علم الاتصالات

الهدف من علم الاتصالات هو تبادل المعلومات وبشكل موثوق بين جهتين على الأقل. وتعتمد عملية نقل المعلومات في عصرنا الحالي بشكل كبير على الأمواج الكهرطيسية، في حين أنها اعتمدت في العصور الماضية على أشكال أخرى من الإشارات منها الدخان والطبول. و يعتمد فهم هذا العلم الحديث على عدة مواضيع أساسية هي:

1. المفاهيم الأساسية (نظام الاتصال– أوساط النقل- إشارة المعلومات).
2. التعديل وأنواعه.
3. طرق انتشار الأمواج في مختلف الأوساط.

المفاهيم الأساسية:

• نظام الاتصال:

يتألف بشكل رئيسي من ثلاثة أقسام هي: المرسل: مالك المعلومة. المستقبل: المرسل إليه المعلومة. قناة الاتصال: وهي الوسط الذي يقوم بنقل الرسالة بين المرسل والمستقبل، وتحدد نوع التعديل اللازم ووسط الانتشار. أوساط النقل:

• اتصال سلكي (باستخدام الكابلات).
• اتصال لاسلكي: ويشمل أنواع الاتصالات غير السلكية مثل شبكات الأجهزة المحمولة وأنظمة الاتصالات الفضائية وغيرها.

إشارة المعلومات:

• إشارة معلومات تماثلية - إشارة معلومات رقمية.

و تعتمد طريقة معالجة الإشارة في حالة الإرسال أو الاستقبال على نوع الإشارة المستخدمة، وغالباً ما تكون الإشارات الرقمية مفضلة من ناحية المعالجة. التعديل: التعديل هو تكييف إشارة المعلومات باستخدام إشارة أخرى تسمح لنا بتسهيل عملية نقل إشارة المعلومات ضمن وسط الانتشار.

أنواع التعديل : يقسم التعديل حسب نوع إشارة المعلومات إلى تماثلي ورقمي. ويقسم التعديل التماثلي إلى :

1. تعديل مطالي.
2. التعديل ترددي.
3. تعديل طوري.

انتشار الأمواج في الأوساط المختلفة: يدرس هذا العلم عملية انتشار الأمواج والظروف المؤثرة على انتشارها في الأوساط المختلفة، من أجل تحصيل الإشارة المرسلة عبر هذه الأمواج بصورة جيدة.

مفهوم الإتصال

الاتصال بصفة عامة هو العملية التي يتم فيها نقل أو تحويل معلومات من نقطة ما في مكان ما وزمن ما، تسمى المصدر source إلى نقطة أخرى تسمى المقصد Destination, وتوجد عدة أنواع من طرق الاتصال مثل :

1. الاتصال بين الفرد والآخر كما هو الحال في حالة المخاطبة المباشرة أو عبر الهاتف.
2. الاتصال بين الفرد والآلة كما في حالات التحكم والتشغيل للآلات بواسطة الصوت أو في حالات التخاطب مع الروبوتات.
3. الاتصال بين الفرد والحيوان كما في حالة تخاطب الفرد مع القطط والكلاب والحيوانات الأليفة الأخرى المدربة على ذلك.
4. الاتصال بين الآلة والأخرى كما في حالات الاتصال بين الحاسبات.
5. الاتصال بين الحيوانات مثل اتصال النمل فيما بينها واتصال النحل وغيرها من الحيوانات والطيور.
6. يوجد نوع آخر من الاتصال وهو الاتصال الروحي مثل اتصال الفرد بخالقه في حالات الصلاة والعبادة.

و منظومات الاتصال هي الآليات والأساليب التي تيسر عملية نقل وتحويل المعلومات أو البيانات من المصدر إلى المقصد، ومنظومات الاتصالات الإلكترونية هي التي تحقق هذه الغاية باستخدام الأجهزة والمكونات الكهربائية والإلكترونية وكذلك الظواهر المتعلقة بها، وتكمن الغاية من هذه المنظومات في الحصول على معلومات عند المقصد بصورة مقبولة ومطابقة للمعلومات الصادرة من المصدر. تواريخ تطور الاتصالات الإلكترونية : 1800-1837 م بداية التطورات المبدئية واكتشاف البطارية الابتدائية واجراء التجارب حول الكهرباء والمغناطيس والوصول إلى بعض القوانين الرياضية.

1838-1866 م ولادة واستخدام التلغراف.

1845 م الوصول إلى قوانين كيرشوف لتحليل الدوائر.

1864 م قدم العالم ماكسويل بحثه حول النظرية الديناميكية للمجالات الكهرومغناطيسية، وتنبأ بإرسال الموجات الكهرومغناطيسية.

1876 -1899 م ولادة واستخدام الهاتف، واستخدام أول مقسم هاتفي فس سنة 1878 م وله ثمانية خطوط.

1887 – 1907 م الإرسال اللاسلكي للتلغراف.

1904 -1920 م اكتشاف المكونات الإلكترونية مثل الدايود والترانزستور وتم إدخالها في تجارب تصميم أجهزة الإرسال والإستقبال المسموع والهواتف وغيرها.

1920 -1928 م التوصل إلى البحوث العلمية الهامة حول نظرية إرسال الإشارة وكذلك حول الضجيج الكهربائي.

1923 -1938 م ولادة أجهزة الاستقبال المرئي.

1931 م بداية منظومة الطباعة عن بعد.

1934 م اكتشاف مضخمات ذات التغذية الخلفية السالبة.

1936 م توصل العالم ارمسترونج إلى نظام تضمين التردد FM ووضح مميزاته الخاصة بتخفيض الضجيج.

1937 م التوصل إلى فكرة التضمين النبضي المشفر.

1938 -1945 م إنتاج الرادار ومنظومات الموجات الميكروية وتم استخدامها في الحرب العالمية الثانية.

1948 م نشر العالم شانون بحثه حول (النظرية الرياضية للاتصالات).

1948 -1951 م اكتشاف الترانزستور.

1950 م تم استخدام طريقة التجميع بالتقسيم الزمني في منظومات الهاتف.

1955 م اقترح العالم بيرس فكرة منظومات الاتصال عبر الأقمار الصناعية.

1958 م غنتاج منظومة إرسال بيانات رقمية لمسافات بعيدة للأغراض العسكرية.

1960 م اكتشاف أول ليزر.

1961 م بداية تصنيع الدوائر المتكاملة على المستوى التجاري.

1962 م ابتداء الاتصال عبر الأقمار الصناعية.

1962 – 1966 م ولادة واستخدام الاتصالات الرقمية ذات السرعات العالية.

1963 م التوصل إلى مذبذبات الموجات الميكروية باستخدام أشباه الموصلات.

1964 م دخول أول مقسم إلكتروني بالكامل للخدمة.

1965 م أرسلت المركبة الفضائية (مارينز) صورا من كوكب المريخ إلى الأرض.

1966 -1970 م الحاسبات الرقمية ذات السرعات العالية، الحاسب اليدوي، الهاتف المرئي، منظومات الإرسال المرئي الملون عبر الكوابل إلى المشاركين، تجارب حول منظومات الاتصال عبر اللياف البصرية.

1970 – 1975 م إنتاج الدوائر المتكاملة المجمعة على النطاق الواسع والواسع جدا، انتشار منظومات الاتصال عبر الأقمار الصناعية، شبكات الاتصالات عبر القارات، الاتصالات المتحركة، منظومات الاتصال عبر الألياف البصرية، المعالجات الميكروية.

1975 – 1985 م معدات اتصالات تعتمد على الدوائر المتكاملة المجمعة، نبائط نوع MOS للقدرة تعمل على ترددات عالية، معالجة الإشارات الرقمية باستخدام المعالجات الميكروية، دوائر مرشاح تعتمد على تبديل مكثفات وموجات صوتية مسطحة، استخدام نظرية معدل التشوه والتشفير التنبؤي في ضغط البيانات، ادخال تقنية تجميع الخدمات الهاتفية والبيانات في إسلوب الخدمات المجمعة ISDN.

1985 – 1990 م التوسع في استخدام التقنيات الرقمية في مجال المقسمات والإرسال والتطور السريع في صناعة الحواسيب وظهور الحواسيب العائلية والشخصية والاتصالات الشخصية والشبكات الذكية والتوجه نحو الشبكات ذات العرض النطاق الترددي الواسع لتشمل خدمات الصورة والصوت والبيانات.

1990 _ وإلى الآن التوسع والتطور المستمر في تقنيات الاتصالات والحاسبات والالكترونات الدقيقة واستخداماتها المتعددة.

تعريفات لبعض المصطلحات والمسميات ذات العلاقة بالإشارات, وهذه التعريفات تشمل الإشارة والشكل الموجي ونوع الإشارة وذلك كما يلي :

• الإشارة :

هي كمية متغيرة مع الزمن وتمثل جهدا أو تيارا أو كلاهما.

• الشكل الموجي :

رسم للدالة أو الدوال التي تعبر عن كمبة متغيرة مع الزمن وتمثل جهدا أو تيارا أو كلاهما.

• مولد الإشارة :

المعدة الإلكترونية التي تولد إشارة محددة الكمية وفق إسلوب عمل ثابت، وتعمل عادة على توليد أكثر من نوع من الإشارات.

• إشارة محددة :

هي الإشارة المحددة الحدوث والتي يمكن معرفة كميتها عند أي زمن أثناء قياسها أو إجراء حسابات عليها.

• إشارة عشوائية :

هي الإشارة الغير محددة الحدوث من حيث أن كميتها غير معروفة عند أي زمن أثناء قياسها أو إجراء حسابات عليها وبدلا من ذلك نستخدم الكميات الاحتمالية.

• إشارة مضمنة :

هي إشارة تجمع بين إشارتين في إحدى صور التضمين مثل تضمين الإتساع أو التضمين الترددي ولا نحصل على مثل هذه الإشارة إلا عن طريق معدات خاصة بها.

• إشارة معلوماتية :

عبارة عن إشارة بشكل موجي محدد تمثل مصدر معلومات.

• إشارة دورية :

هي الإشارة التي يكون لها نفس الكمية بعد دورة زمنية أو عدد صحيح من تلك الدورات.

• الدورة والتردد :

الدورة هي الزمن الذي يمضي عند قياس إشارة بين نقطة ما وتكرارها بعد زمن دورة كاملة، ويعرف التردد على أنه مقلوب الدورة.

• السعة والطور :

تعرف السعة عل أنها مقدار كمية الإشارة سواء كانت تيار أم جهدا، ويعرف الطور على أنه إتجاه كمية الإشارة باعتبار أن الإشارة متجه، وهي الزاوية التي تصنعها الكمية مع الزاوية صفر وبإتجاه عكس عقارب الساعة.

• المتوسط الزمني :

يعرف على أنه المساحة تحت منحنى الشكل الموجي للإشارة في فترة زمنية T ومقسوما عليها.

• القدرة والطاقة :

القدرة الكهربائية وتقاس بالوات هي حاصل ضرب التيار والجهد، وتكون الطاقة عبارة عن المساحة تحت منحنى القدرة كدالة في الزمن أي أن الطاقة الكهربائية هي (وات. ثانية) حيث أن ثانية وحدة زمن.

الشكل الموجي للإشارة

عند إرسال بيانات أو معلومات أو مكالمات عبر خطوط أو قنوات أو شبكات الاتصال فإنها ترسل على هيئة إشارات جهد أو تيار كهربائي متغيرة زمنيا لنمط متوافق مع هذه البيانات والمعلومات، كما تستخدم إشارات كهربائية أخرى لغرض التضمين والتزامن والنداء وغيرها، وتأخذ هذه الإشارات أشكالا موجية مختلفة.

اتصالات البصريات الليفية

تستخدم الليزر في إرسال إشارات خلال جدائل زجاجية تسمى الألياف البصرية اتصالات المستقبل. من المحتمل أن تشمل هذه الاتصالات أشكالاً عديدة من طاقة الموجات الضوئية والليزرات وهي أجهزة تُنتج حزمة ضيقة من الضوء الشديد القوة. وحتى الآن فقد أتاح أحد فروع الفيزياء المُسمى البصريات الليفية استخدام الضوء لإرسال رسائل أكثر، وبسرعة أكبر، عما هو الحال عند استخدام الكهرباء أو موجات الراديو. فباستخدام اتصالات الألياف البصرية، يُحول شعاع الليزر الإشارات الكهربائية الخاصة بمكالمة هاتفية، أو صورة تلفازية إلى نبضات ضوئية. يُوجَّه الليزر إلى أحد أطراف جدائل زجاجية شفافة تسمى الألياف البصرية. ويستطيع الضوء أن ينتقل مسافات شاسعة خلال الألياف، دون أن يفقد قوته أو وضوحه. وعند طرف الاستقبال، يقوم جهاز بإرجاع ضوء الليزر إلى الأصوات والصور. وتستطيع حزمة من الألياف البصرية لا تتجاوز كل واحدة منها سمك شعرة من جسم الإنسان، أن تبث آلاف المكالمات الهاتفية أو البرامج التلفازية في الوقت نفسه. ويُستعمل الليزر أيضًا في طريقة للتصوير الثلاثي الأبعاد تسمى التصوير التجسيمي حيث يقوم جهاز يُسمى مفرق الأشعة بتقسيم ضوء الليزر إلى شعاعين يُوجه أحدهما إلى الجسم المراد تصويره، ثم تقوم المرايا بتجميع شعاعي الضوء معًا مرة أخرى، وحيث يتجمع الشعاعان يكونان نموذجًا ثلاثي الأبعاد يمثل هيئة الجسم. وقد يستخدم التصوير التجسيمي في فترة لاحقة لإنتاج أفلام وصور وبرامج تلفازية تتكون من صور ثلاثية الأبعاد تسبح في الفضاء. وسوف يستطيع المشاهدون السير حول الصور ثلاثية الأبعاد كما لو كانت مناظر حقيقية ليروا زوايا جديدة كلما تحركوا.