الفيزياء

تطبيقات متعددة للترنيم النبضي

2013 تبسيط علم الإلكترونيات

ستان جيبيليسكو

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الفيزياء

– التحويل من تماثلي إلى رقمي

يشكِّل الترنيمُ برِماز النبضة -كالذي نراه تخطيطيّاً في الشكل 9-13D– شكلاً رائجاً لـتحويلٍ من تماثلي إلى رقمي (Analog-to-Digital) (A/D).

يمكن لإشارةِ صوتٍ، أو أيّ إشارةٍ متغيّرةٍ باستمرار، أن تترقمن (Digitized)، أو أن تتحوّل إلى قطارٍ من النبضات لا يمكن لسعاتها أن تبلغ إلاّ بضعَ مستوياتٍ مُعرَّفة.

نستطيع في التحويل A/D -لأن عدد الحالات الرقمية مساوٍ دوماً لإحدى قوى الرقم 2- أن نُمثِّل إشارةَ الخرج كرِمازٍ ثنائي. تتحسّن الدقّة عندما يزداد الأسّ، ويدعو المهندسون عددَ الحالات الرقمية هذا بـ مَيْزِ (Resolution) أخذ العينات، أو بـالمَيْز للتبسيط. يعمل المَيْز 23=8 (كما هو مُبيَّن في الشكل 9-13D) جيّداً من أجل الاتّصالات الصوتيّة، بينما يُوفِّر مَيْزٌ بقيمةِ 24=16 إعادةَ إنتاجٍ مقبولةً للموسيقى.

تعتمد الفعاليةُ التي يمكننا بها رقمنة إشارةٍ ما [تحويلها إلى رقمية] على التردّد الذي نُجري أخذ العينة عنده.

في الحالة العامّة، يجب على وتيرة أن تساوي على الأقلّ ضعفَي قيمة تردّد المعطيات الأعلى. من أجل إشارةِ صوتٍ بمركِّبات عالية التردّد تصل لـ 3 كيلو هرتز، فإن سرعةَ الاعتيان الأصغريّة من أجل ترقيمٍ فعّال هي 6 كيلو هرتز، أمّا من أجل إشارات موسيقى فتكون أعلى؛ ولكنها أقلّ ممّا تتطلّبه إشاراتُ الصور.

 

– مسألة 9-1 :

افترض أننا نولِّد إشارةَ FM بشكلٍ غير مباشر بواسطة ترنيمٍ نبضيّ لنحصلَ على انحرافٍ تردّديّ فعّالٍ بقيمة ±2.5 كيلو هرتز.

كيف يمكننا أن نُزيد الانحرافَ إلى القيمة المعيارية ±5.0 كيلو هرتز من أجل إرسال إشارات صوتيّة؟

الحلّ: 

يمكننا أن نرسل الإشارة عبر مُضاعِف (مُثنّي) تردّد وهو دارة تُنتِج إشارةَ خرجٍ بتردّد يبلغ ضعفَي تردّد إشارة الدخل. بالإضافة إلى التردّد، فإن هذه الدارة تُضاعِف الانحرافَ كذلك. 

 

– مسألة 9-2 :

ماذا يحصل لإشارة FSK إذا مرّت عبر مُضاعِف تردّد؟

الحلّ: 

يتضاعف كلا الانحراف وتردّد الحامِل. على سبيل المثال، إذا انزاحت إشارةُ الدخل بمقدار 85 هرتز بين العلامة والفراغ، فإن انزياحَ إشارة الخرج سيكون مساوياً لـ 85 × 2 أي 170 هرتز.

 

– مسألة 9-3:  

كيف تُسمَع إشارةُ صوتٍ مُرقَّمة إذا لم يكن مَيْزُ الاعتيان كافياً، أو إذا سقطت بعض النبضات (فُقِدَت) بين المُرسِل والمُصغي؟

الحلّ: 

سيُسمَع صوتُ الإشارة"خفّاقاً"، كما لو كان الشخص الآخر يتكلّم عبر أنبوب طويل مُجوَّف، أو كما لو كانت الريح تعصف بالمكروفون. كما يعرف جيّداً أيُّ مستخدِم للهاتف الخلويّ فإن هذه الظاهرة تحصل أيضاً في وصلات الهاتف الخلويّ الثانويّة!  

 

– نقل وإرسال الصورة

يمكن إرسالُ صور غير متحرّكة ضمن عرض الحزمة نفسه للإشارات الصوتيّة. أمّا من أجل صورٍ متحرّكة ذات دقّة عالية – من مثل أفلام الفيديو – فإننا نحتاج إلى عرض حزمةٍ أكبر ممّا نحتاجه في حالة صور غير متحرّكة مثل رسمات بسيطة.

 

– الفاكس

نستطيع أن نُرسِلَ صوراً غيرَ متحرّكة (تُدعى أيضاً صوراً ساكنة) عبر جهاز الفاكس. إذا أرسلنا المعطيات ببطءٍ كافٍ أمكننا نقلُ تفاصيلَ دقيقةٍ ضمن حزمةٍ بعرض 3 كيلو هرتز، وهي القيمة المعيارية للاتصالات الصوتية.

تُفسِّر هذه المرونةُ سببَ قدرة صور الفاكس الدقيقة على الانتشار بفعاليّة على طول خط خدمة هاتف تقليديّة صرفة (POTS)

تُلَفّ الوثيقةُ أو الصورةُ الورقية في جهاز فاكس كهرو ميكانيكي حول اسطوانةِ طبلٍ. يدور الطبل بسرعةٍ بطيئة ومُتحكَّم بها. يجري المسْحُ ببُقعةٍ من الضوء بشكل خطوطٍ أفقيّة ضيّقة عبر الوثيقة.

يُحرِّك الطبلُ الوثيقةَ بحيث يقوم أيُّ خطٍّ وحيدٍ بالمسح مع كلّ مرورٍ للبقعة الضوئية. تستمرّ هذه العمليّة خطّاً بعد خطّ إلى أن يكون الجهاز قد أجرى مسحَ الإطارِ (الصورة) بالكامِل.

يلتقط كاشِف ضوئي الأشعةَ الضوئية المنعكسة عن الورقة الوثيقة. تعكس المناطقُ المعتمة من الصورة مقداراً من الضوء أقلّ ممّا تعكسه المناطق الساطعة، وبالتالي تتغيّر شدّة التيّار داخل الكاشف الضوئي مع مرور الحزمة الضوئيّة فوق مناطق متنوّعة. يقوم هذا التيّارُ بترنيمِ حامِلٍ في واحدٍ من الأنماط الموصوفة سابقاً، مثل AM، FM، أو SSB.  

 

فكرة مفيدة:  ينسخ جهازُ فاكسٍ مُستقبِلٌ نمطَ وسرعةَ مسح المُرسِل، فيقوم مِظهارٌ أو طابعة بإعادة إنتاج الصورة في تدرّج رمادي (ظِلال رماديّة تتدرّج من الأسود نحو الأبيض من دون ألوان).

 

– التلفزيون بطيء المسح

يمكننا التفكير بـالتلفزيون بطيء المسح (SSTV) على أنه شكلٌ سريع وتكراري لجهاز فاكس. تنتشر إشارة SSTV -مثل إشارة الفاكس- ضمن حزمةٍ من التردّدات ضيّقةٍ مثل تلك الموافقة للصوت البشري. يُعيد إرسالُ ونقلُ الـ SSTV – مثله في ذلك مثل الفاكس – إنتاجَ صورٍ ساكنة فقط لا غير، فلا يُولِّد صوراً متحرّكة.

مع ذلك، تقوم منظومة الـ SSTV بالمسح ونقل صورةٍ في 8 ثوانٍ، بدلاً من زمنِ الدقيقةِ الواحدة أو الأكثر النمطيّ لجهاز الفاكس. يمكن أن نقدِّم لمُشاهدينا باستخدام الـ SSTV بعضَ الإحساس بالحركة في مشهدٍ ما.

مع ذلك، هناك ثمنٌ ندفعه مقابل مكافأة السرعة: نحصل على مَيْزٍ أسوأ في الـ SSTV -ويعني ذلك تفاصيل أقلّ في الصورة- مقارنةً مع ما نحصل عليه باستخدام الفاكس.

يحتوي إطار الـ SSTV 120 خطّاً. تُرسَل الأجزاءُ الأكثر عتماً بتردّد 1.5 كيلو هرتز، بينما تُرسَل الأجزاء الأكثر سطوعاً بتردّد 2.3 كيلو هرتز. تُرسَل نبضاتُ تواقتٍ (تزامن) -تُبقي الجهازَ المُستقبِلَ بالخطوة نفسها مع المُرسِل- بتردّد 1.2 كيلو هرتز.

تُخبِر نبضةُ تزامنٍ شاقولية المُستقبِلَ بأن الوقت قد حان للبدء بإطار جديد؛ وتدوم هذه النبضةُ حوالي 30 ملّي ثانية (ms). تُخبِر نبضةُ تزامن أفقيةٌ المُستقبِلَ ليبدأ خطّاً جديداً في الإطار؛ ومدّتها 5 ms. تمنع هذه النبضاتُ حصولَ الدحرجة (حركة شاقوليّة عشوائيّة للصورة) والانخراق (فقدان التزامن الأفقي).

 

فكرة مفيدة:  يمكننا برمجة أي حاسوب شخصي بحيث يعمل مِرقابُه كمِظهارِ SSTV. نستطيع وبقليلٍ من الجهد أن نجد محوِّلاتٍ تسمح لنا بالنظر إلى إشارات الـ SSTV على جهاز تلفزيون عادي. 

 

– التلفزيون سريع المسح

يُعرَف أيضاً التلفزيونُ التماثليّ قديمُ الطراز باسم التلفزيون سريع المسح (FSTV). تمّ تطويرُ مخطّط البثّ للـ FSTV في الأصل من قبل لجنة نُظُم التلفزيون الوطنية (NTSC) في سنة 1953. تمّ النظرُ في ذلك الوقت إلى هذه التقانة -المدعوّة أيضاً تلفزيون ن ت س سي NTSC TV– على أنها اختراق.

بينما توقّف العامِلون بالبثّ عن استخدام الـ FSTV، فإن بعض المشتغلين بالراديو الهواة (هام ham) لا يزالون يستخدمونه. تُرسَل الإطاراتُ بسرعة 30 بالثانية.

يحتوي إطار واحدٌ كامِل على 525 خطّاً. تجعل المدّةُ الزمنية القصيرة للإطار مع المَيْزِ الأعلى استخدامَ حزمةِ تردّد أعرضَ بكثير ممّا تتطلّبه أنماطُ عمل الفاكس أو الـ SSTV أمراً ضروريّاً. تـشْغُل إشارةُ فيديو نمطيةٌ لـ FSTV مكاناً في الطيف يصل لـ 6 ميغا هرتز.

يمكن إرسال إشارات تلفزيون سريع المسح باستخدام ترنيم مطالي AM اعتيادي أو ترنيم تردّدي FM عريض الحزمة. يمكن في الترنيم AM حذفُ واحدةٍ من الحزم الجانبيّة بشكلٍ كاملٍ تقريباً باستخدام مُرشِّح تمرير حزمة، فيُترَك فقط الحامِلُ والحزمةُ الجانبيّة الأخرى بحيث لا يُمَسّا أبداً.

يدعو المهندسون نمطَ العمل هذا باسم إرسال ونقل الحزمة الجانبيّة الآثاريّة (VSB)، ويُخفِّض هذا النمطُ عرضَ الحزمة لإشارة FSTV إلى قيمةٍ تعلو بقليل 3 ميغا هرتز.

 

لا يكون نمطُ العمل هذا عمليّاً للاستخدام عند تردّدات أقلّ من حوالي 30 ميغا هرتز، بسبب المقدار الكبير من حجم الطيف الضروري لإرسال إشارات الـ FSTV.

كانت تُجرى جميعُ الإرسالات التجاريّة للـ FSTV في "الأيّام الخوالي للتلفزيون" عند تردّداتٍ أعلى من 50 ميغا هرتز، وكانت الأغلبية الساحقة من القنوات تبثّ عند تردّدات أعلى من هذه القيمة. تُدعى القنوات من 2 إلى 13 في مُستقبِل الـ FSTV القديم الطراز أحياناً باسم القنوات ذات التردّدات العالية جداً (VHF)، بينما تُدعى القنوات الأعلى باسم القنوات ذات التردّدات فوق العلوية (UHF).  

يُظِهر الشكل 9-1 منحنياً بنطاق زمني لشكلِ موجةِ خطٍّ وحيدٍ في إشارة فيديو لـ FSTV. يبيّن هذا المنحني لنا 1/525 من إطارٍ كامِل. يوافق مطالُ الإشارة اللحظيّ الأعلى الظُلَّ الأكثر عتماً، بينما يوافق المطالُ الأكثر انخفاضاً الظلَّ الأكثر إضاءةً. لذلك تُرسَل إشارةُ الـ FSTV "بشكلٍ سالب".

يسمح هذا الاصطلاح لـإعادة الرسم (التحرُّك من نهاية خطّ واحد إلى بداية الخطّ التالي) بأن تُزامِن بين المُرسِل والمُستقبِل. تُخبِر نبضةُ إغفالٍ (تخلية) قويّةٌ المُستقبِلَ متى يُعيد الرسمَ، كما أنها تُغلِق أو "تقطع التغذيةَ عن" الحزمة أثناء الفترة الوجيزة عندما يقوم مِظهارُ المُستقبِل بإعادة الرسم.

 

تعمل تلفزيونات المسح السريع من خلال إرسال ثلاثة إشارات منفصلة وحيدة اللون، موافقة للألوان الأوّليّة الأحمر والأزرق والأخضر. تُوافِق هذه الإشارات في الحقيقة ألوانَ الأسود مع الأحمر، والأسود مع الأزرق، والأسود مع الأخضر. يُعيد المُستقبِل ضمَّ هذه الإشارات لبعضها البعض ويُظهِر الفيديو الناجِمَ كمصفوفة من النقاط الحمراء والزرقاء والخضراء.

عندما تُرى النقاطُ من على بعد فإنها تكون أصغرَ من أن يمكن تمييزُها بمفردها. تنجم عن إجراء تجميعاتٍ متنوّعةٍ لشدّات ألوان الأحمر والأزرق والأخضر إعادةُ إنتاجٍ لجميع تدرّجات اللون وإشباعاته.

يتألّف مُرسِلُ إشارات FSTV من كاميرا، ومُهتَز،ّ ومُرنِّم مطال، ومتسلسلة مُضخِّمات لإشارة الفيديو. تتكوّن المنظومة الصوتيّة من مكون دخلٍ (مثل مكروفون)، ومُهتَزّ، ومُرنِّم تردّد، ومنظومة تغذية تقرن الخرجَ ذا التردّد الراديوي RF مع سلسلة مضخِّماتِ الفيديو.

تضمّ المنظومةُ الكاملة كذلك هوائيّاً أو خرجَ تلفزيونِ كَبْلٍ (Cable)، ويبيّن الشكل 9-15 مخطّطاً كتليّاً صندوقيّاً لمُرسِل FSTV تماثلي.      

 

ألا تزال تكافح؟

إذا شاهدتَ كثيراً من التلفزيونات التماثليّة التجاريّة "في الأيّام الخوالي" التي تستخدم هوائيّاتٍ داخل المنزل أو مُركَّبةً على الأسطح، فهل لاحظتَ امتلاكَ إشارات التلفزيون الضعيفة لـ تباين ضعيف تبدو معه باهتةً؟ لقد نجمت عن نبضات الإغفال الواهنة إعادةُ رسمٍ غير كاملة، ممّا جعل الأقسامَ الأكثر سواداً من الصورة تبدو رماديّةً بدلاً من سوداء.

ولكن هذه المشكلة الصغيرة تظلّ أفضل من أن يَفْقُد مُستقبِلُ التلفزيون أثرَ إشارات إعادة الرسم في حال تمّ إمرارُ المطال اللحظي الأعلى مع ظلّ الصورة الأخفّ سواداً. 

 

 

– مسألة 9-4 :

كيف يمكننا إنقاص عرض الحزمة لإشارة فيديو FSTV تماثليّة اصطلاحيّة بمقدار النصف تقريباً دون التضحية بأيّ من تفاصيل الصورة، ومن دون إبطاء سرعة المسح؟

الحلّ: 

يستخدم مُستقبِلُ فيديو الـ FSTV التماثلي الاصطلاحي ترنيماَ مطاليّاً AM، ولذلك يحتوي خرجُه على موجة حامِل مع حزمتَي الـ LSB والـ USB.

إذا حوّلنا الإشارةَ إلى SSB، فإن عرَض حزمتها سوف ينقص نظرياً من 6 ميغا هرتز إلى أقلّ من 3 ميغا هرتز بقليل، وهذا أضيق بقليل من عرض الحزمة لإشارة حزمة جانبيّة آثاريّة.

 

– مسألة 9-5 : 

لنفترض أننا نوجِّه كاميرا FSTV نحو سماء رماديّة، رتيبة، وملبّدة بالغيوم، أو نحو حائطٍ رماديّ خالٍ من أيّ كتابة عليه. كيف سيبدو مِظهارُ إشارة الفيديو ذو النطاق الزمني -كالذي نراه على شاشة راسم إشارة مهبطي- في هذا الوضع؟

الحلّ: 

يبقى مطالُ إشارة الفيديو بين نبضات الإغفال (التخلية) ثابتاً، موافقاً لوضعٍ ما بين الأبيض والأسود. عندما نحلِّل الإشارةَ عبر راسم اهتزاز مهبطي فإننا نرى شيئاً مماثلاً للشكل 9-16.

 

– التلفزيون عالي الدقة (التعريف)

يُشير مُصطلَح التلفزيون عالي الدقة (التعريف) (HDTV) إلى أيّ من الطرائق العديدة التي تهدف للحصول على تفاصيل أكثر في صورة التلفزيون ممّا كنّا سنحصل عليه بأفضل الأحوال باستخدام FSTV.

يؤمّن نمط الـ HDTV أيضاً نوعيةَ صوتٍ أعلى بهدف تحقيقِ تلفزيونٍ منزلي -أو تجربةِ مسرحٍ منزلي- أكثر إرضاءً.

تمثّلت التحدّياتُ الرئيسة لمطوِّري ومسوِّقي الـ HDTV خلال سنينه الأولى في ترغيب الجمهور به، وفي تأمينه للناس بسعر مقبول.

تبنّى قسمٌ كبيرٌ من السوق جهازَ الـ HDTV منذ انقضاء الألفية الثانية. لقد تحسّنت كذلك النوعية الإجماليّة لمُستقبِلات التلفزيون الاعتيادي، وساعد الانتقال من البثّ التماثلي إلى البثّ الرقمي في هذا التحسين.

تملك صورةُ FSTV تماثليّة (تمّ التخليّ عنها الآن) 525 خطّاً في الإطار الواحِد، بينما تملك منظوماتُ الـ HDTV خطوطاً أكثر بكثير. يتمّ مسحُ صورة الـ HDTV حوالي 60 مرّة في الثانية.

 

يوضع التلفزيون عالي الدقّة في نمطِ عملٍ رقميّ، ممّا يوفِّر ميزةً إضافيّة مقارنةً مع أجهزة الـ FSTV التماثليّة القديمة الطراز. تنتشر الإشاراتُ الرقميّة بشكلٍ أفضل، وهي عند ضعفها أسهلُ على التعامُل، كما أنه يمكن معالجتها باستخدام تقاناتٍ لا تتقبّلها الإشارات التماثليّة.

تستخدم بعض منظومات الـ HDTV تقنيّةً تُدعى بـ التحابك بهدف مضاعفة عدد الخطوط في كلّ إطار، دون الحاجة إلى جهازِ مسحٍ بالغ التعقيد.

يمسح نظامُ التحابُك الشاشةَ مرّتَين من أجل كلّ صورة فيديو كاملة، وبالتالي توجد فعلاً صورتان متراكبتان بدلاً من صورة واحدة. يتمّ "تعشيق" الصورتَين – المَدعوّتَين بـ الماسحَين التسامتيَّين – ممّا يُضاعِف فعليّاً مَيْزَ الصورة من دون مُضاعفة كلفة التصنيع.

لسوء الحظ، يمكن لهذه الإجرائيّة أن تتسبّب بـ "ارتعاشٍ" مزعجٍ عند إعادة إنتاج مناظر سريعة الحركة أو آثار خاصّة.  

اظهر المزيد

مقالات ذات صلة

زر الذهاب إلى الأعلى
Loading cart ⌛️ ...
إغلاق