مبدأ عمل نموذج نظام الاتصالات الرقمية

أنظمة الاتصالات التي يتم أولاً فيها تحويل ناتج المصدر إلى تسلسل ثنائي ثم يتم تحويله إلى تسلسل ثنائي في شكل مناسب للإرسال عبر الوسائط المادية، مثل الكابل أو زوج الأسلاك الملتوية أو الألياف الضوئية أو الإشعاع الكهرومغناطيسي عبر الفضاء.

ما هي أنظمة الاتصالات الرقمية

أنظمة الاتصالات الرقمية: هي اتصالات الأنظمة التي تستخدم مثل هذا التسلسل الرقمي كواجهة بين المصدر وإدخال القناة وبالمثل بين ناتج القناة والوجهة النهائية.

أساسيات نظام الاتصالات الرقمية

يتم تعريف الاتصال الرقمي على أنّه العملية التي تقوم من خلالها الأجهزة الرقمية بتوصيل المعلومات رقمياً، كما يكون الاتصال الذي يحدث في الحياة اليومية في شكل إشارات مثل الإشارات الصوتية وعادة ما تكون إشارات الصوت هذه تماثلية بطبيعتها، ولمثل هذا الاتصال عبر الإشارات الصوتية يجب أن يكون المستخدم بالقرب من مصدر إشارة الصوت وعلى الأقل في نطاق السمع.

ولكن إذا كان المصدر والمتلقي على بعد مسافة طويلة، وفي حالة الحاجة إلى إنشاء الاتصال عبر مسافة يتم إرسال الإشارات التماثلية عبر الأسلاك، وباستخدام تقنيات مختلفة للإرسال الفعال والنشطة وكانت الطرق التقليدية للاتصال تستخدم الإشارات التماثلية للاتصالات بعيدة المدى، ونظراً للمسافة الطويلة يجب أن تمر الإشارة التماثلية بالعديد من الخسائر، مثل التشويه أو التداخل وحتى اختراق الأمان أيضاً.

لتقليل هذه الأنواع من الخسائر والتغلب عليها تتم رقمنة الإشارات باستخدام تقنيات مختلفة، حيث باستعمال الإشارات الرقمية، يصبح الاتصال أكثر وضوحاً ودقة مع الحد الأدنى من الخسائر أو بدون خسائر ويتم محاكاة المكونات الأساسية لنظام الاتصالات الرقمية بواسطة برنامج كمبيوتر، وبرنامج المحاكاة معياري ومرن لدمج أي إضافات وتحديثات مستقبلية.

كما يسمح برنامج المحاكاة للمستخدم بالاختيار من بين نماذج القنوات المختلفة وأنظمة هوائي المرسل والمستقبل وتقنيات التشكيل وتشفير القنوات، ويُعرَّف نظام الاتصال بمعلمات مختلفة بما في ذلك أنظمة المصدر والتشفير والتشكيل والهوائي، ومن أجل تسهيل إدخال هذه المعلمات واتباع تدفق المحاكاة يتم تصميم واجهة المستخدم الرسومية “GUI” لراحة المستخدم.

يمكن إدخال معلمات الإدخال من واجهة المستخدم الرسومية أو من ملفات المستخدم المعدة، حيث تتمثل المساهمة الرئيسية لنظام المحاكاة هذا في محاكيات الاتصالات الحالية، وفي إضافة أنظمة الهوائيات المرنة عند طرفي الإرسال والاستقبال، وباستخدام برنامج المحاكاة هذا يمكن وضع صفائف الهوائي في أي مكان على الأرض وعلى أي منصة، ويمكن وضع عناصر المصفوفة على المنصة بأي اتجاه مرغوب.

كما يتم مقارنة نتائج برنامج المحاكاة مع كل من الحسابات النظرية ونتائج المحاكاة التجارية وتم توفر اتفاق ممتاز في كلتا الحالتين، وكما تمت محاكاة المكونات الأساسية لنظام الاتصالات الرقمية باستخدام نماذج القنوات والضوضاء باستخدام أنظمة الهوائيات المرنة عند طرفي الإرسال والاستقبال.

• “GUI” هي اختصار لـ “Graphical-user-interface”.

مبدأ عمل نموذج نظام الاتصالات الرقمية

يتكون نظام الاتصالات الرقمية من أجزاء تماثلية ورقمية، ويتكون الجزء الرقمي من المصدر الرقمي وجهاز فك التشفير المصدر وجهاز فك تشفير القناة ومزيل التشكيل الرقمي، ويتكون الجزء التماثلي من المصدر التماثلي وأنظمة هوائي جهاز الإرسال والاستقبال ونماذج القنوات ونماذج الضوضاء، وبرنامج المحاكاة المطور قادر على إدخال كل من المصادر الرقمية والتماثلية.

بالنسبة للمدخلات التماثلية مثل إشارات الكلام يستخدم جهاز فك التشفير المصدر التشفير التنبئي الخطي “LPC”، وفي الوقت الحالي لا توجد تقنيات تشفير للمصادر الرقمية وفي وحدة فك تشفير القناة يتم تنفيذ تقنيات تصحيح الخطأ “Hamming” و”BCH” و”RS”، وبالنسبة لوحدات المغير أو مزيل التشكيل يتم تنفيذ مفتاح إزاحة الطور الثنائي “BPSK“، ومفتاح تحويل التردد المترابط “CFSK” ومفتاح تحويل الطور التربيعي “QPSK“.

كما يتيح برنامج المحاكاة للمستخدم إضافة تقنيات فك التشفير الأخرى المرغوبة وتقنيات إزالة التشكيل والتعديل بسهولة، والهوائيات عبارة عن محولات طاقة بين أنظمة المساحة الحرة وجهاز الإرسال والاستقبال، والهوائيات المستخدمة في برنامج المحاكاة هي هوائيات ضيقة النطاق مصممة للتواصل في نطاق “VHF-UHF”.

يمكن إدراج الهوائيات المدمجة بسهولة على أنها هوائيات ثنائية القطب وثنائي القطب المغناطيسي أي حلقة وفتحة وفتحة مستطيلة وفتحة دائرية وشريط صغير وهوائيات بوق، وباستخدام هذه الأنواع من الهوائيات يمكن تكوين الصفيفات الخطية أو المستوية أو المرغوبة بالعدد المطلوب من العناصر، كما يسمح برنامج المحاكاة للمستخدم بوضع صفائف الهوائي في أي مكان على الأرض على أي منصة.

ويمكن وضع عناصر الهوائي على المنصة بشكل مستقل عن بعضها البعض مع أي اتجاه مرغوب، كما يمكن تغذية كل هوائي بسعة وطور مختلفين، وفي برنامج المحاكاة يتم تنفيذ قناة الضوضاء الغوسية البيضاء المضافة “AWGN” وقناة خبو رايلي، ونظراً لوجود عدد كبير من المعلمات المختلفة لتحديد نظام الاتصال يمكن للمستخدم إدخال المعلمات من الملفات المعدة مسبقاً، أو من الشاشة بمساعدة قائمة سهلة الاستخدام في واجهة المستخدم الرسومية “GUI”.

كما يتجاهل برنامج المحاكاة الاقتران بين الهوائيات والتأثيرات القريبة من الأرض ويمكن دمج هذه التصحيحات المفقودة بسهولة في البرنامج الحالي في المستقبل، ومن أجل اختبار أداء برنامج المحاكاة تمت مقارنة النتائج مع كل من الحسابات النظرية ومخرجات المحاكاة التجارية، ويلاحظ أنّه تم ملاحظة اتفاق ممتاز ويمكن تطوير المحاكاة بشكل أكبر لاستخدامها في كل من الدراسات التحليلية والعملية لاختبار الحالات، والتي يكون فيها التجريب مكلفاً ويتم تنفيذ تقنيات ترميز تحليلي جديدة وتعديل وتنوع وتصميم الصفيف.

• “BCH” هي اختصار لـ “Bose-Chaudhuri-Hocquenghem”.

• “RS” هي اختصار لـ “Reed-Solomon”.

• “LPC” هي اختصار لـ “Linear-predictive-coding”.

• “AWGN” هي اختصار لـ “Additive-white-Gaussian-noise”.

• “VHF” هي اختصار لـ “Very-High-Frequency”.

• “UHF” هي اختصار لـ “Ultra-high-frequency”.

• “QPSK” هي اختصار لـ “Quadrature-Phase-Shift-Keying”.

• “BPSK” هي اختصار لـ “Binary-Phase-Shift-Keying”.

• “CFSK” هي اختصار لـ “Connected-Phase-Shift-Keying”.

مزايا نموذج الاتصال الرقمي

• مستوى الإشارة المحدد للإشارة الرقمية ليس مهماً جداً، ونتيجةً لذلك لا تتأثر الإشارات الرقمية تماماً بعيوب الأنظمة الإلكترونية التي قد تفسد الإشارات التماثلية.

• عملية تكوين الإشارات الرقمية أسهل من الإشارات التماثلية.

• يعمل التشفير بشكل أفضل في الإشارات الرقمية أي باستخدام الرموز.

• الدوائر الرقمية أكثر اتساقاً وموثوقية.

• الدوائر الرقمية سهلة التصميم.

• تكلفة تصنيع الدوائر الرقمية أقل من الدوائر التماثلية.

• الإشارات الرقمية لا تتلف بسبب الضوضاء والتداخل والتشويش.

• الحديث المتبادل نادر جداً في الاتصالات الرقمية.

• يعد نقل البيانات لمسافات طويلة أكثر سهولة ورخيصة باستخدام الإشارات الرقمية.

• يعد تنفيذ الأجهزة في الدوائر الرقمية أكثر مرونة إذا ما قورنت بالدوائر التماثلية.

• طريقة الجمع بين الإشارات الرقمية باستخدام تعدد الإرسال بالتقسيم الزمني “TDM” أسهل من طريقة الجمع بين الإشارات التماثلية باستخدام مضاعفة تقسيم التردد “FDM“.

• يمكن حفظ الإشارات الرقمية واستخراجها بسهولة أكبر من الإشارات التماثلية.

• يتوفر لدى معظم الدوائر الرقمية تقنيات تشفير منتشرة تقريباً وبالتالي يمكن استعمال أجهزة مشابهة لعدد من الأهداف.

• يدعم الاتصال الرقمي الإرسال متعدد الأبعاد في وقت واحد.

• يتم استخدام قدرة القناة بكفاءة من خلال الإشارات الرقمية.

• لن تتغير الإشارة لأنّ النبضة تحتاج إلى مقاطعة عالية لتغيير خصائصها وهو أمر معقد للغاية.

ملاحظة:“TDM” هي اختصار لـ “Time-division-multiplexing” و”FDM” هي اختصار لـ “Frequency-Division-Multiplexing”.