ما هو تشوه تأثير الفتحة وخطأ الفتحة في الاتصالات الرقمية aperture error

أصبحت أنظمة اتصالات أمان الكلام المطبقة على قنوات الكلام التماثلية الراديوية مرغوبة أكثر فأكثر مع زيادة سعة القناة الراديوية وانتشار منطقة الخدمة، كما يُعد انعكاس الطيف التماثلي المستخدم في أنظمة الاتصالات الراديوية الحالية مناسباً لمنع التنصت وضمان الأمن، ولكنّه يعاني من تدهور جودة الكلام الذي لا يمكن الابتعاد عنه.

ما هو خطأ الفتحة aperture error؟

خطأ الفتحة “aperture error”: هو الفرق بين القيمة الفعلية لإشارة الإدخال وقيمة العينة المسطحة كما يرتبط حجم هذا الاختلاف بتردد الإدخال وعرض أخذ العينات، ويبدو أن تقليل فتحة أخذ العينات إلى ما يقرب من الصفر من شأنه أنّ يزيل هذا الشكل من التشويه.

أساسيات تشوه تأثير الفتحة وخطأ الفتحة في الاتصالات الرقمية:

إنّ انعكاس الطيف الرقمي يمكن تحقيقه فقط بالتناوب بين إشارة البيانات التي تم أخذ عينات منها لتجنب التشويه، كما يتم استنتاج الانعكاس الرقمي نظرياً عن طريق تحويل فورييه المنفصل والتحقق منه بالتجارب، كما يتم توقع تأثير الفتحة أيضاً من وجهة نظر انعكاس الطيف حيث يتم تنفيذ انعكاس الطيف الرقمي من خلال بوابات “OR” وعداد ثنائي مكون من رقم واحد، والذي يمكن دمجه بسهولة في شريحة تكامل واسعة النطاق “LSI” لتجنب انحراف قيمة العنصر.

كما أنّ نسبة الإشارة إلى الضوضاء “SNR” والتشوه أكثر من “50 ديسيبل” و”-50 ديسيبل” عبر نطاق التردد “0.3 كيلو هرتز” إلى “3.7 كيلو هرتز”، عند اعتماد معدل أخذ العينات “8 كيلو هرتز” للمعالجة الرقمية، وتشير مشكلة الفتحة إلى حقيقة أنّ حركة بنية مكانية أحادية البعد مثل شريط أو حافة لا يمكن تحديدها بشكل لا ثقة فيه إذا تم عرضها من خلال فتحة صغيرة بحيث لا تكون نهايات المنبه مرئية، وفي سياق معالجة الحركة المرئية تواجه مشكلة الفتحة الخلايا العصبية الفردية ذات الحقول المستقبلة التي تأخذ عينات فقط من منطقة محدودة مكانياً من صورة شبكية العين.

• “LSI” هي اختصار لـ “Large-scale integration”.

• “SNR” هي اختصار لـ “Signal To Noise Ratio“.

ما هو تأثير الفتحة؟

يجب أن يكون اتساع إشارة القمة المسطحة ثابتاً، ولكن في بعض الأحيان لا يكون ثابتاً بسبب التردد العالي لإشارة أخذ العينات، كما ينتج عن هذا التوهين في الجزء عالي التردد من طيف الرسالة، وبالتالي فإنّ الإشارة المأخوذة في عينة القمة المسطحة تتكون من مكونات موهنة عالية التردد ويعرف هذا التأثير باسم تأثير الفتحة، حيث يمكن تحسين تأثير الفتحة عن طريق اختيار قيمة عرض النبضة لتكون صغيرة جداً وباستخدام دائرة موازن.

أولاً: الفتحة العددية للنظام البصري:

الفتحة العددية للنظام البصري: هي ناتج معامل الانكسار للشعاع الذي يستقبل منه الضوء الداخل وجيب زاوية الشعاع القصوى مقابل المحور، والتي يمكن أن ينتقل الضوء من خلالها عبر النظام بناءً على بحت الاعتبارات الهندسية أي بصريات الأشعة:

NA= n sin θmax

وبالنسبة لزاوية السقوط القصوى يُطلب أن يمر الضوء من خلال النظام بأكمله وليس فقط من خلال فتحة المدخل.

ثانياً: الفتحة العددية والنسبة غير المعلومة للألياف:

الفتحة العددية “NA” للألياف: هي جيب الزاوية الأكبر التي يمكن أن يمتلكها الشعاع الساقط للانعكاس الداخلي الكلي في القلب، كما ستثير الأشعة التي يتم إطلاقها خارج الزاوية المحددة بواسطة “NA” للألياف أنماط إشعاع للألياف، فالمؤشر الأساسي الأعلى فيما يتعلق بالكسوة يعني كثرة النسبة غير المعلومة، ومع ذلك تؤدي زيادة “NA” إلى فقدان تناثر أعلى من تركيزات أكبر من “dopant”، كما يمكن تحديد “NA” للألياف بقياس زاوية التباعد لمخروط الضوء الذي تنبعث منه عندما تكون جميع أوضاعها متحمسة.

الفتحة المشتركة “RF” أو الضوئية قادرة على إرسال واستقبال الإشارات الضوئية وإشارات التردد اللاسلكي في وقت واحد، كما تتيح هذه التقنية أنظمة اتصالات ذات عرض نطاق عريض مدمجة مع توفر بنسبة “100%” في ظل اضطرابات الهواء الصافية والأمطار والضباب، حيث يتم دمج وظائف التلسكوب البصري والهوائي العاكس للترددات الراديوية في حزمة مدمجة واحدة، وعن طريق تثبيت تغذية الترددات الراديوية في أي من النقاط المحورية للتلسكوب الغريغوري المعدل.

كما تم تقديم طريقة لقياس مرحلة الانعكاس باستخدام تقنية قياس التداخل “Fabry-Perot etalon” ذات الفجوة السميكة مع تصحيح لتأثير الفتحة العددية للإعداد البصري، حيث يتم معايرة الإعداد أولاً باستخدام عينة معروفة من خلال مقارنة الانعكاس من نموذج التداخل ثنائي الحزمة لـ “FP etalon” مع البيانات التجريبية.

ثم يتم تطبيق التصحيح على عينة من الاهتمام والحصول على مرحلة انعكاس العينة، حيث يمكن استخدام الطريقة لقياس مرحلة الانعكاس لعينة صغيرة، ويمكن أن تؤدي إلى تطبيقات عملية في التوصيف البصري للمواد الفوقية، وعلاوة على ذلك يمكن تعميم مبدأ النهج على الأنظمة الأخرى في تصحيح تأثير الفتحة العددية بسبب الأهداف المجهرية.

يؤخذ في الاعتبار تأثير مكون الضوضاء في عدم اليقين في الفتحة على النطاق الديناميكي لدائرة العينة والاحتفاظ “S / H”، ولهذا الغرض يتم إنشاء نموذج رياضي لدائرة “S / H” والذي يتم تقديمه في شكل عينة مثالية، ويتم عند إدخالها وضع كتلة وظيفية تحاكي تشوهات تذبذب العينات في “S / H” الحقيقي دائرة كهربائية، كما يتم الحصول على تعبير تحليلي لإظهار أنّ مكون الضوضاء في الفتحة غير المؤكدة يولد تشوهات ترددية لإشارة الإدخال وضوضاء إضافية، حيث يتم تحديد خصائصها من خلال خصائص عدم اليقين في الفتحة وتذبذب العينة.

• “S / H” هي اختصار لـ “Sample and Hold Circuit”.

• “FP” هي اختصار لـ “Fabry Perot”.

• “RF” هي اختصار لـ “Radio Frequency”.

• “NA” هي اختصار لـ “numerical aperture”.

كيفية التحقيق من تأثير الفتحة في المحول الضوئي الرقمي التماثلي في القناة:

يتم التحقيق في الفتحة الإلكترونية الناشئ عن الرقمنة الإلكترونية في نظام المحول الفوتوني التماثلي إلى الرقمي المشقوق بالقنوات “PADC”، كما يتم استخراج وتقييم تأثير اهتزاز الفتحة الإلكترونية على العدد الفعال للبتات “ENOB” لنظام “PADC”.

ووفقاً للتحليل النظري يمكن منع تأثير الفتحة الإلكترونية بشكل كبير من خلال مخطط إرسال الإشارات للقنوات، كما يتم قياس تأثير الفتحة الإلكترونية في ظل عرض نطاق وأرقام قنوات مختلفة للتحويل الإلكتروني البصري “OEC”، كما وجد أنّ حالة عرض النطاق الترددي “OEC” الذي يساوي تردد “Nyquist” لقناة واحدة أمر بالغ الأهمية لتحسين اهتزاز الفتحة الإلكترونية و”ENOB”.

وكحل ضوئي بالميكروويف لاستقبال الإشارة ومعالجتها في أنظمة الرادار والاتصالات من الجيل التالي تحقق تقنية المحول الضوئي من التماثلية إلى الرقمية “PADC” نطاقاً ترددياً واسعاً للغاية للإدخال بالإضافة إلى معدل أخذ عينات مرتفع للغاية، ووفقاً لآلية العمل يمكن تقسيم مخططات “PADC” أساساً إلى عدة فئات نموذجية، وهي الفئة الضوئية المساعدة والفوتونية المأخوذة من العينات والمرقمنة والفوتونية التي تم أخذ عينات منها والإلكترونية.

وتُظهر “PADC” المأخوذة من العينات الضوئية والمرقم إلكترونياً ميزتها في دقة الرقمنة عالية الدقة والنطاق العريض والمعدل الفائق وقد أصبحت المخطط السائد، ومخطط “PADC” مبني أساساً من واجهة فوتونية وخلفية إلكترونية ويتم دائماً اعتماد بنية إرسال الإشارات في القناة لتنفيذ معدل أخذ عينات مرتفع للغاية.

وبالتالي فإنّ أداء نظام “PADC” سيقترب من الحد الذي تحدده الضوضاء أو اهتزاز التوقيت، ومن ثم فإنّ التحقيق في اهتزاز التوقيت في “PADC” للقنوات له أهمية كبيرة للتطبيقات في نظام الرادار الحديث والأمر الذي يتطلب رقمنة النطاق العريض عالي التردد بدقة عالية.

• “PADC” هي اختصار لـ “photo Analog-to-digital converter”.

• “ENOB” هي اختصار لـ “Effective number of bits”.

• “OEC” هي اختصار لـ “Optical Electron Conversion”.