اقرأ في هذا المقال
- أساسيات نظام اتصالات الإشارة والطاقة
- أساسيات نظام اتصالات الإشارة والطاقة
- تطور عمل نظام اتصالات الإشارة والطاقة
يؤدي التغير العشوائي في قدرة الإشارة المستقبلة الناتج عن الخبو المسطح متعدد المسارات إلى زيادة كبيرة للغاية في متوسط معدل الخطأ في البتات (BER) على الوصلة، وعلى سبيل المثال من أجل الحفاظ على متوسط معدل الخطأ في البتات (BER) قدره (10−3) ومطلب نموذجي لتصميم الوصلة للأنظمة الصوتية، يلزم توفير طاقة أكبر بمقدار (60 مرة) في حالة وجود خبو ثابت.
أساسيات نظام اتصالات الإشارة والطاقة
يفترض حساب (BER) مفتاح إزاحة الطور الثنائي أو تعديل (BPSK) وتتطلب تعديلات المستوى الأعلى زيادة أكبر في قدرة الإرسال، وهذه الزيادة المطلوبة في القدرة أكبر حتى في معدلات (BER) الأدنى المطلوبة لنقل البيانات، وبالتالي فإنّ الإجراءات المضادة لمكافحة آثار الخبو المسطح يمكن أن تقلل بشكل كبير من قدرة الإرسال المطلوبة على الوصلة لتحقيق معدل الخطأ في البتات (BER) المستهدف، وأكثر الإجراءات المضادة للخبو المسطح شيوعاً هي التنوع والتشفير والإشارات والتشكيل التكيفي.
في تنوع يتم إنشاء عدة مسارات منفصلة لإشارات الخبو بشكل مستقل بين المرسل والمستقبل ويتم الجمع بين الإشارات المستقبلة التي يتم الحصول عليها من كل من هذه المسيرات، ونظراً لوجود احتمال ضئيل لحدوث خبو عميق في مسارات الخبو المستقلة في آن واحد، فمن غير المرجح أن تشهد الإشارة التي يتم الحصول عليها من خلال الجمع بين العديد من مسيرات الخبو هذه تغيرات كبيرة في القدرة، ولا سيما مع أربعة أو أكثر من مسيرات التنوع ويمكن تحقيق مسارات الخبو المستقلة بفصل الإشارة في الوقت أو التردد أو الفضاء أو الاستقطاب.
تنوع الوقت والتردد غير فعال لأنّ المعلومات تتكرر، كما أنّ تنوع الاستقطاب محدود الفعالية لأنّه لا يمكن إنشاء سوى مساري خبو مستقلين ويقابلان الاستقطاب الأفقي والرأسي، وعادةً ما يتم تقسيم قدرة الإرسال بين هذين المسارين، وهذا يجعل التنوع المكاني هو أكثر تقنيات التنوع كفاءة وفي التنوع المكاني يتم الحصول على مسيرات خبو مستقلة باستخدام صفيف هوائي، حيث يتلقى كل عنصر هوائي مسير خبو مستقل.
من أجل الحصول على مسيرات خبو مستقلة يجب أن تكون عناصر الهوائي متباعدة على الأقل أي نصف طول موجة الإشارة، والأمر الذي قد يكون صعبًا على الأجهزة المحمولة الصغيرة خاصةً في نطاقات التردد المنخفضة (f <1 GHz أو على نحو مكافئ λ> 3m).
طريقة أخرى لمكافحة آثار الخبو المسطح هي الترميز والإشارات، وبشكل عام يتسبب الخبو المسطح في حدوث أخطاء بتات في الرشقات المقابلة للأوقات التي تكون فيها القناة في حالة خبو عميق، كما يمكن لرموز القناة منخفضة التعقيد تصحيح بعض أخطاء البتات المتزامنة على الأكثر، ويتدهور أداء الشفرة بسرعة عندما تحدث أخطاء في رشقات كبيرة.
- “BPSK” هي اختصار لـ “Binary phase-shift keying”.
- “BER” هي اختصار لـ “Bit Error Rate”.
أساسيات نظام اتصالات الإشارة والطاقة
تتمثل الفكرة الأساسية للتشفير والإشارات في توزيع أخطاء الرشقات على العديد من الكلمات المشفرة وعلى وجه التحديد في عملية إرسال الإشارات، ويتم فصل البتات المجاورة في كلمة تشفير واحدة بواسطة بتات من كلمات مشفرة أخرى ثم يتم إرسال هذه البتات المخلوطة عبر القناة، وبما أنّ أخطاء القناة تحدث في رشقات، فإنّ التخليط يمنع البتات المجاورة في نفس كلمة التشفير من التأثر بنفس رشقة الخطأ.
في جهاز الاستقبال يتم فصل البتات أي تم فك تشفيرها إلى ترتيبها الأصلي ثم تمريرها إلى وحدة فك التشفير، وإذا أدت عملية إرسال الإشارات إلى انتشار أخطاء الرشقات ولم تحدث أخطاء الرشقات بشكل متكرر، فإنّ كلمات التشفير التي تم تمريرها إلى مفكك الشفرة سيكون لها خطأ بت واحد على الأكثر ويمكن تصحيح هذه الأخطاء بسهولة باستخدام معظم شفرات القناة (FEC).
قد تكون تكلفة التشفير وإرسال الإشارات زيادة التأخير والتعقيد كبيرة إذا كان معدل الخبو بالنسبة لمعدل البيانات بطيئاً وهذا هو الحال عادةً بالنسبة للبيانات عالية السرعة، وعلى سبيل المثال في قناة دوبلر (10 هرتز) ومعدل بيانات (10 ميجابت في الثانية) ستستمر رشقة الخطأ حوالي (300000 بت)، وفي هذه الحالة يجب أن يكون المشذر كبيراً بما يكفي للتعامل مع هذا القدر من البيانات على الأقل، ويجب أن يكون التطبيق قادراً على تحمل تأخير إشارات لا يقل عن (30 مللي ثانية).
عندما يمكن تقدير القناة وإرسال هذا التقدير مرة أخرى إلى المرسل يمكن تكييف مخطط الإرسال بالنسبة لظروف القناة، وعلى وجه الخصوص يمكن تكييف معدل البيانات والقدرة ومخطط التشفير بالنسبة لخبو القناة لتعظيم متوسط معدل البيانات أو لتقليل متوسط قدرة الإرسال أو معدل الخطأ في البتات (BER)، كما يسمح هذا التكيف باستخدام القناة بشكل أكثر كفاءة، حيث يتم تحسين معلمات الإرسال للاستفادة من ظروف القناة المواتية، وتحدد العديد من القيود العملية متى يجب استخدام التقنيات التكيفية.
إذا كانت القناة تتغير بسرعة كبيرة بحيث لا يمكن تقديرها بدقة أو لا يمكن إعادة التقدير إلى جهاز الإرسال قبل أن تتغير القناة بشكل كبير فإنً التقنيات التكيفية ستؤدي بشكل سيئ، كما تزيد التقنيات التكيفية أيضاً من تعقيد كل من المرسل والمستقبل لمراعاة تقدير القناة والإرسال التكيفي، ويلزم وجود مسار تغذية مرتدة لترحيل تقدير القناة مرة أخرى إلى جهاز الإرسال، الذي يشغل قدراً صغيراً من عرض النطاق الترددي الإضافي على قناة العودة.
- “FEC” هي اختصار لـ “Forward error correction”.
تطور عمل نظام اتصالات الإشارة والطاقة
يتمثل أحد مقاييس أداء النظام في نسبة قدرة الإشارة المستقبلة في عرض نطاق محدد إلى قدرة الضوضاء المستقبلة في نفس عرض النطاق، ومع الأنظمة الرقمية يتم قياس أداء النظام باستخدام النسبة المستقلة عن عرض النطاق الترددي لطاقة البت إلى كثافة طاقة الضوضاء (Eb / No)، ثم ترتبط هذه القيمة بمعدل خطأ البتات المطلوب أو المقدر (BER)، واحتمال تلقي بت البيانات بشكل غير صحيح لتقييم أداء الارتباط، والقيم المشتركة لمعدل الخطأ في البتات (BER) هي (10-7) أو (10-6) لوصلات الأمر و(10-5) لوصلات القياس عن بعد.
في معيار (IEEE 802.15.4) يتم تعريف حساسية جهاز الاستقبال على أنّها أقل قدرة إشارة مستلمة تنتج معدل خطأ في الحزمة (PER) أقل من (1٪)، ويتطلب (IEEE 802.15.4) حساسية (85 ديسيبل) فقط للعمليات في نطاق (2.4 جيجاهرتز ISM)، وفي النطاق (868 ميجاهرتز) أو (915 ميجاهرتز)، وإذا تم استخدام تشكيل (BPSK) فإنّ الحساسية المطلوبة هي (92 dBm)، ويجب أن تلبي أوضاع التشغيل الاختيارية في النطاق (868/915 ميجاهرتز)، وباستخدام تعديل (ASK) و(OQPSK) حساسية (85 ديسيبل ميلي واط).
في (IEEE 802.15.4) يكون تخالف تردد الموجة الحاملة لإشارة الإدخال صفراً أثناء اختبار حساسية المستقبِل، ومع ذلك تحتوي إشارة الإدخال على بعض تخالف التردد وإذا لم يستخدم المستقبِل آلية تصحيح تخالف التردد فإنّ مستوى الحساسية سينخفض.
- “PER” هي اختصار لـ “Packed Encoding Rules” و”ASK” هي اختصار لـ “Amplitude Shift Keying”.
- “OQPSK” هي اختصار لـ “Offset Quadrature Phase Shift Keying” و”ISM” هي اختصار لـ “Industrial Scientific Medical”.
- “Eb / No” هي اختصار لـ “Energy per bit to noise power density ratio” و”IEEE” هي اختصار لـ “Institute of Electrical and Electronics Engineers”.
