تضمين نبضي مرمز

التضمين

في الشكل الموضح، يتم أخذ وتكميم العيّنات من موجة الجيب sine wave (المنحنى الأحمر) لتعديل إشارتها إلى إشارة رقمية. وتُؤخذ العينات بتقطيع الإشارة على أزمنة قصيرة جداً ومنتظمة، تظهر على هيئة نقاط على المحور السيني. ومع كل عيّنة، تُؤخذ إحدى القيم المتغيرة (التي تمثلها النقاط الموزعة على المحور السيني) بناء على خوارزمية معينة، وهذا ما يؤدي لتقطيع الإشارة الداخلة بشكل كامل (المنطقة المظللة) لأجزاء منفصلة يسهل تشفيرها كبيانات رقمية من أجل تخزينها أو إرسالها.فبالنسبة لمثال موجة الجيب على اليمين، نستطيع التحقق من أن القيم المكمّمة عند لحظات التعيين هي 7 ، 9، 11، 12، 13، 14، 14، 15، 15، 15، 14، الخ. وعند تشفير هذه القيم إلى أرقام ثنائية binary numbers، ستنتج المجموعة التالية من الكتل الرباعية nibbles: 
00111 (2³×0+2²×1+2¹×1+2⁰×1=0+4+2+1=7), 1001, 1011, 1100, 1101, 1110, 1110, 1111, 1111, 1111, 1110,إلخ.
ويمكن فيما بعد معالجة هذه القيم الرقمية أو تحليلها بواسطة معالج إشارات رقمي (DSP) خاص أو معالج إشارات عمومي. كما يمكن مضاعفة عدة دفقات من الإشارات النبضية المعدّلة إلى تدفقات بيانات مجمعة أكبر حجمًا، وذلك بصفة عامة لنقل عدة تدفقات من خلال رابط مادي (فيزيائي) واحد. ومن الوسائل المستخدمة في ذلك تقنية التنضيد بالتقسيم الزمني time-division multiplexing (أو TDM)، وهي تُستخدم على نطاق واسع، خاصة في نظم الهواتف العامة الحديثة. وثمة تقنية أخرى يطلق عليها اسم التنضيد بالتقسيم الترددي frequency-division multiplexing، حيث تُعطى الإشارة تردد معين ينتمي لطيف من الترددات، ثم يتم نقلها إلى جانب إشارات أخرى داخل الطيف. وفي الوقت نفسه، يُستخدم التنضيد بالتقسيم الترددي (TDM) بشكل أكثر انتشارًا من التنضيد بالتقسيم الزمني FDM وذلك لتوافقيته الطبيعية مع نظم الاتصالات الرقمية ومُلائمته بصفة عامة لمتطلبات التقليل في السعات bandwidth. 
وثمة طرق كثيرة لإنشاء جهاز حقيقي ينجز هذه المهمة. وفي النظم الواقعية، من الشائع تنفيذ مثل هذه الأجهزة على الدوائر المتكاملة الأحادية integrated circuit والتي تفتقد فقط الساعة (المؤقّتات) الضرورية لإجراء عملية التعيين (أخذ العينات) ويطلق على هذا الجهاز اسم (المحول التناظري الرقمي ADC). وتتضمن مخرجات هذه الأجهزة تمثيلاً ثنائيًا للمدخلات متى تم حثها بواسطة إشارة ساعة، حيث يقوم حينئذ أحد المعالجات بقراءتها.

فك التضمين

من أجل استخلاص المخرجات من عيّنات البيانات، يتم تطبيق عملية التضمين بشكل عكسي. فبعد مرور كل فترة تعيين، تتم قراءة القيمة التالية ثم تُحول إحدى الإشارات إلى القيمة الجديدة. ونتيجة لهذه الانتقالات، فإن الإشارة ستتضمن قدرًا كبيرًا من الطاقة عالية التردد. ولتحقيق السلاسة في الإشارات وإزالة التداخلات الترددية غير المرغوبة، يتم تمرير الإشارة من خلال مرشحات تناظرية LPF تقوم بثبيط الطاقة خارج نطاق الترددات المتوقع (أي الأكبر من تردد نايكيست Nyquist وهو ). وتستخدم بعض الأنظمة الترشيح الرقمي digital filtering للتخلص من هذه التداخلات، وتُحوّل الإشارة من رقمية إلى تناظرية عند معدل تعيين أكبر بحيث يكون المرشح التناظري المطلوب لمنع الشوشرة والتداخل أكثر بساطة. وفي بعض النظم، لا تتم أي عمليات ترشيح؛ فنظرًا لأنه من المستحيل إعادة إنتاج أي إشارة بسعة لا نهائية، فإن فقدان الإشارات الضمنية في النظام يقوم بالتعويض عن الإشارات الصنعية artifacts – حيث يمكن القول ببساطة أن النظام لا يحتاج لكثير من الدقة. وتشير نظرية التعيين sampling theorem إلى أن أجهزة التضمين النبضي PCM بوسعها عندما يتوافر تردد تعيين أكبر بشكل كاف من تردد الإشارة الداخلة، أن تعمل بدون إحداث أي تشويهات كبيرة ضمن نطاق تردداتها المُصمم. 
وتتشابه البنية الإلكترونية المستخدمة في إنتاج الإشارات التناظرية الدقيقة من البيانات المنفصلة مع البنية المستخدمة في الإشارات الرقمية. وهذه الأجهزة عبارة عن محولات للإشارات الرقمية إلى تناظرية DACs، وتعمل بشكل مشابه للمحولات من التناظري إلى الرقمي ADCs. وهي تقوم بإنتاج فولتية أو تيار (اعتمادًا على النوع) يمثل القيمة الموجودة في مُدخلاتها، ثم يتم بعد ذلك ترشيح وتضخيم  المخرجات من أجل استخدامها.

تاريخ التضمين النبضي الشفري

في تاريخ الاتصالات الكهربائية، كان من أولى الأسباب الداعية لتعيين الإشارات signal sampling هو تنضيد العينات من مصادر تلغرافية مختلف، ونقلها على سلك تلغرافي أوحد. وقد نقل التنضيد بالتقسيم الزمني (TDM) للاستخدام في مطلع عام 1853، على يد المخترع الأمريكي (موسيز ج. فارمر). وقد استخدم المهندس الكهربائي (و. م. ماينر) في عام 1903 الموصّل الكهروميكانيكي commutator للتنضيد بالتقسيم الزمني للإشارات التلغرافية المتعددة، كما قام بتطبيق هذه التقنية كذلك على الاتصالات الهاتفية. وقد استطاع الحصول على أصوات حديث مفهومة من القنوات التي تم تعيينها بمعدل يعلو على 3500-4300 هرتز : أما عند المستويات الأقل من ذلك، فكانت الجودة غير مرضية. كان هذا هو التنضيد بالتقسيم الزمني، ولكنه كان أقرب إلى نظام التضمين بنبضات السعة pulse-amplitude modulation (PAM) عنه إلى التضمين النبضي الشفري (PCM). 
وفي عام 1926، اخترع (بول م. ريني) من شركة (ويسترن إليكتريك) جهاز الفاكسيميلي والذي نقل إشارته باستخدام تعديل نبضي تشفيري خماسي الخانات الثنائية 5-bit، وتم التشفير باستخدام محوّل بصري ميكانيكي للإشارات التناظرية إلى رقمي. بيد أن الآلة الجديدة لم تدخل مجال الإنتاج التجاري. وقد فكر المهندس البريطاني (أليك ريفز) في استخدام التضمين النبضي الشفري في توصيل الصوت في عام 1937 أثناء عمله لصالح مؤسسة الهاتف والتلغراف الدولية (ITT Corporation) في فرنسا. وقد وصف النظرية ومزاياها، وبدون أن يترتب على ذلك أي استخدام تطبيقي. وقد تقدم (ريفز) لنيل براءة اختراع فرنسية عام 1938، وقد منح براءة اختراع أمريكية في عام 1943.
كانت أول عملية نقل للمحادثات قد تمت بواسطة تقنيات رقمية من خلال جهاز التشفير SIGSALY vocoder التي استخدم في الاتصالات عالية المستوى بين دول الحلفاء خلال الحرب العالمية الثانية منذ عام 1943. وفي عام 1943، أصبح الباحثون في معامل (بيل لابس) الذين صمموا نظام SIGSALY على وعي بالانتشار الذي حظي به نظام التشفير الثنائي الخاصة بالتضمين النبضي الشفري على نحو ما طرحه (أليك ريفز). وفي عام 1949، ولصالح نظام DATAR الخاص بالبحرية الكندية، قامت شركة Ferranti Canada ببناء نظام راديو يقوم على التضمين النبضي الشفري، وكان قادرًا على نقل بيانات الرادار الرقمية على المسافات الطويلة.
وقد استخدم التضمين النبضي الشفري في أواخر الأربعينات ومطلع الخمسينات أنبوب تشفير يعمل بآشعة الكاثود بإلكترود صفيحي يتضمن ثقوب تشفيرية. وكما هو الحال مع مرسام الذبذبات oscilloscope، كان يتم دفع الشعاع أفقيًا عند معدل التعيين فيما كان يتم التحكم في الانحراف الرأسي من خلال الإشارة التناظرية الداخلة، وبما يجعل الشعاع يمر خلال أجزاء أعلى أو أخفض من الصفيحة المثقوبة. وكانت الصفيحة تقوم بجمع أو تمرير الشعاع، ومنتجة تباينات في الشفرة الثنائية، بمعدل بتة واحدة في كل مرة. وبدلاً من النظام الثنائي الطبيعي، كانت شبكة أنبوب (جودال) تثقب لإنتاج (شفرة جراي) خالية من العيوب الفنية، وكانت تنتج كافة البتات بشكل متزامن باستخدام شعاع مروحي بدلاً من شعاع ماسح. 
وكانت جمعية التميز الوطنية للمخترعين قد قامت بتكريم كل من (برنارد م. أوليفر) 
و(كلود شانون) 
لاختراعهما التضمين النبضي الشفري،
على النحو الموصوف في البراءة التي تحمل العنوان ‘نظام اتصالات يستخدم التضمين النبضي الشفري’، ورقمها 2801281 والتي قدمت في 1946 و 1952، ومنحت في عام 1956. وقد قدم مخترع آخر وهو (جون ر. بيرس) طلب لبراءة اختراع أخرى تحمل نفس العنوان في عام 1945، وصدرت في عام 1948: وهي تحمل الرقم 2437707 (الولايات المتحدة). وقد نشر ثلاثتهم كتاب "فلسفة التضمين النبضي الشفري" في عام 1948.
وقد جرى استخدام التضمين النبضي الشفري في اليابان من قبل (دينون) في عام 1972 من أجل تطوير وإنتاج التسجيلات الفونوغرافية التناظرية، وذلك باستخدام مسجل بشريط رباعي الإشارة (2 بوصة) وذلك لنقل هذه التسجيلات، ولكن لم يجر تطويرها إلى منتج استهلاكي.

التسميات

تشير كلمة (نبضة) في المصطلح (التضمين النبضي الشفري) إلى "النبضات" الموجودة في خط النقل، وهي ربما تكون إحدى التبعات الطبيعية لهذه التقنية والتي تطورت إلى جانب طريقتين تناظريتين أخرىتين وهما تعديل عرض النبضات pulse-width modulation وتعديل موقع النبضات pulse-position modulation، وفيها يتم تمثيل المعلومات المقرر تشفيرها بواسطة نبضات إشارية منفصلة تكون متباينة العرض أو الموقع على التوالي. وفي هذا الصدد، نجد أن التضمين النبضي الشفري لا يشبه هذه الأنواع الأخرى من تشفير الإشارات إلا في مناح قليلة، بيد أن كلها تشترك في قابليتها للاستخدام في التنضيد بالتقسيم الزمني، ويتم تمثيل الأرقام الثنائية لشفرات التضمين النبضي الشفري كنبضات كهربائية. ويُطلق على الجهاز الذي يجري عملية التشفير وفك الشفرة في دائرة هاتفية اسم codec.