الوحدة 5 · الدرس 3

مخطّطات الكوكبة

12 دقيقة قراءة
مقال

حتى الآن وصفنا التضمين برسم أشكال موجية في الزمن. لكن ثمّة صورةٌ ثانية — أنفع بكثير حين تكثر النقاط — تُظهر كل رمز بوصفه نقطة واحدة. تُسمّى مخطّط الكوكبة، وهي تحوّل أسئلة الضوضاء ومعدّل البت والموثوقية إلى هندسة بسيطة: كم نقطة، وكم تبعد كلٌّ عن الأخرى، وكم حجم الضوضاء. يبني هذا الدرس تلك الصورة ويستعملها ليرينا بالضبط كيف تسبّب الضوضاء أخطاء البتات.

مستوى I–Q

يمكن كتابة أي إشارة نطاق ممرّر مجموعَ حاملين يفصل بينهما رُبع دورة: جيب تمام (المكوّن المتوافق، أو I) وجيب (المكوّن التربيعي، أو Q). ولأن جيباً وجيبَ تمام بالتردد نفسه متعامدان — يستطيع المستقبِل استعادة كلٍّ منهما دون تداخل من الآخر — فإن الزوج (I، Q) يصف الرمز وصفاً كاملاً:

تمثيل I/Q
s(t) = I\,\cos(2\pi f_c t) - Q\,\sin(2\pi f_c t)
عددان لكل رمز، I وQ، يُرسمان نقطةً على مستوٍ. بُعدها عن المبدأ هو سعة الإشارة √(I²+Q²)، وزاويتها هي الطور. والكوكبة ببساطة مجموعة النقاط التي يُسمح للمخطّط بإرسالها.

توحّد هذه الصورة الواحدة كل ما في الدرس السابق. فإزاحة السعة تحرّك النقطة نحو المبدأ أو بعيداً عنه؛ وإزاحة الطور تدوّرها حول المبدأ؛ وإزاحة الاثنين معاً — QAM — تضع النقاط في أي مكان على المستوى. فـASK وPSK وQAM ليست آليات مختلفة؛ بل ترتيبات مختلفة للنقاط.

من نقطتين إلى الآلاف

BPSK نقطتان على المحور الأفقي، عند 1+ و1− — بتٌّ واحد تختاره الإشارة. وQPSK تضيف المحور الرأسي: أربع نقاط، واحدة في كل ربع، بتّان لكل رمز. وادفع أبعد فتتضاعف النقاط:

المخطّطالنقاط Mبت / رمزالترتيب
BPSK21نقطتان على خطّ
QPSK42أربع نقاط على دائرة (مربّع)
8-PSK83ثماني نقاط على دائرة
16-QAM164شبكة 4 × 4
64-QAM646شبكة 8 × 8
256-QAM2568شبكة 16 × 16
بت لكل رمز
b = \log_2 M \quad\text{bits per symbol}
تحمل M نقطة log₂M بتّاً لكلٍّ. وكل صعود في الجدول يضاعف النقاط ويضيف بتّاً واحداً لكل رمز — تُبقي PSK النقاط على دائرة (سعة ثابتة)، وتملأ QAM شبكة.

مناطق القرار

لا يستعيد المستقبِل النقطة الأصلية تماماً أبداً — فالقناة أزاحتها. ومهمّته أن يقرّر أيّ نقطة من نقاط الكوكبة الـ M هي الأرجح إرسالاً، وللرموز المتساوية القدرة في ضوضاء غاوسية يكون الجواب ببساطة الأقرب. ارسم منصّف العمود بين كل زوج من النقاط المتجاورة فينقسم المستوى إلى مناطق قرار: منطقةٌ لكل رمز. هي الأرباع الأربعة لـQPSK، وشبكةٌ من المربّعات لـ16-QAM. وما دامت النقطة المستقبَلة تقع في المنطقة الصحيحة، يُفكّ الرمز صواباً.

كيف تسبّب الضوضاء أخطاء البتات

تضيف الضوضاء الحرارية (الوحدة 9) دفعةً عشوائية مستقلّة إلى كلٍّ من I وQ. وعلى الكوكبة تُلطّخ هذا كلَّ نقطة مثالية إلى سحابة ضبابية — كتلة غاوسية ثنائية البُعد. في أغلب الوقت تبقى النقطة المستقبَلة قرب أصلها فتُفكّ صواباً. لكن إن كانت الضوضاء كبيرة بما يكفي لدفعها عبر حدّ قرار، يختار المستقبِل جاراً ويقع خطأ رمز.

وما إن كان ذلك سيحدث يحكمه عددٌ واحد: المسافة الدنيا dmin بين النقاط المتجاورة، مقيسةً مقابل انحراف الضوضاء المعياري σ. واحتمالية خطأ الرمز تهيمن عليها أقرب الجيران:

احتمالية خطأ الرمز
P_{\text{symbol}} \approx N_{\!e}\; Q\!\left(\frac{d_{\min}}{2\sigma}\right),\qquad \sigma^2 = \frac{N_0}{2}
Q(·) ذيل غاوس؛ وσ² = N₀/2 قدرة الضوضاء لكل بُعد؛ وNₖ عدد أقرب الجيران. تركب موثوقية المخطّط كلّها على dmin/σ — الفجوة بين النقاط منسوبةً إلى حجم سحابة الضوضاء.

لهذا يكون خطأ الرمز عادةً خطأ بتٍّ واحد. تُعنون الكوكبات بـترميز غراي (الدرس التالي) بحيث تختلف النقاط المتجاورة ببتٍّ واحد بالضبط — فحين تدفع الضوضاء رمزاً إلى المنطقة المجاورة، ينقلب بتٌّ واحد فقط. أما الانزلاق إلى نقطة بعيدة، وهو ما يُفسد بتات كثيرة، فأقلّ احتمالاً بمقدار أُسّي.

مقايضة الكثافة، مرئيّةً. عند قدرة إرسال ثابتة، يجب أن تتّسع كل كوكبة داخل الدائرة نفسها — فحشو نقاط أكثر يجبرها على أن تكون أقرب، فتتقلّص dmin. والانتقال من QPSK إلى 16-QAM إلى 64-QAM يضاعف ثم يثلّث البتات لكل رمز، لكن كل قفزة بمقدار بتّين تقلّص التباعد بما يكفي ليتطلّب نحو 6 ديسيبل نسبة إشارة إلى ضوضاء إضافية للحفاظ على معدّل الخطأ نفسه. وهذه هي نسخة مخطّط الكوكبة من لازمة الوحدة 5: مزيدُ البتات لكل رمز يكلّف دوماً هامشَ ضوضاء. ولهذا بالضبط تنتقل الأنظمة الحقيقية إلى كوكبة أصغر حين تتدهور القناة (التضمين المتكيّف، الوحدة 6).

أبرز النقاط

السابق: ASK وFSK وPSK نظرة عامة التالي: QAM