طريقة التكييف في الاتصالات - Adaptive Equalization

يمكن استخدام المعادلة التكيفية لتحسين نقل البيانات الرقمية على روابط لاسلكية مع تشويه متعدد المسارات متغير بمرور الوقت، كما يتم تحديد الحاجة إلى مواجهة التداخل بين الرموز (ISI) في نقل البيانات عالي السرعة عبر قنوات متغيرة بمرور الوقت وغير معروفة حيث يتم النظر في نهج التكافؤ التكيفية.

ما هو Adaptive equalizer؟

المعادل التكيفي: هو معادل يتكيف تلقائياً مع الخصائص المتغيرة بمرور الوقت لقناة الاتصال حيث يتم استخدامه بشكل متكرر مع التشكيلات المتماسكة مثل مفتاح إزاحة الطور (ASK) وتخفيف تأثيرات الانتشار متعدد المسارات وتمديد دوبلر.

يتم تعريف المعادلة على نطاق واسع على أنّها طرق معالجة الإشارة للتخفيف من (ISI)، أمّا بعد البدء بهياكل المعادل التكيفية التقليدية أي المرشحات التكيفية والاختلافات على سبيل المثال، الكشف عن التسلسل، يتم النظر في متطلبات المعادلة المحددة لاتصالات الحزمة أو الاندفاع عالية السرعة حيث يمثل الاتصال المتواصل للبيانات عالية السرعة بعض التحديات المهمة لتصميم النظام وجهاز الإرسال والاستقبال، لكنه يوفر أيضاً مرونة متزايدة في معالجة الكشف.

كما يتم فحص بدائل مودم النطاق العريض للإرسال أحادي القناة عالي السرعة والاستقبال المتساوي حيث تم وصف تقنيتين مهمتين، هما: إرسال الطيف الممتد بالتتابع المباشر والتضمين متعدد الموجات الحاملة، كما يتم إجراء مقارنات بين (TDMA) المتوازنة في سياق اتصالات حزم البيانات، كما أنّ اعتبارات التنفيذ وهيكل الشبكة لها تأثير كبير على هذه المقارنات.

تم اقتراح خوارزمية معامل ثابت معدل (MCMA) لمعادلة القناة التكيفية لإشارات (QAM) حيث تقلل الخوارزمية المقترحة من دالة التكلفة التي تتكون من السعة والطور وكذلك الطور المعتمد على الاتساع الذي توفره خوارزمية المعامل الثابت التقليدي (CMA)، كما يجب أن يحقق العديد من الخصائص التي تضمن القيم القصوى عند مستويات إشارة (QAM) وبأقصى انحرافات عن هذه المستويات.

كما يجب أن تسمح الخصائص بالتماثل والتوحيد عبر جميع الأبجديات، وتُعد الوظائف الجيبية المشتركة ذات القوة الزوجية مناسبة لتمثيلات مصطلح المرحلة، كما تتم مقارنة (MCMA) مع (CMA) وخوارزمية (Stop and Go) للمعادلة العمياء حيث يتم تقييم الأداء للقنوات اللاسلكية الداخلية باستخدام سلوكيات الحالة العابرة والثابتة لخطأ المربع المتوسط ​​(MSE).

تم تطوير نموذج القناة بناءً على الملاحظات الطيفية لنطاق التردد (U-NII) ويظهر أنّه متغير بمرور الوقت ويظهر التردد المخبأة، في حين أنّ (CMA) ناجح في تحقيق أداء جيد، فقد تبين أنّ كل من (MCMA وSGA) متفوقان وأكثر قوة في بيئات (SNR) المنخفضة حيث يتم مقارنة أداء بين معادلات متباعدة بين الرموز ومتباعدة بين العينات لجهاز استقبال فردي وهوائي ثنائي، وأنّ نتائج المحاكاة تستخدام مستقبل متعدد الهوائيات حيث يمكن أن يحسن بشكل فعّال معادلات القناة التكيفية عن طريق زيادة معدل التقارب وتقليل متوسط ​​الخطأ التربيعي المستقر.

مصادر التكييف في الاتصالات:

من أجل أن تبدأ خوارزميات المعادل التكيفي عملية اشتقاق المعاملات التي سيتم استخدامها لإنشاء مرشح تكون استجابته الترددية المعقدة عكس استجابة التردد المعقدة للقناة، ويمكن أن يكون مصدر التكيف عبارة عن تسلسل تدريب مُرسَل أو الإشارة نفسها.

1. تسلسل التدريب المرسل – Transmitted training sequence:

في معادلات التأثير الصفري التقليدية أو معادلات الخطأ التربيعي الدنيا (MSE)، يتم إرسال تسلسل تدريب معروف إلى جهاز الاستقبال لغرض ضبط معاملات المعادل في البداية، أمّا في عملية التعادل المسبق (DOCSIS) تتضمن عمليات إرسال البيانات من جميع أجهزة المودم التي تستخدم الكيبل تمهيداً في بداية كل رشقة حيث يتم استخدام التمهيد كإشارة تدريب لنظام إنهاء مودم الكبل (CMTS) للمعادل التكيفي المنبع.

2. الإشارة نفسها – The signal itself:

المعادلات التي لا تعتمد على تسلسلات التدريب المرسلة من أجل الضبط الأولي للمعاملات تسمى الاسترداد الذاتي أو المعادلات العمياء، والمعادل التكيفي في المستقبل المتجه لمودم كبل (DOCSIS) أو جهاز فك التشفير الرقمي هو معادل أعمى، أمّا في حالة أجهزة المودم التي تستخدم الكيبل لا تحدد (DOCSIS) تسلسل تدريب في الإشارة القادمة.

معايير نظام التكييف لأنظمة الاتصال الاسلكي:

يتعلق نظام التكييف بطريقة ودعم الوظيفة المرغوبة لنظام الاتصال اللاسلكي بأداء محسن ومزايا اقتصادية حيث يمكن تحديد الوظيفة المطلوبة من خلال معايير محددة هي:

• النطاق الأقصى للاتصال بنظام الاتصال اللاسلكي.
  
• جودة ارتباط الإرسال في نظام الاتصال اللاسلكي.
  
• سعة نظام الاتصال اللاسلكي.
  
• استهلاك الطاقة لنظام الاتصال اللاسلكي.
  
• البروتوكولات المدعومة في نظام الاتصالات اللاسلكية.
  
• تقنيات التعديل المستخدمة في نظام الاتصالات اللاسلكية.
  
• تقنيات المعالجة لدمج الإشارات في نظام الاتصالات اللاسلكية حيث يمكن تكييف النظام من خلال تغيير واحد أو أكثر من عدد المكونات أو تقنيات المعالجة المستخدمة في نظام الاتصالات اللاسلكية.
  

مستقبل الاتصالات مع التعادل التكيفي:

في نظام الاتصالات اللاسلكية يتم الكشف عن طريقة لتقدير الإشارة المرسلة حيث يتم تلقي إشارة لاسلكية تتضمن قناة تجريبية وقناة أخرى واحدة على الأقل، كما يتم تقدير الإشارة المرسلة باستخدام المعادل والإشارة اللاسلكية المستقبلة حيث يشتمل المعادل على مرشح مع عدد كبير من المفاتيح التي يتم تكييفها من خلال استخدام خوارزمية تكيفية تستخدم يماً مقدرة من الإشارة اللاسلكية المستقبلة، كما يتم إرسال القناة التجريبية في الإشارة اللاسلكية التي تضم قناة أخرى واحدة على الأقل حيث يتم استخراج القيمة المقدرة وتقديمها إلى الخوارزمية التكيفية.

نقل الإشارة المثالي باستخدام التعديل التكيفي:

تظهر نتائج البحث أن الضبط التكيفي للمعدلات على التغذية المرتدة يتيح تطوير نظام اتصال مثالي (CS) حيث ينقل الإشارات التماثلية والرقمية في الوقت الفعلي دون تشفير بمعدل بتات يساوي سعة القناة الأمامية ويحد من كفاءة طيف الطاقة، وتُعد هذه الإمكانيات وغيرها من الإمكانيات التي لا يمكن تحقيقها بالنسبة للاتصال المثالي المعروفة وهي نتيجة الانتقال من الإرسال المباشر لعينات الإشارة الداخلة إلى إرسال تسلسل أخطاء تقديرها المتكونة دورياً عند مدخل مُشَكِّل المرسل الأمامي (FT).

يتم تعديل كل خطأ مرسل كفرق بين قيمة عينة الإدخال وتقديرها الحالي المحسوب في المستقبل ويتم تسليمه إلى (FT) عبر التغذية المرتدة حيث تقلل دقة التقديرات المتزايدة أخطاء التقدير وتسمح بإرسالها بشكل دائم ممّا يؤدي إلى زيادة دليل التضمين وتعظيم كمية المعلومات التي يتم تسليمها إلى المستقبل، وعلى عكس (CS) مع الترميز يمكن تحسين التغذية الراجعة التكيفية (CS – AFCS) باستخدام تقدير (Bayesian) ونظرية المعلومات.

كما يؤدي إلى تبسيط بناء (FT) ويقلل من استهلاك الطاقة والتكلفة، وعلاوة على ذلك تسمح الخصائص التكيفية لـ (AFCS) بالحفاظ على الوضع المثالي للإرسال في كل سيناريو تطبيق، كما يعرض الفصل الخلفيات التحليلية ونتائج التجارب ونشأة البحث بما في ذلك أسباب غياب (AFCS) في الاتصالات الحديثة.

تقنية معادلة تكيفية في اتصالات ذات معدل بيانات مرتفع محدود النطاق:

في تطبيقات الاتصالات ذات معدل البيانات المرتفع حيث تكون معلومات البيانات الرقمية مشفرة مصححة للأخطاء ومرسلة مع قيود طيفية على قنوات التشتت المخبأة، يتم وصف طريقة ومستقبل يتضمن تقدير القناة ومعادلة القرار والتغذية المرتدة حيث يتم تقدير القناة خلال فترة زمنية للمستقبل بتسلسل رموز مرجعية مولدة محلياً، كما يتم حساب معلومات معادل ردود الفعل للقرار (DFE) مباشرةً من تقديرات القناة.

يقوم جهاز (DFE) على تحقيق الطول المحدود الأمثل الذي يتضمن تأثيرات من ترشيح التحكم في الطيف ومشفّر فترة الزمن والمكان (STBC) على هوائيات إرسال متعددة وإشارات تنوع مستقبلات متعددة وقناة التشتت المخفية حيث يشتمل (DFE) على مرشح مطابق ومرشح أمامي ومرشح خلفي وكاشف، كما ينتج مجمع الرموز داخل المرشح المطابق إشارة بعدية (P + 1) توفر إلغاءاً مثالياً لمسببات التداخل (P) بين الرموز في المرشح الأمامي.

عند تحديد (P) لتلبية معيار التداخل بين الرموز (ISI) حيث يتم جمع كل طاقة الإشارة المرغوبة ويمكن إلغاء كل (ISI) بشكل مثالي، كما تعالج (DFE) الإشارات المستلمة خلال فترة وقت المستقبل لإنتاج تقديرات رموز المعلومات التي يتم فك تشفيرها لاحقاً وفك تشفير تصحيح الخطأ لاستعادة معلومات البيانات الرقمية المرسلة حيث يؤدي إلغاء التداخل عبر فترات زمنية متعددة للمستقبل إلى زيادة تعويض اختلافات تقدير القناة من فترة إلى أخرى، بالإضافة إلى ذلك يتم استخدام (STBC وDFE) في تقنية تنوع الزوايا الرباعية التي تتطلب هوائياً واحداً فقط عند كل مطراف لوصلة انتثار تروبوسفيري لتوفير أداء يقترب من الوصلة الساتلية غير الخافتة.

أداء المعادلة التكيفية لأنظمة الاتصالات الرقمية التالفة بسبب التداخل:

تُعد آثار التداخل على أداء الحالة المستقرة للعديد من خوارزميات المعادلة التكيفية الشائعة حيث يتضح أنّ المعادلات التكيفية القائمة على بنية المعادل الخطي لها قدرة مضمنة على رفض تداخل النطاق الضيق ومع ذلك يتدهور الأداء مع زيادة عرض النطاق الترددي للتداخل، كما يظهر أنّ وجود مكون خاطئ متغير بمرور الوقت في متجه وزن الموازن التكيفي يؤثر على خصائص إلغاء التداخل، وبالإضافة إلى ذلك يتم التحقيق في الانتشار والتداخل متعدد المسارات في وقت واحد حيث تعتبر هذه الأخطاء في أداء المعادل الخطي التكيفي مهمة بشكل خاص للتطبيقات التي قد تواجه مداخلات متعمدة أو غير مقصودة.

المعادل التكيفي عبارة عن دائرة رقمية تعوض عن ضعف استجابة التردد المعقد للإشارة الرقمية داخل القناة حيث استخدمت صناعة الكابلات مصطلح استجابة التردد لوصف السعة أو المقدار والتردد المقابل أي ما يظهر على شاشة معدات الاختبار المستخدمة واستجابة التردد الحقيقية هي كيان معقد يحتوي على مكونين: السعة مقابل التردد والطور مقابل التردد، كما يمكن أن يعوض المعادل التكيفي عن انحطاط الاتساع والطور مقابل التردد داخل القناة.