الملخص

معظم تراميز الخط Line Coding المعروفة لها فاعلية إرسال Transmission Efficiency مقدارها بت واحد بالرمز، ولذلك تلجأ بعض تراميز الخط إلى ثلاثة مستويات لتحسين فعالية الإرسال، ولكن أقصى ما يمكن الوصول إليه في ثلاثة مستويات هو فاعلية إرسال مقدارها . وإن زيادة عدد المستويات يؤدي إلى زيادة التعقيد في معالجة الإشارة، وإلى تكاليف إضافية في الاستطاعة وعرض الحزمة لتعويض زيادة معدل الخطأ في البت مع زيادة عدد المستويات.

تتناول هذه المقالة تقنية ترميز خط جديدة تمكِّن من إرسال رمزين على التوازي في نفس الوقت، وذلك باستعمال ترميز خط واحد دون الإخلال بالخواص الجيدة لترميز الخط. تعتمد منهجية بناء ترميز الخط الجديد على ترميزَي خط معروفين دُمجا معًا. وفي طرف الاستقبال نعرض إجرائيةَ فصلٍ بسيطةً تمكِّن من استرجاع الرموز المرسَلة لكل مستعمل دون حصول أي تداخل بينهما.

الكلمات المفتاحية: ترميز الخط، التعديل القاعدي.

المقدمة

تُرسَل الإشارة القاعدية في الاتصالات عبر العديد من القنوات مباشرة دون تحميلها على تردد حامل. ولما كانت كافة قنوات النقل محدودة بالتردد، فهذا يستدعي تشكيل الإشارة القاعدية - أو ترميزها - قبل الإرسال. أما في طرف الاستقبال فيتم استرجاع التشكيل أو الترميز للحصول على الإشارة الأصلية. وإن معظم نظم الاتصالات التي تعمل على قنوات نقل الكوابل الضوئية تَستعمل الإشارات الرقمية المرمزة. وتسمى هذه العملية في العديد من الكتابات ترميز الخط Line Coding. تساعد تقنيات ترميز الخط المختلفة على إجراء عملية التزامن وضغط الطيف وتشكيله بما يناسب القناة، حيث نهتم في الاتصالات باستعمال أقل طاقة وحزمة ترددية ممكنة.

تُرسَل المعطيات الرقمية في ترميز الخط باستعمال أنواع مختلفة من النبضات، ويُختار زوج النبضات المناسب لتمثيل البت 1 والبت 0 عادة وفق الاعتبارات الآتية:

• وجود أو غياب المركبة المستمرة DC.
• فعالية الطيف (طاقة وعرض حزمة ترددية).
• التزامن.
• القدرة على ممانعة الأخطاء في الكشف.

ومن أشهر تقنيات ترميز الخط:

• الترميز الوحيد القطبية Unipolar: البت 1 يمثَّل بمستوى موجب، أما البت 0 فيمثل بمستوى معدوم.

• الترميز القطبي Polar: البت 1 والبت 0 يُمثَّلان بمستويين موجب وسالب متساويين.
• الترميز الثنائي القطبية Bipolar: البت 1 يُمثَّل بمستوى متناوب موجب أو سالب، والبت 0 يُمثَّل بمستوى معدوم، ومن أشهر هذه التراميز ترميز مبدل الدالة AMI.
• ترميز Manchester: يُمثَّل البت 1 بمستوى موجب لنصف مدة النبضة وبمستوى منخفض لنصف مدة النبضة الآخر، أما البت 0 فيمثَّل بشكل معاكس لتمثيل البت 1.

ويوجد تصنيفان لترميز الخط هما:

• الترميز غير العائد للصفر NRZ: في هذا الترميز قيمة الإشارة تبقى ثابتة خلال كامل مدة البت.
• الترميز العائد للصفر RZ: في هذا الترميز تعود الإشارة إلى المستوى صفر خلال مدة البت.

لكلِّ ترميز خطٍّ إيجابياتٌ وسلبيات؛ فمثلًا الترميز غير العائد للصفر الوحيد القطبية unipolar NRZ لا يتطلب سوى منبع جهد وحيد، ولكنه يحوي مركبة مستمرة، ومن ثَم يحتاج إلى قناةٍ استجابتُها الترددية معدومة أو منخفضة عند التردد F=0، في حين أن الترميز غير العائد للصفر القطبي Polar NRZ لا يحوي مركبة مستمرة، ولكنه يتطلب منبعَيْ جهدٍ متعاكسَيْن في القطبية. وأما ترميز مانشستر غير العائد للصفر فلا يحوي مركبة مستمرة، ولكنه يتطلب عرض حزمة تساوي ضعفَيْ عرض الحزمة في الترميزين السابقين. لمزيد من التوضيح نعرض في الشكل 1 مثالًا على التمثيل الكهربائي لعدة أنواع من تراميز الخط لسلسلة المعطيات الرقمية [01101001].

الشكل 1: التمثيل الكهربائي لترميز الخط: a-الوحيد القطبية غير العائد للصفر، b-غير العائد للصفر القطبي، c-الوحيد القطبية العائد للصفر، d-العائد للصفر الثنائي القطبية، e-مانشستر.

ترميز خط جديد للإرسال المتوازي

نعرض فيما يلي ترميزَ خطٍّ جديدًا يمكِّن من إرسال رمزين على التوازي في نفس الوقت على نفس مجال البت في مدة بت واحد، على عكس تراميز الخط المعروفة التي ترسل رمزًا واحدًا تسلسليًّا خلال مجال البت.

1- منهجية الترميز الجديد

نرسل بتَّين من رمزين مختلفين، البت الأول من الرمز الأول والبت الثاني من الرمز الثاني، فنحصل على أربع تشكيلات مختلفة للمعطيات الرقمية المرسَلة (00, 01, 10, 11)، وتُمثَّل المعطيات الرقمية كهربائيًّا كما يلي:

• نمثِّل بـ 00 نبضةً سالبةَ المطال (-A)، متبوعةً بنبضة موجبة المطال (+A)، بحيث تمتد كل نبضة على نصف زمن البت.
• نمثِّل بـ 01 نبضةً معدومةَ المطال على نصف زمن البت، متبوعةً بنبضة سالبة المطال (-A) على النصف الثاني.
• نمثِّل بـ 10 نبضةً موجبةَ المطال على نصف زمن البت، متبوعةً بنبضة معدومة المطال على النصف الثاني.
• نمثِّل بـ 11 نبضةً موجبةَ المطال على نصف زمن البت، متبوعةً بنبضة سالبة المطال على النصف الثاني.

يوضِّح الجدول 1 هذا التمثيل.

الجدول 1: التمثيل الكهربائي لترميز الخط الجديد

 

من التمثيل السابق يمكننا استخلاص الخواص الآتية للترميز الجديد:

• الجزء الموجب من الإشارة يشير دومًا إلى البت المأخوذ من الرمز الأول.
• الجزء السالب من الإشارة يشير دومًا إلى البت المأخوذ من الرمز الثاني.
• موقع القيمة الموجبة يتغير مع الزمن فقط في تمثيل التشكيلة 00.

2-  منهجية الإرسال

في هذا الترميز الجديد، يمكن تلخيص استراتيجية الإرسال بالنقطتين الآتيتين:

• تشكيل الرمز المرسَل بحيث يكون البت الأول من الرمز الأول والبت الثاني من الرمز الثاني.
• تنفيذ التشكيل الكهربائي للترميز كما شرحناه في الفقرة السابقة.

مثال: ليكن الرمز الأول (01010)، والرمز الثاني (11000)، وباستعمال استراتيجية الإرسال المذكورة آنفًا نرسل الرمزين معًا. يبيِّن الجدول 2 التمثيل الثنائي للرمز المرسَل، ويبيِّن الشكل 2 الإشارة الكهربائية الناتجة عن تطبيق الترميز الجديد.

الجدول 2: التمثيل الثنائي للرمز المرسَل

 

 

الشكل 2: الإشارة المرسَلة للرمزين باستعمال ترميز خط واحد

 أداء ترميز الخط الجديد

- التزامن

يجب أن يمكِّن ترميزُ الخط للمستقبِل من مزامنة نفسه مع صفحة الإشارة المستقبلة. ولما كان الترميز الجديد يتطلب انتقالًا واحدًا فقط خلال مدة البت، فإن ذلك يسهل القيام بعملية التزامن وكشف الأخطاء خلال مدة البت.

- الكثافة الطيفية للاستطاعة PSD

تبين الكثافة الطيفية للاستطاعة قوة التغيرات بالاستطاعة باعتبارها تابعًا للتردد، وبعبارة أخرى تظهر الترددات التي تكون التغيرات عندها قوية، والترددات التي تكون التغيرات عندها ضعيفة، ومن شكل الترميز الجديد نلاحظ أنه ناتج عن تركيب ترميزَي خط هما ترميز Manchester وترميز Polar RZ، ومن ثَم فإن الكثافة الطيفية للاستطاعة للترميز الجديد هي متوسط الكثافة الطيفية للاستطاعة لكل من هذين الترميزين. يبيِّن الشكل 3 الكثافة الطيفية للاستطاعة للترميز الجديد، ويبيِّن الشكل 4 مقارنة الكثافة الطيفية لترميز الخط الجديد مع تراميز الخط الأخرى المعروفة. ومن هذا الشكل يمكننا استخلاص بعض الخواص الطيفية المتعلقة بالترميز الجديد:

• مقدار صغير جدًّا من المركبة المستمرة مقارنة بالترميزين Polar NRZ, RZ.
• الحد الأصغر من المحتوى الطيفي مقارنة بجميع تراميز الخط الأخرى.

وهنا يجب ألا ننسى أن الترميز الجديد يمكِّن من الإرسال المتوازي لرمزين خلال مدة واحدة مقارنةً بتراميز الخط الأخرى.

 

التردد المقيس

الشكل 3: الكثافة الطيفية للاستطاعة لترميز الخط الجديد

 

التردد المقيس

الشكل 4: مقارنة الكثافة الطيفية للاستطاعة لترميز الخط الجديد بتراميز الخط الأخرى المشهورة

- عرض الحزمة الترددية

يتضح من الشكل 4 أن عرض الحزمة اللازمة للترميز الجديد يساوي عرض الحزمة في حالة ترميز مانشستر، ولكن عرض الحزمة في الترميز الجديد يُستعمل لإرسال رمزين في نفس الوقت.

فك الترميز

يتم فك الترميز بفصل المعطيات المستقبلة إلى رمزين كما يلي:

• الرمز الأول يشير دائمًا إلى القسم الموجب (القسم الأعلى) من ترميز الخط، في حين أن الترميز الثاني يشير إلى القسم السالب (القسم الأسفل).
• في القسم الأعلى، إذا كانت المعطيات 1، فإن القيمة الموجبة ستكون في النصف الأول من زمن البت، وفي غير ذلك تكون 0.
• في القسم الأسفل، إذا كانت المعطيات 1، فإن القيمة السالبة ستكون في النصف الثاني من زمن البت، وفي غير ذلك تكون 0.

بتطبيق هذه الإجرائية على المثال المعروض سابقًا نحصل على الشكل 5.

 

الشكل 5: إجرائية فك الترميز للمثال السابق

الخاتمة

استعرضنا في هذه المقالة - بأسلوب مبسط - ترميز خط جديد يمتاز بدرجة عالية من الأداء مقارنة مع تراميز الخط الأخرى المعروفة. يتيح هذا الترميز إجراء التزامن بسهولة، والمركبة المستمرة شبه معدومة، ولكنه يستهلك عرض حزمة ترددية مساوية للحزمة المطلوبة في حالة ترميز مانشستر. ولكن الإيجابية الكبيرة لهذا الترميز أنه يمكِّن من إرسال رمزين في نفس الوقت على التوازي خلال مدة البت.

المراجع

1. Abu Ghalune, J., Alja'fary, M., Parallel Transmission using Line Code Methodology, International Journal of Networks and Communication, 2016, 6 (5): 98-101.
2. H. Chung and S. Jeon, Clock and Data Recovery of an Extended Manchester Code for PAM-n, 978-1-4673-4828-7/12, 2012, IEEE.
3. S. Verma, R. Singh, a multilevel coding for transmission of digital signals, IJARSE, Vol. No.2, Issue No.9, September 2013.
4. Nuha A., Abdelrasoul J., Method of Digital Encoding Data Transmission, IOSR Journal of Engineering (IOSRJEN), Vol. 04, Issue 03 (March. 2014).