معلومات عن البيانات التماثلية والرقمية – Analog and Digital Data

 

يمكن أن تكون البيانات تماثلية أو رقمية حيث يشير مصطلح البيانات التماثلية إلى المعلومات المستمرة، وتشير البيانات الرقمية إلى المعلومات التي لها حالات منفصلة، فعلى سبيل المثال تعطي الساعة التماثلية التي تحتوي على عقرب للساعات والدقائق والثواني معلومات في شكل مستمر وتكون حركات العقارب مستمرة، أمّا من ناحية أخرى ستتغير الساعة الرقمية التي تسجل الساعات والدقائق فجأة من (8:05 إلى 8:06).
 

الإشارات التناظرية والرقمية – Analog and Digital Signals:
 

تحتوي الإشارة التماثلية على عدد لا نهائي من مستويات الشدة على مدى فترة زمنية، وعندما تنتقل الموجة من القيمة (A إلى القيمة B) فإنّها تمر عبرها وتتضمن عدداً لا نهائياً من القيم على طول مسارها، ومن ناحية أخرى يمكن أن تحتوي الإشارة الرقمية على عدد محدود فقط من القيم المحددة، وعلى الرغم من أنّ كل قيمة يمكن أن تكون أي رقم إلّا أنّها غالباً ما تكون بسيطة مثل (1 و0).
 

أنواع الإشارات في الاتصالات:
 

1. الإشارة الدورية (Periodic Signal): تكمل الإشارة الدورية نمطاً ضمن إطار زمني قابل للقياس يسمى فترة، وتكرر هذا النمط خلال فترات متطابقة لاحقة كما يُطلق على إكمال نمط كامل واحد اسم دورة.
    
2. إشارة غير دورية (Non-periodic signal): الإشارة غير دورية تتغير دون إظهار نمط أو دورة تتكرر بمرور الوقت.
    

الإشارة التماثلية الدورية:
 

يمكن تصنيف الإشارات التماثلية الدورية على أنّها بسيطة أو مركبة، وإشارة تماثلية دورية بسيطة وموجة جيبية حيث لا يمكن أن تتحلل إلى إشارات أبسط، كما تتكون الإشارة التماثلية الدورية المركبة من موجات جيبية متعددة.
 

الموجة الجيبية هي الشكل الأساسي للإشارة التماثلية الدورية، وعندما نتخيله على أنّه منحنى متذبذب بسيط فإنّ تغييره على مدار الدورة يكون سلساً ومتسقاً وتدفقاً مستمراً ومتداولاً حيث تتكون كل دورة من قوس واحد فوق محور الوقت متبوعاً بقوس واحد أسفله، كما يمكن تمثيل الموجة الجيبية بثلاث معاملات: اتساع الذروة والتردد والمرحلة.
 

1. ذروة السعة – Peak Amplitude:
 

سعة الذروة للإشارة: هي القيمة المطلقة لأعلى شدتها بما يتناسب مع الطاقة التي تحملها، أمّا بالنسبة للإشارات الكهربائية يتم قياس سعة الذروة عادةً بالفولت.
 

2. الفترة والتكرار – Period and Frequency:
 

تشير الفترة إلى مقدار الوقت بالثواني، كما تحتاج الإشارة لإكمال دورة واحدة والتردد يشير إلى عدد الفترات في (1s) حيث أنّ الفترة والتكرار هما فقط خاصية واحدة محددة بطريقتين، وتكون الدورة هي معكوس التردد والتكرار هو معكوس الفترة.
 

3. مرحلة – Phase:
 

يصف مصطلح المرحلة موضع شكل الموجة بالنسبة إلى الوقت (O)، فإذا كانت الموجة يمكن إزاحتها للخلف أو للأمام على طول محور الوقت، فإنّ المرحلة تصف مقدار هذا التحول.
 

4. الطول الموجي – Wavelength:
 

الطول الموجي: هو خاصية أخرى للإشارة التي تنتقل عبر وسيط الإرسال حيث يربط الطول الموجي فترة أو تردد موجة جيبية بسيطة بسرعة انتشار الوسط، أمّا في حين أنّ تردد الإشارة مستقل عن الوسيط فإنّ الطول الموجي يعتمد على كل من التردد والوسيط، والطول الموجي هو خاصية لأي نوع من الإشارات وفي اتصالات البيانات غالباً ما نستخدم الطول الموجي لوصف انتقال الضوء في الألياف الضوئية، والطول الموجي هو المسافة التي يمكن أن تقطعها إشارة بسيطة في فترة واحدة.
 

5. مجال الوقت والتردد – Time and Frequency Domain:
 

1. المجال الزمني – Time Domain:
 

يتم تعريف الموجة الجيبية بشكل شامل من خلال اتساعها وترددها ومرورها حيث يتم عرض الموجة الجيبية باستخدام ما يسمى بمخطط المجال الزمني، كما يُظهر مخطط المجال الزمني التغييرات في اتساع الإشارة فيما يتعلق بالوقت.
 

2. مجال التردد – Frequency Domain:
 

لإظهار العلاقة بين السعة والتردد نستخدم مخطط مجال التردد، ويكون مخطط مجال التردد معني فقط بقيمة الذروة والتردد.
 

يمكن بسهولة رسم مجال التردد ونقل المعلومات التي يمكن للمرء أن يجدها في مخطط المجال الزمني، ميزة مجال التردد هي أنّه يمكننا على الفور رؤية قيم التردد وسعة الذروة حيث يتم تمثيل موجة جيبية كاملة من خلال ارتفاع واحد، كما يظهر موضع السنبلة التردد ويظهر ارتفاعه ذروة السعة.
 

أشكال الموجات الكهربائية:
 

1. الأشكال الموجية أحادية الاتجاه (Uni-directional Waveforms): تكون هذه الأشكال الموجية دائماً موجبة أو سلبية بطبيعتها حيث تتدفق في اتجاه أمامي واحد فقط لأنّها لا تعبر نقطة محور الصفر، كما تتضمن الأشكال الموجية الشائعة أحادية الاتجاه إشارات توقيت الموجة المربعة ونبضات الساعة ونبضات الزناد.
    
2. الأشكال الموجية ثنائية الاتجاه (Bi-directional Waveforms): تسمى هذه الأشكال الموجية الكهربائية أيضاً أشكال الموجة المتناوبة لأنّها تتناوب من اتجاه موجب إلى اتجاه سلبي يعبر باستمرار نقطة المحور الصفري حيث تمر الأشكال الموجية ثنائية الاتجاه بتغيرات دورية في السعة، وأكثرها شيوعاً هي الموجة الجيبية.
    

1. الموجات الكهربائية ذات الموجة المربعة – Square Wave Electrical Waveforms:
 

تُستخدم أشكال الموجة المربعة على نطاق واسع في الدوائر الإلكترونية والميكروية لإشارات التحكم في الساعة والتوقيت لأنّها أشكال موجية متناظرة ذات مدة متساوية ومربعة تمثل كل نصف دورة وتستخدم جميع الدوائر المنطقية الرقمية تقريبًا أشكال موجة موجية مربعة على المدخلات والمخرجات بوابات.
 

على عكس الموجات الجيبية التي لها شكل موجة صعود وهبوط سلس مع زوايا دائرية عند قمتها الموجبة والسالبة، فإنّ الموجات المربعة من ناحية أخرى لها جوانب شديدة الانحدار عمودياً تقريباً صعوداً وهبوطاً مع قمة مسطحة وقاع ينتج عنها شكل موجة يتوافق مع وصفها.
 

إنّ الأشكال الموجية الكهربائية مربعة الشكل متناظرة في الشكل حيث أنّ كل نصف من الدورة متماثل، لذا يجب أن يكون الوقت الذي يكون فيه عرض النبضة موجباً مساوياً للوقت الذي يكون فيه عرض النبضة سالباً أو صفراً، أمّا عند استخدام أشكال الموجة المربعة كإشارات على مدار الساعة في الدوائر الرقمية، يُعرف وقت عرض النبضة الموجب باسم دورة العمل لهذه الفترة.
 

أمّا بالنسبة لشكل الموجة المربعة، فإنّ الوقت الموجب أو الوقت “ON” يساوي الوقت السالب أو الوقت “OFF”، لذا يجب أن تكون دورة العمل (50%) أي نصف فترتها حيث أن التردد يساوي مقلوب الفترة.
 

2. الأشكال الموجية المستطيلة – Rectangular Waveforms:
 

تتشابه الأشكال الموجية المستطيلة مع شكل الموجة المربعة إلّا أنّ الفرق هو أنّ عرضي النبضة لشكل الموجة لهما فترة زمنية غير متساوية، لذلك تصنف الأشكال الموجية المستطيلة على أنها أشكال موجية غير متناظرة.
 

يكون عرض النبضة الموجب أقصر في الوقت المناسب من عرض النبضة السالب، و بالتساوي يمكن أن يكون عرض النبضة السالب أقصر من عرض النبضة الموجب، وفي كلتا الحالتين سيظل شكل الموجة الناتج هو شكل موجة مستطيلة.
 

يُطلق على عروض النبضة الموجبة والسالبة هذه أحيانًا اسم “علامة” و”مسافة” على التوالي حيث تُعرف نسبة وقت العلامة إلى وقت الفراغ باسم نسبة علامة إلى الفضاء للفترة ولشكل موجة مربعة هذا من شأنه أن يساوي واحد.
 

يمكن استخدام أشكال الموجة المستطيلة لتنظيم كمية الطاقة التي يتم تطبيقها على حمل مثل المصباح أو المحرك عن طريق تغيير دورة عمل شكل الموجة. كلما زادت دورة التشغيل، زاد متوسط ​​كمية الطاقة التي يتم تطبيقها على الحمل وانخفضت دورة التشغيل، وكلما قل متوسط ​​مقدار الطاقة المطبقة على الحمل، ومن الأمثلة الممتازة على ذلك في استخدام نبض عرض أجهزة التحكم في السرعة.
 

3. أشكال موجية مثلثة – Triangular Waveforms:
 

الأشكال الموجية المثلثية: هي بشكل عام أشكال موجية غير جيبية ثنائية الاتجاه تتأرجح بين قيمة ذروة موجبة وسالبة، وعلى الرغم من تسميتها بالشكل الموجي المثلث إلّا أنّ الموجة المثلثية هي في الواقع أكثر من شكل موجة منحدر خطي متماثل لأنّها ببساطة إشارة جهد بطيئة الارتفاع والهبوط بتردد أو معدل ثابت، ويكون معدل تغير الجهد بين كل اتجاه منحدر متساوٍ خلال نصفي الدورة.
 

بالنسبة للأشكال الموجية المثلثية فإنّ المنحدر الموجب أي الارتفاع له نفس المدة الزمنية مثل منحدر الاتجاه السالب الاضمحلال ممّا يعطي الشكل الموجي المثلث دورة عمل بنسبة (50%) ثم أي سعة جهد معينة، فإنّ تردد شكل الموجة سيحدد متوسط ​​مستوى الجهد للموجة، أمّا بالنسبة للارتفاع البطيء والتأخير البطيء للمنحدر سيعطي متوسط ​​مستوى الجهد أقل من وقت الارتفاع والانحلال الأسرع، ومع ذلك يمكن إنتاج أشكال موجية مثلثة غير متناظرة عن طريق تغيير قيم المنحدرات الصاعدة أو المتحللة لتعطينا نوعًا آخر من أشكال الموجة يُعرف عادةً باسم شكل موجة سن المنشار.