نوع الإشارات في الطاقة

في معالجة الإشارة يُنظر إلى الإشارة على أنّها دالة للوقت، كما يستخدم المصطلح “حجم الإشارة” للتعبير عن “قوة الإشارة”، حيث من الضروري معرفة “حجم” الإشارة المستخدمة في تطبيق معين وعلى سبيل المثال، قد يتم الاهتمام بمعرفة كمية الكهرباء اللازمة لتشغيل شاشة “LCD” بدلاً من شاشة “CRT“، حيث أنّ هذين التطبيقين مختلفان ولهما تفاوتات مختلفة، وبالتالي فإنّ كمية الكهرباء التي تقود هذه الأجهزة ستكون مختلفة أيضاً.

ما هي إشارة الطاقة؟

إشارة الطاقة: هي إشارة لها طاقة فقط في وقت محدد وليس في كل الأوقات، وكما أنّ قوة الإشارة هي معدل طاقتها على مدار الوقت أي “الطاقة / الوقت”، وفي إشارة الطاقة تكون الطاقة تكون محدودة الطاقة أو غير محدود الوقت على مدار الوقت والتي تساوي صفراً.

• “CRT” هي اختصار لـ “Cathode-Ray Tube”.

• “LCD” هي اختصار لـ “Liquid Crystal Display”.

أساسيات الإشارات في الطاقة:

يمكن قياس حجم إشارة معينة بعدة طرق، وبالنظر إلى وظيفة رياضية أو إشارة مكافئة، يبدو أنّ المنطقة الواقعة أسفل المنحنى والموصوفة بواسطة الوظيفة الرياضية، هي مقياس جيد لوصف حجم الإشارة كما يمكن أن تحتوي الإشارة على قيم موجبة وسالبة، حيث قد يؤدي هذا إلى عرض مناطق سلبية.

نتيجة لهذا التأثير من الممكن أن تلغي القيم المحسوبة بعضها البعض كلياً أو جزئياً، ممّا يؤدي إلى نتيجة غير صحيحة، وبالتالي فإنّ الوظيفة المترية لـ “المنطقة الواقعة تحت المنحنى” ليست مناسبة لتحديد “حجم” الإشارة، كما يتبقى هناك خياران إمّا حساب المنطقة تحت القيمة المطلقة للوظيفة أو حساب المنطقة تحت مربع الوظيفة.

يتم استخدام الخيار الثاني نظراً لقابليته للتتبع الرياضي وتشابهه مع المعيار الإقليدي المستخدم في تقنيات الكشف عن الإشارات، والمعيار التقليدي يُسمى بخلاف ذلك معيار “L2” أو معيار 2 وغالباً ما يُنظر إليه في تقنيات الكشف عن الإشارات، وعلى افتراض أنّه يوفر مقياساً معقولاً للمسافة بين نقطتين على مساحة الإشارة، كما يتم حسابه على أنّه مسافة إقليدية في نظرية الكشف.

تصنيف الإشارات في الطاقة:

يمكن تصنيف الإشارة بناءً على قوتها أو محتواها من الطاقة، والإشارات التي لها طاقة محدودة هي إشارات طاقة أو إشارات الطاقة لها قدرة محدودة وغير صفرية.

أولاً: إشارة الطاقة المحدودة:

إشارة الطاقة المحدودة: هي إشارات سيكون لها طاقة إجمالية صفرية، حيث عندما تكون الطاقة محدودة فإنّ إجمالي الطاقة سيكون صفراً، ويتم فحص المقام في المعادلة لحساب القوة الكلية عندما يكون الحد “N \ right arrow \ infty”، كما تخفف الطاقة إلى الصفر على مدى المدة اللانهائية وبالتالي تصبح الطاقة الإجمالية صفراً.

ثانياً: إشارة الطاقة غير صفرية:

إشارة الطاقة غير صفرية: هي إشارات قوتها الكلية محدودة وغير صفرية، حيث ستكون طاقة إشارة الطاقة غير محدودة، ومثال التسلسلات الدورية مثل الجيوب الموجية، وللإشارة الجيبية قوة محدودة غير صفرية ولكنّها طاقة غير محدودة.

ثالثاً: لا يمكن أن تكون الإشارة إشارة طاقة وإشارة قدرة:

لا توجد إشارة طاقة ولا إشارة قدرة، حيث يمكن أن تكون الإشارات أيضاً موجة صادرة من أي شيء ولا إشارة طاقة ولا إشارة قدرة، وضع في اعتبارك إشارة زيادة السعة المحددة بواسطة:

x(n) = n

لمثل هذه الإشارة ستكون الطاقة والقوة بلا حدود، وبالتالي لا يمكن تصنيفها كإشارة طاقة أو كإشارة قدرة، وإشارة الطاقة هي إشارة لها قوة محدودة لا تساوي الصفر، وكما أنّ الطاقة تساوي الطاقة / الوقت اللانهائي على مدار الوقت، لذا فإنّ الطاقة كبيرة جداً بحيث يميل إلى اللانهاية.

معالجة الإشارات الرقمية الموفرة للطاقة:

تُعد كفاءة الطاقة في أجهزة معالجة الإشارات أمراً حيوياً لعدة أسباب لا سيما لتقليل التأثير البيئي وزيادة أوقات الاستعداد وجعل البطاريات أصغر حجماً وأخف وزناً وتبسيط تبريد الدوائر، كما تتزايد الحاجة إلى تقليل استهلاك الطاقة أيضاً من خلال الاتجاه المتمثل في إضافة المزيد والمزيد من الوظائف إلى الأجهزة الإلكترونية، ممّا يعني أنّ كل وظيفة يجب أن تصبح أكثر كفاءة في استخدام الطاقة إذا لم يكن إجمالي استهلاك الطاقة يجب أن يزيد.

على مستوى معالجة الإشارات يمكن زيادة كفاءة الطاقة في الأجهزة بطريقتين أساسيتين، والأول هو تقليل التعقيد الحسابي أي عدد العمليات الحسابية لكل وحدة زمنية لخوارزميات “DSP”، والطريقة الثانية هي استخدام الحسابات والأجهزة منخفضة الدقة ممّا يعني أيضاً المزيد من تشويه الإشارة.

كما أنّه تم تطوير خوارزميات “DSP” مناسبة ذات كفاءة حسابية والتي يمكن أن تتكيف مع متطلبات النظام بأقل استهلاك ممكن للطاقة، وعلى تطوير خوارزميات “DSP” التي يمكنها التعامل مع تشويه الإشارة المتزايد من الدقة المنخفضة الموفرة للطاقة أي المعدات.

يتمثل الجزء الأول من تطوير خوارزميات “DSP” فعالة يمكن أن تتكيف مع التغييرات في الوظائف ومتطلبات الجودة في أنظمة الاتصال مع أوضاع التشغيل المتغيرة بمرور الوقت، ومن الأمثلة على ذلك مرشح ذو عرض نطاق ترددي قابل للتكيف وترددات مركزية أي وظيفية بالإضافة إلى توهينات وأطوال كلمات قابلة للتكيف أي متطلبات الجودة.

بهذه الطريقة يمكن للمرء تلبية متطلبات النظام المختلفة مع الحد الأدنى من التعقيد الحسابي واستهلاك الطاقة في تنفيذ الأجهزة المقابلة، وبالإضافة إلى ذلك من المهم أن يكون التكيف سريعاً لتمكين التشغيل في الوقت الفعلي، كما تم العثور على خوارزميات “DSP” موضع الأهمية في الطبقة المادية لأجهزة الإرسال والاستقبال، مثل تحويل معدل أخذ العينات وإعادة التشكيل والقنوات وتجميع الموجات الحاملة وتعدد الإرسال أو الإرسال المتعدد، وكذلك إعادة توزيع النطاق الترددي واستشعار الطيف ومعادلة القناة وإعادة بناء إشارة متعددة القنوات والقناة وتقدير المعلمة.

إحدى تقنيات الاتصالات اللاسلكية المهمة، حيث تصبح الأجهزة الموفرة للطاقة لا غنى عنها هي تقنية “MIMO” الضخمة، حيث في “MIMO” الضخمة يجب أن تكون المحطات الأساسية مجهزة بمئات من سلاسل الراديو التي يمكن التحكم فيها بشكل فردي، ويجب أن تتضمن كل سلسلة جميع الأجهزة اللازمة لتعديل وإزالة تشكيل إشارات التردد اللاسلكي، كما سيكون الاستهلاك الكلي للطاقة للأجهزة هائلاً بدون حلول موفرة للطاقة.

يعمل الجزء الثاني من تطوير خوارزميات “DSP” لـ “MIMO” الضخمة والتي ستجعل من الممكن استخدام الأجهزة الموفرة للطاقة في المحطات الأساسية على الرغم من التشوه العالي للإشارة، كما يتميز هذا الجزء بتأثير تشويه الإشارة على أداء الاتصال النهائي.

يركز العمل بشكل خاص على تمكين استخدام المحولات التماثلية إلى الرقمية ذات الدقة المنخفضة ومكبرات الطاقة المنخفضة، وكذلك التي يُسمح لها بالعمل بالقرب من التشبع وتخفيف ضوضاء الطور في المذبذبات المحلية، وفقط من خلال تمكين استخدام مثل هذه الأجهزة عالية الكفاءة في استخدام الطاقة يمكن بناء نظام “MIMO” ضخم للغاية ومعقد بطريقة مجدية ومستدامة بيئياً.

• “MIMO” هي اختصار لـ “Multiple Input, Multiple Output”.

• “DSP” هي اختصار لـ “Digital Signal Processors”.