مقدمة في الإتصالات الرقمية
إن الاتصالات التي تحدث في حياتنا اليومية تكون على شكل إشارات. هذه الإشارات، مثل الإشارات الصوتية، بشكل عام، تكون تناظرية بطبيعتها. عندما يلزم إنشاء الاتصال عبر مسافة، يتم إرسال الإشارات التناظرية، باستخدام تقنيات مختلفة للإرسال الفعال.
ضرورة الإتصالات الرقمية
تستخدم طرق الاتصال التقليدية الإشارات التناظرية للاتصالات بعيدة المدى، والتي تعاني من العديد من الخسائر مثل التشويه والتداخل وغيرها من الخسائر بما في ذلك الإختراق الأمني.
ومن أجل التغلب على هذه المشاكل، يتم رقمنة الإشارات باستخدام تقنيات مختلفة. تتيح الإشارات الرقمية أن يكون الاتصال أكثر وضوحًا ودقة دون خسائر.
يوضح الشكل التالي الفرق بين الإشارات التناظرية والرقمية. تتكون الإشارات الرقمية من 1 و 0 والتي تشير إلى القيم العالية والمنخفضة على التوالي.
مزايا الاتصالات الرقمية
نظرًا لأن الإشارات رقمية، فإن هناك العديد من مزايا الاتصال الرقمي مقارنة بالاتصال التناظري، مثل
- أن يكون تأثير التشويه والضوضاء والتداخل أقل بكثير في الإشارات الرقمية حيث أنها أقل تأثراً.
- الدوائر الرقمية أكثر موثوقية.
- الدوائر الرقمية سهلة التصميم وأرخص من الدوائر التناظرية.
- يعد تنفيذ الأجهزة في الدوائر الرقمية أكثر مرونة من الدوائر التناظرية.
- يعد حدوث تداخل بين الإشارات أمرًا نادرًا جدًا في الاتصالات الرقمية.
- لا تتغير الإشارة لأن النبضة تحتاج إلى اضطراب كبير لتغير خصائصها، وهو أمر صعب للغاية.
- يتم استخدام وظائف معالجة الإشارات مثل التشفير و ضغط البيانات في الدوائر الرقمية للحفاظ على سرية المعلومات.
- يتم تقليل احتمالية حدوث الخطأ من خلال استخدام رموز اكتشاف الأخطاء وتصحيح الأخطاء.
- يتم استخدام تقنية الطيف المنتشر لتجنب تشويش الإشارة.
- الجمع بين الإشارات الرقمية باستخدام تعدد الإرسال بتقسيم الزمن (TDM)و هي أسهل من الجمع بين الإشارات التناظرية باستخدام تعدد الإرسال بتقسيم التردد(FDM)
- تعد عملية تكوين الإشارات الرقمية أسهل من الإشارات التناظرية.
- يمكن حفظ الإشارات الرقمية واسترجاعها بسهولة أكبر من الإشارات التناظرية.
- تحتوي العديد من الدوائر الرقمية على تقنيات تشفير شائعة تقريبًا، وبالتالي يمكن استخدام أجهزة مماثلة لعدد من الأغراض.
- يتم استغلال سعة القناة بشكل فعال عن طريق الإشارات الرقمية.
عناصر الاتصال الرقمي
نستطيع تمثيل العناصر التي تشكل نظام الاتصالات الرقمية من خلال الرسم التخطيطي التالي لسهولة الفهم.
المصدر(Source)
و هو المعلومة المراد إرسالها و يمكن أن يكون المصدر إشارة تناظرية . مثال : إشارة صوتية
محول الإدخال(Input Transducer)
هذا محول طاقة يأخذ مدخلات مادية ويحولها إلى إشارة كهربائية ( مثل : الميكروفون). و يتكون أيضاً من محول يقوم بتحويل الإشارة التناظرية إلى إشارة رقمية حيث تكون هناك حاجة إلى إشارة رقمية لمزيد من العمليات.
يتم تمثيل الإشارة الرقمية عمومًا بتسلسل ثنائي(0 أو 1).
مشفر المصدر(Source Encoder)
يقوم برنامج تشفير المصدر بضغط البيانات إلى أقل عدد ممكن من البتات. تساعد هذه العملية في الاستخدام الفعال لعرض النطاق الترددي. فهو يزيل البتات الزائدة عن الحاجة و غير الضرورية.
مشفر القناة(Channel Encoder)
يقوم برنامج تشفير القناة بالتشفير لتصحيح الأخطاء. أثناء إرسال الإشارة، بسبب الضوضاء في القناة، قد تتغير الإشارة، وبالتالي لتجنب ذلك، يضيف مشفر القناة بعض البتات الزائدة إلى البيانات المرسلة. هذه هي "بتات تصحيح الخطأ".
المغير الرقمي(Digital Modulator)
يتم تعديل الإشارة المراد إرسالها هنا بواسطة الناقل. يتم أيضًا تحويل الإشارة الرقمية إلى تناظرية، وذلك لجعلها تنتقل عبر القناة أو الوسيط.
قناة(Channel)
تسمح القناة أو الوسيط للإشارة التناظرية بالإرسال من طرف المرسل إلى طرف المستقبل.
المستخلص الرقمي(Digital Demodulator)
هذه هي أولى الخطوات في المستقبل. تتم إزالة تشكيل الإشارة المستقبلة وتحويلها مرة أخرى من التناظرية إلى الرقمية. تتم إعادة بناء الإشارة هنا.
جهاز فك تشفير القناة(Channel Decoder)
يقوم مفكك تشفير القناة، بعد اكتشاف التسلسل، بإجراء بعض تصحيحات الأخطاء. يتم تصحيح التشوهات التي قد تحدث أثناء الإرسال عن طريق إضافة بعض البتات الزائدة عن الحاجة. تساعد إضافة البتات هذه في الاسترداد الكامل للإشارة الأصلية.
جهاز فك تشفير المصدر(ٍSource Decoder)
يتم رقمنة الإشارة الناتجة مرة أخرى عن طريق أخذ العينات والقياس الكمي بحيث يتم الحصول على الإخراج الرقمي النقي دون فقدان المعلومات.كما ستتوقعون سوف يقوم جهاز فك ترميز المصدر بفك الضغط على البيانات التي قمنا بضغطها قبل القيام بإرسالها.
محول الإخراج(Output Transducer)
هذه هي الكتلة الأخيرة التي تحول الإشارة إلى الشكل المادي الأصلي، والتي كانت عند مدخل جهاز الإرسال. يقوم بتحويل الإشارة الكهربائية إلى إخراج مادي ( مثال : مكبر الصوت العالي).
إشارة الخرج(Output Signal)
وهذا هو الناتج النهائي الذي يتم إنتاجه بعد العملية برمتها. مثل استقبال إشارة الصوت.
تناولت هذه الوحدة مقدمة ورقمنة الإشارات ومزايا وعناصر الاتصالات الرقمية. وسنتعرف في الفصول القادمة على مفاهيم الاتصالات الرقمية بالتفصيل.
تضمين كود النبض(Phase Code Modulation)
التعديل هو عملية تغيير واحد أو أكثر من معلمات الإشارة الحاملة وفقًا للقيم اللحظية لإشارة الرسالة.
إشارة الرسالة هي الإشارة التي يتم إرسالها للاتصال والإشارة الحاملة هي إشارة عالية التردد لا تحتوي على بيانات، ولكنها تستخدم للإرسال لمسافات طويلة.
هناك العديد من تقنيات التعديل، والتي يتم تصنيفها حسب نوع التعديل المستخدم. من بينها جميعًا، تقنية التعديل الرقمي المستخدمة هي تعديل كود النبض
الإشارة عبارة عن كود نبضي معدل لتحويل معلوماتها التناظرية إلى تسلسل ثنائي، أي 1s و 0s . سوف يشبه إخراج PCM تسلسلًا ثنائيًا. و نستطيع أن نرى في الشكل التالي مثالاً لمخرجات PCM فيما يتعلق بالقيم اللحظية لموجة جيبية معينة.
بدلاً من القطار النبضي، ينتج PCM سلسلة من الأرقام أو الأرقام، ومن هنا تسمى هذه العملية بالرقمية . كل واحد من هذه الأرقام، على الرغم من وجوده في الكود الثنائي، يمثل السعة التقريبية لعينة الإشارة في تلك اللحظة.
في تعديل كود النبض، يتم تمثيل إشارة الرسالة بسلسلة من النبضات المشفرة. يتم تحقيق إشارة الرسالة هذه من خلال تمثيل الإشارة في شكل منفصل في كل من الوقت والسعة.
العناصر الأساسية لل PCM
يتكون قسم المرسل في دائرة تضمين كود النبض من أخذ العينات والتكميم والتشفير ، والتي يتم إجراؤها في قسم المحول التناظري إلى الرقمي. يمنع مرشح التمرير المنخفض قبل أخذ العينات التعرجات لإشارة الرسالة.
العمليات الأساسية في قسم المستقبل هي تجديد الإشارات الضعيفة وفك التشفير وإعادة بناء قطار النبض الكمي. فيما يلي الرسم التخطيطي لـ PCM الذي يمثل العناصر الأساسية لكل من قسمي المرسل والمستقبل.
مرشح تمرير الترددات المنخفضة(LPF)
يقوم هذا المرشح بإزالة الترددات العالية الموجودة في إشارة الإدخال التناظرية والتي تكون أكبر من أعلى تردد لإشارة الرسالة، لتجنب التعرج لإشارة الرسالة.
أخذ العينات(Sampler)
هذه هي التقنية التي تساعد على جمع بيانات العينة بقيم لحظية لإشارة الرسالة، وذلك لإعادة بناء الإشارة الأصلية. ويجب أن يكون معدل أخذ العينات أكبر من ضعف مكون التردد الأعلى W لإشارة الرسالة، وفقاً لنظرية أخذ العينات.
المكمم(Quantizer)
التكميم هو عملية تقليل البتات الزائدة وحصر البيانات. عندما يتم إعطاء عينات الإخراج إلى Quantizer، فإنه يقلل من البتات الزائدة ويضغط القيمة.
التشفير(Encoder)
تتم رقمنة الإشارة التناظرية بواسطة جهاز التشفير. ويعين كل مستوى كمي بواسطة رمز ثنائي. أخذ العينات الذي يتم إجراؤه هنا هو عملية أخذ العينات والاحتفاظ بها. هذه الأقسام الثلاثة ستكون بمثابة محول تناظري إلى رقمي. يؤدي التشفير إلى تقليل عرض النطاق الترددي المستخدم.
مكرر التجدد(Regenerative Repeater)
هذا القسم يزيد من قوة الإشارة. يحتوي خرج القناة أيضًا على دائرة مكررة متجددة واحدة، لتعويض فقدان الإشارة وإعادة بناء الإشارة، وكذلك لزيادة قوتها.
فك التشفير(Decoder)
تقوم دائرة فك التشفير بفك تشفير الشكل الموجي النبضي لإعادة إنتاج الإشارة الأصلية. تعمل هذه الدائرة كمزيل تضمين.
مرشح إعادة البناء(Reconstruction Filter)
بعد إجراء التحويل من رقمي إلى تناظري بواسطة دائرة التجديد ووحدة فك التشفير، يتم استخدام مرشح تمرير منخفض، يسمى مرشح إعادة البناء لاستعادة الإشارة الأصلية.
ومن ثم، تقوم دائرة معدل رمز النبض برقمنة الإشارة التناظرية المعطاة، وترميزها وأخذ عينات منها، ثم إرسالها في شكل تناظري. يتم تكرار هذه العملية برمتها بنمط عكسي للحصول على الإشارة الأصلية.
تقنيات التضمين الرقمي(Digital Modulation Techniques)
تسمى هذه التقنيات أيضًا بتقنيات التعديل الرقمي .
يوفر التضمين الرقمي مزيدًا من سعة المعلومات وأمانًا عاليًا للبيانات وتوافرًا أسرع للنظام مع اتصالات عالية الجودة. ومن ثم، فإن تقنيات التعديل الرقمي لديها طلب أكبر، لقدرتها على نقل كميات أكبر من البيانات من تقنيات التعديل التناظرية.
هناك أنواع عديدة من تقنيات التعديل الرقمي وكذلك مجموعاتها، حسب الحاجة. من بينهم جميعا، سنناقش أبرزها.
ASK - مفتاح تحويل السعة
FSK - مفتاح تحويل التردد
PSK - مفتاح تحويل الطور
ترميز M-ary
تقنيات التشفير M-ary هي الطرق التي يتم فيها إنشاء أكثر من بتين للإرسال في وقت واحد على إشارة واحدة. وهذا يساعد في تقليل عرض النطاق الترددي.
أنواع تقنيات M-ary هي -
- M-ary ASK
- M-ary FSK
- M-ary PSK
و أخيرا و ليس آخرا بعد كل هذا الذي ذكرناه يبقى هنالك أشياء أخرى تتضمنها الإتصالات الرقمية مثل نظرية المعلومات و الترميز و غيرها و لكن حاولت ذكر أكبر كم من المعلومات بشكل
أمثلة على الاتصالات الرقمية
من أهم الأمثلة على الاتصالات الرقمية:
- البريد الإلكتروني.
- المواقع الإلكترونية.
- المدونات.
- وسائل التواصل الاجتماعي.
- الدردشة المباشرة.
- روبوتات الدردشة.
- دردشة فيديو.
- الاتصال عبر الويب.
تعليقات
إرسال تعليق
أخبرنا برأيك فهو يهمنا