الاتصال الذي يحدث في حياتنا اليومية هو في شكل إشارات، وهذه الإشارات مثل الإشارات الصوتية هي إشارات تماثلية بطبيعتها وعندما يلزم إنشاء الاتصال عبر مسافة، يتم إرسال الإشارات التماثلية عبر الأسلاك باستخدام تقنيات مختلفة للإرسال الفعّال.
ما هي تقنيات الاتصال الرقمي؟
إنّ أخذ العينات والكمية هي التقنيات التي مهدت الطريق لعمليات الاتصال الرقمي، ولتمثيلها رياضياً نستخدم تقنيات (LPC) والمضاعفة الرقمية.
1. الترميز التنبؤي الخطي – Linear Predictive Coding:
تستخدم هذه الأداة في الغالب في معالجة الإشارات الصوتية وتوليف الكلام والتعرف على الكلام وتقدم الإشارات الرقمية في نموذج تنبؤي خطي حيث يعتمد (LPC) على فكرة أنّ العينة الحالية تتكون اعتماداً على التركيبة الخطية للعينات السابقة حيث يتم تحديد قيم التوقع المشترك عن طريق تقليل مجموع الفروق التربيعية بين القيم المتوقعة خطياً وعينات الكلام الفعلية.
2. المضاعفة – Multiplexing:
المضاعفة (Multiplexing): هي عملية الجمع بين عدة إشارات في إشارة واحدة عبر وسيط مشترك تعدد الإرسال حيث يطلق عليه تعدد الإرسال التماثلي إذا كانت الإشارة تماثلية بطبيعتها وتعدد إرسال رقمي إذا كانت الإشارة رقمية بطبيعتها.
تم تطويره في المهاتفة حيث يتم الجمع بين عدة إشارات لإرسالها عبر كابل واحد حيث تتضمن العملية تقسيم القناة إلى عدة قنوات منطقية وتخصيص كل واحدة لنقل إشارة رسالة مختلفة، كما يسمى الجهاز المستخدم لتعدد الإرسال (MUX)، وبالمثل يُطلق على استخراج القنوات من إحدى القنوات التي يتم إجراؤها في جهاز الاستقبال إزالة تعدد الإرسال ويُطلق على الجهاز اسم (DEMUX).
أنواع Multiplexing:
عند تصنيف الأنواع المختلفة من مضاعفات الإرسال، لدينا نوعان هما التماثلية والرقمية حيث يتم تصنيفها أيضاً في (FDM) و(WDM) و(TDM).
1. تعدد الإرسال التماثلي في مضاعفة تقسيم التردد – FDM:
تُعد مضاعفة تقسيم التردد (FDM) هي الطريقة الأكثر استخداماً حيث يتم استخدام الترددات لدمج تدفقات البيانات لإرسالها على وسيط اتصال كإشارة واحدة، فمثالاً جهاز إرسال تلفزيوني يستخدم تقنية (FDM) حتى يرسل عدداً من القنوات عبر كابل واحد.
2. تعدد الإرسال التماثلي في مضاعفة تقسيم الطول الموجي – WDM:
تُعد مضاعفة تقسيم الطول الموجي بأنّها تقنية يتم فيها إرسال العديد من تدفقات البيانات ذات الأطوال الموجية المختلفة في طيف الضوء حيث إذا انخفض الطول الموجي يزداد تردد الإشارة، كما يمكن استخدام المنشور عند إنتاج (MUX) وإدخال (DEMUX) الذي يحول الأطوال الموجية المختلفة إلى خط واحد، فعلى سبيل المثال تكون اتصالات الألياف الضوئية التي تستخدم تقنية (WDM) لدمج أطوال موجية مختلفة في خط واحد لغرض الاتصال.
3. مضاعفة رقمية في تقسيم الوقت – TDM:
في (TDM) يتم إنشاء الفواصل الزمنية بقسمة الإطار الزمني حيث يتم إرسال الإشارة عن طريق تخصيص كل فتحة لكل رسالة، كما تُعد (TDM) المتزامنة وغير المتزامنة الأنواع الرئيسية من (TDM).
1.مضاعفة رقمية في تقسيم الوقت المتزامن – TDM:
في (TDM) المتزامن يكون عدد الاتصالات وعدد الفترات الزمنية متماثلاُ حيث يتم تخصيص فتحة واحدة لكل سطر إدخال، كما يتم إجراء نفس معدل أخذ العينات لجميع الإشارات لذلك يتم إعطاء نفس إدخال الساعة.
2. مضاعفة رقمية في تقسيم الوقت الغير متزامن – TDM:
يكون معدل أخذ العينات ليس متماثلاً لجميع الإشارات حيث يعتبر معدلاً مختلفاً لكل إشارة ولا يلزم وجود ساعة مشتركة، وإذا كان الجهاز الموجود في فترة زمنية معينة لا يرسل شيئاً ويجلس في وضع الخمول فسيتم تخصيص الفتحة لجهاز آخر.
3. المكرر المتجدد – Regenerative Repeater:
نحتاج إلى أن يكون معظم نظام اتصالاتنا موثوقاً به حيث يجب إرسال الإشارات واستقبالها بفعالية ودون أي خسارة، وحتى لا يحدث تشويه مع أي ضوضاء تسببها القناة تنتقل موجة (PCM) عبر قناة.
للحصول على إعادة إنتاج أفضل للإشارة يتم القيام بتوليد دائرة تسمى مكرر متجدد يتم استخدامه في مسار الإشارة قبل المستقبل مباشرة، ومع هذا سيكون مفيداً في استعادة الإشارات من الخسائر التي حدثت حيث يتكون المكرر التجديدي من موازن مع مكبر للصوت ودائرة توقيت وجهاز صنع القرار.
مكونات المكرر المتجدد – Regenerative Repeater:
1. المعادل – Equalizer:
يهدف وجود المعادل إلى تطبيع الخسائر التي حدثت في الإشارات حيث يرجع ذلك أساساً إلى خصائص إرسال القناة، كما يعوض المعادل هذه العيوب من خلال تشكيل النبضات المستقبلة.
2. دائرة التوقيت – Timing Circuit:
من أجل الحصول على مخرجات عالية الجودة، ينبغي أخذ عينات النبضات حيث يجب أن تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) بحد أقصى، ومن أجل الحصول على هذه العينة المثالية يجب اشتقاق قطار النبضات الدورية من النبضات المستقبلة وذلك بواسطة دائرة التوقيت، ومن ثم فإنّ دارة التوقيت ستخصص الفاصل الزمني لأخذ العينات عند نسبة (SNR) عالية من خلال النبضات المستقبلة.
3. جهاز القرار – Decision Device:
يتم تمكين جهاز القرار في أوقات أخذ العينات والتي يتم إنشاؤها بواسطة دارات الوقت، كما سيحدد جهاز القرار هذا ناتجه الذي يعتمد على ما إذا كان اتساع النبضة الكمية والضوضاء يتجاوز قيمة محددة مسبقاً أم لا.
تطبيقات على تقنيات الاتصالات الرقمية:
أحدثت التقنيات الرقمية ثورة في الاتصالات في العالم الحديث وهذه الثورة تم دمجها بسرعة في حياتنا بحيث لا يمكننا تذكر كيف اعتدنا على إجراء مكالمة هاتفية أو تبادل الرسائل مرة أخرى في الأيام التناظرية حيث يُعد الإنترنت والهواتف المحمولة من أبرز الأمثلة على تأثير عصر المعلومات، ولكن هناك العديد من الأنواع الأخرى لتقنيات الاتصالات الرقمية.
1. الإنترنت والبريد الإلكتروني:
في عام 1962م وصف باحث في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا شبكة مجرة من أجهزة الكمبيوتر المترابطة التي يمكن أن تتحدث مع بعضها البعض ولدت فكرة الإنترنت، وكان الاعتماد على تبديل الحزم النقل الرقمي لفترات قصيرة من البيانات تطورت شبكات الكمبيوتر المتصلة عالمياً بسرعة إلى تقنيات اتصالات رقمية متطورة حيث تم تقديم البريد الإلكتروني عبر الشبكة في السبعينيات، ومنذ ذلك الحين نما ليصبح أحد أكثر أشكال الاتصال الرقمي انتشاراً، سواء على الإنترنت أو من خلال الشبكات الخاصة كما نضجت بروتوكولات تبديل الحزم وزادت السرعات، أمّا في عام 1980م حطم أول فيروس كمبيوتر واسع الانتشار شبكة الكمبيوتر العالمية.
أمّا في التسعينيات ظهر الاتصال الرقمي عبر أجهزة الكمبيوتر المتصلة بالشبكة من الاستخدام المحدود في الأوساط الأكاديمية والحكومية والتجارية ليُستخدم من قبل الجمهور حيث تم وصف شبكة الويب العالمية أي الإنترنت على المنشطات في عام 1991م، كما تم الإعلان على الإنترنت لأول مرة في عام 1994م ومع زيادة سرعة الإرسال تطورت الإنترنت من الاتصال أحادي الاتجاه بشكل أساسي إلى التواصل الاجتماعي أي نظام ثنائي الاتجاه (Web) في مواقع مثل (Facebook وTwitter).
2. الهاتف الخلوي – Cell Phones:
اعتمد الجيل الأول من الهواتف المحمولة على تقنية الاتصال التماثلية لشبكة الهاتف التقليدية، كما ظهرت الهواتف الأولى التي تستخدم الاتصالات الرقمية والمعروفة باسم هواتف (2G) في أوائل التسعينيات حيث تطورت تقنية الهاتف الرقمي بسرعة بعد ذلك، كما تم إرسال أول رسالة نصية في عام 1993م وتبع ذلك بث محتوى رقمي آخر مثل نغمات الرنين والإعلانات.
أمّا في عام 2001م وصلت اتصالات الهاتف الرقمي من الجيل الثالث، ممّا وفر نقلاً أسرع وجعل الاتصال واسع النطاق عمليًا للوسائط المتعددة مثل الصوت والإنترنت ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، وكما ظهرت هواتف (4G) في وقت لاحق من ذلك العقد وتقدم اتصالات رقمية أسرع 10 مرات من التقنيات السابقة.
3. التلفاز عالي الدقة – High-Definition Television:
منذ عام 2009م طلبت لجنة الاتصالات الفيدرالية من محطات التلفاز في الولايات المتحدة البث حصرياً بتنسيق رقمي ممّا جعل الانتقال من تقنيات التلفاز التقليدية إلى الرقمية، أي التلفاز عالي الدقة ممكناً وجعل التلفاز أكثر من مجرد جهاز استقبال بسيط للإشارات المرسلة.
العديد من أجهزة التلفاز الرقمية هي أجهزة وسائط متعددة تعرض البرامج التلفزيونية والألعاب والصور والأفلام حسب الطلب وتدفق محتوى الإنترنت وتشغل الموسيقى وتتعامل مع الوسائط المسجلة مثل الأقراص المضغوطة وأقراص (DVD)، ونظراً لأنّ أجهزة التلفاز أصبحت أكثر تفاعلية فإنّها تتطور إلى أجهزة اتصال رقمية ثنائية الاتجاه حقيقية.
4. الاتصالات الإلكترونية الأخرى:
أصبحت الاتصالات الرقمية منتشرة في كل مكان في المجتمع الحديث وتشمل مجموعة واسعة من التقنيات، كما تُعد أجهزة التحكم عن بعد وأجهزة الدخول بدون مفتاح وأجهزة الاتصال اللاسلكي وسماعات الأذن التي تعمل بتقنية (Bluetooth) والأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، وسجلات النقد وبطاقات الائتمان من بين العديد من التقنيات التي تتواصل رقمياً مع الأشخاص ومع الأجهزة الأخرى، كما صاغ المستقبليون مصطلح إنترنت الأشياء للإشارة إلى الاتجاه المتمثل في تمكين آلاف أنواع الأجهزة من المصابيح الكهربائية إلى الغسالات بقدرات اتصال رقمية.
5. الوسائط الرقمية المادية:
بسبب تطور النقل الفوري للبيانات الرقمية قد يكون من السهل التغاضي عن أنشطة الاتصال الأكثر اعتدالاً حيث نقوم بتخزين البيانات الرقمية على العديد من أنواع الوسائط المادية، بما في ذلك الأقراص المضغوطة وأقراص (DVD) ومحركات الأقراص المحمولة والشريط وشرائح الذاكرة المدمجة، وفي كل مرة تقوم فيها بتسليم ملف إلى صديق أو زميل سواء قمت بنقله إلكترونياً أو عبر قرص (DVD) فأنت منخرط في شكل من أشكال الاتصال الرقمي.
