الوحدة 6 · الدرس 2

معدّل نايكويست ومعدّل الرمز

12 دقيقة قراءة
مقال

أخبرنا شانون بالسقف على البتات في الثانية. وهذا الدرس عن الرموز التي تحملها: كم رمزاً مميّزاً في الثانية يمكن لنطاقٍ بعرضٍ معطى أن يحمل قبل أن تبدأ في التلطّخ بعضها ببعض. والجواب رقمٌ آخر من بواكير الحقل — رقم نايكويست، من 1928 — وهو، مع بتات-كل-رمز من الوحدة 5، يحدّد معدّل بيانات كل رابط حقيقي.

معدّل نايكويست

أرسِل الرموز بسرعة مفرطة عبر قناة محدودة النطاق، فيتسرّب ذيلُ كلٍّ إلى جيرانه — التداخل بين الرموز (ISI). وجد نايكويست الحدّ الدقيق: قناة قاعدية عرضها W تحمل على الأكثر 2W رمزاً في الثانية خاليةً من ISI. وبمكافئ آخر، لإرسال Rs رمزاً في الثانية تحتاج على الأقل Rs/2 من النطاق القاعدي:

معدّل الإشارات لنايكويست
R_s \le 2W \qquad\Longleftrightarrow\qquad W_{\min} = \tfrac{R_s}{2}
Rs معدّل الرمز (رمز/ث، أو باود)، وW النطاق القاعدي بالهرتز. فأدنى نطاق لحمل Rs باود هو Wmin = Rs/2. (قناةٌ نطاقُ ممرّرها/راديوية بعرض B تحمل Rs = B باود عند هذا المثالي.)

معدّل الرمز ليس معدّل البت

هنا تعود الوحدة 5 إلى القصّة. يحدّ معدّل نايكويست الرموز، لكن كل رمز يمكن أن يحمل عدّة بتات — وذاك كان جوهر QAM. فمعدّل البت هو معدّل الرمز مضروباً في البتات التي يحملها كل رمز:

معدّل البت من معدّل الرمز
R_b = R_s \times \log_2 M
رابطٌ بمعدّل 1 ميغاباود يرسل مليون رمز/ث بغضّ النظر عن المخطّط — لكن ذلك 1 ميغابت/ث بـBPSK، و2 بـQPSK، و6 بـ64-QAM. الباود والبت في الثانية وحدتان مختلفتان؛ والخلط بينهما هو الخطأ الكلاسيكي.

لماذا يستحيل المثالي

لا يُبلَغ حدّ نايكويست 2W إلا بمرشّح جدارٍ قائم مثالي — طيفٌ مستوٍ حتى Rs/2 ثم عمودي. وفي مجال الزمن يكون ذلك المرشّح نبضة sinc: ترنّ إلى الأبد في الاتجاهين وغير سببية، فلا يمكن بناؤها، وحتى نسختها المبتورة حسّاسة كارثيّاً لخطأ التوقيت. تقايض الأنظمة الحقيقية قليلاً من النطاق الإضافي مقابل نبضة قابلة فعلاً للتحقيق.

تشكيل النبضة بجيب التمام المرفوع

الحلّ المعياري هو نبضة جيب التمام المرفوع. تحافظ على خاصية نايكويست الحاسمة — النبضة صفرٌ عند كل لحظة رمز أخرى، فلا يرى المستقبِل المطابق أي ISI — بينما تليّن الجدار القائم إلى انحدارٍ لطيف بجيب التمام. ويضبط بارامترٌ واحد، عامل الانحدار α (بين 0 و1)، مقدار اللطف:

نطاق جيب التمام المرفوع
B = \frac{R_s}{2}\,(1 + \alpha), \qquad 0 \le \alpha \le 1
ينمو النطاق القاعدي المشغول من حدّ نايكويست الأدنى Rs/2 بالعامل (1 + α). والنطاق الفائض — ثمن القابلية للتحقيق — هو α × Rs/2، أي α معبَّراً عنه نسبةً فوق نايكويست.

مقايضة الانحدار

جذر جيب التمام المرفوع والمرشّح المطابق. عمليّاً تُقسَم صورة جيب التمام المرفوع نصفين — مرشّح جذر جيب التمام المرفوع (RRC) عند المرسِل ومثله عند المستقبِل. وبتتالييهما يتضاعفان إلى جيب تمام مرفوع كامل، فينتج ISI صفري؛ ولأن مرشّح الاستقبال نسخةٌ من نبضة الإرسال، فهو أيضاً المرشّح المطابق الذي يعظّم SNR (أفضل كاشفٍ ممكن في الضوضاء الغاوسية). اختيارُ تصميمٍ واحد يؤدّي مهمّتين معاً.

جمعها معاً

معدّل بيانات الرابط الحقيقي ينتج الآن من اختيارين مستقلّين. النطاق الراديوي المتاح B والانحدار يحدّدان معدّل الرمز، Rs = B / (1 + α)؛ ورتبة التضمين تحدّد البتات لكل رمز، log₂M. اضربهما لتحصل على معدّل البت:

النطاق Bالانحدار αمعدّل الرمز Rsالتضمينمعدّل البت
1 ميغاهرتز0.250.8 ميغاباودQPSK (2 بت)1.6 ميغابت/ث
1 ميغاهرتز0.250.8 ميغاباود64-QAM (6 بت)4.8 ميغابت/ث
20 ميغاهرتز0.118.2 ميغاباود256-QAM (8 بت)145 ميغابت/ث

لاحظ أن الرافعتين منفصلتان: النطاق والانحدار يشتريان الرموز، ورتبة التضمين تشتري البتات لكل رمز. ويدمج الدرس التالي بينهما في مقياسٍ واحد للجدارة — الكفاءة الطيفية، بالبت في الثانية لكل هرتز — ويقيس كل مخطّط مقابل سقف شانون.

أبرز النقاط

السابق: مبرهنة سعة شانون نظرة عامة التالي: الكفاءة الطيفية