النظم الرقمية

يكثر الحديث في عصرنا الحالي عن التقنيات الرقمية (Digital technologies) التي دخلت في كل نواحي حياتنا، فكم شهدنا من تقنيات قد عرفناها واستخدمناها، ولكن أعيد تسوقها بعد تحويلها، لتصبح ضمن التقنيات الرقمية التى هي أصغر حجما وأفضل أداء وأقل ثمنا مقارنة بما كان قبلها، ومن أمثلة ذلك التلفاز والمذياع ومسجلات الصوت.

لقد شاعت التقنيات الرقمية وتلقاها الناس بالقبول وفضلوها على ماليس رقميا، ما دفع الإنسان إلى عدها حلاً لمشكلاته التي واجهها مع التقنيات القديمة ، بل أن هناك سعيا حثيثا من رواد التقنية ومصنعيها لإضفاء الصبغة الرقمية على التقنيات الوليدة والموجودة .

يتناول هذا المقال تقنيات النظم الرقمية بدءا من التعريف بالجيل السابق من التقنيات والنظم، وتحديد مواطن الضعف والقصور فيها، وكيف استطاعت النظم الرقمية التفوق عليها.

  الإشارات والنظم

 يعتمد المهندسون في تصميم النظم الإلكترونية القديمة والحديثة على تطوير وظائفها كي تتمكن من معالجة الإشارات الداخلة إليها، لتخرج إشارات أخرى بمواصفات متغيرة وفقا للوظيغة التي من أجلها صمم ذلك النظام، لذلك ينبغي التعرف أكثرالى الإشارات، ومن ثم نستطبع فهم النظم.

فالإشارة هي علاقة بين متغيرين أو أكثر، وجميعها متغيرات مستقلة لا تتأثر بهذه العلاقة بل تؤثر فيها - إلا متغيرا واحدا فقط يكون تابعا لهذه المتغيرات المستقلة، ولا يمكننا تحديد قيمته أوحالته إلا بعد تحديد قيمة أو حالة المتغبرات المستقلة، ومن أمثلة الإشارات في حياتنا اليومية درجات الحرارة المسجلة خلال يوم كامل، فتلك علاقة بين متغيرين، حيث نجد أن المتغير المستقل هو الزمن، ويمكن قياسه بالساعات، بينما المتغير التابع هو درجة الحرارة، ويمكن قياسها بالدرجات المئوية، ويوضح الشكل التالي مثال على إشارة درجات الحرارة خلال ساعات اليوم .

درجات الحرارة المسجلة خلال ساعات اليوم

فلو سُئل أحد عن درجة الحرارة سؤالاً مطلقا دون تحديد الزمن المطلوب فلا يمكن الجواب عن ذلك السؤال حتى يحدد السائل الساعة التي يعنيها، فلو كان السائل يقصد درجة الحرارة التي سجلت عند الساعة الثامنة صباحا فيمكنك الرجوع إلى الإشارة التي في الشكل لتعرف أن درجة الحرارة في تلك الساعة كانت ثلاثا وعشرين درجة مئوية، وبهذا يتضح لنا أن درجة الحرارة هي إشارة لا يمكن تحديد قيمتها إلا إذا حددنا قيمة الزمن أولا، فقيمة درجة الحرارة متغيرة تابعة للزمن، بينما الزمن متغير مستقل يمكن تحديده دون اللجوء إلى درجة الحرارة.

الجدير بالذكر أن معظم النظم الإلكترونية المستخدمة في حياتنا تعالج الإشارات الداخلة إليها لتولد إشارات أخرى يستفاد منها، وقد تخضع هذه الإشارات الخارجة هي الأخرى إلى معالجات عدة من خلال سلسلة من النظم حتى تكتمل الوظيفة النهائية التي طوَّر الإنسان من أجلها هذه النظم التي يكمل بعضها بعضا كما يحدث في أنظمة الاتصالات والبث التلفزيوني والإذاعي ، حيث إن هذه النظم تعالج عدة أنواع من الإشارات لتصل-في نهاية الأمر -إلى إشارات يمكن إدراكها بأسماعنا وأبصارنا التي هي أيضا أنظمة معقدة تحول هذه الإشارات إلى إشارات عصبية تنتهي إلى العقل البشري الذي يعالجها للوصول الى نتيجة نهائية يستفيد منها الإنسان.

من أمثلة النظم الإلكترونية المشهورة -منذ زمن بعيد في حيانننا — هي مسجل أشرطة الصوت أو أشرطة الكاسيت الذي يحول اشارات الصوت إلى إشارات كهربائية متصلة الزمن، ثم يخزنها في الشريط ثم يستعيدها متى طُلب منه ذلك، فيحول الإشارات التي يستلمها من الشريط الى إشارات أخرى تنتهي بإشارات صوتية ندركها بأسماعنا، ومثال آخرهو المذياع (الراديو) الذي يستقبل إشارات الراديو الكهومغناطيسية التي تبثها محفطات الإذ اعة لاسلكيا في الجو فيحولها إلى إشارات كهربائية أيضا يعالجها عبر دوائر إلكترونية ما ينتج عنه استخراج إشارة الكلام المتضمنة في الإشارة المستلمة، ثم تحويلها إلى إشارة صوتية ندركها بأسماعنا، فنعلم ما يقوله المذيع في استوديوهات الإذاعة.

إشارة كهربائية تمثل قراءة الميكرفون للصوت الناتج عن نطق كلمة "لسان"

يتعامل هذان النظامان مع الإشارات الصوتية التي يتكون منها الكلام البشري، ويمكن تمثيل هذه الإشارة بيانيا من خلال قياس مقدار شدة صوت الإنسان ، وبما أن النظلم الإلكترونية لا تحسن التعامل إلا مع الإشارات الكهربائية فإنها لن تستطبع التعامل مع الإشارات الصوتية قبل أن تتحول إلى إشارات كهربائية، وعليه تسوغ هذه الحقيقة ضرورة وجود الميكروفون في أي نظام إلكتروني يعالج الأصوات: كالهاتف والمسجل، حيث إنه هو النظام المسؤول
عن تحويل إشارات الصوت إلى إشارات كهرباء يمكن للنظم أن تتعامل معها كهربائيا، ويبين الشكل المجاور إشارة كهربائية أنتجها الميكروفون نتيجة لدخل إشارة صوتية صدرت عن متكلم حينما كان ينطق بكلمة (لسان) ، ويقاس الزمن بوحدة الملي ثانية، وهي جزء من ألف جزء من الثانية، بينما تقاس مخرجات الميكروفون بالفولت، وهو وحدة قياس فرق جهد الإشارات الكهربائية عموما، ويوضح الشكل  إشارة كلمة لسان، وكذلك تفاصيل الإشارة التي نتجت عن نطق حرف اللام وتبعها إشارة الكسرة ليكونا معا اللام المكسورة التي تبدأ بها كلمة لسان.

دوافع ظهور النُّظم الرقمية 

 على الرغم من استفادة الإنسان - لسنين عدة -من كثير من النظم السابقة لظهور الأنظمة الرقمية، إلا أنه واجه بعض العقبات بسبب طبيعة تلك النظم التي عجزت عن تلبية مطالبه المتزايدة، وعن استيعاب التعقيدات التي تصاحب تلك المطالب، ومن أمثلة ذلك:

1- تعرض الإشارة للتشويش وللتداخل قبل وصولها إلى النظام الذي يستقبلها ما يؤدي حتما إلى تغير قيمتها، فلا يملك النظام في هذه الحالة سوى أن يعالجها كما وصلته، ليخرج لنا الإشارة التي قد لا نرضى عن جودتها و نقائها إذا كان التداخل والتشويش شديدين، وإن كان هذا الخطأ قد لا يكون مؤثرا كثيرا في بعض التطبيقات، إلا أنه أمر مقلق جدا في تطبيقات أخرى.

2-  ضعف الإشارة لطول المسافة بين المرسل والمستقبل، فلا يستطيع نظام الاستقبال تقويتها وتصفيتها إن كانت المسافات بعيدة جدا، وعندئذ يمكن استخدام أنظمة لتقوية الإشاوة على مراحل متتابعة بين موقعي المرسل والمستقبل، بحيث تعمل تلك المقويات على استقبال الإشارة قبل أن تدخل في حالة الضعف الشديد، ثم تصفيها وتعيد بثها تارة أخرى بعد تقويتها حتى تصل إلى المستقبل الأخير في حالة يمكن معها الاستعادة من تلك الإشارة، ومن أمثلة ذلك يوضح الشكل (٣)

كيف استخدمت شدة اللون لتوضيح شدة الإشارة، حيث يوضح في الشكل

تأثير محطات التقوية على زيادة المسافة بين محطة الإرسال والاستقبال

(أ) أن الإشارة بعد أن قطعت مسافة طويلة وصلت إلى محطة الاستقبال وهي في حالة ضعف شديد يتعذر معها استفادة المستقبل منها، بينما يوضح الشكل(ب) أن استخدام محطات التقوية ساعد على استدراك الإشارة قبل خفوتها، حيث تم تجديد قوتها بإعادة بثها من جديد إلى المححلة التالية، وهكذا تسنمر السلسلة حتى تصل إلى محطة الاستقبال بقوة مناسبة يمكن التعامل معها. إن خضوع الإشارة لعملية التقوية لا يمكن أن يعيدها أبدا إلى قيمتها الأصلية، ولكن إلى قيمة أخرى قد تكون قريبة من القيمة الأصلية، وبهذا فإن كل نظام تقوية سوف يكون مصدرا لإضافة الأخطاء إلى مقدار الإشارة، إما بالزيادة أو النقصان، ومع طول المسافات وكثرة المقويات تزداد الأخطاء في قراءة مقدار الإشارة وتتراكم حتى تصل إلى تدهور واضح في جودتها ونقائها.

 3- التشفير: حيث لم تلبي الأنظمة القديمة تعمية (تشفير) الإشارات لغرض حماية البيانات التي تحتويها من التجسس، كما يحدث في بعحض نظم الاتصالات الآمنة، حيث يُعمى محتوي الإشارات قبل إرسالها ثم يتم إظهار المحتوى عند وصول الإشارةإلى نظام الاستقبال، بأن تزال هذه التعمية بطرق وخطوات متفق عليها بين نظامي الإرسال والاستقبال، حيث إن عمليات التعمية اليوم قد تطورت عما كانت عليه في الماضي، بحيث واكبت الطلب المتزايد عليها نظرا لأهميتها وضرورة وجودها في كثير من النظم الحديثة , وأصبح من الصعب جدا كشف البيانات المعماة .

إن نظم التعمية تؤدي وظيفتها من خلال إخضاع الإشارة لعمليات حسابية قبل إرسالها، ثم تخضع الإشارة المرسلة لعمليات حسابية عكسية لدى استقبالها تكون نتيجتها إزالة التعمية عن الإشارة، واظهار الإشارات الأصلية .

ويوضح الشكل التالي  أمثلة لبعض العمليات الحسابية التي قد تخضع لها بيانات الإشارة قبل الإرسال، والعمليات الحسابية العكسية بعد الاستقبال، إضافة إلى ذلك، فإن الإشارة قد تخضع لعمليات حسابية إضافية بهدف اكتشاف آي أخطاء طارئة على مقدارها وربما تصحيحها، وهناك أيصا عمليات أخرى تهدف إلى تقليص زمن الإشارة أثناء إرسالها (زمن الإرسال) ، ومن ثم زيادة سرعة الاتصال وتقليص حجم التخزين تماما، كما يحدث في حالة الملفات في الحاسب وهو ما نسميه «ضغط البيانات أوضغط الملفات)) . وهناك كثيرمن العمليات غيرتلك التي ذكرت نحتاج إلى أن نطبقها على الإشارات للحصول على نتائج وخصائص أفضل، وتلك العمليات الحسابية متقدمة ومعقدة ويجب أن تطيق على أرقام محددة، وفي لحظات يمكن إحصاؤها حتى يمكننا إعادتها لأصلها بصورة صحيحة ودقيقة .

خضوع بيانات الإشارة لبعض العمليات الحسابية قبل الإرسال وأخرى عكسية بعد الإرسال

 الإشارات ذات المقدار الرقمي

 يتضح مما سبق أن الإشارات بشكلها الذي كانت عليه في الماضي تقف عاجزة أمام تلبية كثير من متطلبات الإنسان الحديثة نظرا لما أسلفناه من تأثرها الشديد بالتشويش، وصعوبة ارسالها لمسافات بعيدة، وصعوية إخضاعها لكثير من العمليات الحسابية بغرض تعميتها أو تصحيحها أوضغطها، وغير ذلك من مواطن الضعف والقصور فيها، ولذلك فلا بد من تغيير طبيعتها لجعلها آكثرتقبلا لتلك العمليات والتحديات، وذلك من خلال خطوتين هما:

1- عد لحظات الإشارة الزمنية خلال مدة معينة، وذلك بأخذ عينات منها خلال لحظات معدود في تلك المدة، ونكتفي بها مع تجاهل كل القيم الواقعة خلال اللحظات التي لم نجمع خلالها العينات كما في المثال الموضح في الشكل ، وهكذا فإن الإشارة ستفقد طبيعتها المتصلة، ويمكن تسميتها حينئد بالإشارة المتقطعة، وبما أنها تتكون من لحظات يمكن عدها، فإن الإشارات المتقطعة يمكن أن تدخل في كثير من التطبيقات الجديدة التي عجزت عنها الإشارات المتصلة، مثل تناوب مستخدمي الهاتف على استخدام خط واحد مشترك .

إحصائية إشارة متقطعة رقمية نتجت عن تقسيم مقدار الإشارة المتقطعة التماثلية إلى مستويات معدودة

2- تقسيم مقدار الإشارة لمستويات محددة ومعدودة، بحيث يعطي كل مستوى منها رقما صحيحا (الأرقام الصحيحة هي ٤،٣،٢،١،..٠ا) بحيث تقع كل قيمة من قيم الإشارة ضمن أحد تلك المستويات، وبدلا من استخدام القيمة الأصلية للإشارة في لحظة من اللحظات يستخدم رقم المستوى الذي تنتمي إليه وحينئذ سيصبح لدينا إشارة ذات مستويات مرقمة، ولذلك اصطلح على تسمية هذا النوع من الإشارات ((إشارة رقمية)). حيث يلاحظ أن الإشارة في الشكل(أ) قد أخذت منها عينات لتصبح إشارة متقطعة، شكل(ب) ، وبعد ذلك يمكن تكوين عدد من الإشارات المتقطعة الرقمية

إذا قسمنا قيم المتغير التابع إلى مستويات معدودات، كما يلاحظ في الشكل (ج) و(د)و(هـ).

إن تقسيم مقدار الإشارة إلى مستويات وترقيم القيم حسب مستوياتها هو في حقيقة الأمر تغيير لمقدار الإشارة إما بالزيادة أو بالنقصان، وهذا التغيير ما هو إلاخطأ نضيفه عمدا إلى الإشارة، ومن الضروري معرفة كيقية التحكم بهذا الخطأ الحاصل ومدى تأثيره في معلومات الإشارة، وبالنظر إلى شكل السابق يلاحظ أن مقدارالإشارة المتقطعة الرقمية (ج) قد قسم إلى اثنين وثلاثين مستوى، ويقابل ذلك ستة عشر مستوى في مقدار الإشارة (د) وأربعة مستويات في مقدار الإشارة (هـ) ، ويلاحظ أن أكثر الإشارات شبها بالإشارة الأصلية هي الإشارة (ج) التي هي الإشارة ذات أكبر عدد من المستوات، ثم تليها الإشارة (د) ثم أخيرا الإشارة (هـ) التي هي أقل الإشارات الرقمية شبها بالإشارة (ب). ويعود السبب في ذلك إلى أنها صاحبة أقل عدد من المستويات، ومن ثم يمكن استنتاج انه كلما زاد عدد مستويات التقسيم قل الخطأ الذي يطرأ على الإشارة، ومن ثم ستكون الإشاوة أكثر شبها بالإشارة الأصلية التي اشتقت منها، والعكس صحيح، فكلما قل عدد المستويات سيقل الشبه بينها وبين الإشارة الأصلية.

عندما تتم معالجة الإشارة داخل النظم الرقمية فإنها تكون متقطعة الزمن رقمية المقدار، بحيث يمكن التعامل معها على أنها أرقام منفصلة عن بعضها بعنا يعالجها النظام الرقمي من خلال عمليات حسابية تعطي النتائج المطلوبة بكل دقة وكفاءة، فالنظم الرقمية ما هي إلا حاسبات متخصصة في تطبيق معين تتفاوت في قدراتها وتعقيداتها، وبما أن الإشارة أصبحت مجموعة من الأرقام، فإنها يمكن أن تفتح آفاقا جديدة من التطبيقات، وتلبي المزيد من المتطلبات الحديثة، وتتقوق على الإشارات التماثلية في كثير من النواحي فمثلاً لا تتأثر الإشارات الرقمية بكثرة محطات التقوية، حيث يمكن لكل نظام تقوية أن يعيد الإشارة للقيمة نفسها التي أرسلت بها اذا استدركها مبكرا قبل أن يعتريها ضعف شديد، وبذلك ترجع لحالتها الأولى بدقة ولا يؤدي طول المسافة إلى تراكم الأخطاء وتشويش الإشارة واضمحلالها، وكذلك يمكن للإشارات الرقمية أن تدخل في عمليات التعمية، واكتشاف الأخطاء وتصحيحها، وضغط البيانات وتخزينها وإعادة إنتاجها، وغيرذلك من العمليات الهندسية الكثيرة والمعقدة.

  النظم الرقمية في حياتنا

 تعد النظم الرقمية حاضرة وخادمة وفعالة في جميع جوانب حياتنا اليومية، فنشاهد التلفاز الرقمي الذي يعرض قنوات من نظام الاستقبال الرقمي الذي يستقبل إشارات من قمر اصطناعي رقمي وكذلك حين تجري مكالمة بالهاتف الجوال فإننا نوظف هذا النظام الرقمي لإرسال كلامنا بصورة إشارات رقمية لأبراج الاتصالات الرقمية إلى حيث الطرف الآخر من المكالمة، ومثله المذياع، فإنه وإن لم يكن رقميا خالصا بعد، إلا أن له أزرار تحكم رقمية وواجهة استخدام رقمية، فبات بالإمكان التنقل بين الإذاعات، وحفظ تردادت الموجات باستخدام الدوائر الرقمية التي في المذياع، وليس المذياع وحده الذي أصبح ذا واجهة استخدام رقمية، بل أكثر أجهزة المنزل كالغسالة والثلاجة والفرن، و بتصور أشمل فالنظم الرقمية ما هي إلآ نظم إلكترونية تؤدي وظيفتها عن طريق معالجة الأرقام، وبهذا التصور يمكن اختزال أى نظام رقمي في كونه حاسيا مصغرا متخصصا في أداء وظيفته التي صمم لأجلها، فحينئد سنكتشف أن النظم الرقمية حاضرة معنا في السيارة، حيث إن أنظمة التحكم في المحرك والوقود والحرارة وغيرها ما هي إلا نظم رقمية لا نراها مباشوة، لكنها ضرورية كي تؤدي السيارة وظيفتها، ومثلها نظم التحكم في الطائرة، فلا يؤدي الطيار مهمة دون استخدام العديد من النظم الرقمية كنظم الملاحة الجوية والرادارات، ونظم الاتصالات، سواء في الطائرات المدنية أو الحربية، واذا انتقلنا الى المستشفيات فما ينفك الأطباء والممرضين محتاجين في غرفا العمليات والعناية المركزة إلى النظم الحساسة الدقيقة الرقمية التي تستخدم لقياس ضغط الدم ونبض القلب والوظائف الحيوية في جسم الإنسان كافة، وعليه لا يمكن حصر الأمثلة للنظم الرقمية، فقد باتت عاملآ مهئا في كل جوانب حياتنا.

الخلاصة 

اتضح من خلال ما تناولناه آنفا أن النظم التي استخدمها الإنسان في الماضي لعشرات السنين - ولا تزال تستخدم في مجالات عذة وتطبيقات متنوعة — قد ظهر فيها بعضى جوانب الضعف والقصور في الأداء مع تزايد متطلبات الإنسان وكثرة تعقيدات التطبيقات الحديثة، وعليه لجأ مهندسو النظم الإلكترونية إلى تقطيع زمن الإشارة من خلال أخذ عينات منها، ورقموا مقدار العينات المأخوذة من خلال تقسيم المقدار إلى مستويات معدودات ثم ترقيمها، لينتج عن ذلك الإشارات الرقمية التي يمكن معالجتها بالنظم الرقمية الحاسوبية، فكانت بفضل الله سببا لفح آفاق رحبة لكثير من التطبيقات، ولحل كثير من المشكلات والتحديات التي يواجهها الإنسان .

2:40 م