إرسال المعطيات

ارسال معطيات

Data transmission - Transmission de données

إرسال المعطيات

منظومة الاتصالات الرقمية

 بروتوكولات التحكُّم في الإرسال

معاملات الأداء

توجهات مستقبلية

يُمثِّل الانتقال من التقانة التمثيلية إلى التقانة الرقمية أساس التطور التقاني السريع الحالي. وقد تطوَّرت التقانة الرقمية الحديثة على مسارين متوازيين منفصلين، هما التقانة المنطقية وتقانة الاتصالات، فقد أثبت المنطق الاثناني binary أنه طريقة فعالة للحوسبة ذات الطبيعة الرقمية المألوفة للجميع. وقد وُلِدت الحواسيب الرقمية في بيئة الجبر البولياني ولغة الأصفار والوحدان. ومع اختراع الترانزستور - الذي يمثِّل مبدال «فصل ووصل» مثالياً يحاكي بحالته الـ 0 و الـ 1 في لغة الحاسوب - تطوَّرت تقانة الحواسيب بسرعة حتى حالتها الراهنة. إلا أن التحول إلى النقل الرقمي في الاتصالات أو ما يسمى إرسال المعطيات data transmission كان أبطأ كثيراً، وفي هذه التقنية تُحوَّل الإشارات إلى وحدان وأصفار يمكن نقلها على شكل نبضات كهربائية متعاقبة.

الشكل (1): مخطط صندوقي لمنظومة اتصالات. يُضاف الضجيج الذي يشوِّه الرسالة على طول قناة الاتصال التي يمكن أن تكون فضاءً أو خط اتصال نحاسياً سلكياً أو كبلاً محورياً أو ليفاً بصرياً.

تتصف غالبية منظومات الاتصال اليوم بأنها رقمية. ومن أهم مزاياها نقل الرسائل مسافات طويلة من دون أن تتشوه أو تتلوَّث بالضجيج. فالإشارة المرسلة عادة تستمر بالتدهور مع ازدياد المسافة التي تقطعها بسبب ازدياد الضجيج الذي يُضاف إليها على طول خط الاتصال، وفقاً لما هو مبيَّن في الشكل(1). وفيما يخص الإشارات التمثيلية الملوَّثة بالضجيج - ونظراً إلى تعقيدها  - فإن من غير الممكن استعادة شكلها الأصلي في طرف الاستقبال. أما الإشارات الرقمية فهي نبضات بسيطة ذات مستويين تتلوَّث بالضجيج أيضاً في أثناء انتشارها، لكن ومع ذلك، إذا أمكن التفريق بين المستويين في طرف الاستقبال أمكن استعادة الرسالة الرقمية الأصلية كلياً.

من المزايا الأخرى للإشارة الرقمية - والتي تفتقدها الإشارات التمثيلية - قابلية التجميع في المستوى الزمني time domain multiplexing. وهذه تقنية يُعدّ استعمالها طبيعياً في المنظومات الرقمية، وفيها يُرزم عدد من الرسائل الرقمية معاً وتُرسل على قناة اتصال واحدة، وهذا ما يُحقِّق نقلاً للمعلومات عالي الكفاءة.

منظومة الاتصالات الرقمية:

المكوّنات الأساسية لأي منظومة اتصالات هي: المُرسِل، وقناة الاتصال أو وسط النقل، والمستقبِل. ولا تختلف منظومة الاتصالات الرقمية عن ذلك إلا فيما يخص تهيئة المعلومات بصيغة رقمية قبل الإرسال، ومعالجة الرسائل المستقبلة لتحويلها إلى الشكل المطلوب.

يبيّن الشكل (2) مخططاً صندوقياً نموذجياً لمنظومة اتصالات رقمية.

الشكل (2): مخطط صندوقي نموذجي لمنظومة اتصالات رقمية.

مصدر المعلومات ووجهتها: في منظومة الاتصالات الرقمية، تجري معالجة المعلومات بحيث يمكن تمثيلها بسلسلة من الرسائل المتقطِّعة discrete messages. ويمكن لمصدر المعلومات الرقمية أن يَنتُج من عملية تقطيع الإشارة التمثيلية (أخذ العينات sampling) تتبعها عملية تجزيء (تكمية quantizing) تتضمن تخصيص قيمة عددية مدوّرة للعيّنة وتمثيل تلك القيمة بعدد اثناني، أي بعدد محدّد من البتات. وقد يكون منبع المعلومات رقمياً من قبيل ملف بريد إلكتروني مثلاً. في كلتا الحالتين تُمثِّل كل رسالة واحدة من مجموعة منتهية تحتوي على ”q “  رسالة، فإذا كانت q=2 يقال إن المنبع هو منبع اثناني binary source، وتسمى كل واحدة من القيمتين الرقميتين المُحتَملتين بتاً bit. ولاستعادة الإشارة التمثيلية في طرف الاستقبال على نحو تام يجب أن تكون عملية التقطيع وفق معيار نايكويست لأخذ العينات  Nyquist sampling criterion  من الإشارة إذا أُخذت العينات منها بتردد f_s يُحقِّق المتراجحة  f_s ≥ 2fh  حيث  f_h هو أعلى تردد في الإشارة التي تُؤخذ منها العينات. فإذا جرت تكمية كل عينة بـ q مستوى، فإن المعدل الأدنى لمعلومات المصدر يصبح:

R_min = (f_s)_min log₂q  =  2f_hlog₂ q ( bit/sec )

مُرمِّز ومفكِّك ترميز المصدر: يعمل المُرمِّز على إزالة فوائض  redundancies تنتج من عملية الرَّقْمَنة، وعلى تهيئة الرسائل للإرسال. وفي طرف الاستقبال يعمل المفكك على استعادة الرموز المُزالة الفائضة.

المشفِّر ومفكِّك التشفير: من المفيد إضافة الأمان والسرية إلى المعلومات المرسلة، وهذا ما تقوم به كتل المشفر ومفكك التشفير.

مُرمِّز ومفكِّك ترميز القناة: وفي معظم منظومات الاتصال ربما لا يكون ممكناً الحصول على مستوى الإرسال الموثوق المطلوب، بسبب مواصفات الإرسال والاستقبال المتوفرة (استطاعة المرسل، أو عرض الحزمة، أو حساسية المستقبل، أو نظام التعديل، أو غيرها). وثمة طرق لتحسين الأداء بإضافة فوائض إلى الإشارة المرسلة يستفاد منها في كشف الأخطاء وتصحيحها في طرف الاستقبال، وهذه هي وظيفة مرمّز ومفكِّك ترميز القناة.

معدِّل وكاشف تعديل المعطيات: يُنتج المعدِّل إشارة مستمرة بالزمن مناسبة للإرسال عبر القناة. فيُعبِّر عن الرسالة “1” بإشارة مرسلة  s₁(t)، وعن الرسالة “0” بالإشارة  s₀(t).  ويمكن التعبير عن هاتين الإشارتين بإحدى الطرائق التالية:

مطالين مختلفين لإشارة جيبية، A₁, A₂.

طورين مختلفين لإشارة جيبية،  راديان.

ترددين مختلفين لإشارة جيبية، F₁, F₂ هرتز.

وفي طرف الاستقبال يستخلص كاشف التعديل المعطيات المُرسَلة من الإشارة المُستقبَلة.

معدّل وكاشف تعديل الطيف المنثور: تقدّم تقنية الطيف المنثور مستوى تعديل إضافياً فوق تعديل المعطيات. لا تُستخدم هذه التقنية دائماً، لكنها ضرورية جداً في بعض التطبيقات مثل التطبيقات العسكرية، حيث لا تمثل كفاءة عرض الحزمة الاهتمام الأكبر. إن تقنية الطيف المنثور هي نظام تعديل يُنتج طيف إرسال أكثر عرضاً من طيف الإشارة الأصلية، ويهدف إلى زيادة ممانعة الإشارة المرسلة للتشويش والتداخل والاعتراض.

كتل الإرسال والاستقبال:  تُمثِّل هذه الكتل في طرف الإرسال مكبّر الاستطاعة والمرشحات التي تحدّد طيف الإشارة المرسلة ومستواها. وتمثل في طرف الاستقبال مكبّر الدخل والمازج ومكبّر التردد الوسيط.

 بروتوكولات التحكُّم في الإرسال:

تحتاج شبكات نقل المعطيات إلى لغة مشترَكة لتبادل المعلومات بين أنواع مختلفة من الحواسيب، ومنها الحواسيب الشخصية ومحطات العمل والحواسيب الكبيرة، وأنواع كثيرة مختلفة من الشبكات الحاسوبية مثل الشبكات المحلية local area networks (LANs)  (الملائمة لوصل الحواسيب معاً ضمن منطقة محدودة ببضعة كيلومترات)، والشبكات الواسعة  wide area networks (WANs)  التي تغطي مسافات تصل حتى مئات أو آلاف الكيلومترات). وتسمى تلك اللغة - التي تتألف من مجموعة إجرائيات ترحيل المعطيات - بروتوكولات التحكُّم في الإرسال  transmission control protocol   (TCP)  وهي تحدِّد كيفية اتصال الحواسيب معاً وكيفية تبادلها للمعلومات.

 تؤدي هذه البروتوكولات الوظائف التالية لضمان جَودة نقل المعطيات وخلوها من الأخطاء:

تتالي المعطيات data sequencing: حيث تُجزّأ الرسالة عادةً إلى مجموعة رُزم packets بقياسات ثابتة يُضاف إليها معلومات عن منشأ الرزمة والمكان المرسَلة إليه، ومعلومات تخص كشف أخطاء النقل.

تسيير المعطيات data routing: تحديد أفضل مسار تتبعه المعطيات بين المصدر والمستقَر. وتُرسَل كل رزمة مستقلةً عن الرزم التي سبق أن أُرسِلت، كما تسلك الرزم عموماً مسارات مختلفة عبر الشبكة، وتصل إلى مُستقرِّها بتأخيرات مختلفة ومن دون ترتيب، ولذا تجب إعادة تجميعها في عقدة المرسَل إليه باستعمال معلومات العنونة التي تحملها كل رزمة.

التحكم في الانسياب flow control:  تنظيم عملية إرسال المعطيات بين مرسل ومستقبل يعملان بسرعتي عمل متباينتين.

التحكم في الأخطاء error control:  كشف الأخطاء وتصحيحها ، ويعدُّ من المهام الرئيسية لبرمجيات الاتصال، إذ يهدف إلى إجراء عملية النقل من دون أخطاء.

وفي الشابكة (الإنترنت) يضاف إلى بروتوكول التحكُّم في الإرسال TCP بروتوكول الشابكة (الإنترنت) IP الذي يحدد طريقة تسيير البيانات بين الحواسيب عبر الشابكة (الإنترنت)، إضافة إلى عدد من البروتوكولات المخصصة. على سبيل المثال: عند إرسال بريد إلكتروني يقوم بروتوكول نقل البريد البسيط  simple mail transfer protoco (SMTP)  بتهيئة صيغة الرسالة، وعند إرسال صفحة وِب يقوم بروتوكول نقل النصوص الترابطية  hypertext transfer protocol (HTTP)   بتهيئة صيغة الصفحة، ويحدّد البروتوكول TCP/IP - وهو بروتوكول ابتدال بالرزم - عملية ترحيل المعطيات من المصدر إلى المستقر. ويسمى عمله بابتدال رزم الشابكة (الإنترنت)  internet packet switching.

معاملات الأداء:

عند تصميم منظومات الاتصالات الرقمية فإن إحدى القضايا المهمة تتعلق باستخدام المصادر المتاحة (عرض حزمة القناة، واستطاعة الإرسال) بأفضل أداء ممكن، وهذا ما يُصنِّف القنوات المستخدمة إلى محدودة عرض الحزمة أو محدودة الاستطاعة. ويتركز الاهتمام في هذين المصدرين؛ كفاءة عرض الحزمة  channel efficiency أو الكفاءة الطيفية   spectral efficiency، وهي نسبة معدَّل المعلومات إلى عرض حزمة القناة الترددية مقدَّرة بالبت في الثانية لكل هرتز؛ وكفاءة الاستطاعة التي يمكن توصيفها بعلاقة احتمال نسبة خطأ البت مع نسبة الإشارة إلى الضجيج في القناة.

سعة القناة: يعتمد مقدار المعلومات الذي يمكن لقناة أن تنقله (سعة القناة) على عرض حزمة القناة الترددية وعلى مقدار الضجيج الموجود فيها. وتُعبِّر نسبة الإشارة إلى الضجيج  signal- to -noise ratio (SNR) عن مستوى الضجيج الموجود في المنظومة، وهي تساوي نسبة استطاعة الإشارة المستقبلة  p_s إلى استطاعة الضجيج  p_n المُضاف إليها.

يبيّن قانون هارتلي- شانون Hartley-Shannon law المُعبَّر عنه بالعلاقة التالية:

C= B_ch log₂ (1+SNR) bit/sec

الشكل (3): (أ) عرض الحزمة الترددية لمضخِّم معرَّف بين نقطتي الـ -3dB . (ب) منحني مثالي لتمرير الحزمة غير قابل للتحقيق عملياً.

أنه يمكن مقايضة نسبة الإشارة إلى الضجيج  SNR بعرض حزمة القناة الترددية B_ch:  بالحفاظ على سعة القناة ثابتةC ، ويمكن إنقاص عرض حزمة القناة الترددية إذا ارتفعت نسبة الإشارة إلى الضجيج، والعكس صحيح، أي ينبغي زيادة عرض حزمة القناة حين انخفاض نسبة الإشارة إلى الضجيج للحفاظ على سعة القناة ثابتة.

 عرض المجال الترددي: يُستعمل عرض المجال الترددي بطريقتين: لتوصيف إشارة ولتوصيف منظومة. فعندما يقال إن عرض مجال الإشارة الترددي يساوي B يعني ذلك أن الإشارة تحتوي على مجال من الترددات:B= f₂ – f₁  ، حيث f₁ و  f₂ هما أعلى وأدنى ترددين ذوي مغزى في الإشارة. وحين التحدُّث عن عرض الحزمة الترددية لمنظومة أو تجهيزة يعني ذلك عادة مقدرتها على تمرير حزمة من الترددات أو تضخيمها أو معالجتها. ويُعرَّف عرض الحزمة عندئذٍ بأنه نطاق الترددات الذي لا يقل فيه ربح المضخِّم عن ربحه في منتصف الحزمة بأكثر من 3 ديسيبل كما هو موضح في الشكل(3).

عندما يكون عرض الحزمة الترددي لمنظومة اتصال ( مكوَّنة من مضخِّمات ومرشحات وأكبال وغيرها) مساوياً لعرض المجال الترددي للإشارة المُزمع إرسالها أو أكبر منه، أي B_signal ≤ B_system فإن من الممكن استعادة كامل محتوى الإشارة من المعلومات في طرف الاستقبال. وعندما يكون عرض الحزمة الترددي لمنظومة الاتصال أصغر من عرض المجال الترددي للإشارة يحصل تشويه للإشارة المنقولة.

تحصيل المعطيات: إن الاستعادة التامة لشكل الإشارة المربعة تتطلب قناةً عرضُ حزمتها الترددية لانهائي؛ لأن طيف الإشارة المربعة لا نهائي العرض. لكن إذا جرى الاكتفاء بمعرفة أن ثمة نبضة قد أُرسِلت، أمكن ذلك حتى لو كانت النبضة المستقبلة مشوَّهة.

يُبيِّن الشكل (4) أن عرض حزمة لمرشح يساوي   B=1/2T يُمكِّن في كثير من الحالات العملية من تمييز وجود النبضة في الخرج بمعدل أخطاء مقبول.

الشكل(4): يؤدي تمرير نبضة مربعة مثالية مدتها T، عبر مرشح مثالي لتمرير الترددات المنخفضة - تردد قطعه يساوي B - إلى نبضة خرج مشوَّهة. ويتجلى غياب الترددات العالية من طيف نبضة الخرج في تنعيم الحواف الحادة الموجودة في نبضة الدخل المربعة، وجعلها مدوَّرة في نبضة الخرج.

في النقل الرقمي يمكن كشف الرسالة ما دام كشف وجود النبضة أو غيابها ممكناً في طرف الاستقبال، يُضاف إلى ذلك أنه يمكن إعادة تشكيل النبضات المشوهة لتأخذ شكلها الأصلي في محطات مُعيدة  repeater station ثم متابعة إرسالها، وهذا ما يجعل النقل إلى مسافات بعيدة ممكناً. يمكن القول إن عرض المجال الترددي اللازم لنقل، ومن ثم كشف إشارة رقمية معدَّلها R بتاً في الثانية يساوي   R/2 (Hz)

يمكن لقناة نقل المعلومات أن تكون خطاً هاتفياً عادياً يتألف من زوج من الأسلاك النحاسية، أو كبلاً محورياً، أو دليل موجة waveguide، أو ليفاً بصرياً، أو قناة لاسلكية، أو قنوات خط النظر مثل القنوات الفضائية وقنوات الأمواج المِكروية. 

الشكل (5) استجابات ترددية لثلاثة أنواع من الأكبال طول كل منها يساوي كيلو متراً واحداً. تزداد مقاومة الأسلاك النحاسية مع ازدياد التردد ƒ وفقا لـ    . وفي الليف البصري، يزداد التخميد وفقا لـ  ƒ 2بسبب تشتُّت نبضة الضوء، حيث إن ƒهو تردد الإشارة التي تعدِّل الضوء.

يظهر الشكل (5) الاستجابة الترددية لوسائط الاتصال السلكية. حيث يتبين أن الاستجابة الترددية لسلكين مجدولين طولهما يساوي  كيلو متراً واحداً تنخفض بمقدار 9 ديسيبل عند التردد 1 ميغا هرتز. وبافتراض الحاجة إلى خط نقل بسيط، طوله يساوي كيلو متراً واحداً، والقبول بضياعات تساوي 9 ديسيبل عند طرف الاستقبال، فإن سلكَيْ النحاس المجدولين يمثِّلان أبسط خط يمكن استعماله.

يتصف خط الكبل المحوري الذي يساوي طوله كيلو متراً واحداً والمبيَّن في الشكل  (5) بحزمة ترددية أعرض من تلك الخاصة بسلكي النحاس المجدولين بـ 8 مرات، في حين يشغل الليف البصري مرتبة الصدارة من حيث عرض الحزمة الترددية.

توجهات مستقبلية:

ثمة عوامل متعددة تحدّد التوجهات المستقبلية في الإرسال الرقمي الذي غدا جزءاً رئيسياً في معظم مناحي الحياة اليومية، ويمكن تأطير تلك العوامل بما يلي:

- التطور السريع في التقانات وفي احتياجات الربط بين العموم وقواعد المعطيات والأغراض.

- التنوع في تطوّر البنية التحتية المادية متضمنةً: البث الرقمي العريض الحزمة، وأنظمة الراديو الذكية smart radio systems مثل الراديو الإدراكي cognitive radio والراديو المُحدَّد برمجياً software defined radio، وشبكات المحسّات، وتقنيات الإرسال المتعدد الوسائط multimedia transmission، وتقنيات تحسس الموقع location sensing وإدراك المحيط context-aware، وأنظمة النقل الذكية intelligent transport systems، والخدمات الفضائية satellite services.

- شبكات الوِب الاجتماعية social web الناشئة، التي تعمل منصَّة وقاعدة معطيات، وهذا ما يمكِّن المستخدِمين ومزوّدي الخدمة من التطوير والإبداع.

- الإبداع العلمي والإبداع التقني المستمران اللذان يقودان التقدم في: قوة الحوسبة وتقنيات الإظهار display technologies والذكاء الصنعي والتقانة النانوية  nanotechnology.

تدفع جميع العوامل السابقة باتجاه استخدام عرض مجال ترددي أكبر، ومعدل إرسال معطيات أعلى، ومنظومات معالجة متطورة تناسب غنى المعطيات وحركة سير الوسائط المتعددة. ففي الشبكات الواسعة، يجري حالياً تطوير معيار ليشمل معطيات بسرعات تزيد على 10 غيغا بت في الثانية تُنقل باستخدام الألياف البصرية.

من جهة ثانية ثمة تطويرات تقانية تجري لزيادة مقدار المعطيات الممكن إرسالها في بنية تحتية مادية محددة. وتتوزع هذه التطويرات في تقنيات: التجميع، والترميز، والضغط ، وتصحيح الأخطاء. تهدف تلك التطويرات إلى زيادة سعة القناة في أي بنية تحتية وإلى تخفيض متطلبات عرض حزمة الطيف في تقنيات الاتصالات الراديوية.

محمد عباسي

التصنيف : هندسة الاتصالات

النوع : هندسة الاتصالات

المجلد: المجلد الأول

رقم الصفحة ضمن المجلد : 514

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية