نقل الإشارات الرقمية

من ويكي الهندسة المعلوماتية
اذهب إلى: تصفح، ابحث
3 3 Channel Ar.png

قلنا سابقاً أن الإشارة الرقمية، دورية كانت أم لادورية، هي إشارة تماثلية مركبة مع ترددات بين الصفر واللانهاية، سنتابع النقاش الآن مع الإشارة الرقمية اللادورية كالتي نصادفها في اتصالات المعطيات.

السؤال الجوهري هنا: كيف يمكننا نقل إشارة رقمية من النقطة أ إلى النقطة ب؟

يمكننا نقل إشارة رقمية باستخدام إحدى طريقتين:

  • الحزمة الأساسية Baseband
  • أو الحزمة العريضة Broadband (التحويل Modulation).

النقل بطريقة الحزمة الأساسية

3 4 LowpassChannel Ar.png

وتعني إرسال إشارة رقمية عبر قناة ما دون تغييرها إلى إشارة تماثلية.

وذلك يتطلب وجود قناة تمرير منخفض low-pass channel، مع عرض حزمة لا نهائي (واسع عملياً) يبدأ من الصفر، هذا يتطلب وسطاً مكرساً مؤلفاً من قناة واحدة فقط، ' مثلاً عرض الحزمة' الكلي لكابل يصل حاسبين ببعضهما هو قناة وحيدة.

'كمثال آخر:' يمكن أن نصل عدة حواسيب بمسرى، لكن لا نسمح لأكثر من محطتين بالتواصل في لحظة معينة.

في كلا الحالتين، لدينا قناة تمرير منخفض ويمكننا استخدامها في النقل بطريقة الحزمة الأساسية Baseband.

يظهر الشكل قناتي تمرير منخفض، إحداهما ذات عرض حزمة ضيق، والأخرى بعرض حزمة واسع.

علينا أن نتذكر أن قناة تمرير منخفض مع عرض حزمة غير محدد هي قناة مثالية، ولا يمكن الحصول عليها عملياً، لكن يمكننا الاقتراب من الحالة المثالية.

لندرس حالتين من النقل بطريقة الحزمة الأساسية Baseband:

  • قناة تمرير منخفض وعرض حزمة واسع،
  • وأخرى ذات عرض حزمة محدود.

الحالة الأولى: قناة تمرير منخفض وعرض حزمة واسع

إذا أردنا المحافظة على الشكل المطابق للإشارة الرقمية اللادورية مع الأجزاء العمودية، علينا إرسال الطيف بأكمله، أي المجال المستمر من الترددات ما بين الصفر واللانهاية.

هذا ممكن إذا كان لدينا وسيط نقل مكرس مع عرض حزمة غير محدد بين المرسل والمستقبل، والذي يحفظ المطال نفسه تماماً لكل مركبة من الإشارة المركبة.

على الرغم من أن ذلك ممكن داخل الحاسب (مثلاً ما بين وحدة المعالجة المركزية والذاكرة)، هذا غير ممكن بين جهازين.

شكل يوضح كيف ينقل وسيط نقل ذو عرض حزمة واسع إشارة رقمية ما

لحسن الحظ، فإن مطالات الترددات عند حدود عرض الحزمة صغيرة جداً بحيث يمكن إهمالها. هذا يعني أنه إذا كان لدينا وسيط مثل كابل محوري أو ليف ضوئي، ذي عرض حزمة واسع جداً، يمكن أن تتواصل محطتان باستخدام الإشارات الرقمية بدقة جيدة جداً، كما يظهر الشكل المجاور.

لاحظ أن قريب من الصفر، و عال جداً.

يمكن استعادة المعطيات من الإشارة المستقبلة، مع أن الإشارة المستقبلة ليست مطابقة للإشارة الأصلية.

لاحظ أيضاً أن بعض الترددات محجوبة من قبل الوسط (لا يستطيع تمريرها)، لكنها ليست حرجة (يمكن إهمالها).

خلاصة: نقل الإشارة الرقمية بطريقة الحزمة الأساسية Baseband التي تحفظ شكل الإشارة، ممكن فقط إذا كان لدينا قناة تمرير منخفض مع عرض حزمة غير محدد أو واسع جداً.

مثال على القناة المكرسة حيث عرض الحزمة للوسط يستخدم كقناة وحيدة هو الشبكة المحلية. تقريباً تستخدم كل شبكة محلية سلكية اليوم قناة مكرسة لتواصل محطتين مع بعضهما.

في الشبكات المحلية التي على تشكيلة المسرى متعدد نقاط التواصل، فقط محطتان يمكنهما التواصل مع بعضهما عند لحظة معنية (مشاركة الوقت)، في هذه الأثناء على المحطات الأخرى أن تمتنع عن إرسال المعطيات.

في الشبكات المحلية التي على تشكيلة النجمة، تستخدم القناة بأكملها ما بين المحطة والموزع لتواصل هذين الاثنين (المحطة والموزع).

الحالة الثانية: قناة تمرير منخفض وعرض حزمة ضيق

وفيها نقرب الإشارة الرقمية بإشارة تماثلية، ويعتمد مستوى التقريب على عرض الحزمة المتاح.

تقريب مقبول

لنفترض أن لدينا إشارة رقمية لها معدل البتات N، إذا أردنا إرسال إشارات تماثلية لمحاكاة هذه الإشارة بتقريب مقبول، علينا اعتبار الحالة الأسوأ، وهي أكبر عدد من التغييرات على الإشارة الرقمية.

هذا يحدث عندما تحمل الإشارة سلسلة 01010101 ... أو سلسلة 10101010 ...، لمحاكاة هاتين الحالتين نحتاج لإشارة تماثلية لها التردد: f=N/2. لفهم السبب يمكنك أن تنظر إلى دور واحد من الإشارة الجيبية على أنه بتين: حيث تمثل الذروة الموجبة من الموجة القيمة 1، والذروة السالبة القيمة 0.

3 7 BetterApproximation Ar.png

نرسل بتين اثنين في كل نبضة (دورة)، التردد لهذه الإشارة التماثلية هو نصف معدل البتات أو N/2. لكن، هذا التردد وحده لا يمكنه صنع كل الأنماط، نحتاج لمركبات أخرى، ويبقى التردد الأعظمي هو N/2.

كمثال على هذا المفهوم، لنرى كيف أن إشارة رقمية لها نمط 3 بت يمكن أن تحاكى باستخدام إشارات تماثلية. يوضح الشكل التالي الفكرة:

3 6 AnalogToDigital Ar.png

الحالتان المتشابهتان: (000 و 111) تحاكيان بإشارة ترددها f=0، وطور مقداره 180° من أجل 000 و طور 0° من أجل 111.

الحالتان الأسوأ (010 و 101) تحاكيان بإشارة تماثلية لها التردد f=N/2 والأطوار 180° و0°.

الحالات الأربع الأخرى يمكن محاكاتها فقط بإشارة تماثلية لها التردد f=N/4 والأطوار 180° و 270° و90° و0°.

بكلمات أخرى، نحتاج قناة يمكنها التعامل مع الترددات 0,N/4,N/2 ، هذا التقريب المقبول يشار إليه كـ: استخدام التوافقية (N/2).

عرض الحزمة المطلوب هو: (الفرق بين أصغر وأكبر تردد) Bandwidth=N/2-0=N/2

تقريب أفضل

وهو جعل شكل الإشارة التماثلية يقترب من شكل الإشارة الرقمية، علينا إضافة المزيد من توفيقات التردد، أي علينا أن نزيد من عرض الحزمة. يمكننا زيادة عرض الحزمة إلى 3N/2,5N/2,7N/2 وهكذا..، يظهر الشكل تأثير هذه الزيادة من أجل أحد الحالات الأسوأ وهي النمط 010.

ملاحظة: في النقل بطريقة الحزمة الأساسية baseband، عرض الحزمة المطلوب متناسب مع معدل المعطيات، أي إذا أردنا إرسال البتات بسرعة أكبر، نحتاج عرض حزمة أوسع.

جدول متطلبات عرض الحزمة

جدول متطلبات عرض الحزمة.png

أمثلة

مثال 1: ما هو عرض الحزمة المطلوب لقناة تمرير منخفض إذا أردنا إرسال 1Mbps باستخدام طريقة الحزمة الأساسية Baseband؟

الحل: الجواب يعتمد على الدقة المطلوبة:

عرض الحزمة الأدنى هو: B=bit rate /2 أي 500 kHz.

هناك حل أفضل باستخدام التوفيقة الأولى والثالثة مع عرض حزمة:

B=3N/2=3×500 kHz=1.5 MHz

أيضاً حل أفضل باستخدام التوفيقات: الأولى والثالثة والخامسة مع عرض حزمة:

B=5N/2=5×500 kHz=2.5 MHz

مثال 2: لدينا قناة ذات تمرير منخفض مع عرض حزمة 100 kHz، ما هو معدل البتات الأعظمي لهذه القناة؟

الحل: يمكن الحصول على أعظم معدل بتات إذا استخدمنا التوفيقة الأولى. معدل المعطيات هو ضعف عرض الحزمة المتاح أي 200 kbps.

النقل بطريقة الحزمة العريضة (التضمين Modulation)

3 9 BroadbandTransmission Ar.png

يعني تغيير الإشارة الرقمية إلى إشارة تماثلية لنقلها.

نستطيع بالتعديل استخدام قناة ممر الحزمة bandpass channel (قناة مع عرض حزمة لا يبدأ من الصفر). هذا النوع من القنوات متوفر أكثر من قناة التمرير المنخفض. يظهر الشكل التالي قناة تمرير الحزمة:

لاحظ أنه يمكن اعتبار قناة التمرير المنخفض قناة تمرير حزمة مع تردد أخفض يبدأ من الصفر.

إذا كانت القناة المتوفرة هي قناة تمرير الحزمة، لا يمكننا إرسال الإشارة الرقمية مباشرة إلى القناة، علينا أن نحولها إلى إشارة تماثلية قبل نقلها. يظهر الشكل التالي تعديل إشارة رقمية.

في الشكل: تحول الإشارة الرقمية إلى إشارة تماثلية مركبة.

استخدمنا إشارة تماثلية بتردد وحيد (تسمى الحامل)، مطال الحامل تم تغييره ليبدو كإشارة رقمية.

3 8 BandpassChannel Ar.png

النتيجة على أية حال، ليست إشارة وحيدة التردد، بل إشارة مركبة.عند المستقبل، تحول الإشارة التماثلية المستقبلة إلى رقمية، والنتيجة هي نسخة عمّا أرسل.

كمثال على النقل باستخدام طريقة الحزمة العريضة broadband التي تستخدم التحويل، هو إرسال معطيات الحاسب عبر خط الاشتراك الهاتفي، وهو الخط الذي يصل المنزل السكني بمركز خدمات الهاتف. صُممت هذه الخطوط لتحمل الإشارة الصوتية بعرض حزمة محدود. تعتبر قناة هذه الخطوط قناة تمرير حزمة bandpass channel.

نحول الإشارة الرقمية من الحاسب إلى إشارة تماثلية ثم نرسلها. جهاز التحويل الذي يحول الإشارة من رقمية إلى تماثلية وبالعكس يسمى موديم Modem.

مثال آخر هو الهاتف الخليوي: لاستقبال أفضل، تحول الهواتف الخليوية الرقمية الإشارة الصوتية إلى إشارة رقمية.

على الرغم من أن عرض الحزمة المخصص للشركة المزودة لخدمة الهاتف الخليوي الرقمي واسع جداً، لا نستطيع إرسال الإشارة الرقمية دون تحويلها، والسبب أننا نملك فقط قناة تمرير حزمة متاحة بين المتصل والمتصل به. علينا تحويل الصوت المرقم إلى إشارة تماثلية مركبة قبل الإرسال.

الهواتف الخليوية الرقمية تحول الإشارة الصوتية التماثلية إلى إشارة رقمية ثم تحولها مجدداً إلى إشارة تماثلية لنقلها عبر قناة ممر الحزمة.