Cùng tìm hiểu tất cả về điều chế tín hiệu QAM, Quadrature Amplitude Modulation, trả lời qam là gì, qam hoạt động thế nào, sơ đồ điều chế, ưu, nhược điểm...

QAM là gì

Điều chế biên độ vuông góc hoặc ( Quadrature Amplitude Modulation )QAM là một dạng điều chế được sử dụng rộng rãi để điều chỉnh tín hiệu dữ liệu trên một sóng mang được sử dụng cho truyền thông vô tuyến, truyền hình cáp hoặc truyền hình vệ tinh Analog hay truyền hình số Digital.

So với điều chế số ASK, PSK là tăng hiệu suất phổ tần người ta sử dụng phương thức điều chế QAM. Sóng mang được điều biến với cả biên độ và pha. ASK và PSK có hiệu suất phổ tần thấp nên không thích hợp với việc truyền dẫn các tốc độ bit cao trên các dòng kênh với độ rộng băng tần hạn chế nên khi M>8 thì người ta thông thường dùng QAM, chứ ít khi dùng ASK và PSK.

Tín hiệu QAM được sử dụng rộng rãi trong truyền hình, truyền thông bởi vì nó cung cấp lợi thế hơn các dạng điều chế dữ liệu khác như PSK…, mặc dù có 2 hoặc nhiều dạng điều chế dữ liệu hoạt động song song với nhau.

Điều chế biên độ vuông góc, QAM là một dạng tín hiệu trong đó hai sóng mang chuyển pha 90 độ, được điều chế và kết quả đầu ra bao gồm cả biên độ và pha biến thiên.

Trong ứng dụng thực tế là cả hai biên độ và giai đoạn biến thiên cùng xuất hiện, nó cũng có thể được coi là một hỗn hợp biên độ và điều chế pha.

Tại sao phải sử dụng điều chế Qam. Đơn giản là vì từ thực tế cần tiết kiệm băng thông dữ liệu, trong cuộc sống hiện đại băng thông rất quan trọng cho truyền tải tín hiệu / dữ liệu

Tín hiệu điều chế biên độ thẳng, tức là dải biên kép thậm chí với một sóng mang bị hạn chế chiếm gấp đôi băng thông của tín hiệu điều chế. Điều này rất lãng phí phổ tần số có sẵn. QAM phục hồi sự cân bằng bằng cách đặt hai tín hiệu sóng mang bị gián đoạn biên đứng độc lập trong cùng một phổ như một tín hiệu sóng mang ưu tiên băng tần kép phía trước bình thường, nên băng thông để truyền dữ liệu cần ít hơn.

Bạn nên dành thời gian tham khảo các bộ điều chế tín hiệu QAM mà Công ty AVA cung cấp

QAM Analog và Digital

Điều chế biên độ vuông góc, QAM có thể tồn tại trong các định Analog hoặc kỹ thuật số. Các phiên bản tương tự của QAM thường được sử dụng để cho phép nhiều tín hiệu tương tự được mang trên một sóng mang đơn. Ví dụ, nó được sử dụng trong các hệ thống truyền hình PAL và NTSC, nơi các kênh khác nhau được cung cấp bởi QAM cho phép nó mang các thành phần của thông tin màu sắc hoặc màu sắc. Trong các ứng dụng vô tuyến, hệ thống được gọi là C-QUAM được sử dụng cho đài AM stereo. Ở đây, các kênh khác nhau cho phép hai kênh được yêu cầu cho âm thanh nổi được mang trên sóng mang đơn.

Định dạng kỹ thuật số của QAM thường được gọi là "Quantised QAM" và chúng đang ngày càng được sử dụng để truyền dữ liệu thường xuyên trong các hệ thống truyền thông vô tuyến. Hệ thống thông tin vô tuyến từ công nghệ di động như LTE trong các hệ thống không dây bao gồm WiMAX và Wi-Fi 802.11 sử dụng nhiều dạng QAM và việc sử dụng QAM ngày càng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến.

Khái niệm cơ bản về số lượng / số lượng QAM

Điều chế biên độ vuông góc, QAM, khi được sử dụng cho truyền dẫn kỹ thuật số cho các ứng dụng truyền thông vô tuyến có thể mang tốc độ dữ liệu cao hơn so với các sơ đồ điều chế biên độ thông thường và các sơ đồ điều chế pha. Số điểm mà tại đó tín hiệu có thể dừng, tức là số điểm được chỉ ra trong mô tả định dạng điều chế, ví dụ: điều chế 16 QAM sử dụng 16 điểm hợp thành.

Khi sử dụng QAM, các điểm hợp thành  thường được bố trí trong một ô vuông với khoảng cách thẳng đứng và ngang bằng nhau và kết quả là các dạng phổ biến nhất của QAM sử dụng một hợp thành với số điểm tương đương với công suất 16 QAM / 32 QAM / 64 QAM / 128 QAM / 256QAM

Bằng cách sử dụng định dạng điều chế bậc cao hơn, tức là nhiều điểm hơn trên các hợp thành (có nhiều bào viết sử dụng cụm từ “chòm sao” , có thể truyền nhiều bit hơn cho mỗi biểu tượng. Tuy nhiên, các điểm gần nhau hơn và do đó dễ bị nhiễu và lỗi dữ liệu hơn.

Thông thường một hợp thành  QAM là hình vuông và do đó các dạng phổ biến nhất của QAM 16QAM, 64QAM và 256QAM.

Ưu điểm của việc chuyển sang các định dạng bậc cao hơn là có nhiều điểm hơn trong hợp thành  và do đó có thể truyền nhiều bit hơn cho mỗi điểm.

Nhược điểm là các điểm hợp thành  gần nhau hơn và do đó liên kết dễ bị nhiễu hơn. Kết quả là, các phiên bản QAM bậc cao hơn chỉ được sử dụng khi có một tỷ lệ tín hiệu đủ nhiễu cao.

Để cung cấp một ví dụ về cách QAM hoạt động, sơ đồ hợp thành  dưới đây cho thấy các giá trị liên kết với các trạng thái khác nhau cho tín hiệu 16QAM. Từ đó, có thể thấy rằng một luồng bit liên tục có thể được nhóm lại thành bốn phần và được biểu diễn dưới dạng một chuỗi.

Thông thường, thứ tự thấp nhất mà QAM gặp phải là 16QAM. Lý do cho việc này là thứ tự thấp nhất thường gặp phải là

Ngoài ra 8QAM không được sử dụng rộng rãi. Điều này là do hiệu suất lỗi của 8QAM gần bằng với 16QAM - nó chỉ cao hơn khoảng 0,5 dB và tốc độ dữ liệu chỉ bằng 3/4 so với 16QAM. Điều này phát sinh từ hình chữ nhật, chứ không phải hình vuông của các điểm hợp thành.

Ưu điểm và nhược điểm của điều chế tín hiệu QAM

Mặc dù QAM xuất hiện để tăng hiệu quả truyền dữ liệu tín hiệu cho các hệ thống truyền thông vô tuyến bằng cách sử dụng cả biên độ và pha biến đổi.

Nhưng nó có một số hạn chế:

Đầu tiên là nó dễ bị nhiễu hơn vì các trạng thái ở gần nhau hơn nên cần có mức nhiễu thấp hơn để chuyển tín hiệu đến một điểm khác. Bộ thu để sử dụng với điều chế pha hoặc tần số đều có thể sử dụng các bộ khuếch đại hạn chế có thể loại bỏ bất kỳ nhiễu biên độ nào

Giới hạn thứ hai cũng được kết hợp với thành phần biên độ của tín hiệu. Khi tín hiệu điều chế pha hoặc tần số được khuếch đại trong bộ phát vô tuyến, không cần sử dụng bộ khuếch đại tuyến tính, trong khi khi sử dụng QAM có chứa thành phần biên độ thì phải duy trì tuyến tính. Thật không may là các bộ khuếch đại tuyến tính kém hiệu quả và tiêu thụ nhiều năng lượng hơn, và điều này khiến chúng kém hấp dẫn hơn đối với các ứng dụng di động.

QAM so với các định dạng điều chế khác

Vì có những ưu điểm và nhược điểm khi sử dụng QAM, cần phải so sánh QAM với các chế độ khác trước khi đưa ra quyết định về chế độ tối ưu. Một số hệ thống truyền thông vô tuyến tự động thay đổi sơ đồ điều chế phụ thuộc vào điều kiện và yêu cầu liên kết - mức tín hiệu, nhiễu, tốc độ dữ liệu cần thiết, v.v.

Bảng dưới đây so sánh các dạng điều chế khác nhau:

Tuy nhiên, các điểm không còn cùng biên độ. Điều này có nghĩa là bộ giải điều chế phải phát hiện cả pha và biên độ. Ngoài ra thực tế là biên độ thay đổi có nghĩa là một bộ khuếch đại tuyến tính là cần thiết để khuếch đại tín hiệu.

Lý thuyết và công thức QAM

Một số lý thuyết QAM cơ bản về phương trình tương đối đơn giản cung cấp một số hiểu biết rõ hơn và tổng quan về những gì đang thực sự xảy ra trong tín hiệu QAM.

Cơ sở lý thuyết QAM

Lý thuyết biên độ bậc hai cho biết cả biên độ và pha thay đổi trong tín hiệu QAM.

Cách cơ bản trong đó một tín hiệu QAM có thể được tạo ra là tạo ra hai tín hiệu lệch 90 ° với nhau và sau đó tổng hợp chúng. Điều này sẽ tạo ra một tín hiệu đó là tổng của cả hai sóng, trong đó có một biên độ nhất định kết quả từ tổng của cả hai tín hiệu và một giai đoạn mà một lần nữa phụ thuộc vào tổng của các tín hiệu.

Nếu biên độ của một trong các tín hiệu được điều chỉnh thì điều này ảnh hưởng đến cả pha và biên độ của tín hiệu tổng thể, pha có xu hướng hướng tới tín hiệu có nội dung biên độ cao hơn.

Vì có hai tín hiệu RF có thể được điều chế, chúng được gọi là tín hiệu I - In-phase và Q - Quadrature.

Các tín hiệu I và Q có thể được biểu diễn bằng các phương trình dưới đây:

I = A cos (Ψ) và Q = A sin (Ψ)

Có thể thấy rằng các thành phần I và Q được biểu diễn như cosin và sin. Điều này là do hai tín hiệu bị lệch pha 90 ° với nhau.

Sử dụng hai phương trình có thể biểu thị tín hiệu dưới dạng :.

cos (α + β) = cos (α) cos (β) - sin (α) sin (β)

Sử dụng biểu thức cos (2πft + Ψ) cho tín hiệu sóng mang.

Một cos (2πft + Ψ) = I cos (2? Ft) - Q sin (2πft)

Trong đó f là tần số sóng mang.

Biểu thức này cho thấy dạng sóng kết quả là một tín hiệu định kỳ mà pha có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi biên độ hoặc cả I và Q. Điều này cũng có thể dẫn đến thay đổi biên độ.

Theo đó, có thể điều chỉnh kỹ thuật số tín hiệu sóng mang bằng cách điều chỉnh biên độ của hai tín hiệu hỗn hợp.

Ở Việt Nam hiện nay chủ yếu sử dụng điều chế QAM 64 . Thực tế với tín hiệu truyền hình QAM 64 Thì thông số MER cho phép luôn đạt từ 32dB trở lên.

Xét đến dung lượng khi điều chế QAM cho tín hiệu truyền hình. Ta sử dụng điều chế QAM 64.

Khi đó, hệ số sử dụng là . Vậy M=6.

Ta đang sử  dụng băng thông 8Mhz/Kênh.

Theo phân tích phổ khi tính tỷ lệ giữa băng thông Nyquist với độ phẳng đỉnh tín hiệu của bộ lọc khi điều chế thì hằng số  trong  điều chế  DVB-C là r=0,15:

Ta tính được: S(max)=8.M/(1+r)=8.6/(1+0.15)=41,736 Mbps

Lượng Bit-rate thực sự ta có thể sử dụng được khi qua diều chế QAM:

S(use)=S(max).188/204=38,3625 Mbps

Như vậy với điều chế QAM 64, ta chỉ có thể sử dụng tối đa 38.4625Mbps mà thôi. Khi truyền tải các kênh truyền hình, cần chú ý dung lượng tối đa của QAM mà tính toán chèn ghép, phân phối bố trí các kênh cho phù hợp.

So sánh 8-QAM, 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM 128-QAM, 256-QAM

Điều chế số QAM, Quadrature được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng truyền thông dữ liệu số và truyền thông dữ liệu số. Một loạt các dạng QAM có sẵn và một số dạng phổ biến hơn bao gồm 16 QAM, 32 QAM, 64 QAM, 128 QAM và 256 QAM. Ở đây, các số liệu đề cập đến số điểm trên hợp thành, tức là số lượng các trạng thái riêng biệt có thể tồn tại.

Các biến thể khác QAM có thể được sử dụng khi tốc độ dữ liệu vượt quá mức được cung cấp bởi 8-PSK được yêu cầu bởi một hệ thống truyền thông vô tuyến. Điều này là do QAM đạt được khoảng cách lớn hơn giữa các điểm liền kề trong mặt phẳng I-Q bằng cách phân phối các điểm đồng đều hơn.

Và theo cách này, các điểm trên hợp thành  sẽ phân biệt rõ hơn và các lỗi dữ liệu bị giảm. Trong khi có thể truyền nhiều bit hơn cho mỗi biểu tượng, nếu năng lượng của hợp thành vẫn giữ nguyên, các điểm trên hợp thành phải gần nhau hơn và quá trình truyền trở nên dễ bị nhiễu hơn. Điều này dẫn đến tỷ lệ lỗi bit cao hơn so với các biến thể QAM bậc thấp hơn. Bằng cách này, có sự cân bằng giữa việc đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn và duy trì tỷ lệ lỗi bit chấp nhận được đối với bất kỳ hệ thống liên lạc vô tuyến nào.

Ứng dụng QAM

QAM có nhiều ứng dụng truyền thông và truyền dữ liệu vô tuyến. Tuy nhiên một số biến thể cụ thể của QAM được sử dụng trong một số ứng dụng và tiêu chuẩn cụ thể.

Đối với các ứng dụng phát sóng trong nước chẳng hạn, 64 QAM và 256 QAM thường được sử dụng trong các ứng dụng truyền hình cáp và cáp kỹ thuật số. Ở Anh, 16 QAM và 64 QAM hiện đang được sử dụng cho truyền hình mặt đất kỹ thuật số bằng DVB - Digital Video Broadcasting. Tại Hoa Kỳ, 64 QAM và 256 QAM là các sơ đồ điều chế bắt buộc cho cáp kỹ thuật số như được chuẩn hóa bởi SCTE trong tiêu chuẩn ANSI / SCTE 07 2000.

Thêm vào đó, các biến thể của QAM cũng được sử dụng cho nhiều ứng dụng công nghệ không dây và di động.

Biểu đồ QAM

Các sơ đồ hợp thành cho thấy các vị trí khác nhau cho các trạng thái trong các dạng khác nhau của QAM, điều chế biên độ cầu phương. Khi thứ tự của điều chế tăng lên, số lượng điểm trên biểu đồ hợp thành QAM cũng vậy.

Các biểu đồ dưới đây cho thấy các sơ đồ hợp thành cho một loạt các định dạng điều chế:

Số bit QAM trên mỗi Symbol

Ưu điểm của việc sử dụng QAM là nó là một dạng điều chế bậc cao hơn và kết quả là nó có thể mang nhiều bit thông tin hơn cho mỗi ký hiệu. Bằng cách chọn một định dạng thứ tự cao hơn của QAM, tốc độ dữ liệu của một liên kết có thể được tăng lên.

Bảng dưới đây đưa ra một bản tóm tắt về tốc độ bit của các dạng QAM và PSK khác nhau.

Biên độ nhiễu QAM

Trong khi tỷ lệ điều chế bậc cao hơn có thể cung cấp tốc độ dữ liệu nhanh hơn nhiều và mức hiệu quả quang phổ cao hơn cho hệ thống thông tin vô tuyến. Các sơ đồ điều chế bậc cao hơn có độ đàn hồi thấp hơn đáng kể đối với nhiễu và nhiễu.

Kết quả là, nhiều hệ thống liên lạc vô tuyến hiện nay sử dụng các kỹ thuật điều chế thích nghi động. Chúng cảm nhận các điều kiện kênh và điều chỉnh sơ đồ điều chế để thu được tốc độ dữ liệu cao nhất cho các điều kiện đã cho. Khi tín hiệu để giảm tỷ lệ tiếng ồn, lỗi sẽ tăng cùng với việc gửi lại dữ liệu, do đó làm giảm thông lượng. Bằng cách hoàn nguyên về sơ đồ điều chế bậc thấp, liên kết có thể được thực hiện đáng tin cậy hơn với ít lỗi dữ liệu hơn và gửi lại.

(Còn nữa)