ترميز تعديل التردد

تُعدّ تقنية التشفير بتعديل التردد ، أو اختصارًا FM ، طريقةً لتخزين البيانات شاعت استخدامها في محركات الأقراص المرنة والصلبة القديمة . يتم تعديل البيانات باستخدام تشفير مانشستر التفاضلي عند كتابتها للسماح باستعادة إشارة الساعة ومعالجة تأثيرات التوقيت المعروفة باسم "الارتعاش" التي تظهر على وسائط التخزين . طُرحت هذه التقنية لأول مرة في محركات أقراص IBM الرئيسية ، وكانت شائعة الاستخدام في أقراص الحواسيب الصغيرة والحواسيب الدقيقة القديمة . في حالة الأقراص المرنة، سمح تشفير FM بتخزين حوالي 80 كيلوبايت من البيانات على قرص بحجم 5.25 بوصة . 

بدأت شركة IBM في عام 1970 بتقديم تقنية تعديل التردد المُعدَّل (MFM) الأكثر كفاءة . وأطلقت على هذه التقنية اسم "الكثافة المزدوجة"، حيث أصبحت تقنية FM الأصلية تُعرف لاحقًا باسم "الكثافة المفردة". كان تطبيق تقنية MFM أكثر صعوبة، ولم تظهر وحدات تحكم محركات الأقراص المرنة المتكاملة منخفضة التكلفة بتقنية MFM، مثل WD1770 ، إلا في أوائل ثمانينيات القرن العشرين . أدى ذلك إلى انحسار سريع لتقنية ترميز FM لصالح تقنية MFM بحلول منتصف ثمانينيات القرن العشرين.

تخزن أنظمة الذاكرة الرئيسية في الحواسيب الحديثة المعلومات الثنائية باستخدام إشارتين كهربائيتين مختلفتين، عادةً ما تكونان جهدين. ففي ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) على سبيل المثال، يمثل وجود جهد أعلى من عتبة معينة القيمة الثنائية 1، بينما يمثل أي جهد أقل من تلك القيمة القيمة 0. يُمثل الحرف "A" في نظام ASCII بالرمز 01000001 في النظام الثنائي، والذي قد يُخزن في ذاكرة DRAM نموذجية من أواخر سبعينيات القرن الماضي، مثل Mostek MK4116، على شكل سلسلة من جهود 0 و5 فولت في المكثفات  الفردية المكونة للذاكرة. ^{[ 1 ]}

على النقيض من ذلك، تسجل أنظمة التسجيل المغناطيسي، مثل الأقراص المرنة، هذه البيانات كتغير في القطبية المغناطيسية . ويعود ذلك إلى طريقة قراءة البيانات وكتابتها باستخدام الحث المغناطيسي . أثناء القراءة، يدور القرص، فيتحرك سطحه بسرعة أمام رأس القراءة/الكتابة ، وهو عبارة عن مغناطيس كهربائي صغير . عندما تتغير قطبية الشحنة المغناطيسية على القرص، تُستحث نبضة كهربائية قصيرة في الرأس، تُقرأ على أنها واحد، وأي جزء لا تتغير فيه القطبية يُنتج صفرًا. ^{[ 2 ]} لترميز الحرف A نفسه، بافتراض أن البيانات السابقة انتهت بصفر، سيستخدم القرص التسلسل 01111110. يؤدي الانتقال الأول من الصفر إلى الواحد إلى إخراج الرقم 1، ولا يُنتج تسلسل الواحدات التالي أي إخراج، وأخيرًا يُنتج الانتقال الأخير من الواحد إلى الصفر الرقم 1 النهائي. ^{[ 3 ]}

إضافةً إلى تخزين البيانات بأنماط تتطلب تحويلًا فوريًا من وإلى تنسيقها الداخلي، يواجه القرص مشاكل إضافية مرتبطة بكونه نظامًا تناظريًا، كالتشويش والتأثيرات الميكانيكية وغيرها. وعلى وجه الخصوص، تعاني الأقراص من ظاهرة تُعرف بالارتعاش نتيجةً لتغيرات طفيفة في التوقيت مع تسارع وتباطؤ الوسائط أثناء الدوران. أحد أشكال الارتعاش الحتمي ناتج عن التخلف المغناطيسي للوسائط، والذي قد يؤدي إلى ظاهرة تُعرف بانزياح البت، حيث تتسبب في تمدد سلاسل الانتقال المغناطيسي زمنيًا. هذه التأثيرات تجعل من الصعب تحديد البت الذي ينتمي إليه انتقال معين. ^{[ 3 ]}

لحل هذه المشكلة، تستخدم الأقراص نوعًا من استعادة إشارة الساعة باستخدام إشارات إضافية تُكتب على القرص. عند قراءة البيانات، تُفصل إشارة الساعة، ويمكن حينها رؤية بتات البيانات بوضوح في الإشارة، ومحاذاتها بدقة في الخانات المناسبة في الذاكرة. ^{[ 3 ]}

تستخدم تقنية ترميز التردد (FM) نظامًا بسيطًا لترميز البيانات الأصلية بحيث يحتوي كل بت من البيانات على انتقال واحد على الأقل، مما يضمن وجود عدد كافٍ من الانتقالات خلال فترة زمنية محددة لاستعادة إشارة الساعة بنجاح. ولتحقيق ذلك، تعمل هذه التقنية بفترة بيانات أساسية تبلغ ضعف الحد الأقصى لتردد وسائط التسجيل. تُعرف هذه الفترات باسم "نوافذ الساعة"، حيث تحتوي كل نافذة على انتقال ساعة واحد وانتقال بيانات واحد كحد أقصى. وبما أن كل بت من البيانات يتطلب فترتين زمنيتين على الأقل، فإن ترميز التردد (FM) يخزن حوالي نصف الكمية الممكنة نظريًا على تلك الوسائط. ^{[ 3 ]}

تستخدم تقنية FM تطبيقًا لترميز مانشستر التفاضلي . يُرمّز الصفر في البيانات الأصلية بانتقال واحد للتدفق المغناطيسي خلال الفترة، بينما يُرمّز الواحد بانتقالين. على سبيل المثال، إذا احتوى بايت من البيانات من النظام الأصلي على البتات 01000001 ، فسيقوم متحكم القرص المرن بترجمتها إلى السلسلة 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 ، مع إضافة إشارات إضافية أمام كل بت لتمثيل إشارة الساعة . عند إرسال هذه الإشارة إلى رأس القراءة/الكتابة، ستُعكس القطبية مع كل نبضة. في هذا المثال، إذا كان الرأس في الحالة المنخفضة عند نهاية كتابة آخر بيانات، فإن الواحد البادئ سيقلبه إلى الحالة العالية، والصفر التالي سيبقيه كذلك. والنتيجة هي انتقال واحد في تلك النافذة. أما البت التالي فسيقلب الحالة أولًا إلى منخفضة، ثم إلى عالية، ليصبح المجموع انتقالين في النافذة. ^{[ 3 ]}

يتطلب ترميز هذه التحولات من النظام استقبال البيانات الرقمية من الحاسوب المضيف، ثم إعادة ترميزها إلى تنسيق FM الأساسي. عند القراءة، يتعين على النظام فصل إشارة الساعة مرة أخرى، والإبقاء على بتات البيانات فقط. نظرًا لبساطة نظام FM، أمكن تنفيذه في رقائق أحادية باستخدام تقنيات تصنيع أشباه الموصلات في أواخر سبعينيات القرن الماضي . وقد أدى ذلك إلى خفض تكلفة تنفيذ وحدة تحكم كاملة للمحرك بشكل كبير، والتي كانت تتألف في الغالب من ساعة، وشريحة تحكم المحرك، وشريحة للتواصل مع الحاسوب المضيف، وذاكرة مؤقتة. وكانت شريحة Western Digital FD1771 ومشتقاتها شائعة الاستخدام بشكل خاص. ^{[ 4 ]}

بما أن كل بت من البيانات يتطلب فترتي انتقال في نظام تعديل التردد (FM)، فإنه يستغل نصف سعة التخزين المتاحة للقرص فقط. وقد أدى ذلك إلى ظهور سلسلة من تقنيات التشفير الأكثر تطورًا التي تستغل المساحة المتاحة بشكل أفضل. وكان البديل الأكثر شيوعًا هو تعديل التردد المعدل (MFM). يسجل هذا النظام بتًا واحدًا فقط في كل نافذة، وهو ما ينتج إشارة الساعة الأساسية. ويتم ترميز قيمة البت، 1 أو 0، بموقع النبضة داخل النافذة. حيث يتم ترميز البتات التي قيمتها 1 بنبضات في مركز النافذة، والبتات التي قيمتها 0 بنبضات في نهايتها. ^{[ 3 ]}

نظرًا لارتفاع متطلبات دقة توقيت الانتقال، يتطلب نظام MFM حلًا أكثر تعقيدًا لاستعادة إشارة الساعة. يتخذ هذا الحل عادةً شكل حلقة قفل الطور أو نظام مشابه يُنتج إشارة ساعة خرج ثابتة من إشارة دخل مشوشة. كان هذا الأمر يتجاوز قدرات الدوائر المتكاملة منخفضة التكلفة في أواخر سبعينيات القرن الماضي، ولهذا السبب ظل نظام FM شائعًا خلال بدايات عصر الحواسيب المنزلية في أوائل ثمانينيات القرن الماضي. كانت دوائر MFM المتكاملة متوفرة، واستُخدمت في منصات أكثر تكلفة مثل حاسوب IBM الشخصي ، ولكن استخدامها كان يتطلب استعادة إشارة الساعة بواسطة جهاز خارجي، وهو "فاصل البيانات". شهد تصنيع الدوائر المتكاملة تطورًا سريعًا خلال هذه الفترة، وبحلول منتصف ثمانينيات القرن الماضي، ظهرت وحدات تحكم MFM المتكاملة، وانتقل السوق بسرعة إلى تنسيق الكثافة المزدوجة. ^{[ 3 ]}