تضمين سعة التربيع - QAM

في مخطط تعديل الاتساع يمكن تعديل إشارة رسالة واحدة أي إشارة داخلة والتي تكون في شكل تماثلي، وهذا يعني أنّه يمكن إعطاء إشارة إدخال واحدة فقط ويمكن تعديلها ونقلها إلى مستوى الوجهة، والاستخدام الفعال لعرض النطاق الترددي للقناة لا يصل إلى المستوى، لذلك يمكن التغلب عليها من خلال تقنية (QAM).

ما هو تضمين سعة التربيع – QAM؟

تضمين سعة التربيع (Quadrature Amplitude Modulation): هو طريقة للجمع بين إشارتين معدلتين بالسعة (AM) في قناة واحدة، وبالتالي مضاعفة عرض النطاق الفعال حيث يستخدم (QAM) مع تعديل سعة النبضة (PAM) في الأنظمة الرقمية، خاصةً في التطبيقات اللاسلكية، ويجمع تضمين السعة التربيعي بين تغييرات السعة والطور لإعطاء سعة إضافية ويستخدم على نطاق واسع لاتصالات البيانات ولتوفير شكل من أشكال التشكيل قادر على توفير مستويات عالية من كفاءة استخدام الطيف.

تم استخدام تعديل اتساع التربيع لبعض عمليات الإرسال التماثلية بما في ذلك عمليات إرسال ستيريو (AM) ولكن لتطبيقات البيانات حيث أصبحت خاصة بها، إنّه قادر على توفير شكل فعال للغاية من أشكال التعديل للبيانات وعلى هذا النحو يتم استخدامه في كل شيء من الهواتف المحمولة إلى شبكة (Wi-Fi) وتقريباً كل أشكال أنظمة اتصالات البيانات عالية السرعة.

في إشارة (QAM) هناك نوعان من الموجات الحاملة لكل منهما نفس التردد ولكن يختلفان في الطور بمقدار 90 درجة أي ربع دورة وينشأ منها المصطلح التربيع، إنّ إشارة واحدة تسمى إشارة I والأخرى تسمى إشارة Q أمّا رياضياً، يمكن تمثيل إحدى الإشارات بموجة جيبية والأخرى بموجة جيب تمام كما يتم الجمع بين الموجتين الحاملتين المشكلتين عند المصدر للإرسال، وفي الوجهة يتم فصل الموجات الحاملة ويتم استخراج البيانات من كل منها ثم يتم دمج البيانات في معلومات التعديل الأصلية.

تعديل سعة التربيع (QAM) هو تقنيات تعديل يمكن استخدامها في مفهوم التضمين التمثيلي ومفهوم التضمين الرقمي، واعتماداً على شكل إشارة الإدخال يمكن استخدامه في مخططات التعديل التناظرية أو الرقمية كما يمكن في (QAM) تعديل إشارتين فرديتين وإرسالهما إلى مستوى المستقبل، وعند استخدام إشارتي الإدخال يزداد عرض النطاق الترددي للقناة، يمكن لـ(QAM) إرسال إشارات رسالتين عبر نفس القناة وتُعرف تقنية (QAM) أيضاً باسم “تعدد الإرسال التربيعي الحامل”.

يأتي الدافع لاستخدام تعديل اتساع التربيع من حقيقة أنّ الإشارة ذات الاتساع المستقيم أي النطاق الجانبي المزدوج حتى مع وجود موجة حاملة مكبوتة فإنّها تشغل ضعف عرض النطاق الترددي لإشارة التشكيل ويُعد هذا مضيعة جداً للطيف الترددي المتاح كما يعيد (QAM) التوازن عن طريق وضع إشارتين مستقلتين مزدوجتين للنطاق الجانبي المكبوت في نفس الطيف مثل إشارة حاملة عادية مزدوجة النطاق مضغوط.

مبدأ عمل QAM:

في جهاز إرسال (QAM) يسمى أي مُعدِّل المنتج والمذبذب المحلي بالقناة في الطور، ومعدل المنتج الذي يُطلق على المذبذب المحلي قناة تربيعية حيث يتم جمع كل من إشارات الإخراج للقناة داخل الطور والقناة التربيعية بحيث يكون الناتج الناتج هو (QAM).

على مستوى المستقبل يتم توجيه إشارة (QAM) من القناة العلوية للمستقبل والقناة السفلية، ويتم توجيه الإشارات الناتجة لمعدلات المنتج من (LPF1 وLPF2)، هذه لـ(LPF) ثابتة إلى قطع ترددات مدخلات ومدخلات الإشارات ثم المخرجات المصفاة هي الإشارات الأصلية المستردة.

أساسيات QAM الرقمية:

تعديل اتساع التربيع (QAM) عند استخدامه للإرسال الرقمي لتطبيقات الاتصالات الراديوية، يكون قادراً على حمل معدلات بيانات أعلى من مخططات الاتساع العادية والمخططات المشكلة بالطور.

تعرض الإشارات الأساسية موضعين فقط يسمحان بنقل إما 0 أو 1 باستخدام (QAM) وهناك العديد من النقاط المختلفة التي يمكن استخدامها ولكل منها قيم محددة للطور والسعة يُعرف هذا باسم مخطط كوكبة حيث يتم تعيين قيم مختلفة للمواضع المختلفة

وبهذه الطريقة يمكن للإشارة الواحدة نقل البيانات بمعدل أعلى بكثير حيث يتم ترتيب نقاط الكوكبة عادةً في شبكة مربعة بمسافات أفقية ورأسية متساوية وعلى الرغم من أنّ البيانات ثنائية، فإنّ أكثر أشكال (QAM) شيوعاً على الرغم من أنّها ليست كلها هي حيث يمكن أن تشكل مربعاً مع عدد النقاط الذي يساوي ²2 أي 4 ، 16 ، 64. . . . ، مثل: 16QAM ،64QAM وهكذا.

باستخدام تنسيقات تشكيل ذات ترتيب أعلى أي المزيد من النقاط على الكوكبة يمكن إرسال المزيد من البتات لكل رمز، ومع ذلك فإنّ النقاط قريبة من بعضها البعض وبالتالي فهي أكثر عرضة للضوضاء وأخطاء البيانات.

تتمثل ميزة الانتقال إلى تنسيقات الترتيب الأعلى في وجود المزيد من النقاط داخل الكوكبة وبالتالي من الممكن نقل المزيد من وحدات البت لكل رمز والجانب السلبي هو أنّ نقاط الكوكبة قريبة من بعضها البعض وبالتالي يكون الارتباط أكثر عرضة للضوضاء ونتيجة لذلك لا تُستخدم الإصدارات ذات الترتيب الأعلى من (QAM) إلّا عندما تكون هناك إشارة عالية إلى نسبة الضوضاء.

بالإضافة إلى ذلك لا يتم استخدام (8QAM) على نطاق واسع ويرجع ذلك إلى أنّ أداء معدل الخطأ (8QAM) مماثل تقريباً لأداء (16QAM) فهو أفضل بحوالي 0.5 ديسيبل فقط ومعدل البيانات ثلاثة أرباع فقط من (16QAM) كما ينشأ هذا من الشكل المستطيل وليس المربع للكوكبة.

مزايا QAM:

1. إنّ (QAM) تزيد من كفاءة الإرسال لأنظمة الاتصالات الراديوية من خلال الاستفادة من تغيرات السعة والطور.
   
2. إنّ أجهزة الاستقبال التي تستخدم مع تعديل الطور أو التردد قادرة على استخدام مكبرات الصوت المحددة القادرة على إزالة أي ضوضاء سعة وبالتالي تحسين الاعتماد على الضوضاء.
   
3. يساعد في تحقيق معدل بيانات مرتفع حيث يتم نقل عدد أكبر من البتات بواسطة ناقل واحد ونتيجة لذلك أصبحت شائعة في أنظمة الاتصالات اللاسلكية الحديثة مثل (LTE وLTE-Advanced) كما أنّها تستخدم في أحدث تقنيات (WLAN).
   

عيوب QAM:

1. إنّ (QAM) أكثر عرضة للضوضاء لأنّ الحالات تكون أقرب من بعضها البعض وبالتالي هناك حاجة إلى مستوى أقل من الضوضاء لنقل الإشارة إلى نقطة قرار مختلفة.
   
2. إنّ اتساع الإشارة يتم عند تضخيم إشارة الطور أو التردد في مرسل راديوي حيث لا توجد حاجة لاستخدام مكبرات الصوت الخطية وتعد المكبرات الخطية أقل كفاءة وتستهلك المزيد من الطاقة، ممّا يجعلها أقل جاذبية لتطبيقات الهاتف المحمول.
   
3. على الرغم من زيادة معدل البيانات عن طريق تعيين أكثر من 1 بت على ناقل واحد إلّا أنّه يتطلب نسبة (SNR) عالية لفك تشفير البتات في جهاز الاستقبال.
   
4. يحتاج إلى خطية عالية (PA) (مضخم الطاقة) في جهاز الإرسال.
   
5. بالإضافة إلى نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) العالية تحتاج تقنيات التشكيل الأعلى إلى خوارزميات أمامية قوية للغاية (الوقت والتردد والقناة) لفك تشفير الرموز دون أخطاء.
   

QAM مقابل PSK:

نظراً لوجود مزايا وعيوب لاستخدام (QAM) فمن الضروري مقارنة (QAM) مع الأوضاع الأخرى قبل اتخاذ قرار بشأن الوضع الأمثل حيث تقوم بعض أنظمة الاتصالات الراديوية بتغيير مخطط التشكيل ديناميكياً وفقاً لشروط ومتطلبات الوصلة ومستوى الإشارة والضوضاء ومعدل البيانات المطلوب.

عادةً ما وجد أنّه إذا كانت معدلات البيانات أعلى من تلك التي يمكن تحقيقها باستخدام (8-PSK) مطلوبة فمن المعتاد استخدام تعديل اتساع التربيع وهذا لأنّه يحتوي على مسافة أكبر بين النقاط المجاورة في المستوى (I – Q) وهذا يحسن مناعة الضوضاء، ونتيجة لذلك يمكنها تحقيق نفس معدل البيانات عند مستوى إشارة أقل ولكن النقاط لم تعد بنفس السعة، وهذا يعني أنّ مزيل التضمين يجب أن يكتشف كلاً من الطور والسعة كما أنّ حقيقة أنّ السعة متغيرة تعني أنّ مكبر الصوت الخطي سيحتاج إلى تضخيم الإشارة.

كيف يعمل QAM مع Wi-Fi؟

اعتمادًا على مخطط التضمين فأنّه يمكن تمثيل المزيد من البتات في نقطة كوكبة معينة وبالتالي يجب وجود إشارة عالية الجودة للتمييز بين نقاط الكوكبة عند استخدام مخططات تشكيل عالية، وكلما زاد التعديل زادت اللغة تعقيداً وتصبح اللغات المعقدة صعبة الفهم أثناء السير بعيداً عن راديو (Wi-Fi).

لذلك فإنّ التعقيد يحتاج إلى الخفض ممّا ينتج عن هذا معدل بيانات أقل وهذا هو السبب في أنّ جودة الإشارة المنخفضة عادةً ما تساوي سرعة أبطأ.

تطبيقات تضمين السعة التربيعية – QAM:

• يتم ملاحظة تطبيقات (QAM) في الغالب في أنظمة تطبيقات توصيل البيانات.
  
• تقنية (QAM) لها تطبيقات واسعة في مجال الاتصالات الراديوية لأنّه مع زيادة معدل البيانات هناك فرصة لزيادة الضوضاء ولكن تقنية (QAM) هذه لا تتأثر بتداخل الضوضاء وبالتالي هناك طريقة سهلة لنقل الإشارات يمكن أن تكون ممكنة مع (QAM).
  
• لدى تقنية (QAM) تطبيقات واسعة في نقل الإشارات الرقمية مثل تلفزيون الكابل الرقمي وخدمات الإنترنت.
  

ظهرت أجهزة (QAM) ذات النطاق العريض لتبسيط وفرة معدل (QAM) كما تطورت مُعدِّلات (QAM) من إدارة الخدمات الفردية إلى إدارة الخدمات المتعددة، وأيضاً من العمل مع مجموعات صغيرة من شركات النقل (QAM) إلى دعم الطيف الكامل من (50 ميجا هرتز إلى 1 جيجا هرتز) على كل منفذ ويُعد جهاز (QAM) ذو النطاق العريض هو حل كثيف وقابل للتطوير، وهو أمر حيوي لدعم خدمات الجيل التالي والمتقدمة الإضافية عبر شبكات الألياف المحورية الهجينة (HFC) حيث إنّها تمكن مشغلي الكابلات و(MSO) من دمج عروض الخدمات الجديدة بسلاسة لدعم مبادرات أعمالهم.