تعديل الإشارة
في الإلكترونيات والاتصالات، تتم عملية تعديل الإشارة modulation، بتعديل واحد من ثلاث قيم وهي الاتساع، التردد وزاوية الطور كما تستخدم تقنية مثيلة عند الاستقبال وتسمى في هذه الحالة فك التعديل. بما أن الطبيعة تماثلية يتم تحويل المعلومات الرقمية الثنائية (0 و1 bit) في الانظمة الرقمية إلى إشارات تماثلية ليتم ارسالها تماثلياً كما يحدث عند إرسال المعلومات الرقمية للحاسب الآلي عبر خط هاتفي وباستخدام جهاز المودم.
| تقنيات التضمين |
|---|
| التضمين النظيري |
| AM • SSB • FM • PM • SM |
| تضمين رقمي |
| OOK • FSK • ASK • PSK • QAM MSK • CPM • PPM • TCM • OFDM |
| طيف منثور |
| FHSS • DSSS |
| انظر أيضاً: إزالة التضمين |
تعتبر عملية تعديل الاشارة واحدة من أهم العمليات في تقنية الاتصالات لقدرتها على استيعاب ترددات عالية جداً مما ادى إلى تطوير طرق جديدة لنقل المعلومات مثل Funk، Microwave radio relay، satellite transmission. وتستعمل تقنية التعديل في عدة أنظمة مثل الجي أس أم، البلوتوث، التلفزيون، الراديو الجي بي أس وغيرها من الأنظمة.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
الهدف
طرق تعديل الإشارات التماثلي
يعتبر التضمين التماثلي أساس عمليات التضمين ويطلق عليه أيضا تضمين للتبسيط. توجد ثلاث تقنيات رئيسية في التضمين التماثلي تضمين الاتساع أو السعة، تضمين التردد وتضمين الطور. [1]
تطورت تقنيات التعديل التمثيلي انطلاقاً من معالجة موجة جيبية تسمى الحامل carrier معرفة بالعلاقة: ملف:تقنيات التعديل التمثيلي.jpg
حيث f0 هو تردد الإشارة الحاملة، وتقوم عملية التعديل على تغيير المطال A أوالطور للحامل مع الرسالة المراد إرسالها m(t) ونحصل بذلك على الإشارة s(t)
تعديل السعة
في هذه التقنية يتم تغيير قيمة إشارة التردد الحامل كدالة خطية مع قيمة الإشارة المرسلة (الاساسية) وتتميز بسهولة تصميمها وسهولة فك التضمين. لكن تضمين الاتساع يجعل الاشارة عرضة للضوضاء بشكل عالي وأحيانا تفقد إذا لم تكن إشارة الإرسال قوية بشكل كاف.
تعديل الطور
مقالة مفصلة: تعديل الطور
في هذا النوع من التضمين تتغير زاوية أو طور إشارة التردد الحامل خطيا مع قيمة الاشارة الاساسية. مع أن هذه التقنية تحمل مزايا التضمين الترددي في نطاق عريض أقل من سابقتها إلا أن المشكلة تكمن في تعقيد الأجهزة في كل من التضمين وفك التضمين مما يحد من تطبيقاتها.
أساسيات الكشف والتعديل
تعديل الإشارات الرقمية
بعكس الارسال الرقمي كما في الشبكات المحلية السلكية wired local area network بحيث ترسل المعلومات الرقمية في حالتها الرقمية فإن الارسال اللاسلكي wireless network لا يمكن إرسال المعلومات ارسالاً رقمياً لذا فلا بد من تحويلها إلى إشارات تماثلية عبر إحدى طرق التعديل الأساسية التالية:
- تعديل الازاحة الاتساعي Amplitude Shift Keying ASK
- تعديل الازاحة الترددي Frequency Shift Keying FSK
- تعديل الازاحة الزاوي Phase Shift Keying PSK
- تعديل الازاحة الدنيا Minimum Shift Keying MSK
- تعديل الازاحة الدنيا الجاوسي Gaussian Minimum Shift Keying GMSK
تعديل الازاحة الاتساعي
تعتبر طريقة تعديل الازاحة الاتساعي من ابسط طرق التعديل الرقمي حيث يتم تمثيل المعلومات الرقمية الثنائية 0 و 1 بسعتين مختلفتين. وكما نرى في الصورة فقد تم تمثيل حالة 0 بسعة تساوي صفراً وتم تمثيل حالة 1 بسعة تساوي a. ولهذا النوع من التعديل بعض العيوب لحساسيته لأخطاء الإرسال كالتداخلات interference والضوضاء noise وتشتت الاشارة بتعدد المسارات multi-path propagation لذا فإنه لا يمكن ضمان صحة الاشارة في حالة الارسال اللاسلكي بوجود مثل هذه الاخطاء.
تعديل الازاحة الترددي
تعتبر طريقة تعديل الازاحة الترددي FSK واحدة من طرق التعديل الرقمي المستخدمة بكثرة. في هذه الطريقة يتم تمثيل المعلومات الرقمية الثنائية 0 و 1 بإشارة ثابتة السعة ويتم تغيير التردد لكل حالة. وكما في الصورة فقد تم تمثيل حالة 1 بتردد f1 وحالة الصفر بتردد f2. وهذا النوع من التعديل يعتبر اقل حساسية لأخطاء الارسال من تداخلات وضوضاء وتشتت للإشارة بتعدد المسارات.
تعديل الازاحة الزاوي
في هذا النوع من التعديل يحدث تغيير في زاوية الطور بمقدار 180° عند كل تغيير للمعلومات الرقمية من 0 إلى 1 أو العكس مع تثبيت قيمة السعة والتردد. وهذا النوع من التردد اقل حساسية لأخطاء الارسال من تداخلات وضوضاء وتشتت للإشارة بتعدد المسارات مقارنةً بالنوعين السابقين ولكن دوائر الارسال والاستقبال فيه أكثر تعقيداً.
تعديل الازاحة الدنيا وتعديل الازاحة الدنيا الجاوسي
ومن طرق التعديل المتبعة في نظم الاتصالات اللاسلكية الحديثة طريقة التعديل الازاحة الدنيا Minimum Shift Keying MSK وهي طريقة مطورة عن تعديل الازاحة الترددي FSK مع التقليل من التغيير المفاجئ للتردد والشكل. في هذه الطريقة تفصل المعلومات الرقمية إلى معلومات زوجية even bits ومعلومات فردية odd bits وتتم مضاعفة الفترة الزمنية لكل معلومة رقمية. ويستخدم قيمتان تردديتان وهي التردد المنخفض f1 والتردد العالي f2 وتكون f2=2*f1 . ويتم اختيار أحد الترددين حسب ما يلي:
- اذا كان كل من المعلومة الزوجية والفردية في حالة 0 يتم استخدام التردد العالي f2 ومع عكس الموجة ( تغيير في زاوية الطور بمقدار 180° )
- اذا كانت المعلومة الزوجية في حالة 1 والمعلومة الفردية في حالة 0 يتم استخدام التردد المنخفض f2 ومع عكس الموجة ( تغيير في زاوية الطور بمقدار 180°)
- اذا كانت المعلومة الزوجية في حالة 0 والمعلومة الفردية في حالة 1 يتم استخددام التردد المنخفض f2 دون تغيير زاوية الطور
- اذا كان كل من المعلومة الزوجية والفردية في حالة 1 يتم استخدام التردد العالي دون تغيير زاوية الطور
وبإضافة مرشح منخفض جاوسي Gaussian law-pass filter إلى معدل الازاحة الدنيا نحصل على ما يسمى معدل الازاحة الدنيا الجاوسي. وهو المعدل المستخدم في أنظمة الاتصالات اللاسلكية الأوروبية GSM DECT.
التكميم
التكميم quantization وهي العملية التي تسمح انطلاقاً من إشارة الحزمة القاعدية m(t) بإنشاء إشارة جديدة Mq(t) هي تقريب للإشارة الأصلية. ويبين الشكل 8 مبدأ هذه العملية. حيث أن الإشارة vi هي الإشارة المطبقة على دخل المكمم، أما خرجه فهو Vo، والمنحني المنقط m(t) يمثل إشارة الخرج فيما لو كان خرج المكمم خطياً بدلالة الدخل، ويطلق على الفرق بين mَ (t) وMq(t) اسم ضجيج التكميم. ونقول عن التكميم أنه منتظم إذا كانت لجميع الخطوات نفس القياس، وإلا فهو غير منتظم.
2ـ التعديل النبضي المرمز pulse code modulation (PCM)
وهو أساساً تبديل تمثيلي/ رقمي من نوع خاص تُمثل فيه المعلومات المتضمنة داخل العينات الآنية لإشارة تمثيلية، بكلمات رقمية على شكل قطار بتات bits تسلسلي.
يتم توليد إشارة التعديل النبضي المرمز بإجراء ثلاث عمليات أساسية هي: أخذ العينات والتكميم والترميز. ونحصل على إشارة التعديل النبضي المرمز اعتباراً من إشارة تعديل مطال النبضة المكممة بترميز encoding كل قيمة عينة مكممة إلى كلمة رقمية. ومن ثَم عوضاً عن إرسال العينة المكممة مباشرة يرسل رقم الرمز الموافق. وغالباً ما تحول قيمة الرمز قبل إرساله إلى الحساب الثنائي أي الحساب وفق أساس العد 2. وترسل قيم التمثيل الثنائي للرمز على شكل نبضات، ولهذا يطلق على هذا التعديل اسم التعديل النبضي المرمز. ويبين الشكل 9 السمات الأساسية لهذا التعديل الثنائي.
3ـ التعديل النبضي المرمز التفاضلي differential pulse code modulation (DPCM)
حين يتم تقطيع الإشارات الصوتية أو الفيديوية غالباً ما تكون العينات المتجاورة قريبة من نفس القيمة، ومن ثَم يوجد كثير من الزيادة redundancy في عينات الإشارة، وينجم عن ذلك ضياع في عرض الحزمة والمجال الدينامي لنظام التعديل النبضي المرمز عندما يعاد إرسال قيم العينات ذوات الزيادة.
وإحدى الطرق التي تسمح بتخفيض زيادة الإرسال إلى حده الأدنى ومن ثَم إنقاص عرض الحزمة، هي إرسال إشارات التعديل النبضي المرمز الموافقة للفرق بين قيم العينات المتجاورة، ويطلق عليها التعديل النبضي المرمز التفاضلي، والذي يعتمد على استخدام مرشح تنبؤ prediction. 4ـ التعديل دلتا delta modulation (DM)
وهو حالة خاصة من التعديل النبضي المرمز التفاضلي تتضمن مستويين من التكميم. ولا تتطلب استخدام مبدلات تمثيلية/رقمية أو رقمية/تمثيلية، ومن ثَم فإن الدارات الإلكترونية اللازمة للتعديل أبسط وأقل كلفة. إلا أن هذا التعديل يخضع لنوعين من خطأ التكميم الأول ضجيج زيادة تحميل الميل slope overload والضجيج الحبيبي granular كما هو مبين.
5ـ التعديل دلتا المتكيف adaptive delta modulation (ADM)
الذي يسمح بتخفيض ضجيج زيادة تحميل الميل إلى الحد الأدنى مع المحافظة على قيم مقبولة للضجيج الحبيبي. ويعتمد مبدأ الطريقة على تغيير قياس الخطوة كتابع للزمن مع تغيرات إشارة الدخل.
6ـ طرق الإقفال keying
هي تحميل إشارة رقمية على موجة حاملة لتتوافق مع حزمة قناة الإرسال، ويستخدم هذا التعبير لتمييز هذا التعديل عن تعديل الإشارات التمثيلية. ويوجد هناك طرق إقفال مختلفة: بإزاحة المطال amplitude-shiift keying (ASK) وبإزاحة الطور phase-shift keying (PSK) وبإزاحة الطور التفاضلي differential -shiift keying (DPSK) وبإزاحة التردد frequency-shiift keying (FSK) وهي مفصلة في بحث إرسال المعطيات.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
قائمة تقنيات التعديل الرقمية الشائعة
- Phase-shift keying (PSK):
- Binary PSK (BPSK), using M=2 symbols
- Quadrature PSK (QPSK), using M=4 symbols
- 8PSK, using M=8 symbols
- 16PSK, using M=16 symbols
- Differential PSK (DPSK)
- Differential QPSK (DQPSK)
- Offset QPSK (OQPSK)
- π/4–QPSK
- Frequency-shift keying (FSK):
- Audio frequency-shift keying (AFSK)
- Multi-frequency shift keying (M-ary FSK or MFSK)
- Dual-tone multi-frequency (DTMF)
- Continuous-phase frequency-shift keying (CPFSK)
- Amplitude-shift keying (ASK)
- On-off keying (OOK), the most common ASK form
- M-ary vestigial sideband modulation, for example 8VSB
- Quadrature amplitude modulation (QAM) - a combination of PSK and ASK:
- Polar modulation like QAM a combination of PSK and ASK.[بحاجة لمصدر]
- Continuous phase modulation (CPM) methods:
- Minimum-shift keying (MSK)
- Gaussian minimum-shift keying (GMSK)
- Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) modulation:
- discrete multitone (DMT) - including adaptive modulation and bit-loading.
- Wavelet modulation
- Trellis coded modulation (TCM), also known as trellis modulation
- Spread-spectrum techniques:
- Direct-sequence spread spectrum (DSSS)
- Chirp spread spectrum (CSS) according to IEEE 802.15.4a CSS uses pseudo-stochastic coding
- Frequency-hopping spread spectrum (FHSS) applies a special scheme for channel release
ترميز الخط
كانت التعديلات الخطية أولى التعديلات استخداماً وذلك في العشرينات من القرن العشرين. وتوجد عدة تقنيات تعديل خطي أساسية شائعة الاستخدام هي:
التعديل المطالي
التعديل المطالي amplitude modualtion (AM)، تولد هذا النوع من التعديل الإشارة:
ويبين الشكل مثالاً على كل من الإشارة الحاملة ومطالها Ac، وإشارة الحزمة القاعدية m(t) (المعدِّلة)، والإشارة المعدَّلة الناتجة. التي تحمل في غلافها envelope إشارة الحزمة القاعدية baseband.
وتوصف طريقة التعديل هذه بأنها ثنائية الحزمة الجانبية مع حامل double-side band with carrier (DSB) لأن طيف الإشارة المعدَّلة يتكون من حزمة جانبية دنيا وأخرى عليا إضافةً للحامل.
ومن ثَم فإن عرض حزمة الإشارة المعدَّلة هو:
ملف:عرض حزمة الإشارة المعدلة.jpg
يستخدم هذا النوع من التعديل بكثرة في أنظمة البث الإذاعي سواء بالأمواج القصيرة أو الوسطى أو الطويلة.
التعديل ثنائي الحزمة بدون حامل
التعديل ثنائي الحزمة بدون حامل double-side band suppressed-carrier (DSB-SC) وهو أبسط أنواع التعديل من حيث المبدأ. إذ يعتمد على إجراء إزاحة ترددية لطيف إشارة الحزمة القاعدية في الحقل الترددي. وتعطى الإشارة المعدَلة بالعلاقة:
ويعطى عرض حزمة الإشارة المعدَلة هنا أيضاً بالعلاقة BW=2fm.
وتستخدم طريقة التعديل هذه على سبيل المثال لبناء منضد صوتي مجسم stereophonic.
التعديل أحادي الحزمة الجانبية
التعديل أحادي الحزمة الجانبية single-side band modulation (SSB) الذي يعتمد على حذف إحدى الحزمتين الجانبيتين في طيف الإشارة المرسلة، ومن ثَم فإن عرض حزمة الإشارة المعدَّلة يصبح BW=fm. وهي طريقة التعديل الأكثر اقتصاديةً من حيث عرض حزمة الإرسال.
وتعد طريقة التعديل هذه أساس تقنية التنضيد multiplexing الترددي المستخدمة في الهاتف والاتصالات العسكرية والبحرية وغيرها.
التعديل بحزمة جانبية مختزلة
التعديل بحزمة جانبية مختزلة vestigial-side band modulation
تعتبر هذه التقنية حلاً وسطاً بين التعديل أحادي الحزمة الجانبية SSB والتعديل ثنائي الحزمة الجانبية من دون حامل DSB-SC. ويعتمد المبدأ على إرسال إحدى الحزمتين الجانبيتين الناتجتين عن التعديل الثاني شبه كاملة إضافةً إلى جزء مختزل من الحزمة الأخرى مقداره Kfm (حيث 0<K<1)، فيكون عرض الحزمة اللازم للإرسال BW=(1+K)fm.
وتُستخدم هذه الطريقة مثلاً في إرسال إشارة الفيديو التلفزيونية.
2ـ التعديل الزاويّ angle modulation
إن التعديل هو أساساً إجراء إزاحة ترددية لطيف الإشارة المراد إرسالها حول التردد الحامل fc (تردد الحامل)، للحصول على إشارة ذات حزمة ضيقة:
مع معرفة المقدارين التاليين:
ـ الطور الآني:
ـ التردد الآني:
أ ـ التعديل الطوري phase modulation (PM)
يعد التعديل الطوري من أبسط أنواع التعديل الزاوي، ويعرف بالعلاقة:
حيث kp واحدته راد/فولط rd/volt. ومن ثَم تكون عبارة الإشارة المعدَّلة طورياً:
ب ـ التعديل الترددي frequency modulation (FM)
يتم في هذا التعديل تحويل تغيرات الإشارة المعدِلة m(t) إلى تغيرات في التردد الآني Fi(t) للإشارة ذات الحزمة الضيقة التي تعبر القناة. ويكون التحويل خطي عادة من النوع:
حيث Kf واحدته هرتز/فولط Hz/volt. ومن ثَم تكون عبارة الإشارة المعدَّلة ترددياً:
ويبين الشكل مثالاً عن إشارات معدلة طورياً (ب) وترددياً (ج) للإشارة m(t) المتبقية في (أ).
ويعطى عرض حزمة الإشارة المعدَّلة في حالة التعديل الترددي للإشارة m(t) ما بالعلاقة:
حيث يرمز b إلى عرض حزمة الإشارة المعدِلة، وΔf إلى الانحراف الأعظم للتردد الآني، ويطلق على العبارة السابقة قاعدة كارسون Carson.
ويستخدم هذا التعديل في معظم مرسلات البث الإذاعي العاملة على التعديل الترددي
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
التعديل النبضي
يتميز هذا التضمين بعزله للضوضاء حيث أن التغير يكون في تردد الإشارة الحاملة نفسه كدالة خطية مع قيمة الاشارة المرسلة. ومع ذلك فهو يستهلك نطاق عريض أكبر بكثير من تقنية التضمين المطالي كما أن أجهزة التضمين وفك التضمين معقدة نسبيا.
هناك ثلاثة أنواع أساسية للتعديل النبضي التمثيلي هي تعديل مطال النبضة amplitude أو عرضها width أو موضعها position. 1ـ نظرية أخذ العينات sampling:
لتكن لدينا إشارة بالحزمة القاعدية m(t) ذات عرض حزمة محدود بحيث يكون أعلى تردد لها fm، ولنأخذ قيم الإشارة m(t) عند فترات منتظمة متباعدة بأزمنة Ts بحيث:
فنقول أنه أخذت عينات الإشارة دورياً كل Ts ثانية. وتحدد هذه العينات (m (nTs، حيث n عدد طبيعي، الإشارة بشكل متميّز، ومن ثَم يمكن إعادة بناء الإشارة من تلك العينات من دون أي تشويه. ويطلق على Ts اسم دور أخذ العينات. 2ـ تعديل مطال النبضة pulse-amplitude modulation (PAM) هو تحويل إشارة تمثيلية إلى إشارة من نوع نبضي بحيث يتضمن مطال النبضات المعلومات التمثيلية. ويوجد صنفان من هذه الإشارات هما:
أ ـ أخذ العينات الطبيعي natural.
يبين الشكل هذا المبدأ حيث تتكون الإشارة التي أخذت منها العينات من سلسلة من النبضات ذات مطال متغير قممها ليست مسطحة إنما تتبع شكل موجة الإشارة المعدَّلة m(t).
ب ـ أخذ العينات مسطح القمة flat-top
يبين الشكل مبدأ النبضات مسطحة القمة، حيث يكون للنبضات مطال ثابت تحدده قيمة عينة الإشارة في نقطة داخل مدة النبضة. ويتميز هذا النوع عن سابقه بأنه يبسط تصميم الدارات الإلكترونية المستخدمة في عملية أخذ العينات. 3ـ تعديل زمن النبضة Pulse-Time Modulation (PTM)
وهنا تقوم إشارة الحزمة القاعدية بتغيير بعض المميزات الزمنية للنبضة التي تقع داخل فرضة slot زمنية محددة. ويوجد صنفان أساسيان هما: أ ـ تعديل مدة النبضة Pulse-Duration Modulation (PDM)
تقطع هذه الحالة الإشارة m(t) بشكل منتظم وتوليد نبضة عند كل لحظة تقطيع ذات مطال ثابت لكن عرضها يعدَّل مباشرة بإشارة الحزمة القاعدية.
ب ـ تعديل موضع النبضة Pulse-Position Modulation (PPM)
يتمثل التعديل هنا في توقيت الطرف الهابط أو الصاعد للنبضة أو كليهما بآن واحد. ونلاحظ في الشكل السابق أن مطال النبضات ثابت وعرضها ثابت في حين تقوم الإشارة m(t) بتعديل موضع النبضة.
طرق تعديل التردد
طرق التعديل التناظارية-التناظرية:
- Pulse-amplitude modulation (PAM)
- Pulse-width modulation (PWM)
- Pulse-position modulation (PPM)
طرق التعديل التناظرية-الرقمية:
- Pulse-code modulation (PCM)
- Differential PCM (DPCM)
- Adaptive DPCM (ADPCM)
- Delta modulation (DM or Δ-modulation)
- Delta-sigma modulation (∑Δ)
- Continuously variable slope delta modulation (CVSDM), also called Adaptive-delta modulation (ADM)
- Pulse-density modulation (PDM)
تقنيات تعديل متفرقة
انظر أيضا
المصادر
- ^ محمد خالد شاهين. "تعديل الإشارة". الموسوعة العربية. Retrieved 2012-01-24.