استعادة الساعة

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

استعادة إشارة الساعة هي عملية في الاتصالات التسلسلية تُستخدم لاستخراج معلومات التوقيت من تدفق البيانات التسلسلية المرسلة، وذلك لتحديد تسلسل الحمولة بدقة دون الحاجة إلى معلومات ساعة منفصلة. وهي شائعة الاستخدام في اتصالات البيانات ؛ ويُعرف المفهوم المماثل المستخدم في الأنظمة التناظرية، مثل التلفزيون الملون، باستعادة الإشارة الحاملة .

المفهوم الأساسي

في الاتصالات التسلسلية، تُرسل البيانات وتُستقبل عادةً كسلسلة من النبضات ذات قيود زمنية محددة بدقة. في الاتصالات التسلسلية غير المتزامنة، يُمثل هذا مشكلةً للطرف المُستقبِل: فإذا لم تكن ساعته مُتزامنة بدقة مع ساعة المُرسِل، فقد يأخذ عينة من الإشارة في وقت خاطئ، وبالتالي يُفك تشفيرها بشكل غير صحيح. يُمكن معالجة هذه المشكلة جزئيًا باستخدام ساعات دقيقة ومستقرة للغاية، مثل الساعات الذرية ، ولكنها باهظة الثمن ومعقدة. أما أنظمة الساعات منخفضة التكلفة الأكثر شيوعًا، مثل مذبذبات الكوارتز ، فهي دقيقة بما يكفي لهذه المهمة لفترات زمنية قصيرة، ولكن على مدى دقائق أو ساعات، سيؤدي انحراف الساعة في هذه الأنظمة إلى عدم دقة التوقيت بشكل كبير لمعظم المهام.

تعالج تقنية استعادة الساعة هذه المشكلة عن طريق تضمين معلومات الساعة في تدفق البيانات، مما يسمح بتحديد توقيت ساعة المرسل. عادةً ما يتم ذلك عبر إشارات قصيرة تُضاف إلى البيانات، ويمكن رؤيتها بسهولة، ثم تُستخدم في حلقة قفل الطور أو مذبذب قابل للتعديل لإنتاج إشارة ساعة جهاز الاستقبال، والتي يمكن استخدامها لضبط توقيت الإشارة في الفترات الفاصلة بين إشارات الساعة. تكمن ميزة هذا الأسلوب في إمكانية تعويض أي انحراف طفيف في ساعة المرسل، حيث سيطابقها جهاز الاستقبال دائمًا، ضمن حدود معينة، وبالتالي سيقوم بأخذ عينات من البيانات المستلمة بشكل صحيح.

يُستخدم هذا المصطلح غالبًا لوصف نقل البيانات الرقمية، حيث تكون الإشارة بأكملها مناسبة لاستعادة التوقيت. على سبيل المثال، في أجهزة المودم  القديمة بسرعة 300 بت/ثانية ، كان توقيت الإشارة يُستعاد من الانتقالات بين الترددين المستخدمين لتمثيل الرقمين الثنائيين 1 و0. ولأن بعض البيانات قد لا تحتوي على أي انتقالات، كسلسلة طويلة من الأصفار مثلاً، تُضاف بتات إضافية إلى الإشارة، وهي بتات البدء والإيقاف. تضمن هذه البتات وجود انتقالين على الأقل كل 1/30 من الثانية، وهو ما يكفي لتمكين جهاز الاستقبال من ضبط مذبذبه المحلي بدقة .

يُستخدم المفهوم الأساسي أيضًا في مجالات متنوعة، بما في ذلك الاستخدامات غير الرقمية. على سبيل المثال، استخدم جهاز الاتصال اللاسلكي الرائد رقم 10 تقنية استعادة الساعة لأخذ عينات صحيحة من إشارات الصوت التناظرية ذات تعديل عرض النبضة (PWM) التي كان يحملها.

يُستخدم مثال آخر لهذا المفهوم في أنظمة التلفزيون الملون . تُنقل معلومات اللون بتردد محدد للغاية، قد يختلف من محطة إلى أخرى. ولتمكين أجهزة الاستقبال من مطابقة تردد الموجة الحاملة للمرسل بدقة ، يرسل المرسل نبضة قصيرة من الإشارة في المساحة غير المستخدمة قبل بداية خط المسح. تُستخدم إشارة نبضة اللون هذه لتغذية مذبذب محلي في التلفزيون، والذي بدوره يستخدم تلك الإشارة المحلية لفك تشفير معلومات اللون في الخط. في هذه الأمثلة، يُعرف هذا المفهوم باستعادة الموجة الحاملة .

تفاصيل

تُرسل بعض تدفقات البيانات الرقمية، وخاصةً تدفقات البيانات التسلسلية عالية السرعة (مثل تدفق البيانات الخام من رأس القرص المغناطيسي وشبكات الاتصال التسلسلي مثل الإيثرنت )، بدون إشارة ساعة مصاحبة . يقوم جهاز الاستقبال بتوليد إشارة ساعة من مرجع تردد تقريبي، ثم يُحاذي طور هذه الإشارة مع تغيرات تدفق البيانات باستخدام حلقة قفل الطور (PLL). هذه إحدى طرق تنفيذ عملية تُعرف باسم استعادة الساعة والبيانات (CDR). تشمل الطرق الأخرى استخدام حلقة قفل التأخير وأخذ عينات زائدة من تدفق البيانات. [ 1 ]

يمكن إجراء أخذ العينات الزائد بشكل أعمى باستخدام مراحل متعددة لساعة حرة التشغيل لإنشاء عينات متعددة من المدخلات، ثم اختيار أفضل عينة. أو يمكن استخدام عداد يعمل بساعة أخذ عينات تعمل بمضاعف معين لتردد تدفق البيانات، مع إعادة ضبط العداد عند كل انتقال في تدفق البيانات، وأخذ عينات من تدفق البيانات عند عدد محدد مسبقًا. يُطلق على هذين النوعين من أخذ العينات الزائد أحيانًا اسم أخذ العينات المكاني والزمني على التوالي . يتم الحصول على أفضل نسبة خطأ بت (BER) عندما تُؤخذ العينات في أبعد مكان ممكن عن أي انتقالات في تدفق البيانات. [ 2 ] في حين أن معظم تصميمات أخذ العينات الزائد التي تستخدم عدادًا تعتمد على تردد ساعة أخذ عينات يكون مضاعفًا زوجيًا لتردد تدفق البيانات، فإن المضاعف الفردي يُتيح إنشاء نقطة أخذ عينات أبعد عن أي انتقالات في تدفق البيانات، ويمكنه القيام بذلك بنصف تردد التصميم الذي يستخدم مضاعفًا زوجيًا تقريبًا. في سجلات استعادة البيانات من نوع أخذ العينات الزائد، يمكن استخدام الإشارة المستخدمة لأخذ عينات البيانات كساعة مستعادة.

يرتبط استعادة إشارة الساعة ارتباطًا وثيقًا بمشكلة استعادة الموجة الحاملة ، وهي عملية إعادة إنشاء نسخة متزامنة الطور من الموجة الحاملة عند استخدام نظام تعديل الموجة الحاملة المكبوتة . وقد طُرحت هذه المشكلات لأول مرة في ورقة بحثية عام 1956، والتي قدمت طريقة لاستعادة إشارة الساعة تُعرف الآن باسم حلقة كوستاس . [ 3 ] ومنذ ذلك الحين، تم تطوير العديد من الطرق الإضافية.

لكي تعمل هذه الآلية، يجب أن ينتقل تدفق البيانات بشكل متكرر بما يكفي لتصحيح أي انحراف في مذبذب PLL. يُعرف الحد الأقصى لمدة عمل وحدة استعادة الساعة دون انتقال بمواصفات الحد الأقصى للأرقام المتطابقة المتتالية (CID). ولضمان انتقالات متكررة، يُستخدم نوع من إشارات التوقيت الذاتي ، وغالبًا ما يكون ترميزًا محدود الطول ؛ يُعد ترميز 8b/10b شائعًا جدًا، بينما يؤدي ترميز مانشستر الغرض نفسه في الإصدارات القديمة من شبكات 802.3 المحلية .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ هسيه، مينغ-تا؛ سوبلمان، جيرالد (ديسمبر 2008). "بنى لاستعادة الساعة والبيانات عبر وصلات سلكية متعددة الجيجابت". مجلة IEEE للدوائر والأنظمة . 8 (4). معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات: 45-57 . doi : 10.1109/MCAS.2008.930152 . S2CID 15083473 . 
  2. ↑ المشرف (أغسطس 2015). "دليل المبتدئين لاستعادة بيانات الساعة" . أجهزة آرو. مؤرشف من الأصل بتاريخ 22-09-2016 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 07-09-2016 .
  3. ↑ كوستاس، جيه بي (1956). "الاتصالات المتزامنة". وقائع معهد مهندسي الراديو . 44 (12). معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات: 1713-1718 . doi : 10.1109/JRPROC.1956.275063 .