التضمين التماثلي والرقمي - Analog And Digital Modulation

ما هو التضمين في الإلكترونيات والاتصالات؟

التضمين (Modulation): هي عملية فرض إشارة دخل على موجة حاملة ودمج موجتين كهربائيتين إحداهما الموجة الحاملة للإشارة (تتكون الموجة الحاملة من تردد ثابت وتشبه قليلاً الموجة الجيبية ويكون ترددها عالي) ومن الموجة المحمولة ذات التردد المنخفض، مثال على ذلك البث في الراديو حيث ترسل الإذاعة صوت المذيع كموجة ذات تردد منخفض راكبة على موجة كهرومغناطيسية ذات تردد عالي، ويقوم جهاز الراديو على استقبال الموجة ويحتوي على دوائر إلكترونية خاصة تفك الموجتين عن بعضهما البعض، وتُكبر الموجة المحمولة كهربائياً وتقوم على توصيلها بمكبر الصوت فنسمع المذيع من جهاز الراديو.

عملية فك التضمين: هي عملية استخراج الإشارة الأصلية التي تحمل المعلومات من موجة حاملة للإشارة أو هي عملية استعادة المعلومات الأصلية في الطرف البعيد من الناقل، ويُطلق على الجهاز الذي يصلح التضمين ويعمل على إزالة التعديل بجهاز المودم (Modem).

تُعتبر عملية تضمين الإشارة من أهم العمليات في تقنية الاتصالات؛ لقدرتها على استيعاب ترددات عالية جداً، وتستعمل تقنية التضمين في عدة أنظمة؛ مثل: نظام (GSP)، البلوتوث، التلفزيون، الراديو، نظام (GPS) وغيرها من الأنظمة.

ما هو التضمين التماثلي – Analog Modulation؟

التضمين التماثلي: هي عملية نقل إشارة النطاق الأساسي التناظرية (التردد المنخفض)، مثل إشارة الصوت أو التلفزيون عبر إشارة تردد أعلى مثل نطاق تردد الراديو.

تقنيات التضمين التماثلي – Analog Modulation:

1. تضمين السعة (Amplitude Modulation – AM):

هذه التقنية تقوم على تغيير قيمة إشارة التردد الحامل كدالة خطية مع قيمة الإشارة المرسلة (الأساسية)، وتتميز بسهولة تصميمها وسهولة فك التضمين، لكن تضمين الاتساع يجعل الإشارة عرضة للضوضاء بشكل عالي وأحياناً تُفقد إذا لم تكن إشارة الإرسال قوية بشكل كاف.

2. تضمين التردد (Frequency Modulation – FM):

إنّ هذا التغيُّر يُستخدم على تعديل تردد إشارة المعلومات، لتغيير تردد الموجة الحاملة ضمن نطاق صغير حول قيمتها الأصلية، ومع ذلك فهو يستهلك نطاق عريض جداً، كما أنّ أجهزة التضمين وفك التضمين معقدة نسبياً.

3. تضمين الطور (Phase Modulation – PM):

في هذا النوع من التضمين تتغير زاوية أو طور إشارة التردد الحامل خطياً مع قيمة الإشارة الأساسية، تتنوع مرحلة الموجة الحاملة عالية التردد وفقاً للقيمة اللحظية لإشارة التعديل، مع أنّ هذه التقنية تحمل مزايا التضمين الترددي في نطاق عريض أقل من سابقتها إلّا أنّ المشكلة تكمن في تعقيد الأجهزة في كل من التضمين وفك التضمين ممّا يحد من تطبيقاتها.

ما هو التضمين الرقمي – Digital Modulation؟

التضمين الرقمي: هو عملية ترميز إشارة معلومات رقمية في اتساع أو طور أو تردد الإشارة المرسلة. تؤثر عملية التشفير على عرض النطاق الترددي للإشارة المرسلة وقوتها في مواجهة ضعف القناة. هناك أنواع عديدة من تقنيات التضمين الرقمي، وتستخدم حسب الحاجة إليها:

تقنيات التضمين الرقمي – Digital Modulation:

1. تضمين إزاحة السعة (Amplitude Shift Keying – ASK):

يعتمد اتساع الناتج على بيانات الإدخال سواء كان يجب أن يكون مستوى صفرياً أو اختلافاً موجباً وسالباً، وذلك اعتماداً على تردد الموجة الحاملة.

2. تضمين إزاحة التردد (Frequency Shift Keying – FSK):

يكون تردد إشارة الخروج إمّا مرتفعاً أو منخفضاً، وذلك اعتماداً على بيانات الإدخال المطبقة.

3. تضمين إزاحة الطور (Phase Shift Keying – PSK):

في هذا النوع من التعديل يحدث تغيير في زاوية الطور للإشارة بمقدار (180°) عند كل تغيير للمعلومات الرقمية الموجودة بالصيغة الثنائية من 0 إلى 1 أو العكس وذلك بشرط تثبيت قيمة السعة والتردد، وهذا النوع من التردد أقل حساسية من أخطاء الإرسال من تداخلات وضوضاء وتشتت الإشارة، وذلك بسبب تعدد المسارات مقارنةً بالنوعين السابقين، لكن دوائر الإرسال والاستقبال فيه أكثر تعقيداً، يتم تبديل مرحلة إشارة الخروج اعتماداً على الإدخال، وهي تتكون بشكل أساسي من أنواع وهي:

1. BPSK: المفتاح الثنائي لتغيير الطور.

2. QPSK: وفقاً لعدد تحولات الطور.

3. DPSK: مفتاح التحول التفاضلي الذي يغير المرحلة وفقًا للقيمة الناتجة من QPSK.

ترميز – M-ary:

تقنيات تشفير M-ary: هي الطرق التي يتم فيها عمل أكثر من بتتين (2Bit) للإرسال في وقت واحد على إشارة واحدة، وهذا يساعد في تقليل عرض النطاق الترددي.

أنواع تقنيات ترميز (M-ary):

1. M-ary ASK.
   
2. M-ary FSK.
   
3. M-ary PSK.
   

مزايا التضمين الرقمي على التضمين التماثلي:

1. مناعة أكبر للضوضاء (بسبب عمليتها المحدودة).
   
2. المتانة لتوجيه العيوب.
   
3. تُتعبرعملية الإرسال أسهل لأشكال مختلفة من المعلومات مثل الصوت والبيانات والفيديو.