نقل البيانات

من ويكي الهندسة المعلوماتية
اذهب إلى: تصفح، ابحث

مصطلحات النقل

يحدث نقل المعطيات بين مرسل Transmitter ومستقبل Receiver عبر وسط نقل Transmission Medium.

يمكن تصنيف وسط النقل كوسط موجّه Guided Medium أو غير موجّه Unguided Medium، وفي كلا الحالتين، يكون الاتصال على شكل موجات كهرطيسية Electromagnetic Waves:

  • في أوساط النقل الموجهة، توجه الموجات على طول مسار فيزيائي، مثل: السلك ذي الزوج المجدول Twisted Pair، الكابل المحوري Coaxial cable، والليف الضوئي Optical Fiber.
  • أما الأوساط غير الموجهة والتي تسمى أيضاً اللاسلكية، فإنها توفر طرقاً لنقل الموجات الكهرطيسية لكنها لا توجهها، مثل الانتشار Propagation عبر الهواء أو الخلاء أو مياه البحار.

يستخدم مصطلح الوصلة المباشرة Direct Link للتعبير عن مسار النقل بين جهازين بحيث تنتشر الإشارة مباشرة من المرسل إلى المستقبل دون وساطة جهاز آخر، باستثناء المضخم أو المكرر المستخدمين لتقوية الإشارة.

يعتبر وسيط نقلٍ موجهاً من نوع "نقطة إلى نقطة" إذا حقق وصلة مباشرة بين جهازين، وهذان الجهازان هما الوحيدان اللذان يتشاركان في الوسط.

بينما في التهيئة الموجهة المتعددة النقاط، فإن أكثر من جهازين تتشارك الوسط نفسه.

يمكن للنقل أن يكون وحيد الاتجاه Simplex أو نصف مزدوج half-duplex أو مزدوجاً كاملاً full-duplex:

  • في النقل وحيد الاتجاه، أحد المحطات هي المرسل والأخرى هي المستقبل. مثل التلفاز
  • وفي النقل نصف المزدوج، كلا المحطتين تستطيع الإرسال، شرط أن تعمل محطة واحدة فقط في لحظة معينة. مثل أجهزة الشرطة اللاسلكية.
  • أما في النقل المزدوج، كلا المحطتين تستطيعان الإرسال والاستقبال بشكل متزامن، والوسيط يحمل الإشارات في كلا الاتجاهين في الوقت نفسه. مثل الهاتف.

يجب الإشارة إلى أن التعاريف المعطاة هي تلك الشائعة الاستخدام في الولايات المتحدة (تعاريف ANSI).

أما في (تعاريف ITU-T)، يوافق المصطلح وحيد الاتجاه simplex المصطلح نصف المزدوج half-duplex والمصطلح مزدوج duplex يوافق مزدوج كامل full-duplex.

معدل المعطيات وعرض الحزمة

على الرغم من أن أي إشارة معطاة قد تحتوي على ترددات تمتد على مجال واسع، إلا أن أي نظام نقل (مرسل وناقل ومستقبل) سيتمكن عملياً من استيعاب حزمة محدودة من الترددات.

وهذا بدوره يحد من معدل المعطيات التي يمكن أن تحمل عبر وسط النقل.

فالإشارة المربعة لها عدد غير منته من المركبات الترددية وبالتالي لها عرض حزمة غير منته. إلا أن المطال الأعظمي لمركبة التردد ذات الترتيب k (أي kf) هو فقط 1/k ، لذلك فإن معظم الطاقة في هذه الإشارة تكون في المركبات الترددية القليلة الأولى.

لأي إشارة رقمية عرض حزمة غير منته في الحالة العامة، فإذا حاولنا إرسال هذه الموجة كإشارة عبر وسط، فإن نظام النقل سيحد من عرض الحزمة التي يمكن أن ترسل.

من أجل أي وسط، كلما كبر عرض الحزمة المرسل كلما زادت التكلفة، وكلما قل عرض الحزمة كلما زاد التشويش، وزادت إمكانية حدوث الأخطاء عند المستقبل.

هناك علاقة مباشرة بين معدل المعطيات وعرض الحزمة: كلما كان معدل المعطيات بالنسبة لإشارة عالياً كلما كبر عرض الحزمة الفعال المطلوب.

الإشارات التماثلية والإشارات الرقمية:

كتابع للزمن، يمكن للإشارة الكهرطيسية أن تكون تماثلية أو رقمية، في الإشارة التماثلية، تتغير شدة الإشارة بطريقة سلسة عبر الزمن.

في الإشارة الرقمية، تحافظ الإشارة على مستوى ثابت لفترة من الزمن ثم تتغير بشكل مفاجئ إلى مستوى ثابت آخر. إن هذا التعريف مثالي، ففي الحقيقة لا يحدث النقل من مستوى جهد معين إلى آخر فوراً، لكن سيكون هناك فاصل زمني بسيط للنقل.

أبسط أنواع الإشارة هو الإشارة الدورية، وفيها يتكرر نفس نمط الإشارة عبر الزمن. وإلا ستكون الإشارة لادورية.

يمكن أن تمثل الإشارة المتواصلة كلاماً، بينما قد تمثل الإشارة المتقطعة تمثيلاً ثنائياً (وحدان وأصفار).

الإشارات التماثلية

في نظام للاتصالات، تنتشر المعطيات من نقطة إلى أخرى بوساطة إشارات كهرطيسية، كلا الإشارتين التماثلية والرقمية يمكن أن تنقل عبر وسط النقل المناسب.

إن الإشارة التماثلية هي موجة كهرطيسية متغيرة باستمرار والتي يمكن أن تنتشر عبر عدة أوساط، وهذا يعتمد على الطيف، أمثلة:

  • الأوساط السلكية مثل

الكابل المزدوج المجدول والكابل المحوري والليف الضوئي.

  • الوسائط غير

الموجهة (اللاسلكية) مثل الانتشار عبر الهواء والخلاء.

كما يظهر الشكل يمكن أن تستخدم الإشارات التماثلية لنقل كلا المعطيات:

*التماثلية الممثلة بإشارات كهرطيسية تشغل الطيف نفسه. *والرقمية باستخدام المودم (جهاز تحويل) لتحويل المعطيات الرقمية على ترددات الحوامل.

إلا أن الإشارة التماثلية تتخامد بعد مسافة محددة.

للحصول على مسافة أطول، يتضمن نظام النقل التماثلي مضخمات ترفع طاقة الإشارة. إلا أن المضخمات - لسوء الحظ - تضخم الضجيج المصاحب للإشارة أيضاً. وبوجود المضخمات المتتابعة للحصول على مسافة أطول، تصبح الإشارة مشوشة أكثر فأكثر.

بالنسبة للمعطيات التماثلية كالصوت، يمكن التسامح مع تشويش بسيط، والمعطيات تبقى معقولة (مقبولة). لكن في المعطيات الرقمية، تسبب المضخمات المتتابعة الأخطاء.  

الإشارات الرقمية

الإشارة الرقمية هي سلسلة نبضات جهد يمكن نقلها عبر وسط سلكي، مثلاً: جهد ثابت موجب قد يمثل صفراً، وجهد ثابت سالب قد يمثل واحداً.

كما يظهر الشكل، يمكن استخدام الإشارات الرقمية لنقل كلا الإشارات التماثلية والمعطيات الرقمية.

يمكن تحويل المعطيات التماثلية إلى رقمية باستخدام codec ( مرمز coder، ومفكك للترميز decoder )، والذي يأخذ إشارة تماثلية تمثل مباشرة معطيات الصوت ويقرب تلك الإشارة بتيار من البتات. وفي النهاية المستقبلة، يستخدم تيار البتات لإعادة تشكيل المعطيات التماثلية.

بينما يمكن أن تمثل المعطيات الرقمية مباشرة بإشارات رقمية.

يمكن نقل الإشارة الرقمية على مسافة محدودة قبل أن تتعرض سلامة المعلومات للخطر بسبب التخميد والضجيج والمؤثرات الأخرى.

فللحصول على مسافة أكبر، تستخدم المكررات.

يستقبل المكرر الإشارة الرقمية، يستعيد نمط الوحدان والأصفار، ويعيد إرسال الإشارة الجديدة. وهكذا يمكن التغلب على الضعف.

محاسن ومساوئ الإشارة الرقمية

المحاسن الأساسية للإشارة الرقمية أنها عموماً أرخص من التماثلية وأقل حساسية لتشويش الضجيج، والمساوئ الأساسية لها أنها تعاني من التخميد أكثر من الإشارة التماثلية.

يظهر الشكل سلسلة من النبضات المولدة من المصدر باستخدام مستويين من الجهد، ويظهر الجهد المستقبل بعد مسافة معينة في نهاية وسط النقل. وبسبب تخميد -أو انخفاض- قوة الإشارة عند الترددات العالية، يصبح النبض تقريبياً وصغيراً.

أي طرق النقل هي المفضلة؟

الجواب لدى صناعة الاتصالات وزبائنها هي الإشارات الرقمية!.

كل من وسائل الاتصال بعيدة المدى، وخدمات الأبنية الداخلية انتقلت إلى النقل الرقمي وتقنيات الإرسال الرقمي (إن أمكن) للعديد من الأسباب.

نقل المعطيات الرقمية والتماثلية

لقد رأينا سابقاً أن الإشارتين التماثلية والرقمية توافقان تقريباً الإشارتين المستمرة والمتقطعة على الترتيب.

نعرف:

المعطيات على أنها أشياء تحمل معنى أو معلومات.

الإشارات هي تمثيل كهربائي أو كهرطيسي للمعطيات.

إرسال الإشارة Signaling هو الانتشار الفيزيائي للإشارة عبر الوسط المناسب.

النقل هو تبادل المعطيات بانتشار ومعالجة الإشارات.


الطيف السمعي Acoustic Spectrum

تأخذ المعطيات التماثلية قيماً مستمرة في فترات معينة، أكثر مثال مألوف هو الصوت، والذي يمكن فهمه مباشرة من قبل الإنسان إذا كان في صيغة أمواج صوتية.

يظهر الشكل طيفاً سمعياً لكلامٍ بشريٍ ولموسيقى (لاحظ القياسات المسجلة).

توجد مركبات تردد الكلام العادي تقريباً بين 100 Hz و 7 kHz ولها مجال ديناميكي بحوالي 25 dB (الصرخة أعلى من الهمسة بـ 300 ضعف تقريباً) مثال شائع على المعطيات التماثلية أيضاً هو الفيديو، كما يرى على شاشة التلفاز.

المعطيات الصوتية

المثال الأكثر شيوعاً للمعلومات التماثلية هو الموجة الصوتية المسموعة، ككلام الإنسان. وهي تحول بسهولة إلى إشارة كهرطيسية لتنقل كما يظهر الشكل.

تحول كل ترددات الصوت، والتي يقاس مطالها بمقدار علو (جهارة) الصوت، إلى ترددات كهرطيسية، والتي يقاس مطالها بالفولت. تحوي سماعة الهاتف على آلية بسيطة لتحويل كهذا.

في حالة المعطيات المسموعة (الصوت البشري)، يمكن للمعطيات أن تمثل مباشرة بإشارة كهرطيسية تشغل الطيف نفسه.

إن طيف الكلام هو تقريباً 100 Hz إلى 7 kHz، على الرغم من أن عرض حزمة أضيق سيعطي صوتاً مقبولاً، أما الطيف القياسي لقناة صوتية هو 300 إلى 3400 هيرتز.

المعطيات الرقمية

وأخيراً، لننظر إلى المعطيات الثنائية (الاثنانية)، والتي تولد من قبل الطرفيات، الحواسيب، ومعدات معالجة المعطيات الأخرى، ثم تحول إلى نبضات جهد رقمية جاهزة للنقل. وهذا يظهر في الشكل المجاور.

الإشارة الشائعة الاستخدام لنقل هكذا معطيات تستخدم مستويين من التيار المستمر، أحدهما من أجل الواحد الثنائي 1 والآخر من أجل الصفر الثنائي 0.


2 14 AnalogSignal Ar.png 2 15 DigitalData Ar.png 2 16 AcousticSpectrum Ar.png 2 17 VoiceData Ar.png 2 18 DigitalSignal 2 Ar.png