معدل الأحرف

يُستخدم مصطلح معدل الباود أحيانًا بشكل خاطئ للدلالة على معدل البت، نظرًا لأن هذه المعدلات متطابقة في أجهزة المودم القديمة وفي أبسط روابط الاتصال الرقمي التي تستخدم بتًا واحدًا فقط لكل رمز، بحيث يُمثل الرقم الثنائي "0" برمز، والرقم الثنائي "1" برمز آخر. في أجهزة المودم وتقنيات نقل البيانات الأكثر تطورًا، قد يكون للرمز الواحد أكثر من حالتين، وبالتالي قد يُمثل أكثر من رقم ثنائي واحد (يمثل الرقم الثنائي دائمًا إحدى حالتين فقط). لهذا السبب، غالبًا ما تكون قيمة معدل الباود أقل من معدل البت الإجمالي.

مثال على استخدام وإساءة استخدام مصطلح "معدل الباود" : من الصحيح كتابة "معدل باود منفذ COM الخاص بي هو 9600" إذا كان المقصود هو معدل نقل البيانات ( بت/ثانية) ، حيث يوجد بت واحد لكل رمز في هذه الحالة. أما كتابة "معدل باود الإيثرنت هو 100 ميجا باود " أو "معدل باود المودم الخاص بي هو 56000" فليست صحيحة إذا كان المقصود هو معدل نقل البيانات (بت/ثانية). للمزيد من التفاصيل حول هذه المصطلحات، انظر أدناه.

يمكن فهم الفرق بين معدل الرموز ومعدل البتات من خلال تخيل شخص يستخدم علم إشارة ضوئية واحدًا ، حيث يمكنه تحريك العلم إلى موضع جديد مرة واحدة كل ثانية، وبالتالي فإن معدل الإشارة (باود) هو رمز واحد في الثانية. يمكن تثبيت العلم في ثمانية مواضع مختلفة: للأعلى مباشرة، 45 درجة لليسار، 90 درجة لليسار، 135 درجة لليسار، للأسفل مباشرة (وهي حالة السكون، أي عدم وجود إشارة)، 135 درجة لليمين، 90 درجة لليمين، و45 درجة لليمين. تحمل كل إشارة (رمز) ثلاثة بتات من المعلومات، حيث يتطلب ترميز هذه المواضع الثمانية ثلاثة أرقام ثنائية . معدل نقل البيانات هو ثلاثة بتات في الثانية. عمليًا، يُستخدم علمان معًا، مما يزيد عدد الرموز ومعدل نقل البيانات.

إذا تم نقل N بت لكل رمز، وكان معدل البت الإجمالي R ، شاملاً تكاليف ترميز القناة، فيمكن حساب معدل الرمز على النحو التالي:

${\displaystyle f_{s}={R \over N}}$

في هذه الحالة، يُستخدم M = 2N ^رمزًا مختلفًا. في المودم، قد تكون هذه الرموز نغمات جيبية ذات تركيبات فريدة من السعة والطور و/أو التردد. على سبيل المثال، في مودم 64QAM ، يكون M = 64. أما في ترميز الخط، فقد تكون هذه الرموز M مستويات جهد مختلفة.

من خلال اعتبار المعلومات لكل نبضة N بالبت/نبضة بمثابة اللوغاريتم ذي الأساس 2 لعدد الرسائل المتميزة M التي يمكن إرسالها، قام هارتلي ^{[ 1 ]} بإنشاء مقياس لمعدل البت الإجمالي R على النحو التالي:

${\displaystyle R=f_{s}\log _{2}(M)}$

حيث f _s هو معدل الباود بالرموز/ثانية أو النبضات/ثانية. (انظر قانون هارتلي ).

يتم استخدام التضمين في القنوات التي يتم ترشيح نطاق تمريرها مثل خطوط الهاتف وقنوات الراديو وقنوات تقسيم التردد المتعددة الأخرى (FDM).

في طريقة التضمين الرقمي التي يوفرها المودم ، يكون كل رمز عادةً عبارة عن نغمة موجة جيبية بتردد وسعة وطور محددين. معدل الرموز، أو معدل الباود، هو عدد النغمات المرسلة في الثانية الواحدة.

يمكن للرمز الواحد أن يحمل بتًا واحدًا أو عدة بتات من المعلومات. في أجهزة مودم النطاق الصوتي لشبكة الهاتف، من الشائع أن يحمل الرمز الواحد ما يصل إلى 7 بتات.

يُعدّ نقل أكثر من بت واحد لكل رمز أو بت واحد لكل نبضة ميزةً قيّمة. فهو يُقلّل الوقت اللازم لإرسال كمية مُحدّدة من البيانات عبر نطاق ترددي محدود. كما يُمكن تحقيق كفاءة طيفية عالية ( بت/ثانية)/هرتز ؛ أي معدل بتات عالٍ ( بت/ثانية) على الرغم من انخفاض النطاق الترددي (هرتز).

يُعادل معدل الباود الأقصى لنطاق تمرير لطرق التضمين الشائعة مثل QAM و PSK و OFDM تقريبًا عرض نطاق التمرير. ^{[ 2 ]}

أمثلة على مودم النطاق الصوتي:

• ينقل مودم V.22bis بيانات بمعدل 2400 بت/ثانية باستخدام 1200 باود (1200 رمز/ثانية)، حيث يحمل كل رمز تعديل سعة التربيع بتين من المعلومات . يستطيع المودم توليد 4 رموز مختلفة (M = 2 ^ ²⁾ . ويتطلب نطاق ترددي 1200  هرتز (يساوي معدل الباود). تردد الموجة الحاملة 1800 هرتز  ، مما يعني أن تردد القطع الأدنى هو 1200 هرتز (1800 - 1200) / 2 = 1200  هرتز، وتردد القطع الأعلى هو 2400 هرتز (1800 + 1200) / 2 = 2400  هرتز.
• قد ينقل مودم V.34 الرموز بمعدل باود يبلغ 3420 باود، ويمكن لكل رمز أن يحمل ما يصل إلى عشرة بتات، مما ينتج عنه معدل بتات إجمالي قدره 3420 × 10 = 34200 بت/ثانية . ومع ذلك، يُقال إن المودم يعمل بمعدل بتات صافٍ يبلغ 33800 بت/ثانية ، باستثناء النفقات العامة للطبقة الفيزيائية.

في حالة استخدام قناة النطاق الأساسي ، مثل خط التلغراف أو الكابل التسلسلي أو كابل الزوج المجدول لشبكة المنطقة المحلية، تُنقل البيانات باستخدام رموز الخط؛ أي النبضات بدلاً من نغمات الموجة الجيبية. في هذه الحالة، يكون معدل الباود مرادفًا لمعدل النبضات بوحدة نبضة/ثانية.

يُطلق على الحد الأقصى لمعدل الباود أو معدل النبض لقناة النطاق الأساسي اسم معدل نايكويست ، وهو ضعف عرض النطاق الترددي (ضعف تردد القطع).

عادةً ما يكون معدل الرموز في أبسط روابط الاتصال الرقمي (مثل الأسلاك الفردية على اللوحة الأم أو منفذ RS-232 التسلسلي / منفذ COM) مساويًا لمعدل البت الإجمالي.

تتميز روابط الاتصال الشائعة مثل إيثرنت 10 ميجابت/ثانية ( 10BASE-T ) و USB و FireWire بمعدل بتات بيانات أقل قليلاً من معدل الباود، وذلك بسبب الحمل الزائد للرموز غير البياناتية الإضافية المستخدمة في مزامنة التعليمات البرمجية ذاتيًا واكتشاف الأخطاء .

قام جيه إم إميل بودو (1845-1903) بوضع رمز مكون من خمسة بتات للتلغراف تم توحيده دوليًا ويطلق عليه عادةً رمز بودو .

يتم استخدام أكثر من مستويين للجهد في التقنيات المتقدمة مثل FDDI وشبكات إيثرنت المحلية بسرعة 100/1000 ميجابت /ثانية، وغيرها، لتحقيق معدلات بيانات عالية.

تستخدم كابلات شبكة إيثرنت المحلية بسرعة 1000 ميجابت/ثانية أربعة أزواج من الأسلاك في وضع الإرسال والاستقبال المتزامن ( 250 ميجابت/ثانية لكل زوج في كلا الاتجاهين في وقت واحد)، والعديد من البتات لكل رمز لترميز حمولات البيانات الخاصة بها.

في البث التلفزيوني الرقمي ، يتم حساب معدل الرموز على النحو التالي:

معدل الرموز بالرموز في الثانية = (معدل البيانات بالبتات في الثانية × 204) / (188 × بت لكل رمز)

يمثل الرقم 204 عدد البايتات في الحزمة، بما في ذلك بايتات تصحيح الأخطاء الستة عشر الأخيرة من نوع ريد-سولومون . أما الرقم 188 فيمثل عدد بايتات البيانات (187 بايتًا) بالإضافة إلى بايت مزامنة الحزمة الأول (0x47).

عدد البتات لكل رمز يساوي (قوة التضمين للعدد 2) × (تصحيح الخطأ الأمامي). على سبيل المثال، في تضمين 64-QAM، 64 = 2^ ^6، لذا فإن عدد البتات لكل رمز هو 6. يُعبّر عن تصحيح الخطأ الأمامي (FEC) عادةً على شكل كسر؛ أي 1/2، 3/4، إلخ. في حالة 3/4 FEC، لكل 3 بتات من البيانات، يتم إرسال 4 بتات، إحداها مخصصة لتصحيح الخطأ.

مثال:

معدل البتات المعطى = 18096263

نوع التضمين = 64-QAM

FEC = 3/4

ثم

${\displaystyle {\text{معدل الرمز}}={\cfrac {18096263}{6\cdot {\frac {3}{4}}}}~{\cfrac {204}{188}}={\cfrac {18096263}{6}}~{\cfrac {4}{3}}~{\cfrac {204}{188}}=4363638}$

في البث التلفزيوني الرقمي الأرضي ( DVB-T و DVB-H والتقنيات المشابهة)، تُستخدم تقنية تعديل OFDM ، أي تعديل متعدد الموجات الحاملة. يجب قسمة معدل الرموز المذكور أعلاه على عدد الموجات الحاملة الفرعية لتقنية OFDM للحصول على معدل الرموز المطلوب. راجع جدول مقارنة أنظمة OFDM لمزيد من التفاصيل الرقمية.

تتميز بعض روابط الاتصال (مثل إرسال نظام تحديد المواقع العالمي GPS ، وهواتف CDMA الخلوية، وغيرها من روابط الطيف المنتشر ) بمعدل رموز أعلى بكثير من معدل البيانات (إذ تُرسل العديد من الرموز، تُسمى رقائق، لكل بت بيانات). ويُعد تمثيل بت واحد بتسلسل من الرقائق، يتكون من العديد من الرموز، وسيلةً للتغلب على التداخل الناتج عن أجهزة الإرسال الأخرى التي تشترك في نفس قناة التردد، بما في ذلك التشويش اللاسلكي ، وهو أمر شائع في أجهزة الراديو العسكرية والهواتف الخلوية . وعلى الرغم من أن استخدام نطاق ترددي أكبر لنقل نفس معدل البتات يُؤدي إلى انخفاض كفاءة الطيف للقناة ( بت/ثانية/هرتز) ، إلا أنه يسمح لعدد كبير من المستخدمين بالاتصال في وقت واحد، مما ينتج عنه كفاءة طيفية عالية للنظام ( بت/ثانية/هرتز لكل وحدة مساحة).

في هذه الأنظمة، يُطلق على معدل الرموز لإشارة التردد العالي المنقولة فعليًا اسم معدل الشريحة ، وهو أيضًا معدل النبضات لإشارة النطاق الأساسي المكافئة . مع ذلك، في أنظمة الطيف المنتشر، قد يُستخدم مصطلح "الرمز" أيضًا في طبقة أعلى، ويشير إلى بتة معلومات واحدة، أو مجموعة من بتات المعلومات التي يتم تعديلها باستخدام تعديل QAM التقليدي، على سبيل المثال، قبل تطبيق رمز نشر CDMA. وفقًا لهذا التعريف الأخير، يكون معدل الرموز مساويًا لمعدل البتات أو أقل منه.

من عيوب نقل العديد من البتات لكل رمز أن على جهاز الاستقبال التمييز بين مستويات الإشارة أو الرموز المختلفة، وهو ما قد يكون صعبًا ويؤدي إلى أخطاء في البتات في حالة ضعف خط الهاتف وانخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء. في هذه الحالة، قد يختار المودم أو محول الشبكة تلقائيًا نظام تعديل أو ترميز خط أبطأ وأكثر موثوقية، باستخدام عدد أقل من البتات لكل رمز، بهدف تقليل معدل أخطاء البتات.

يأخذ تصميم مجموعة الرموز الأمثل في الاعتبار عرض نطاق القناة، ومعدل المعلومات المطلوب، وخصائص الضوضاء للقناة وجهاز الاستقبال، وتعقيد جهاز الاستقبال وجهاز فك التشفير.

إذا كانت إشارة الموجة الحاملة ذات حالتين فقط، فإنه لا يمكن إرسال سوى بت واحد من البيانات (أي 0 أو 1) في كل رمز. في هذه الحالة، يكون معدل البتات مساويًا لمعدل الرموز. على سبيل المثال، يسمح نظام FSK الثنائي للموجة الحاملة بأن يكون لها أحد ترددين، أحدهما يمثل 0 والآخر يمثل 1. أما نظام إزاحة الطور التفاضلي الثنائي فهو أكثر عملية ، حيث تبقى الموجة الحاملة على نفس التردد، ولكنها يمكن أن تكون في أحد طورين. خلال كل رمز، إما أن يبقى الطور ثابتًا، مشفرًا 0، أو يقفز بمقدار 180 درجة، مشفرًا 1. ومرة ​​أخرى، لا يُرسل سوى بت واحد من البيانات (أي 0 أو 1) بواسطة كل رمز. هذا مثال على تشفير البيانات في الانتقالات بين الرموز (تغير الطور)، بدلاً من الرموز نفسها (الطور الفعلي). (السبب في ذلك في نظام إزاحة الطور هو أنه من غير العملي معرفة الطور المرجعي لجهاز الإرسال).

بزيادة عدد الحالات التي يمكن أن تتخذها إشارة الموجة الحاملة، يمكن أن يتجاوز عدد البتات المشفرة في كل رمز بتًا واحدًا. وبالتالي، يمكن أن يتجاوز معدل البتات معدل الرموز. على سبيل المثال، قد يسمح نظام تعديل إزاحة الطور التفاضلي بأربع قفزات طورية محتملة بين الرموز. عندئذٍ، يمكن تشفير بتتين في كل فاصل زمني بين الرموز، مما يحقق معدل بيانات يساوي ضعف معدل الرموز. في نظام أكثر تعقيدًا مثل 16-QAM ، تُرسل أربع بتات من البيانات في كل رمز، مما ينتج عنه معدل بتات يساوي أربعة أضعاف معدل الرموز.

على الرغم من شيوع اختيار عدد الرموز ليكون قوة للعدد 2 وإرسال عدد صحيح من البتات لكل باود، إلا أن هذا ليس شرطًا. تستخدم رموز الخطوط، مثل التشفير ثنائي القطب و MLT-3، ثلاث حالات حاملة لتشفير بت واحد لكل باود مع الحفاظ على توازن التيار المستمر .

يستخدم رمز الخط 4B3T ثلاث بتات معدلة ثلاثية لنقل أربع بتات بيانات، بمعدل 1.3 بت لكل باود.

يؤدي تعديل الموجة الحاملة إلى زيادة نطاق التردد، أو عرض النطاق الترددي ، الذي تشغله. وتكون قنوات الإرسال محدودة عمومًا في عرض النطاق الترددي الذي يمكنها نقله. ويعتمد عرض النطاق الترددي على معدل الرموز (التعديل) (وليس مباشرةً على معدل البتات ). وبما أن معدل البتات هو حاصل ضرب معدل الرموز في عدد البتات المشفرة في كل رمز، فمن الواضح أنه من المفيد زيادة معدل البتات إذا كان معدل الرموز ثابتًا. ومع ذلك، فإنه مقابل كل بت إضافي مشفر في رمز، يتضاعف حجم مجموعة الرموز (عدد حالات الموجة الحاملة). وهذا يجعل الحالات أقل تميزًا عن بعضها البعض، مما يجعل من الصعب على جهاز الاستقبال اكتشاف الرمز بشكل صحيح في وجود تشويشات على القناة.

تاريخ أجهزة المودم هو محاولة لزيادة معدل نقل البيانات ضمن نطاق ترددي ثابت (وبالتالي معدل رموز أقصى ثابت)، مما يؤدي إلى زيادة عدد البتات لكل رمز. على سبيل المثال، يحدد معيار ITU-T V.29 أربعة بتات لكل رمز، بمعدل رموز يبلغ 2400 باود، مما يعطي معدل نقل بيانات فعليًا قدره 9600 بت في الثانية.

يسير تاريخ تقنية الطيف المنتشر في اتجاه معاكس، مما يؤدي إلى تقليل عدد بتات البيانات لكل رمز بهدف توسيع نطاق التردد. في حالة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، لدينا معدل بيانات يبلغ 50 بت/ثانية ومعدل رموز يبلغ 1.023  مليون شريحة/ثانية. إذا اعتبرنا كل شريحة رمزًا، فإن كل رمز يحتوي على أقل بكثير من بت واحد ( 50 بت/ثانية / 1.023 مليون  رمز/ثانية ≈ 0.000.05 بت/رمز).

تُسمى المجموعة الكاملة من M رمزًا ممكنًا عبر قناة معينة بنظام تعديل M-ary . تُرسل معظم أنظمة التعديل عددًا صحيحًا من البتات لكل رمز b ، مما يتطلب أن تحتوي المجموعة الكاملة على M = 2^ ^b رمزًا مختلفًا. يمكن وصف معظم أنظمة التعديل الشائعة بتوضيح كل نقطة على مخطط التشكيل ، على الرغم من أن بعض أنظمة التعديل (مثل MFSK و DTMF وتعديل موضع النبضة وتعديل الطيف المنتشر ) تتطلب وصفًا مختلفًا.