التضمين الرقمي - Digital Modulation

يوفر التعديل الرقمي مزيداً من سعة المعلومات وأمناً عالياً للبيانات وتوافراً أسرع للنظام مع اتصال عالي الجودة، فإنّ تقنيات التعديل الرقمي لها طلب أكبر وذلك لقدرتها على نقل كميات أكبر من البيانات مقارنة بتقنيات التعديل التمثيلي، وعلى الرغم من أنّ التعديل التماثلي لا يمكن التلاشي عن فوائده إلّا أنّه ببساطة غير متوافق مع العالم الرقمي، ولم نعد نركز جهودنا على نقل أشكال الموجات التماثلية من مكان إلى آخر، بدلاً من ذلك فإنّنا نريد نقل البيانات كالشبكات اللاسلكية وإشارات الصوت الرقمية وقياسات المستشعرات ولنقل هذه البيانات الرقمية فإنّنا نستخدم التعديل الرقمي.

ما هو التضمين الرقمي – Digital Modulation؟

التضمين الرقمي (Digital Modulation): هو تحويل الإشارات الرقمية إلى أشكال موجة متوافقة مع طبيعة قناة الاتصالات، وهناك فئتان رئيسيتان من التضمين الرقمي حيث تستخدم إحدى الفئات موجة حاملة ذات سعة ثابتة والأخرى تحمل المعلومات في تغيرات الطور أو التردد (FSK ،PSK).

بالنسبة لمصممي أجهزة الراديو الرقمية ذات الموجات الصغرية، فإنّ أولويتهم القصوى هي كفاءة عرض النطاق الترددي الجيد مع معدل خطأ بت منخفض بحيث يتوفر لديهم الطاقة بشكل كبير إلّأ أنّهم لا يهتمون بكفاءة الطاقة ولا يهتمون بتكلفة المستقبِل أو تعقيده لأنهم لا يضطرون إلى بناء أعداد كبيرة منهم، ومن ناحية أخرى يضع مصممو الهواتف المحمولة أولوية عالية لكفاءة الطاقة لأنّ هذه الهواتف تحتاج إلى العمل بالبطارية وتعتبر التكلفة أيضاً أولوية عالية لأنّ الهواتف المحمولة يجب أن تكون منخفضة التكلفة لتشجيع المزيد من المستخدمين.

وفقاً لذلك، تضم هذه الأنظمة بعض كفاءة عرض النطاق الترددي للحصول على الطاقة وكفاءة التكلفة، وفي كل مرة يتم فيها زيادة معلومات الكفاءة (النطاق الترددي أو الطاقة أو التكلفة) ينخفض ​​مؤشر آخر أو يصبح أكثر تعقيداً أو لا يعمل بشكل جيد في بيئة سيئة، التكلفة هي أولوية النظام المهيمنة وستكون أجهزة الراديو منخفضة التكلفة مطلوبة دائماً، في الماضي كان من الممكن جعل الراديو منخفض التكلفة يفتقر بالقدرة وكفاءة عرض النطاق الترددي إلّا أنّ هذا لم يعد ممكناً حيث يُعتبر الطيف الراديوي ذا قيمة كبيرة والمشغلون الذين لا يستخدمون الطيف بكفاءة قد يفقدون تراخيصهم الحالية أو يخسرون في المنافسة على التراخيص الجديدة، هذه هي المفاضلات التي يجب أخذها في الاعتبار في تصميم الاتصالات الرقمية أي ترددات الراديو.

يستخدم التضمين الرقمي لنقل تدفق بت رقمي عبر قناة تمثيلية بتردد عالٍ، وكذلك يمكن نقل الإشارات المتولدة في دائرة رقمية عبر وسط مادي، وذلك لأنّه يمكن التعامل مع الإشارات الرقمية بأمان أعلى وأنّ الأنظمة الرقمية متاحة بسهولة وعلى نطاق واسع.

تم تمثيل مخططات التضمين الرقمي المختلفة بنموذج نظري (Flood and Hawks ford) عام 1971م، والذي يطبق الوقت والسعة على إشارة مشكّلة تماثلية، أمّا بالنسبة لـ (PCM) يكون التعديل التماثلي (AM)، أمّا بالنسبة (DM) يكون التعديل التماثلي (PM)، وبالنسبة لـ (DSM) فإنّه (FM).

أنواع التضمين الرقمي – Digital Modulation:

1. مفتاح تغيير السعة (Amplitude Shift Keying – ASK).
   
2. مفتاح تغيير التردد (Frequency Shift Keying – FSK).
   
3. مفتاح تغيير الطور (Phase Shift Keying – PSK).
   

مفتاح تغيير السعة – Amplitude Shift Keying:

مفتاح تغيير السعة: هي عملية تقوم على تمثيل كل من الحالتين الثنائيتين بشكل موجة تماثلية حيث المنطق المنخفض (0) والمرتفع (1)، أي يتم تمثيل المنطق 0 بموجة عند تردد معين ويتم تمثيل المنطق 1 بموجة بتردد مختلف، يعتمد اتساع الناتج على بيانات الإدخال سواء كان يجب أن يكون مستوى صفرياً أو اختلافاً موجباً وسالباً وذلك اعتماداً على تردد الموجة الحاملة.

في (ASK) يتطلب إدخال إشارتين؛ الإدخال الأول هو إشارة تسلسل ثنائي والمدخل الثاني هو إشارة الناقل وهنا أهم نقطة نحتاجها دائماً للنظر في الإدخال الثاني وهو أنّ إشارة الناقل لها نطاق اتساع أي جهد أكبر من إشارة تسلسل الإدخال الثنائي.

عندما يتم تعديل إشارتين ثنائيتين للإدخال لا يفضل تعديل مفتاح إزاحة السعة لأنّه يجب أنّ يأخذ مدخلاً واحداً فقط، وللتغلب على هذا التربيع اتساع مفتاح التحول (ASK) في تقنية التشكيل هذه يمكننا تعديل إشارتين ثنائيتين بإشارات حاملة مختلفة، وتقوم هاتان الإشارتان الحاملتان في مرحلة معاكسة بفارق (90 درجة) وتُستخدم الإشارات الخطية وجيب التمام كموجات حاملة في ابتكار إزاحة اتساع التربيع، وميزة هذا هو أنّه يستخدم بشكل فعال عرض النطاق الترددي للطيف ممّا يوفر كفاءة طاقة أكبر من مفتاح إزاحة السعة.

مدخلات – ASK:

1. المرحلة المقابلة لمنطق 1.
   
2. المرحلة المقابلة لمنطق 0.
   
3. تردد إشارة الناقل.
   
4. طول إشارة الرسالة.
   
5. التسلسل المنطقي الذي يشتمل على إشارة الرسالة.
   

مخرجات – ASK:

شكل موجة معدّل (PSK).

إستخلاص ASK Demodulation:

إستخلاص ASK Demodulation: هي عملية إعادة بناء الإشارة الأصلية على مستوى المستقبل، ويتم تعريفها على أنّها مهما كانت الإشارة المستقبلة من القناة على جانب المستقبل عن طريق تنفيذ تقنيات إزالة التشكيل المناسبة لإعادة إنتاج إشارة الداخلة الأصلية في مرحلة الإشارة الناتجة من المستقبل.

طرق استخلاص ASK Demodulation:

1. الاستخلاص المتزامن (Coherent detection أو Synchronous demodulation):

في هذه الطريقة تكون إشارة الموجة الحاملة التي نستخدمها في مرحلة الاستقبال في نفس المرحلة مع إشارة الموجة الحاملة التي نستخدمها في مرحلة الإرسال، وهذا يعني أنّ إشارة الموجة الحاملة في مرحلتي المرسل والمستقبل هي نفس القيم، يستقبل المستقبل شكل الموجة (ASK) من القناة ولكن هنا يتأثر شكل الموجة المعدل بإشارة ضوضاء لأنّه يتم توجيهها من قناة حرة، ولذلك يمكن التخلص من الضوضاء بعد مرحلة المضاعف بمساعدة مرشح تمرير منخفض حيث يتم إعادة توجيهها من العينة ودائرة الانتظار لتحويلها إلى شكل إشارة منفصلة، وفي كل فترة زمنية تتم مقارنة جهد الإشارة المنفصل مع الجهد المرجعي (V_ref) لإعادة بناء الإشارة الثنائية الأصلية.

2. الاستخلاص غير المتزامن (Noncoherent Detection أو Asynchronous demodulation):

الاستخلاص غير المتزامن: هي عملية يكون الاختلاف الوحيد فيها هو إشارة الموجة الحاملة التي تُستخدم على جانب المرسل وجانب المستقبِل ليسا في نفس المرحلة مع بعضهما البعض ولهذا السبب، يسمّى هذا الاكتشاف كاكتشاف (ASK) غير المتماسك، يمكن إتمام عملية الاستخلاص هذه باستخدام جهاز قانون مربع، حيث يمكن إعادة توجيه الإشارة الناتجة التي تولد من جهاز القانون التربيعي من خلال مرشح تمرير منخفض لإعادة بناء الإشارة الثنائية الأصلية.

عيوب ASK:

1. يُعد مفتاح إزاحة السعة تقنية فعالة لزيادة خصائص سعة الإدخال في الاتصالات، لكن هذه الأشكال الموجية المعدلة (ASK) تتأثر بسهولة بالضوضاء وهذا يؤدي إلى تغيرات في السعة، نتيجة لهذا سيكون هناك تغيرات في الجهد في أشكال الموجة الناتجة.
   
2. العيب الثاني لتقنية تضمين (ASK) هو أنّها تتميز بكفاءة طاقة منخفضة، لأنّ (ASK) يتطلب عرض النطاق الترددي المفرط ممّا يؤدي إلى فقدان الطاقة في طيف (ASK).
   

مفتاح تغيير التردد – Frequency Shift Keying:

مفتاح تغيير التردد: هو تغيير أو تحسين لخصائص التردد لإشارة ثنائية الإدخال وفقاً لإشارة الموجة الحاملة ويكون تردد إشارة الناتجة إمّا مرتفعاً أو منخفضاً وذلك اعتماداً على بيانات الداخلة.

يعد تباين السعة أحد العوائق الرئيسية في (ASK) بسبب تقنية تعديل الطلب المستخدمة في عدد قليل من التطبيقات، كما أنّ كفاءة طاقة الطيف منخفضة أيضاً ممّا يؤدي إلى إهدار الطاقة، لذلك للتغلب على هذه العيوب يفضل استخدام مفاتيح تبديل التردد (FSK) أو يُسمّى مفتاح تحويل التردد الثنائي (BFSK) حيث تصف نظرية المفتاح بإزاحة التردد.

مميزات FSK:

1. عملية بسيطة لبناء الدائرة.
   
2. تغيرات السعة الصفرية.
   
3. يدعم معدل بيانات مرتفع.
   
4. احتمالية منخفضة للخطأ.
   
5. نسبة الإشارة إلى الضوضاءعالية (SNR).
   
6. مناعة ضد الضوضاء أكثر من (ASK).
   
7. يمكن أن يكون الاستقبال الخالي من الأخطاء ممكناً مع (FSK).
   
8. مفيد في الإرسال اللاسلكي عالي التردد ويفضل استخدامه في الاتصالات عالية التردد.
   
9. تطبيقات رقمية منخفضة السرعة.
   

عيوب FSK:

1. يتطلب عرض نطاق ترددي أكبر من (ASK وPSK).
   
2. بسبب احتياجه إلى النطاق الترددي الكبير، فإنّ (FSK) له قيود لاستخدامه فقط في أجهزة المودم منخفضة.
   
3. السرعة التي يبلغ معدل البت فيها (1200 بت/ثانية).
   
4. معدل الخطأ في البتات أقل في قناة (AEGN) من مفتاح إزاحة الطور.
   

مفتاح تغيير الطور – Phase Shift Keying:

مفتاح تغيير الطور: هوعملية تقوم على نقل البيانات عن طريق تعديل تغيير طور إشارة الموجة الحاملة التي تُعرف باسم الإشارة المرجعية، ويستخدم هذا النوع من طرق التعديل عدداً محدوداً من المراحل حيث يمكن تخصيص كل مرحلة بأرقام ثنائية أي كل مرحلة تشفر عدداً مكافئاً من البتات حيث يشكل كل نمط بتات الرمز الذي يُشار إليه بالمرحلة الدقيقة.

مزايا PSK:

• يسمح هذا النوع بنقل المعلومات بإشارة اتصالات لاسلكية بشكل أكثر كفاءة مقارنة مع (FSK).
  
• (QPSK) هو نوع آخر من البيانات التي يتم نقلها أينما يتم استخدام حالات 4 مراحل كل ذلك في (90 درجة) من بعضها البعض.
  
• يكون أقل عرضة للأعطال عندما نقوم بالتقييم باستخدام تعديل (ASK) ويحتل نطاقاً ترددياً مشابهاً.
  
• يمكن تحقيق معدل نقل بيانات عالي بمساعدة تعديلات (PSK) عالية المستوى مثل (QPSK و16-QAM).
  

عيوب PSK:

• كفاءة عرض النطاق الترددي لـ (PSK) أقل مقارنة بنوع (ASK).
  
• إنّها إشارة مرجعية غير متماسكة.
  
• من خلال تقدير حالات المرحلة للإشارة، يمكن فك تشفير المعلومات الثنائية.
  
• تعد تعديلات (PSK) عالية المستوى مثل (QPSK و16-QAM) أكثر حساسية لاختلافات الطور.
  
• إنه يولد عمليات استخلاص خاطئة حيث يمكن أن يتحد الخطأ مع الوقت لأنّ الإشارة المرجعية لإزالة التشكيل ليست ثابتة.