تشكيل النبض

في مجال الإلكترونيات والاتصالات ، يُعدّ تشكيل النبضة عمليةً لتغيير شكل موجة النبضة المرسلة لتحسين الإشارة بما يتناسب مع الغرض المقصود أو قناة الاتصال . ويتم ذلك عادةً عن طريق تحديد عرض نطاق الإرسال وترشيح النبضات للتحكم في تداخل الرموز (ISI). ويكتسب تشكيل النبضة أهميةً خاصةً في اتصالات الترددات الراديوية (RF) لملاءمة الإشارة ضمن نطاق ترددي محدد، ويُطبّق عادةً بعد ترميز الخط وقبل التضمين .

قد يؤدي إرسال إشارة بمعدل تعديل عالٍ عبر قناة محدودة النطاق إلى ظهور تداخل بين الرموز (ISI) نتيجةً لتطابقات فورييه (انظر تحويل فورييه ). تُعادل الإشارة محدودة النطاق إشارةً زمنيةً لا نهائية المدة، مما قد يتسبب في تداخل النبضات المتجاورة. مع ازدياد معدل التعديل، يزداد عرض نطاق الإشارة. ^{[ 1 ]} عندما يكون طيف الإشارة مستطيلاً منتظمًا، ينتج شكل دالة sinc في المجال الزمني . يحدث هذا إذا كان عرض نطاق الإشارة أكبر من عرض نطاق القناة، مما يؤدي إلى تشويه. عادةً ما يتجلى هذا التشويه في صورة تداخل بين الرموز. نظريًا، بالنسبة للنبضات ذات شكل دالة sinc، لا يوجد تداخل بين الرموز إذا كانت النبضات المتجاورة متطابقة تمامًا، أي عند نقاط تقاطعها مع الصفر. لكن هذا يتطلب تزامنًا جيدًا جدًا وأخذ عينات دقيق/مستقر دون ارتعاش. كأداة عملية لتحديد التداخل بين الإشارات، يستخدم المرء نمط العين ، الذي يصور التأثيرات النموذجية للقناة واستقرار التزامن/التردد.

يُحدد طيف الإشارة بواسطة نظام التضمين ومعدل نقل البيانات المستخدم من قِبل جهاز الإرسال ، ولكن يمكن تعديله باستخدام مرشح تشكيل النبضات. يُؤدي تشكيل النبضات هذا إلى جعل الطيف سلسًا، مما يُعيد الإشارة إلى كونها محدودة زمنيًا. عادةً ما تُمثل الرموز المُرسلة كسلسلة زمنية من نبضات دالة ديراك دلتا مضروبة في الرمز. هذا هو الانتقال الرسمي من المجال الرقمي إلى المجال التناظري. عند هذه النقطة، يكون عرض نطاق الإشارة غير محدود. تُصفى هذه الإشارة النظرية بعد ذلك باستخدام مرشح تشكيل النبضات، مما يُنتج الإشارة المُرسلة. إذا كان مرشح تشكيل النبضات مستطيلًا في المجال الزمني، فإن النتيجة هي طيف غير محدود.

في العديد من أنظمة الاتصالات ذات النطاق الأساسي، يُعتبر مرشح تشكيل النبضة ضمنيًا مرشحًا مربعًا . يكون تحويل فورييه الخاص به على شكل sin(x)/x ، ويتميز بقدرة إشارة عالية عند ترددات أعلى من معدل الرموز. لا تُشكل هذه مشكلة كبيرة عند استخدام الألياف الضوئية أو كابلات الأزواج الملتوية كقناة اتصال. مع ذلك، في اتصالات الترددات الراديوية، يُهدر هذا عرض النطاق الترددي، وتُستخدم نطاقات تردد محددة بدقة فقط لعمليات الإرسال الفردية. بعبارة أخرى، تكون قناة الإشارة محدودة النطاق. لذلك، تم تطوير مرشحات أفضل تسعى إلى تقليل عرض النطاق الترددي المطلوب لمعدل رموز معين.

ومن الأمثلة الأخرى في مجالات الإلكترونيات توليد النبضات حيث يجب أن يكون وقت الصعود قصيرًا؛ إحدى طرق القيام بذلك هي البدء بنبضة ذات صعود أبطأ، وتقليل وقت الصعود، على سبيل المثال باستخدام دائرة صمام ثنائي لاستعادة الخطوة .

تُقدّم هذه الأوصاف معرفة عملية تُغطي معظم التأثيرات، لكنها لا تشمل السببية، التي من شأنها أن تُؤدي إلى دوال/إشارات تحليلية. لفهم هذا الأمر تمامًا، نحتاج إلى تحويل هيلبرت ، الذي يُحدد اتجاهًا من خلال الالتفاف مع نواة كوشي . يربط هذا التحويل بين الجزء الحقيقي والخيالي لوصف النطاق الأساسي، مُضيفًا بذلك بنية. وهذا يعني ضمنيًا أن الجزء الحقيقي أو الخيالي يكفي لوصف إشارة تحليلية. بقياس كليهما في بيئة صاخبة، نحصل على فائض يُمكن استخدامه لإعادة بناء الإشارة الأصلية بشكل أفضل. يكون التجسيد الفيزيائي دائمًا سببيًا، لأن الإشارة التحليلية تحمل المعلومات.

لا يمكن استخدام كل مرشح كمرشح لتشكيل النبضات. يجب ألا يُحدث المرشح نفسه تداخلًا بين الرموز، إذ يجب أن يستوفي معايير محددة. يُعد معيار نايكويست لتداخل الرموز معيارًا شائع الاستخدام للتقييم، لأنه يربط طيف تردد إشارة المرسل بالتداخل بين الرموز.

من أمثلة مرشحات تشكيل النبضات الشائعة في أنظمة الاتصالات ما يلي:

• مرشح على شكل دالة الجيب
• مرشح جيب التمام المرفوع
• مرشح غاوسي

غالبًا ما يُدمج تشكيل النبضات من جانب المرسل مع مرشح مطابق من جانب المستقبل لتحقيق أفضل تحمل للضوضاء في النظام. في هذه الحالة، يُوزع تشكيل النبضات بالتساوي بين مرشحي المرسل والمستقبل. وبالتالي، تكون استجابات سعة المرشحات عبارة عن جذور تربيعية نقطية لمرشحات النظام - على سبيل المثال، للحصول على تأثير مرشح جيب التمام المرفوع ، يُطبق كلا الجانبين مرشح جذر جيب التمام المرفوع .

تم ابتكار طرق أخرى تتخلص من مرشحات تشكيل النبضات المعقدة. في تقنية OFDM ، يتم تعديل الموجات الحاملة ببطء شديد بحيث لا تتأثر كل موجة حاملة عمليًا بحدود عرض النطاق الترددي للقناة.

مرشح سينك

يُطلق عليه أيضًا اسم مرشح بوكسكار، نظرًا لأن نظيره في مجال التردد يكون على شكل مستطيل. نظريًا، يُعد مرشح sinc أفضل مرشح لتشكيل النبضات، لكن لا يمكن تنفيذه بدقة. إنه مرشح غير سببي ذو ذيول تتلاشى ببطء نسبيًا. كما أنه يُمثل مشكلة من منظور التزامن، حيث يؤدي أي خطأ في الطور إلى زيادة حادة في التداخل بين الرموز.

• معيار نايكويست لمؤشر الترابط بين الفواصل الزمنية
• مرشح جيب التمام المرفوع
• فلتر مطابق
• تشكيل نبضات الفيمتو ثانية
• نبضة (معالجة الإشارات)

• جون ج. بروكيس ، " الاتصالات الرقمية، الطبعة الثالثة "، الفصل التاسع، شركة ماكجرو هيل للنشر، 1995. رقم ISBN 0-07-113814-5
• برنامج تعليمي حول مولد الإشارات من شركة ناشونال إنسترومنتس، تشكيل النبضات لتحسين الكفاءة الطيفية
• برنامج تعليمي أساسيات القياس من شركة ناشيونال إنسترومنتس، ترشيح شكل النبضة في أنظمة الاتصالات
• مرشحات جذر جيب التمام المرفوع وتشكيل النبض في أنظمة الاتصالات بواسطة إركين كوبوكو (ntrs.nasa.gov).