معدل الخطأ في البت - Bit Error Rate

معدل الخطأ في البتات يستخدم كمعامل هام في توصيف أداء قنوات البيانات حيث عند إرسال البيانات من نقطة إلى أخرى، إمّا عبر ارتباط لاسلكي أو رابط اتصالات سلكية، فإنّ المعلمة الرئيسية هي عدد الأخطاء التي ستظهر في البيانات التي تظهر في الطرف البعيد.

ما هو معدل الخطأ في البت – Bit Error Rate؟

معدل الخطأ في البتات (BER): هو معلمة رئيسية لقياس أداء قناة البيانات السلكية أو اللاسلكية، وهو المعدل الذي تحدث به الأخطاء في نظام الإرسال حيث يمكن ترجمة هذا مباشرةً إلى عدد الأخطاء التي تحدث في سلسلة من عدد محدد من البتات، كما يمكن ترجمة تعريف معدل خطأ البت إلى صيغة بسيطة وهي: (BER = ERROR / TOTAL NUMBER OF BIT)

إنّ معدل الخطأ في البتات (BER) ينطبق على كل شيء بدءاً من روابط الألياف الضوئية إلى (ADSL) و(Wi-Fi) والاتصالات الخلوية وروابط إنترنت الأشياء حتى أنّ روابط البيانات قد تستخدم أنواعاً مختلفة جداً من التكنولوجيا، فإنّ أساسيات تقييم معدل خطأ البت هي نفسها تماماً.

يُعد معدل الخطأ في البتات صغيراً جداً إذا كان الوسيط بين المرسل والمستقبل جيداً وكانت نسبة الإشارة إلى الضوضاء عالية، وكما قد يكون غير مهم وليس له تأثير ملحوظ على النظام ككل ومع ذلك إذا كان من الممكن اكتشاف الضوضاء فهناك احتمال الحاجة إلى النظر في معدل خطأ البت.

الأسباب الرئيسية لانحطاط قناة البيانات ومعدل الخطأ المقابل في البتات هو الضوضاء والتغييرات في مسار الانتشار حيث تستخدم مسارات الإشارات الراديوية ويكون كلا التأثيرين لهما عنصر عشوائي، كما أنّ الضوضاء تتبع دالة احتمالية غوسية بينما يتبع نموذج الانتشار نموذج رايلي، ممّا يعني أنّ تحليل خصائص القناة يتم عادة باستخدام تقنيات التحليل الإحصائي.

بالنسبة لأنظمة الألياف الضوئية، تُعد أخطاء البت بشكل أساسي أنّها تحتوي على عيوب في المكونات المستخدمة لإنشاء الارتباط حيث تشمل المحرك البصري والمستقبل والموصلات والألياف نفسها، كما يمكن إدخال أخطاء البتات نتيجة التشتت البصري والتوهين الذي قد يكون موجوداً ويمكن أيضاً إدخال ضوضاء في جهاز الاستقبال البصري نفسه.

أساسيات معدل خطأ البت – BER:

يُعد إرسال البيانات عبر وسائل ارتباط البيانات بأنّه معرض إلى احتمال حدوث أخطاء في النظام، كما أنّه إذا تم إدخال أخطاء في البيانات، فقد تتعرض سلامة النظام للخطر ونتيجة لذلك من الضروري تقييم أداء النظام حيث يوفر معدل خطأ البتات (BER) طريقة مثالية يمكن من خلالها تحقيق ذلك.

إنّ معدل خطأ البتات يُقيِّم معدل الخطأ في البتات (BER) الأداء الكامل لنظام ما بما في ذلك المرسل والمُستقبل والوسيط بين الاثنين على عكس العديد من أشكال التقييم الأخرى، وبهذه الطريقة فإنّ معدل الخطأ في البتات (BER) يتيح اختبار الأداء الفعلي لنظام قيد التشغيل، بدلاً من اختبار الأجزاء المكونة على أمل أن تعمل بشكل مرضٍ عندما تكون في مكانها الصحيح.

نسبة BER وEb / No:

نسب الإشارة إلى الضوضاء و(Eb / NO) هي عبارة عن مميزات أكثر ارتباطاً بالوصلات الراديوية وأنظمة الاتصالات الراديوية حيث يمكن تحديد معدل الخطأ في البتات (BER) من حيث احتمال الخطأ أو (POE)، ولتحديد هذا يتم استخدام ثلاثة متغيرات أخرى وهي دالة الخطأ (erf) والطاقة في بت واحد (Eb) والكثافة الطيفية لقدرة الضوضاء وهي قدرة الضوضاء في عرض نطاق ترددي قدره 1 هرتز (No).

وتجدر الإشارة إلى أنّ كل نوع مختلف من التضمين له قيمته الخاصة لوظيفة الخطأ، وهذا لأنّ كل نوع من أنواع التعديل يؤدي بشكل مختلف في وجود الضوضاء حيث أنّ مخططات التضمين ذات الترتيب الأعلى مثل (64QAM) القادرة على حمل معدلات بيانات أعلى ليست قوية في وجود الضوضاء، كما تتوفر تنسيقات التعديل ذات الترتيب الأدنى مثل (BPSK وQPSK) معدلات بيانات أقل ولكنّها أكثر قوة.

يُعد مقياس للطاقة بأبعاد الجول الذي يمكن من خلاله تحديد الطاقة لكل بت (Eb) عن طريق قسمة القوة الحاملة على معدل البت حيث لا يمثل قوة لكل هرتز وبالتالي فإنّ أبعادها جول في الثانية مقسومة على ثوانٍ، وبالنظر إلى أبعاد النسبة (Eb / No) تلغي جميع الأبعاد لإعطاء نسبة بلا أبعاد حيث من المهم ملاحظة أنّ (POE) يتناسب مع (Eb / No) وهو شكل من أشكال نسبة الإشارة إلى الضوضاء.

العوامل المؤثرة في معدل خطأ البت – BER:

1. التداخل – Interference:

يتم تحديد مستويات التداخل الموجودة في النظام بشكل عام بواسطة عوامل خارجية ولا يمكن تغييرها بواسطة تصميم النظام، ومع ذلك فمن الممكن ضبط عرض النطاق الترددي للنظام ومن خلال تقليل عرض النطاق الترددي يمكن تقليل مستوى التداخل، ومع ذلك فإنّ تقليل عرض النطاق الترددي يحد من سرعة نقل البيانات التي يمكن تحقيقها.

2. زيادة قدرة المرسل – Increase transmitter power:

من الممكن زيادة مستوى طاقة النظام بحيث يتم زيادة الطاقة لكل بت، كما يجب موازنة ذلك مع العوامل بما في ذلك مستويات التداخل مع المستخدمين الآخرين وتأثير زيادة ناتج الطاقة على حجم مضخم الطاقة واستهلاك الطاقة الإجمالي وعمر البطارية.

3. تقليل عرض النطاق الترددي – Reduce bandwidth:

يُعد تقليل عرض النطاق الترددي طريقة أخرى يمكن اعتمادها لتقليل معدل خطأ البت بحيث يتم استقبال مستويات أقل من الضوضاء وبالتالي ستتحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء، كما يؤدي هذا إلى تقليل معدل نقل البيانات الذي يمكن تحقيقه.

4. تعديل الترتيب الأدنى – Lower order modulation:

يمكن استخدام مخططات التعديل ذات الترتيب الأدنى، ولكن هذا يكون على حساب نقل البيانات.

من الضروري موازنة جميع العوامل المتاحة لتحقيق معدل خطأ بتات مُرضٍ، وعادةً لا يكون من الممكن تحقيق جميع المتطلبات وهناك حاجة لبعض المفاضلات، وحتى مع وجود معدل خطأ في البت أقل ممّا هو مطلوب بشكل مثالي، كما يمكن إجراء المزيد من المقايضات من حيث مستويات تصحيح الخطأ التي يتم تقديمها في البيانات التي يتم إرسالها.

على الرغم من أنّه يجب إرسال المزيد من البيانات المكررة بمستويات أعلى من تصحيح الخطأ، إلّا أنّ هذا يمكن أن يساعد في إخفاء تأثيرات أي أخطاء بت تحدث وبالتالي تحسين معدل خطأ البت الكلي، وغالباً يتم اقتباس معدل خطأ البتات (BER) للعديد من أنظمة الاتصالات وهي معلمة رئيسية تستخدم في تحديد معلمات الارتباط التي يجب استخدامها، وكل شيء بدءاً من القدرة إلى نوع التضمين.

اختبار معدل الخطأ في البت – BER:

يُعد اختبار معدل الخطأ في البت أحد الطرق الرئيسية لتحديد أداء ارتباط بيانات الاتصالات السلكية واللاسلكية، ونظراً لأنّ معدل خطأ البت هو معلمة أساسية في أي ارتباط لاتصالات البيانات سواء سلكي أو لاسلكي، فمن المهم أن تكون قادراً على تحديد معدل خطأ البتات بسهولة ودقة في أي نظام.

يرتبط معدل أخطاء البت بالعديد من الأنظمة اللاسلكية والراديوية، ولكنّه يُستخدم  بشكل متساوٍ في صناعة الاتصالات حيث يتم استخدامه لتحديد أداء روابط البيانات بما في ذلك أنظمة الألياف البصرية بالإضافة إلى الوصلات السلكية الأخرى، ونظراً لأهميتها يُعد الاختبار أمراً أساسياً حيث تُستخدم أجهزة اختبار معدل الخطأ في البت لتمكين إنجاز هذا الاختبار.

يقيس معدل الخطأ في البتات (BER) الأداء الكامل من طرف إلى طرف للنظام بما في ذلك المرسل والمُستقبل والوسيط بين الاثنين، وبهذه الطريقة فإنّ معدل الخطأ في البتات (BER) يتيح اختبار الأداء الفعلي لنظام قيد التشغيل بدلاً من اختبار الأجزاء المكونة على أمل أن تعمل بشكل مرضٍ عندما تكون في مكانها الصحيح.

المفهوم الأساسي وراء اختبار معدل الخطأ في البتات واضح تماماً حيث يتم إرسال دفق البيانات عبر قناة الاتصالات سواء كان رابطاً لاسلكياً أو رابطاً من الألياف الضوئية، ويتم مقارنة تدفق البيانات الناتج مع الأصل حيث يتم ملاحظة أي تغييرات على أنّها أخطاء في البيانات ويتم تسجيلها وباستخدام هذه المعلومات يمكن تحديد معدل خطأ بت.

لإجراء قياس بسيط لعدد الأخطاء التي تحدث، فمن الممكن استخدام كاشف الأخطاء الذي يقارن البيانات المرسلة والمُستقبلة ثم يحسب عدد الأخطاء، وإذا تم اكتشاف خطأ واحد أثناء إرسال (10ˆ12 بت) فقد يكون التقدير التقريبي الأول هو أنّ معدل الخطأ هو (1 × 10ˆ12) ولكن هذا ليس هو الحال في ضوء الطبيعة العشوائية لأي أخطاء قد تحدث، ومن الناحية النظرية يجب إرسال عدد لا حصر له من البتات لإثبات معدل الخطأ الفعلي، ولكن من الواضح أنّ هذا غير ممكن.

نظراً لانخفاض معدلات الخطأ، يستغرق إجراء القياسات وقتاً أطول إذا أريد تحقيق أي درجة من الدقة، وبالنسبة لشبكة (Gigabit Ethernet) التي تحدد معدل خطأ أقل من (1 × 10ˆ12)، فإنّ الوقت المستغرق لإرسال (10ˆ12 بت) من البيانات هو (13.33 دقيقة)، وللحصول على مستوى معقول من الثقة في معدل خطأ البت سيكون من الحكمة إرسال حوالي (100 ضعف) هذا المقدار من البيانات حيث سيستغرق ذلك (1333 دقيقة أو حوالي 22.2 ساعة).

محاكاة النظام لاختبار BER:

1. الضوضاء – Noise:

تأتي الضوضاء في مسار الراديو من عدد من المصادر حيث يمكن أن تتولد إمّا خارجياً للنظام الإلكتروني نفسه وتأتي كضوضاء مستلمة أو قد تتولد داخلياً بشكل أساسي كضوضاء في الطرف الأمامي لجهاز الاستقبال حيث تبقى ضوضاء المستقبل موجودة بغض النظر عمّا إذا كان النظام في بيئة محاكاة أو بيئة حقيقية، كما يمكن محاكاة الضوضاء المتبقية وإدخالها إلى المستقبل باستخدام مولد الصمام الثنائي للضوضاء.

2. خصائص الخبو لأنظمة الاتصالات الراديوية – Fading characteristics for radio communications systems:

تُعد الأنظمة القائمة على الراديو بأنّها تنطبق خاصةً على خصائص الخبو لقناة، ومن المهم جداً محاكاة خصائص الحياة الواقعية لمسار الإرسال بطريقة واقعية قدر الإمكان، أمّا مع الإشارات المتغيرة باستمرار نتيجة للعديد من العوامل فمن الضروري المحاكاة، ولتحقيق ذلك بالنسبة للوصلة الراديوية فمن الضروري استخدام محاكي الخبو الذي يضيف خصائص خبو رايلي للإشارة.

قد يستخدم جهاز محاكاة الخبو المتطور قنوات متعددة مع تأخيرات زمنية متغيرة لمحاكاة ظروف المسير المتغيرة، وعلى الرغم من أنّ محاكيات التلاشي عبارة عن عناصر معقدة من معدات الاختبار، إلّا أنّها قادرة على إعطاء وسيط واقعي لاختبار معدل خطأ البتات داخل المختبر.

يُعد التأكد من عدم تسرب أي من الإشارات المرسلة مباشرةً إلى جهاز الاستقبال وتجنب المرور عبر محاكي الخبو أحد الاحتياطات الرئيسية عند اختبار معدل الخطأ في البتات (BER) على أنظمة الراديو في المختبر، وإذا كانت قدرة المرسل عالية نسبياً فمن الصعب إعطاء مستويات كافية من الفرز وقد لا تكون بعض الاختبارات صالحة،كما يجب توخي الحذر الشديد للتأكد من أنّ جميع الإشارات تنتقل عبر جهاز محاكاة الخبو، وقد تكون هناك حاجة إلى مستويات كبيرة من الفحص.