QAM (quadrature amplitude modulation) เป็นวิธีการรวมสัญญาณ amplitude modulation (AM) สองสัญญาณเข้าเป็นช่องสัญญาณเดียว รูปแบบการ modulation นี้ช่วยเพิ่ม แบนด์วิดท์ ที่มีประสิทธิภาพของช่องสัญญาณเป็นสองเท่า QAM ยังใช้กับสัญญาณพัลส์ AM ในระบบดิจิทัล เช่น การ สื่อสารไร้สาย

QAM ทำงานอย่างไร?

QAM ถูกนำมาใช้เพื่อให้ได้ ประสิทธิภาพสเปกตรัม ที่สูงขึ้น โดยการใช้ทั้งแอมพลิจูดและเฟสเพื่อปรับหรือเปลี่ยนแปลงรูปคลื่น ในสถานการณ์นี้ รูปคลื่น QAM ประกอบด้วยสัญญาณสองสัญญาณ หรือที่เรียกว่า คลื่นพาหะ

สัญญาณหนึ่งเรียกว่า สัญญาณ Iและอีกสัญญาณหนึ่งเรียกว่า สัญญาณ Qนี่คือเหตุผลที่ QAM รู้จักกันในชื่อ การมอดูเลต IQในทางคณิตศาสตร์ สัญญาณหนึ่งสามารถแสดงด้วยคลื่นไซน์และอีกสัญญาณหนึ่งด้วยคลื่นโคไซน์ คลื่นพาหะเหล่านี้มีความถี่เท่ากัน แต่มีเฟสต่างกัน 90 องศา หรือหนึ่งในสี่ของรอบ นอกจากนี้ คลื่นพาหะยังมีเฟสต่างกัน 90 องศา ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงเรียกว่า  ตั้งฉาก หรือ เป็นกำลังสอง นี่คือพื้นฐานของคำว่า กำลังสอง ใน QAM

สัญญาณทั้งสองสามารถแสดงได้ดังนี้:

คอส (θ) = ซิน (θ-90°)

พาหะที่ถูกมอดูเลตทั้งสองจะรวมกันที่ต้นทาง -- ภายในรูปคลื่น QAM -- เพื่อส่งสัญญาณ ตัวมอดูเลเตอร์ทำงานคล้ายกับตัวแปลสัญญาณ หน้าที่ของมันคือการเข้ารหัสหรือแปล แพ็กเก็ ตดิจิทัล เป็นสัญญาณแอนะล็อก เพื่อให้มั่นใจว่าการถ่ายโอนข้อมูลจะราบรื่น สัญญาณพาหะที่รวมกันจะถูกส่งผ่านช่องสัญญาณเดียวกันไปยังตัวถอดรหัสสัญญาณ (ตัวรับ)

ที่ปลายทาง เครื่องดีมอดูเลเตอร์จะแยกคลื่นพาหะและดึงข้อมูลจากแต่ละคลื่น วงจรกรองความถี่ต่ำ (low-pass filter) ซึ่งเป็น วงจร อิเล็กทรอนิกส์ ที่ทำหน้าที่ตัดความถี่สูง จะถูกนำมาใช้เพื่อดึงองค์ประกอบอินเฟสและควอดราเจอร์ของสัญญาณ จากนั้นข้อมูลจะถูกรวมเข้ากับข้อมูลการมอดูเลตเดิม

ความแตกต่างระหว่าง QAM แบบอนาล็อกและแบบดิจิตอลคืออะไร?

การส่งสัญญาณแบบแอนะล็อกบางประเภท เช่น ระบบสเตอริโอ AM ใช้ระบบ QAM อย่างไรก็ตาม QAM โดดเด่นในแอปพลิเคชันดิจิทัล เนื่องจากเป็นรูปแบบการมอดูเลตข้อมูลที่มีประสิทธิภาพสูงเมื่อใช้งานกับอุปกรณ์ต่างๆ ตั้งแต่สมาร์ทโฟนไปจนถึง โครงสร้างพื้นฐาน Wi-Fi QAM พบได้ในการส่งข้อมูลความเร็วสูงเกือบทุกรูปแบบ

QAM แบบอะนาล็อกยังช่วยให้พาหะสามารถส่งสัญญาณอะนาล็อกได้หลายสัญญาณ ตัวอย่างเช่น QAM ถูกใช้ในระบบ Phase Alternating Line และ National Television System Committee ในกรณีนี้ ช่องสัญญาณ QAM ที่แตกต่างกันจะช่วยให้สัญญาณสามารถส่งผ่านข้อมูลสีหรือโครมาได้

ระบบที่รู้จักกันในชื่อ Compatible QUAM พบได้ในแอปพลิเคชันการออกอากาศสเตอริโอ AM ในสหรัฐอเมริกาและบางประเทศ สถานการณ์นี้เกี่ยวข้องกับขั้นตอนการมอดูเลตสองขั้นตอนที่แตกต่างกัน ได้แก่ AM ทั่วไปและการมอดูเลตเฟสแบบควอดราเจอร์ที่เข้ากันได้ ช่องสัญญาณที่แตกต่างกันทำให้ช่องสัญญาณสองช่องที่จำเป็นสำหรับสเตอริโอสามารถส่งผ่านคลื่นพาหะเดียวได้ ระบบนี้ใช้วงจรเฉพาะเพื่อเข้ารหัสสัญญาณแยกสเตอริโอที่เข้ากันได้กับเครื่องรับรุ่นเก่า

QAM เวอร์ชันดิจิทัลมักเรียกว่า QAM แบบควอนไทซ์ซึ่งถูกติดตั้งอยู่ในระบบสื่อสารวิทยุส่วนใหญ่ที่ใช้ข้อมูล ตัวอย่างเช่น เทคโนโลยีการสื่อสารวิทยุตั้งแต่ระบบเซลลูลาร์ 4G และ 5G ไปจนถึง Wi-Fi ต่างใช้ QAM ประเภทต่างๆ กัน เมื่อสาขานี้พัฒนาไป จำนวนระบบ QAM ที่ใช้ในเทคโนโลยีการสื่อสารวิทยุก็มีแนวโน้มที่จะเพิ่มขึ้น

การมอดูเลตแอมพลิจูดแบบควอดราเจอร์ใน Wi-Fi คืออะไร?

QAM มักใช้ในเครือข่าย Wi-Fi เนื่องจากช่วยให้อัตราข้อมูลสูงกว่ารูปแบบการมอดูเลตแบบอื่น ๆ และปรับปรุงประสิทธิภาพของสเปกตรัม นับตั้งแต่ Wi-Fi 5 (802.11ac) ถือกำเนิดขึ้นในปี 2013 อุปกรณ์เครือข่ายจำนวนมากได้ใช้ QAM ประเภทหนึ่งที่เรียกว่า 256-QAM การเปลี่ยนแปลงคลื่นพาหะใน QAM ช่วยให้วิศวกรสามารถสร้างไดอะแกรมกลุ่มดาวที่มีความเข้มข้นของสัญลักษณ์หรือลำดับบิตที่หนาแน่นขึ้น ซึ่งจะช่วยเพิ่มอัตราข้อมูลโดยการส่งข้อมูลบิตต่อเฮิรตซ์ได้มากขึ้น เนื่องจากเป็นรูปแบบความหนาแน่นสูง 256-QAM จึงสามารถรองรับได้สูงสุด 8 บิตต่อสัญลักษณ์ในกลุ่มดาว 256 กลุ่ม

การถือกำเนิดของ Wi-Fi 6 (802.11ax) ได้นำระบบ 1024-QAM ที่มีลำดับสูงกว่ามาใช้ แม้ว่าในทางทฤษฎีจะรองรับอัตราข้อมูลที่สูงขึ้นได้ แต่ระบบนี้ก็มีความไวต่อสัญญาณรบกวนมากกว่า

QAM ยังคงถูกนำมาใช้กับมาตรฐาน Wi-Fi ล่าสุด: Wi-Fi 7 (802.11be) ซึ่งรู้จักกันในชื่อ 4096-QAM หรือ 4K-QAM วิธีนี้ถูกนำมาใช้ในปี 2024 ใน 4096-QAM แต่ละสัญญาณสามารถส่งข้อมูลได้ 12 บิต ซึ่งให้อัตราการส่งข้อมูลสูงกว่า 1024-QAM ใน Wi-Fi 6 ถึง 20% นอกจากจะรวมข้อมูลได้มากขึ้นในการรับส่งข้อมูลแต่ละครั้งแล้ว 4096-QAM ยังรับประกันการครอบคลุม Wi-Fi ที่กว้างขึ้น เร็วขึ้น และเชื่อถือได้มากขึ้น ซึ่งถือเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญอย่างยิ่งสำหรับแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น การสตรีมวิดีโอ 4K และการเล่นเกมออนไลน์ ซึ่งการส่งข้อมูลที่รวดเร็ว ความหน่วงต่ำ และประสิทธิภาพสเปกตรัมสูงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง

การใช้ QAM มีข้อดีและข้อเสียอะไรบ้าง?

ประโยชน์หลักของ QAM คือ การใช้แบนด์วิดท์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเนื่องจาก QAM แสดงบิตต่อคลื่นพาหะได้มากกว่า ตัวอย่างเช่น 256-QAM แมป 8 บิตต่อคลื่นพาหะ และ 16-QAM แมป 4 บิตต่อคลื่นพาหะ ลำดับ QAM ที่สูงขึ้นทำให้สามารถส่งบิตต่อสัญญาณได้มากขึ้น ดังนั้น แต่ละสัญญาณจึงสามารถส่งได้ 10 บิตใน 1024-QAM, 11 บิตใน 2048-QAM และ 12 บิตใน 4096-QAM จำนวนบิตต่อสัญญาณที่มากขึ้นหมายถึงประสิทธิภาพแบนด์วิดท์ที่สูงขึ้น

ข้อดีอีกประการหนึ่งของ QAM คือช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการส่งสัญญาณสื่อสารวิทยุ เนื่องจากใช้ทั้งแอมพลิจูดและเฟสที่แปรผันเพื่อบีบอัดข้อมูลดิจิทัลจำนวนมาก

กล่าวได้ว่าวิธีการปรับเปลี่ยนนี้ยังมีข้อเสียสำคัญบางประการด้วย

ข้อเสียประการหนึ่งคือระบบ QAM ลำดับสูงจะไวต่อสัญญาณรบกวนและสัญญาณรบกวนมากกว่า ซึ่งหมายความว่าอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน ( SNR ) ต่ำลงและอัตราความผิดพลาดบิต (BER) สูงขึ้น เนื่องจากสถานะการส่งสัญญาณอยู่ใกล้กันและมีระยะห่างระหว่างสัญลักษณ์ที่สั้นกว่า เมื่อ ต้องการ ระดับสัญญาณรบกวนที่ต่ำกว่า เพื่อย้ายสัญญาณจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง และ หากอัตราการส่งข้อมูลที่ต่ำกว่าเป็นที่ยอมรับได้ ระบบ QAM ลำดับต่ำอาจเป็นทางเลือกที่ดีกว่า

ความซับซ้อนของฮาร์ดแวร์เป็นข้อเสียอีกประการหนึ่งของโครงร่าง QAM ระดับสูง เนื่องจากโครงร่างเหล่านี้รองรับอัตราบิตที่สูงขึ้นและมีแนวโน้มที่จะเกิดสัญญาณรบกวนมากขึ้น จึงอาจจำเป็นต้องใช้ฮาร์ดแวร์และอัลกอริทึมการประมวลผลสัญญาณเพิ่มเติมเพื่อเพิ่ม SNR และลด BER ซึ่งอาจเพิ่มความซับซ้อนของระบบและต้นทุนการบำรุงรักษา

ต่างจากระบบ QAM เครื่องรับที่ติดตั้งการมอดูเลตเฟสหรือความถี่สามารถจำกัดวงจรขยายสัญญาณและกำจัดสัญญาณรบกวนแอมพลิจูดได้ วิธีนี้ช่วยปรับปรุงการพึ่งพาสัญญาณรบกวน นอกจากนี้ การขยายสัญญาณเฟสหรือความถี่ที่มอดูเลตในเครื่องส่งสัญญาณวิทยุยังช่วยลดความจำเป็นในการใช้วงจรขยายสัญญาณเชิงเส้น

ใน QAM ที่มีส่วนประกอบของแอมพลิจูด จำเป็นต้องรักษาความเป็นเชิงเส้นเพื่อให้มั่นใจว่าการขยายสัญญาณในระดับแอมพลิจูดที่เปลี่ยนแปลงไปนั้นแม่นยำและปราศจากการบิดเบือน และเพื่อป้องกันความผิดพลาดระหว่างการดีมอดูเลต น่าเสียดายที่เครื่องขยายสัญญาณเชิงเส้นเหล่านี้มีประสิทธิภาพต่ำกว่ามาตรฐานและกินไฟมากกว่า นอกจากนี้ เครื่องรับ QAM ยังมีความซับซ้อนมากกว่าเมื่อเทียบกับเครื่องรับประเภทและระบบการมอดูเลตอื่นๆ ดังนั้นจึงไม่ใช่ตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานบนมือถือ

QAM ในเคเบิลทีวีคืออะไร?

ระบบ QAM เป็นที่นิยมในอุตสาหกรรมโทรทัศน์เคเบิล ตัวอย่างเช่น ในสหรัฐอเมริกา มีการใช้ 64-QAM และ 256-QAM กันอย่างแพร่หลายในการให้ บริการโทรทัศน์เคเบิลดิจิทัลผู้ให้บริการระบบหลายระบบ (MSO) และผู้ให้บริการเครือข่ายอื่นๆ ใช้ QAM เพื่อให้บริการข้อมูล วิดีโอ และเสียง ระบบ QAM ให้บริการจัดรูปแบบในฮับ ซึ่งสัญญาณจะถูกประมวลผลและกระจายไปทั่วเครือข่ายของผู้ให้บริการเคเบิล เมื่อสัญญาณถูกส่งถึงบ้านของผู้ใช้บริการ เคเบิลโมเด็มและกล่องรับสัญญาณจะแปลงสัญญาณ QAM กลับเป็นรูปแบบเดิม

ผู้ให้บริการเครือข่ายมีความต้องการช่องสัญญาณ QAM เพิ่มมากขึ้น ความต้องการที่เพิ่มขึ้นนี้เกิดจากผู้บริโภคที่ใช้ โทรทัศน์ความละเอียดสูงข้อมูลความเร็วสูง การประชุมทางวิดีโอ และอื่นๆ เมื่อพิจารณาจากต้นทุนโดยรวมแล้ว MSO จำเป็นต้องใช้ QAM

โครงร่าง QAM ระดับสูง เช่น 1024-QAM และ 4096-QAM ใช้ในอุปกรณ์เครือข่ายพื้นที่ไร้สายรุ่นใหม่ และในระบบแบ็คฮอล์ไมโครเวฟระดับสูงพิเศษ