệt giữa QAM tương tự và QAM kỹ thuật số là gì?

Một số loại truyền dẫn tương tự, chẳng hạn như hệ thống AM âm thanh nổi, sử dụng QAM. Tuy nhiên, QAM vượt trội trong các ứng dụng kỹ thuật số vì đây là định dạng điều chế dữ liệu hiệu quả cao khi sử dụng trong các thiết bị từ điện thoại thông minh đến cơ sở hạ tầng Wi-Fi. QAM được tìm thấy trong hầu hết mọi hình thức truyền dữ liệu tốc độ cao.

Analog QAM cũng cho phép sóng mang truyền nhiều tín hiệu analog. Ví dụ, QAM được sử dụng trong hệ thống Đường dây Pha Luân phiên và Ủy ban Hệ thống Truyền hình Quốc gia. Trong trường hợp này, các kênh QAM khác nhau cho phép tín hiệu mang thông tin màu sắc hoặc sắc độ.

Một hệ thống được gọi là QUAM Tương thích được tìm thấy trong các ứng dụng phát sóng âm thanh nổi AM tại Hoa Kỳ và một số quốc gia khác. Kịch bản này bao gồm hai giai đoạn điều chế khác nhau: điều chế AM chung và điều chế pha vuông góc tương thích. Các kênh khác nhau cho phép hai kênh cần thiết để âm thanh nổi được truyền qua một sóng mang duy nhất. Hệ thống này sử dụng mạch chuyên dụng để mã hóa tín hiệu âm thanh nổi riêng biệt, tương thích với các máy thu cũ hơn.

Các phiên bản QAM kỹ thuật số, thường được gọi là QAM lượng tử hóa , được triển khai trong hầu hết các hệ thống thông tin vô tuyến dựa trên dữ liệu. Ví dụ, các công nghệ thông tin vô tuyến, từ hệ thống di động 4G và 5G đến Wi-Fi, sử dụng nhiều loại QAM khác nhau. Khi lĩnh vực này phát triển, số lượng hệ thống QAM được sử dụng trong công nghệ thông tin vô tuyến có thể sẽ tăng lên.

Điều chế biên độ vuông góc trong Wi-Fi là gì?

QAM thường được sử dụng trong mạng Wi-Fi vì nó cho phép tốc độ dữ liệu cao hơn các định dạng điều chế khác và cải thiện hiệu suất phổ. Kể từ khi Wi-Fi 5 (802.11ac) ra mắt vào năm 2013, nhiều thiết bị mạng đã sử dụng một loại QAM gọi là 256-QAM. Các sửa đổi đối với sóng mang trong QAM cho phép các kỹ sư tạo ra các sơ đồ chòm sao với mật độ ký hiệu, hay chuỗi bit, dày đặc hơn. Điều này làm tăng tốc độ dữ liệu bằng cách truyền nhiều bit hơn trên mỗi hertz. Vì là định dạng mật độ cao, 256-QAM có thể hỗ trợ tới 8 bit cho mỗi ký hiệu trong 256 chòm sao.

Sự ra đời của Wi-Fi 6 (802.11ax) đã giới thiệu hệ thống 1024-QAM bậc cao hơn, về mặt lý thuyết có khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao hơn, nhưng lại dễ bị nhiễu hơn.

QAM tiếp tục được sử dụng trong chuẩn Wi-Fi mới nhất: Wi-Fi 7 (802.11be), còn được gọi là 4096-QAM hoặc 4K-QAM. Công nghệ này dự kiến ​​sẽ được triển khai vào năm 2024. Trong 4096-QAM, mỗi tín hiệu có thể mang 12 bit dữ liệu, cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn 20% so với 1024-QAM trong Wi-Fi 6. Ngoài khả năng tổng hợp nhiều dữ liệu hơn trong mỗi lần truyền, 4096-QAM còn đảm bảo vùng phủ sóng Wi-Fi rộng hơn, nhanh hơn và đáng tin cậy hơn – một lợi thế quan trọng cho các ứng dụng như phát trực tuyến video 4K và chơi game trực tuyến, nơi tốc độ truyền dữ liệu nhanh, độ trễ thấp và hiệu suất phổ cao là yếu tố then chốt.

Ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng QAM là gì?

Ưu điểm chính của QAM là sử dụng băng thông hiệu quả hơn vì QAM có thể truyền tải nhiều bit hơn trên mỗi sóng mang. Ví dụ, 256-QAM ánh xạ 8 bit trên mỗi sóng mang, và 16-QAM ánh xạ 4 bit trên mỗi sóng mang. Bậc QAM cao hơn cho phép truyền tải nhiều bit hơn trên mỗi tín hiệu, do đó mỗi tín hiệu có thể truyền tải 10 bit ở chế độ 1024-QAM, 11 bit ở chế độ 2048-QAM và 12 bit ở chế độ 4096-QAM. Nhiều bit hơn trên mỗi tín hiệu đồng nghĩa với hiệu suất băng thông cao hơn.

Một ưu điểm khác của QAM là nó cải thiện hiệu quả truyền dẫn thông tin vô tuyến vì nó sử dụng cả biến thiên biên độ và pha để nén lượng lớn thông tin kỹ thuật số.

Có thể nói rằng phương pháp sửa đổi này cũng có một số nhược điểm đáng kể.

Một nhược điểm là hệ thống QAM bậc cao dễ bị nhiễu và can nhiễu hơn, nghĩa là tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) và tỷ lệ lỗi bit (BER) thấp hơn do các trạng thái truyền gần nhau hơn và khoảng cách ký hiệu ngắn hơn. Khi cần mức nhiễu thấp hơn để truyền tín hiệu từ điểm này đến điểm khác, và nếu tốc độ dữ liệu thấp hơn là chấp nhận được, hệ thống QAM bậc thấp có thể là lựa chọn tốt hơn.

Độ phức tạp về phần cứng là một nhược điểm khác của các sơ đồ QAM cấp cao. Vì các sơ đồ này hỗ trợ tốc độ bit cao hơn và dễ bị nhiễu hơn, nên có thể cần thêm phần cứng và thuật toán xử lý tín hiệu để tăng SNR và giảm BER, điều này có thể làm tăng độ phức tạp của hệ thống và chi phí bảo trì.

Không giống như hệ thống QAM, máy thu được trang bị điều chế pha hoặc tần số có thể hạn chế mạch khuếch đại và loại bỏ nhiễu biên độ. Điều này giúp cải thiện sự phụ thuộc vào nhiễu. Ngoài ra, việc khuếch đại tín hiệu điều chế pha hoặc tần số trong máy phát vô tuyến giúp giảm nhu cầu sử dụng bộ khuếch đại tuyến tính.

Trong QAM với thành phần biên độ, tính tuyến tính phải được duy trì để đảm bảo việc khuếch đại tín hiệu trên các biên độ khác nhau được chính xác và không bị méo, đồng thời ngăn ngừa lỗi trong quá trình giải điều chế. Tuy nhiên, các bộ khuếch đại tuyến tính này kém hiệu quả hơn và tiêu thụ nhiều điện năng hơn. Hơn nữa, bộ thu QAM phức tạp hơn so với các loại bộ thu và hệ thống điều chế khác, vì vậy chúng không phải là lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng di động.

QAM trong truyền hình cáp là gì?

Hệ thống QAM rất phổ biến trong ngành truyền hình cáp. Ví dụ, tại Hoa Kỳ, 64-QAM và 256-QAM được sử dụng rộng rãi để cung cấp dịch vụ truyền hình cáp kỹ thuật số. Các nhà khai thác đa hệ thống (MSO) và các nhà khai thác mạng khác sử dụng QAM để truyền dữ liệu, video và âm thanh. Hệ thống QAM cung cấp định dạng tại một trung tâm, nơi tín hiệu được xử lý và phân phối trên toàn bộ mạng lưới của nhà cung cấp cáp. Khi tín hiệu được truyền đến nhà thuê bao, modem cáp và hộp giải mã tín hiệu sẽ chuyển đổi tín hiệu QAM trở lại định dạng ban đầu.

Các nhà mạng đang ngày càng yêu cầu cao hơn về các kênh QAM. Nhu cầu gia tăng này được thúc đẩy bởi người tiêu dùng sử dụng truyền hình độ nét cao, dữ liệu tốc độ cao, hội nghị truyền hình, v.v. Do chi phí chung, các nhà mạng đang ngày càng yêu cầu nhiều hơn về QAM.

Các chương trình QAM cấp cao hơn, chẳng hạn như 1024-QAM và 4096-QAM, được sử dụng trong thiết bị mạng không dây mới hơn và trong các hệ thống truyền dẫn vi sóng siêu cao cấp.