عملية استخلاص الإشارة - Demodulation Process

يصعُب استخدام طيف الاستخلاص بشكل حصري باعتباره الأداة التشخيصية الوحيدة لأنّه لا يسمح بربط اتساع ترددات الأعطال بحالة تلف المحمل، والسبب في ذلك هو أنّه مع تقدم تدهور المحمل فإنّه يزداد عدد العيوب في المحمل، مما يتسبب في أن تصبح الإشارة المزالة تشكيلها عشوائية أكثر فأكثر، لذلك مع تقدم ضرر المحمل ستفقد التوافقيات في طيف الاستخلاص السعة وقد تختفي أيضاً، بالإضافة إلى ذلك فإنّ مستوى الذروة في طيف الاستخلاص هو ببساطة متعلق بمدى ضوضاء النقرات مقارنةً بضوضاء الخلفية المحمل.

ما هو الاستخلاص – Demodulation؟

الاستخلاص (Demodulation): هو استخراج الإشارة الأصلية التي تحمل المعلومات من موجة الموجة الحاملة للتضمين، ومزيل التضمين هو عبارة عن دائرة إلكترونية تُستخدم بشكل أساسي لاستعادة محتوى المعلومات من موجة الموجة الحاملة المعدلة، هناك أنواع مختلفة من التضمين وكذلك مزيلات التضمين وقد تصف إشارة الناتجة عبر مزيل التضمين الصوت أو الصور أو البيانات الثنائية.

وتُعد بأنها عملية فصل المعلومات الأصلية أو الإشارة عن الناقل المعدل، في حالة (Amplitude Demodulation أو Frequency Demodulation) فإنّه يتضمن جهازاً يسمى الكاشف، والذي ينتج إشارة مقابلة للتغيرات اللحظية في السعة أو التردد على التوالي وتتوافق هذه الإشارة مع إشارة التعديل الأصلية، أمّا في الإرسال الراديوي تكون هذه العملية هي وظيفة رئيسية لجهاز الاستقبال من أجل استرداد الإشارة المطلوبة.

الحاجة إلى الاستخلاص – Demodulation:

 تتكون الإشارة اللاسلكية من الموجة الحاملة للتردد اللاسلكي (التردد العالي) التي تم تشكيلها بواسطة التردد الصوتي (التردد المنخفض)، لا يمكن أن يهتز الحجاب الحاجز لجهاز استقبال الهاتف أو مكبر الصوت العالي التردد وعلاوة على ذلك فإنّ هذا التردد يتجاوز النطاق المسموع للأذن البشرية، لذلك من الضروري فصل الترددات الصوتية عن الموجات الحاملة للترددات الراديوية.

لا توجد عيوب في عملية الاستخلاص لكنها تنطوي على الكثير من التعقيدات، تتضمن العملية الكاملة لإزالة التضمين الاستقبال والترشيح والتضخيم منخفض الضوضاء وإزالة تعدد الإرسال واستعادة الموجة الحاملة والتحويل السفلي والمزامنة وقفل الطور واستعادة الرمز واستعادة البتات وفك التشفير. يتم تضمين الكثير من الوظائف والعمليات وهي كلها معقدة.

تصنيف طرق الاستخلاص:

تتطلب عملية إزالة التضمين دائماً عملية غير خطية على إشارة لتقدير إشارة النطاق الأساسي المتناسبة مع تشكيل الموجة الحاملة، بناءً على هذا اللاخطي ، يمكن تصنيف طرق إزالة التضمين على نطاق واسع على أنها طرق تستخدم التصحيح (الكشف غير المتزامن) والطرق التي تستخدم الاختلاط مع إشارة مذبذب مرجعي (الكشف المتزامن)، بالنسبة لمزيلات التضمين يمكن أن تكون الإشارة المرجعية إما موجة مربعة وهي الأكثر استخداماً للتطبيقات التناظرية أو الجيب الجيبي وهي الأكثر استخداماً للتطبيقات الرقمي، بينما تعتمد طرق الحلقة المفتوحة على مرشحات تمرير منخفضة عامة أو دقيقة عدداً، تستخدم طرق الحلقة المغلقة تغذية مرتدة لحالات الإشارة ذات المعلوماات لإزالة هذا المكون.

1. التصحيح (الكشف غير المتزامن): 

1. طرق تحويل RMS-to-DC:

 باستخدام إمّا الحساب المباشر أو غير المباشر، تقوم الطريقة المباشرة بوظائف التربيع والمتوسط ​​والجذر التربيعي وباستخدام المضاعفات ومضخمات التشغيل، في حين أنّ ميزة الحساب المباشر هي عرض النطاق الترددي الكبير، إلّا أنّ نطاقه الديناميكي محدود بسبب مرحلة التربيع، ويخفف الحساب غير المباشر من هذه المشكلة عن طريق استخدام التغذية الراجعة وتقسيم الناتج المتوسط ممّا يحسن النطاق الديناميكي بشكل كبير ولكنّه يأتي على حساب تتبع النطاق الترددي، يتوفر عدد من محولات (RMS-to-DC) التماثلية المباشرة وغير المباشرة تجارياً، أمّا بالنسبة للإشارة الجيبية البحتة يتناسب خرج هذه الطرق مع سعة التذبذب، ومع ذلك يتم الحصول على تقديرات الاتساع المنحازة عند وجود مكونات تردد إضافية في الإشارة.

2. مرشح المتوسط ​​المتحرك – Moving average filter:

تتميز هذه الطريقة بوقت استجابة متزايد لتقليل عرض النطاق الترددي للتتبع.

3. الانحراف المطلق – Absolute Deviation:

في وضع التنصت عالي السرعة (AFM) يتم إجراء تحويل (RMS-to-DC) عادةً باستخدام دائرة مقوم الدقة ومرشح تمرير منخفض ويُعد هذا ليس تحويل (RMS-to-DC)، ولكنه يعني الانحراف المطلق والذي يحسب متوسط ​​التيار المتردد لشكل الموجة، في التطبيق الرقمي يمكن تحقيق هذه الدائرة من خلال كتلة قيمة مطلقة تمثل المقوم ومرشح تمرير منخفض وعامل قياس النواتج.

4. طريقة الكشف عن الذروة وعقد الذروة – Peak hold and Peak detector method:

تم تطوير تقنية ذروة التثبيت خصيصاً لوضع التنصت عالي السرعة (AFM) ممّا يتيح تصوير معدل الفيديو، ويشتمل التنفيذ التمثيلي لهذه الطريقة على دارتين من العينة ودائرة احتجاز لعقد كل من القمم الموجبة والسالبة لإشارة الموجة الحاملة طوال مدة الدورة التي يتم تشغيلها باستخدام مقارنة صفرية متقاطعة على إشارة تغيير الطور، ومن خلال حساب المتوسط ​​الحسابي لمخرجات دارتين من العينة ودائرة الانتظار وتمريرها عبر مرشح تمرير منخفض لتعيين عرض النطاق الترددي يمثل الناتج سعة إشارة الإدخال.

بينما توفر هذه التقنية عرض نطاق عالي التعقب، فهي أكثر عرضة لضوضاء القياس ومكونات التردد الأخرى في الإشارة حيث لا يوجد سوى قياسين لكل دورة، وسيؤدي وجود التوافقيات إلى تقديرات اتساع متحيزة ويعقد تزامن العينة ودائرة الإمساك، في التنفيذ الرقمي يمكن تبسيط إطلاق العينة وفترات التعليق بمقارنة صفرية واحدة ومعرفة تردد العينة وتردد الموجة الحاملة، ويتطلب هذا النهج معدل عينات مرتفعاً بدرجة كافية لنسبة تردد الموجة الحاملة (m = f _s / f _c) بحيث يمكن اكتشاف التقاطع الصفري بدقة.

مع العلم أنّ القمة السلبية ستظهر عينات (m / 4) بعد عبور الصفر والذروة الموجبة عند بعد تقاطع الصفر، يجب أن تكون (4m) على الأقل أو أي عدد صحيح مضاعف، بالنسبة للنظام الرقمي المستخدم في هذا العمل وتردد الموجة الحاملة المختارة، فإنّ اكتشاف التقاطع الصفري مع 6 عينات فقط لكل دورة أمر غير ممكن، ويتم تنفيذ طريقة الكشف عن الذروة المعدلة التي لا تعتمد على التوقيت الدقيق.

2. الاختلاط (الكشف المتزامن):

1. حلقة مفتوحة – Open Loop:

1. مكبر الصوت للسعة.

2. مكبر للصوت ذو النطاق الترددي العالي:

يعد مكبر الصوت ذو النطاق الترددي العالي امتداداً جديداً لتقنية مضخم القفل القياسية، والتي تستخدم إلغاء الطور لإلغاء مصطلح (₂ f_c) بدقة، الطريقة مستوحاة من خلاطات نبذ صور التردد الراديوي والتحكم المعدل أيّ منزوع التضمين وبالمقارنة مع مضخم القفل القياسي، يتطلب مخطط إزالة التضمين هذا بشكل أساسي مضاعفين إضافيين يعملان على إشارة الإدخال التي تم تحويلها بمقدار 90 درجة.

٣. مزيل التشكيل المتماسك:

هي طريقة إزالة التضمين المتماسكة وذات زمن انتقال منخفض على أساس الخلط والتكامل اللاحق عبر نافذة زمنية ثابتة، وهو تطبيق مضخم قفل رقمي بالكامل يمزج الإشارة المراد إزالتها مع أشباه الجيوب في الطور والتربيع، ويطبق ترشيح تمرير الترددات المنخفضة للمحتوى التوافقي مع تكامل رقمي دقيق بطول ثابت.

2. الحلقة المغلقة – Close Loop:

1. مرشح كالمان – Kalman filter:

يمكن اعتبار مرشح كالمان بأنّه خوارزمية متكررة تحقق أفضل مفاضلة ممكنة بين المعلومات النموذجية والمقاسة لتقدير المتغيرات غير المعروفة لعملية ما، فإذا كان من الممكن اعتبار خطأ النمذجة والضوضاء في القياس على أنّهما توزيع غاوسي (Gaussian)، فإنّ مرشح كالمان هو مقدر التباين الأدنى في معنى المربعات الصغرى، وتشمل الاستخدامات النموذجية لمرشح كالمان اندماج المستشعر وتنعيم البيانات الصاخبة وتقدير الحالات الداخلية في العديد من التطبيقات التي تتراوح بين الملاحة والاقتصاد ومعالجة الإشارات، والسمة الأساسية لمبدأ عملها هي وجود نموذج نظام خطي يصف الديناميكيات المراد تقديرها ووجود ردود الفعل الناتجة عن مكاسب كالمان والتي تملي معدل التقارب.

٢. مرشح – Lyapunov:

يرتبط مرشح (Lyapunov) بمرشح كالمان بمعنى أنّه يستخدم التغذية المرتدة لتصحيح التربيع المقدّر والمعلومات الخطية للإشارة، وبالمقارنة مع مرشح كالمان فهو أقل تكلفة حسابية بشكل ملحوظ لأنّه لا يتطلب حساب مصفوفة التغيير لتحديد كسب التغذية المرتدة، وبدلاً من ذلك فإنّ الكسب عبارة عن معلومة ثابتة محددة مسبقاً مرتبطة بكسب كالمان لظروف معينة، ويُنظر إلى مرشح (Lyapunov) على أنه مقدّر تكيفي عبر الإنترنت، حيث يرتبط خطأ التقدير بخطأ المعلومة من خلال دالة نقل (SPR) حقيقية موجبة (W(s، ويتم استغلال خاصية (SPR) في تصميم قانون التحديث عبر إثبات ثبات (Lyapunov) لإظهار حدود الخطأ.

مقاييس الأداء المستخدمة في عملية التضمين:

مقايس الأداء المستخدمة لمقارنة طرق إزالة التضمين هي تعقيد التنفيذ وتتبع عرض النطاق الترددي والحساسية لمكونات التردد الأخرى والضوضاء المتكاملة الإجمالية لتقدير السعة كدالة لعرض النطاق الترددي للتتبع، ويتم تقييم مدى تعقيد التنفيذ نوعياً بناءً على الحد الأقصى لمعدل عينة التشغيل الحر الذي يحققه نظام معالجة الإشارات الرقمية.

ويتم تمييز فترات الاستجابة الناشئة عن التأخيرات الزمنية الثابتة في تنفيذ الأساليب، يُعرَّف عرض نطاق التعقب بأنه التردد (f 3dB) الذي ينخفض ​​عنده تقدير الاتساع بمقدار (3db) ويعتبر رقم الجدارة هذا مهماً لتحديد كل من سرعة التقارب ومقدار قمع الضوضاء في التقدير، ويتم تقييم الحساسية لمكونات التردد الأخرى لتحديد قدرة كل طريقة على ترشيح أي إشارة عند ترددات غير تردد الموجة الحاملة المعنية.