مضخمات الصوت الرقمية

نظام D-AMPS ( الوصول المتعدد بتقسيم الوقت الرقمي )، والذي يُشار إليه غالبًا باسم TDMA ، هو نظام اتصالات خلوية من الجيل الثاني ( 2G ) كان شائعًا في الأمريكتين ، وخاصة في الولايات المتحدة وكندا ، منذ إطلاق أول شبكة تجارية له عام 1993. ^{[ 1 ]} وشملت شبكات D-AMPS الكبيرة السابقة شبكات AT&T و Rogers Wireless . ويُشتق اسم TDMA من اختصار " الوصول المتعدد بتقسيم الوقت" ، وهي تقنية وصول متعدد شائعة الاستخدام في معظم معايير الجيل الثاني، بما في ذلك GSM . وقد تنافس نظام D-AMPS مع نظام GSM والأنظمة القائمة على الوصول المتعدد بتقسيم الشفرة (CDMA). ويُعتبر الآن نظامًا منتهي الصلاحية ، حيث تم إغلاق الشبكات الحالية واستبدالها بتقنيات GSM/ GPRS أو CDMA2000 . وكانت شركة US Cellular آخر شركة اتصالات تُشغل شبكة D-AMPS ، والتي أوقفت تشغيلها في 10 فبراير 2009. ^{[ 2 ]}

يُعرف نظام D-AMPS تقنيًا باسم IS-54 وخليفته IS-136. ^{[ 3 ] [ 4 ]} كان IS-54 أول نظام اتصالات متنقلة مزودًا بميزات أمان، وأول نظام يستخدم تقنية الوصول المتعدد بتقسيم الوقت (TDMA). ^{[ 5 ]} أضاف IS-136 عددًا من الميزات إلى مواصفات IS-54 الأصلية، بما في ذلك الرسائل النصية القصيرة (SMS) وبيانات التبديل الدائري (CSD) وبروتوكول ضغط مُحسَّن. كانت كل من الرسائل النصية القصيرة وبيانات التبديل الدائري متاحة كجزء من بروتوكول GSM، وقد نفّذها IS-136 بطريقة متطابقة تقريبًا.

كان نظام D-AMPS تطويرًا لنظام الهاتف المحمول المتقدم (AMPS) في أمريكا الشمالية من الجيل الأول، حيث استخدم قنوات AMPS الموجودة، مما أتاح انتقالًا سلسًا بين الأنظمة الرقمية والتناظرية في المنطقة نفسها. وقد زادت سعة النظام مقارنةً بالتصميم التناظري السابق بتقسيم كل زوج من القنوات بتردد 30 كيلوهرتز إلى ثلاث فترات زمنية (ومن هنا جاء مصطلح "التقسيم الزمني ")، وضغط بيانات الصوت رقميًا، مما أدى إلى زيادة سعة المكالمات في الخلية الواحدة بمقدار ثلاثة أضعاف. كما ساهم النظام الرقمي في جعل المكالمات أكثر أمانًا في البداية، نظرًا لعدم قدرة الماسحات الضوئية التناظرية على الوصول إلى الإشارات الرقمية. وكانت المكالمات تُشفّر باستخدام بروتوكول CMEA ، الذي تبيّن لاحقًا أنه ضعيف. ^{[ 6 ]} 

بدأ تطور الاتصالات المتنقلة في ثلاث مناطق جغرافية مختلفة: أمريكا الشمالية وأوروبا واليابان . وكانت المعايير المستخدمة في هذه المناطق مستقلة إلى حد كبير عن بعضها البعض .

كانت أولى تقنيات الاتصالات المتنقلة أو اللاسلكية المستخدمة تناظرية بالكامل، وتُعرف مجتمعةً بتقنيات الجيل الأول ( 1G ). في اليابان، كانت معايير الجيل الأول هي: شركة نيبون للتلغراف والهاتف (NTT) ونسختها عالية السعة ( Hicap ). لم تكن الأنظمة المبكرة المستخدمة في جميع أنحاء أوروبا متوافقة مع بعضها البعض، مما يعني أن فكرة وجود معيار تقني موحد على مستوى الاتحاد الأوروبي لم تكن موجودة آنذاك.

تضمنت معايير الجيل الأول (1G) المختلفة المستخدمة في أوروبا: C-Netz (في ألمانيا والنمسا)، وComviq (في السويد)، و NMT450 وNMT900 (كلاهما في دول الشمال الأوروبي)، وNMT-F (النسخة الفرنسية من NMT900)، وTMA-450 (النسخة الإسبانية من NMT450)، وRadiocom 2000 (RC2000) (في فرنسا)، و TACS (نظام الاتصالات الشامل) (في المملكة المتحدة وإيطاليا وأيرلندا )، وTMA-900 (النسخة الإسبانية من TACS). أما معايير أمريكا الشمالية فكانت نظام الهاتف المحمول المتقدم ( AMPS) ونظام AMPS ذو النطاق الضيق (N-AMPS).

على الرغم من تعاون دول الشمال الأوروبي ، توزعت الجهود الهندسية الأوروبية بين مختلف المعايير، ولم تحظَ المعايير اليابانية باهتمام يُذكر . طُوِّر نظام AMPS في مختبرات بيل خلال سبعينيات القرن الماضي، واستُخدم تجاريًا لأول مرة في الولايات المتحدة عام ١٩٨٣، ويعمل على نطاق تردد ٨٠٠ ميجاهرتز في الولايات المتحدة، وهو المعيار الخلوي التناظري الأكثر انتشارًا. (أما نطاق تردد PCS البالغ ١٩٠٠ ميجاهرتز ، والذي أُنشئ عام ١٩٩٤، فهو مخصص للتشغيل الرقمي فقط). وقد ساهم نجاح نظام AMPS في انطلاق عصر الاتصالات المتنقلة في أمريكا الشمالية.

شهد السوق طلبًا متزايدًا نظرًا لقدرته العالية على استيعاب المكالمات ونقلها، مقارنةً بمعايير الاتصالات المتنقلة السائدة آنذاك. فعلى سبيل المثال، لم يكن نظام مختبرات بيل في سبعينيات القرن الماضي قادرًا على نقل سوى 12 مكالمة في وقت واحد في جميع أنحاء مدينة نيويورك . استخدمت شركة AMPS تقنية الوصول المتعدد بتقسيم التردد (FDMA)، مما مكّن كل موقع خلوي من الإرسال على ترددات مختلفة، وسمح ببناء العديد من المواقع الخلوية بالقرب من بعضها البعض.

كان لنظام AMPS عيوبٌ عديدة أيضاً. ففي المقام الأول، لم يكن قادراً على تلبية الطلب المتزايد باستمرار على استخدام الاتصالات المتنقلة. إذ لم تكن كل محطة خلوية تتمتع بسعة كافية لاستيعاب أعداد كبيرة من المكالمات. كما كان نظام AMPS ضعيفاً من حيث الأمان، مما سمح للأفراد بسرقة الرقم التسلسلي للهواتف واستخدامه في إجراء مكالمات غير قانونية. كل هذه العوامل دفعت إلى البحث عن نظام أكثر كفاءة.

أسفر هذا المسعى عن معيار IS-54 ، أول معيار أمريكي لشبكات الجيل الثاني. في مارس 1990، اعتمدت شبكة الاتصالات الخلوية في أمريكا الشمالية معيار IS-54B، وهو أول معيار رقمي ثنائي الوضع للاتصالات الخلوية في أمريكا الشمالية. تفوق هذا المعيار على معيار N-AMPS من موتورولا ، وهو نظام تناظري زاد من سعة الشبكة عن طريق تقليص قنوات الصوت من 30  كيلوهرتز إلى 10  كيلوهرتز. من جهة أخرى، زاد معيار IS-54 من سعة الشبكة رقميًا باستخدام بروتوكولات TDMA . تفصل هذه الطريقة المكالمات زمنيًا، حيث تضع أجزاء من المحادثات الفردية على نفس التردد، واحدًا تلو الآخر. وقد ضاعفت تقنية TDMA سعة المكالمات ثلاث مرات.

باستخدام بروتوكول IS-54، يمكن لمشغل شبكة الهاتف المحمول تحويل أي من قنوات الصوت التناظرية في نظامه إلى قنوات رقمية . يستخدم الهاتف ثنائي الوضع القنوات الرقمية عند توفرها، ويعود تلقائيًا إلى نظام AMPS العادي في حال عدم توفرها. كان بروتوكول IS-54 متوافقًا مع أنظمة الهاتف الخلوي التناظرية، بل وتعايش معها على نفس قنوات الراديو. لم يُحرم أي من عملاء النظام التناظري من الاستفادة من ميزات IS-54 الجديدة؛ ببساطة لم يتمكنوا من الوصول إليها. كما دعم بروتوكول IS-54 خاصية المصادقة ، مما ساهم في منع الاحتيال.

يستخدم نظام IS-54 نفس  تباعد القنوات البالغ 30 كيلوهرتز ونطاقات التردد (824-849 و869-894  ميجاهرتز) المستخدمة في نظام AMPS. وقد زادت السعة مقارنةً بالتصميم التناظري السابق من خلال تقسيم كل  زوج من قنوات 30 كيلوهرتز إلى ثلاث فترات زمنية وضغط بيانات الصوت رقميًا، مما أدى إلى زيادة سعة المكالمات في الخلية الواحدة بمقدار ثلاثة أضعاف. كما ساهم النظام الرقمي في تعزيز أمان المكالمات، حيث لم تتمكن الماسحات الضوئية التناظرية من الوصول إلى الإشارات الرقمية.

يحدد معيار IS-54 أربعة وثمانين قناة تحكم، منها اثنتان وأربعون قناة مشتركة مع نظام AMPS. وللحفاظ على التوافق مع نظام الهاتف الخلوي AMPS الحالي، تستخدم قنوات التحكم الأمامية والخلفية الرئيسية في أنظمة IS-54 الخلوية نفس تقنيات الإشارة ونظام التضمين (FSK الثنائي) المستخدم في AMPS. ويمكن لبنية AMPS/IS-54 التحتية دعم استخدام هواتف AMPS التناظرية أو هواتف D-AMPS.

تعتمد تقنية الوصول المتعدد بتقسيم الوقت (TDMA) في معيار IS-54، وهو أول معيار رقمي أمريكي تم تطويره. وقد اعتمدته جمعية صناعات الاتصالات (TIA) عام 1992. تقوم تقنية TDMA بتقسيم كل قناة من  قنوات AMPS بتردد 30 كيلوهرتز إلى ثلاث قنوات TDMA كاملة السرعة، كل منها قادرة على دعم مكالمة صوتية واحدة. لاحقًا، تم تقسيم كل قناة من هذه القنوات كاملة السرعة إلى قناتين بنصف السرعة، كل منهما، مع الترميز والضغط اللازمين، قادرة أيضًا على دعم مكالمة صوتية. وبذلك، توفر تقنية TDMA سعة تتراوح بين ثلاثة وستة أضعاف سعة قنوات AMPS. تم تعريف تقنية TDMA مبدئيًا في معيار IS-54، وهي الآن مُحددة في سلسلة مواصفات IS-13x الصادرة عن جمعية صناعات الإلكترونيات (EIA) وجمعية صناعات الاتصالات (TIA).

يبلغ معدل نقل البيانات لقناة التضمين الرقمي للموجة الحاملة 48.6  كيلوبت/ثانية. يحتوي كل إطار على ست فترات زمنية مدة كل منها 6.67 مللي ثانية. تحمل كل فترة زمنية 324 بت من المعلومات، منها 260 بت مخصصة لبيانات المرور الكاملة بمعدل 13 كيلوبت/ثانية. أما الـ 64 بت المتبقية فهي بيانات إضافية؛ 28 منها مخصصة للمزامنة، وتحتوي على تسلسل بتات محدد معروف لجميع أجهزة الاستقبال لضبط محاذاة الإطار. وكما هو الحال في نظام GSM، يعمل هذا التسلسل المعروف كنمط تدريب لتهيئة مُعادل تكيفي.

يحتوي نظام IS-54 على تسلسلات مزامنة مختلفة لكل من الفترات الزمنية الست التي تُشكّل الإطار، مما يسمح لكل جهاز استقبال بالمزامنة مع فتراته الزمنية المُخصصة له مُسبقًا. تُخصص 12 بت إضافية في كل فترة زمنية لقناة التحكم في النظام (SACCH). يُعادل رمز التحقق الرقمي اللوني (DVCC) نغمة الصوت الإشرافية المُستخدمة في نظام AMPS. يوجد 256 رمزًا لونيًا مختلفًا، كل منها مكون من 8 بتات، وهي محمية بواسطة رمز هامينغ (12، 8، 3). لكل محطة أساسية رمز لوني مُخصص لها مُسبقًا، لذا يُمكن تجاهل أي إشارات تداخل واردة من الخلايا البعيدة.

تعتمد تقنية التضمين في نظام IS-54 على تقنية DQPSK التفاضلية الرباعية 7C/4، والمعروفة أيضًا باسم DQPSK التفاضلية 7t/4 أو π/4. تتيح هذه التقنية معدل بتات يبلغ 48.6  كيلوبت/ثانية مع  تباعد بين القنوات يبلغ 30 كيلوهرتز، مما يوفر كفاءة عرض نطاق تبلغ 1.62 بت/ثانية/هرتز. هذه القيمة أفضل بنسبة 20% من نظام GSM. أما العيب الرئيسي لهذا النوع من التضمين الخطي فهو استهلاك الطاقة المنخفض، مما يؤدي إلى زيادة وزن الجهاز المحمول، والأهم من ذلك، تقليل مدة إعادة شحن البطارية.

تُشكّل بتات بيانات المحادثة حقل البيانات (DATA). يتألف إطار IS-54 الكامل من ست خانات. تُشكّل البيانات في الخانات 1 و4، و2 و5، و3 و6 دائرة صوتية. يرمز DVCC إلى رمز التحقق الرقمي اللوني، وهو مصطلح خاص يُشير إلى قيمة رمزية فريدة من 8 بتات مُخصصة لكل خلية. يرمز G إلى وقت الحماية، وهو الفترة الزمنية بين كل خانة زمنية. يرمز RSVD إلى محجوز. يُمثل SYNC التزامن، وهو حقل بيانات TDMA بالغ الأهمية. يجب مزامنة كل خانة في كل إطار مع جميع الخانات الأخرى ومع ساعة رئيسية لكي يعمل كل شيء بشكل صحيح.

تختلف الفترات الزمنية للاتصال من الهاتف المحمول إلى القاعدة عن تلك الخاصة بالاتصال من القاعدة إلى الهاتف المحمول. فهي تحمل نفس المعلومات تقريبًا، ولكن بترتيب مختلف. لاحظ أن الاتصال من الهاتف المحمول إلى القاعدة يتضمن فترة زمنية مدتها 6 بتات لتمكين جهاز الإرسال من الوصول إلى طاقته الكاملة، وفترة حماية مدتها 6 بتات لا يتم خلالها إرسال أي بيانات. أما هذه البتات الـ 12 الإضافية في الاتصال من القاعدة إلى الهاتف المحمول فهي محجوزة للاستخدام المستقبلي.

بمجرد ورود مكالمة، ينتقل الهاتف المحمول إلى زوج مختلف من الترددات؛ قناة راديو صوتية قامت شركة الاتصالات بتحويلها إلى تناظرية أو رقمية. يحمل هذا الزوج المكالمة. في حال اكتشاف إشارة IS-54، يتم تخصيص قناة مرور رقمية لها إن توفرت. تقوم قناة FACCH (القناة السريعة المرتبطة) بتحويل المكالمات أثناء المكالمة، دون الحاجة إلى عودة الهاتف المحمول إلى قناة التحكم. في حالة التشويش العالي، تقوم قناة FACCH المدمجة في قناة المرور الرقمية بتجاوز حمولة الصوت، مما يؤدي إلى تدهور جودة الصوت لنقل معلومات التحكم. والهدف من ذلك هو الحفاظ على الاتصال. أما قناة SACCH (قناة التحكم البطيئة المرتبطة) فلا تقوم بتحويل المكالمات، ولكنها تنقل معلومات مثل قوة الإشارة إلى المحطة الأساسية.

يستخدم مُشفّر الكلام IS-54 تقنية تُسمى ترميز التنبؤ الخطي المُثار بمجموع المتجهات (VSELP). وهو نوع خاص من مُشفّرات الكلام ضمن فئة واسعة تُعرف باسم مُشفّرات التنبؤ الخطي المُثار بالترميز (CELP). يُحقق معدل ترميز الكلام البالغ 7.95  كيلوبت/ثانية جودة كلام مُعاد بناؤها تُضاهي جودة نظام AMPS التناظري باستخدام تعديل التردد. ثم تُمرر الإشارة ذات معدل 7.95 كيلوبت/ثانية عبر مُشفّر قناة يرفع معدل البتات إلى 13  كيلوبت/ثانية. يُقلل معيار الترميز الجديد بنصف المعدل معدل البتات الإجمالي لكل مكالمة إلى 6.5  كيلوبت/ثانية، ومن المفترض أن يُوفر جودة مُقاربة لمعدل 13 كيلوبت/ثانية. يُتيح هذا المعدل النصفي سعة قناة تُعادل ستة أضعاف سعة قناة نظام AMPS التناظري.

لن تكتمل مناقشة نظام الاتصالات دون شرح مثال عملي. سنشرح هنا هاتفًا خلويًا ثنائي الوضع وفقًا لمعيار IS-54. يعمل هذا الهاتف في خلية تناظرية فقط أو خلية ثنائية الوضع. يدعم كل من جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال كلاً من تقنية التضمين الترددي التناظري (FM) وتقنية الوصول المتعدد بتقسيم الوقت الرقمي (TDMA). يُفضل الإرسال الرقمي، لذا عندما يمتلك النظام الخلوي إمكانية الإرسال الرقمي، تُخصص قناة رقمية أولًا للوحدة المتنقلة. في حال عدم توفر قنوات رقمية، يُخصص النظام قناة تناظرية. يحول جهاز الإرسال الإشارة الصوتية إلى تردد لاسلكي (RF)، بينما يحول جهاز الاستقبال إشارة التردد اللاسلكي إلى إشارة صوتية. يركز الهوائي طاقة التردد اللاسلكي ويحولها للاستقبال والإرسال في الفضاء الحر. تعمل لوحة التحكم كآلية إدخال/إخراج للمستخدم النهائي؛ فهي تدعم لوحة مفاتيح وشاشة عرض وميكروفون ومكبر صوت. يقوم المنسق بمزامنة وظائف الإرسال والاستقبال للوحدة المتنقلة. يتكون الهاتف الخلوي ثنائي الوضع مما يلي:

• جهاز الإرسال
• مجموعة الهوائي
• المتلقي
• لوحة التحكم
• منسق

بحلول عام ١٩٩٣، بدأت شركات الاتصالات الخلوية الأمريكية تعاني من نقص في السعة مجدداً، على الرغم من التحول الواسع النطاق إلى معيار IS-54. واستمر قطاع الاتصالات الخلوية الأمريكية في الازدهار، حيث ارتفع عدد المشتركين من مليون ونصف المليون مشترك عام ١٩٨٨ إلى أكثر من ثلاثة عشر مليون مشترك عام ١٩٩٣. وقد أتاح ذلك المجال لظهور تقنيات أخرى لتلبية احتياجات السوق المتنامية. وقد التزمت التقنيات التي تلت معيار IS-54 بالبنية التحتية الرقمية التي أرساها هذا المعيار.

قامت شركة AT&T Mobility ، أكبر شركة اتصالات أمريكية تدعم تقنية D-AMPS (التي تُشير إليها باسم "TDMA")، بإلغاء تخصيص نطاق ترددي على شبكتها الحالية لإتاحة هذا النطاق لمنصتي GSM و UMTS في 19 سوقًا للاتصالات اللاسلكية، وذلك بدءًا من 30 مايو 2007، ثم في مناطق أخرى خلال شهري يونيو ويوليو. وكانت شبكة TDMA في هذه الأسواق تعمل على  تردد 1900 ميجاهرتز، ولم تكن تعمل بالتزامن مع شبكة AMPS.  وتم إيقاف الخدمة في أسواق TDMA المتبقية التي تعمل بتردد 850 ميجاهرتز، بالإضافة إلى خدمة AMPS، في 18 فبراير 2008، باستثناء المناطق التي كانت تُقدم فيها شركة Dobson Communications الخدمة . وتم إغلاق شبكة Dobson TDMA وAMPS في 1 مارس 2008.

أزالت شركة روجرز وايرلس في كندا جميع  ترددات IS-136 البالغة 1900 ميجاهرتز في عام 2003، وكررت الأمر نفسه مع  نطاق تردد 800 ميجاهرتز بعد تعطل المعدات. وفي 31 مايو 2007، أوقفت روجرز وايرلس تشغيل شبكات D-AMPS (إلى جانب شبكات AMPS) ونقلت العملاء المتبقين على هذه الشبكات القديمة إلى شبكة GSM الخاصة بها.

أغلقت شركة Alltel ، التي كانت تستخدم في المقام الأول تقنية CDMA2000 ولكنها استحوذت على شبكة TDMA من Western Wireless ، شبكات TDMA وAMPS الخاصة بها في سبتمبر 2008. أما شركة US Cellular ، التي كانت تستخدم في ذلك الوقت أيضًا تقنية CDMA2000 بشكل أساسي ، فقد أغلقت شبكة TDMA الخاصة بها في 10 فبراير 2009، لتكون الأخيرة في الولايات المتحدة.

• ورقة بحثية حول CMEA مؤرشفة بتاريخ 19 أكتوبر 2013 على موقع Wayback Machine

• هيكل الفترات الزمنية لبرنامجي IS-136 و IS-54