DSP

معالجة الإشارات الرقمية :                           #DSP
Digital Signal Processing
أو ما يعرف أختصارا ب DSP
مقدمة :
معالجة الإشارات الرقمية أصبحت أكثر وسائل التكنولوجيا الحديثة أهمية وذلك فى معظم المجالات العلمية كالإتصالات والمناظيرالطبية  و الرادارات والسونار والموسيقى ذات الجودة العالية وحتى فى التنقيب عن النفط والكثير غير ذلك .
تطور هذه المجالات وغيرها عمقت تكنولوجيا الDSP من نظم ونظريات رياضية وطرقها التقنية الخاصة مما جعلها من التعقيد بحيث من المستحيل على شخص واحد الإلمام بجوانبها.
لذا فإن دراسة مجال الDSP لها وجهين :
1- تعلم المفاهيم العامة والتى تطبق على تكنولوجيا الDSP عامة
2- تعلم النظريات الخاصة المخصصة للفرع الذى تحب دراسته.
جذور ال DSP :
برز علم الDSP إلى الوجود مرتبطا بعلم الكمبيوتر والبيانات التى هى شكل من أشكال الإشارة والتى نستقبلها من حساسات هزازات الزلازل والصور المرئية والأصوات ... إلخ
والDSP هى العمليات الرياضية والنظريات التى نطبقها على هذه الإشارات بعد تحويلها لصورة رقمية ونقوم بإجراء تلك العمليات على الإشارة الرقمية لعدة إسباب منها :
لتحسين الصور والتعرف على الأصوات وإنتاجها وضغط البيانات لتخزينها أو نقلها ... إلخ .
بدايات علم الDSP كانت فى الستينات والسبعينات عندما بدأت الحاسبات الرقمية فى الظهور ولكنها كانت غالية الثمن لذا فإن تكنولوجيا الDSP ظلت حبيسة فى بعض التطبيقات الحساسة مثل الرادار والسونار والتنقيب عن البترول  واكتشاف الفضاء والتصوير الطبى وكلها تطبيقات ذات أهمية قومية ومالية كبيرة.
وعندما أنتشر الحاسب الشخصى فى الثمانينات والتسعينيات ظهرت تطبيقات جديدة تستخدم الDSP بخلاف تلك التقنيات العسكرية والحكومية. حيث دخل الDSP فى التليفونات النقالة ومشغلات الأقراص المضغوطة والبريد الصوتى وغيرها من التطبيقات
وأهمية تعلم تقنية ال DSP  للمهندس تشبه ما مثلته أهمية تعلم أى مهندس لمبادىء الكهرباء فبدون هذه المبادىء لضاع فى عالم التكنولوجيا.
تخيل أنك تعرضت لأى مشكلة تتعلق بالDSP وبدأت فى البحث داخل الكتب والمنشورات العلمية لتجد الحل فإنك ستصطدم بملايين المعادلات والرموز الرياضية الغامضة والكثير من المصطلحات الغير مألوفة لك. وسيصبح الأمر كالكابوس.
ومعظم الأبحاث المكتوبة عن الDSP مربكة حتى للخبراء فى هذا المجال وهذا ليس عيبا فى تلك الأبحاث ولكن لأنها كتبت للمهندسين المتخصصين والباحثين المطلعين على أخر أخبار هذه التقنية والذين يرغبون فى الكثير من التفاصيل الرياضية لفهم الوصف النظرى للعمل.
وما يراد من هذا الموضوع هو توضيح الكثير من تطبيقات الDSP والمفاهيم العامة التى لا تحتاج لتفاصيل رياضية ونظريات معقدة والتى تفيد الذين يريدون إستخدام تقنيات الDSP وليس تطويرها .
أما من أراد التخصص فيجب أن يكون متمكنا من الفروع الموضوحة فى المخطط التالى والتى يبنى عليها علم الDSP
تطبيقات معالجة الاشارة الرقمية (DSP)
الإتصالات:

الإتصالات هى نقل المعلومات من مكان لأخر. والمعلومات مثل محادثات التليفون وإشارات التليفزيون وملفات الكمبيوتر وغيرها من البيانات.

ولتنقل المعلومات تحتاج لقناة Channel بين المكانين ويمكن أن تكون هذه القناه عبارة عن كابل نحاسى أو كابل ضوئى أو حتى الهواء أو الفضاء...

وشركات الإتصالات تأخذ من الناس الأموال لأجل نقل معلوماتهم عبر تلك القنوات وهم يعلمون أنه كلما تم نقل معلومات أكثر فى نفس القناه فإن ذلك يعنى أموالا أكثر وهذا ما يفعله الDSP

Multiplexing :

يوجد حوالى بليون تليفون فى العالم وبضغطات قليلة على أزرار أى تليفون تستطيع شبكة التليفونات وصل أى تليفونان فى أى مكان فى العالم فى ثوانى قليلة.
فى الستينات كان عامل السنترال يقوم بإغلاق مفاتيح ميكانيكية للربط بين أى تليفونين مما كان يعنى أن تلك المكالمة كانت تحجز قناة حتى تنتهى.
أما بعد تطبيق ال DSP فإنه يمكن تحويل الإشارات الصوتية إلى سيل من الإشارات الرقمية والتى يمكن جعلها تتداخل بالتبادل مع إشارات رقمية أخرى (إشارات صوتية أخرى) لتسير فى قناة واحدة ثم يعاد فكها عند الوصول. وبذلك أمكن نقل عدة مكالمات صوتية فى نفس القناة .

مثال :
إذا كان لدينا ثلاث إشارات (صوتية مثلا) t,s,d نريد إرسالها عبر قناة واحدة
فإننا نقوم بتقطيع كل منهم إلى Samples
s1 , s2, s3
d1,d2,d3
t1,t2,t3
ثم نظعهم على الصورة التبادلية
s1,t1,d1,s2,t2,d2,s3...
ثم نقوم بإرسالهم على نفس القناه بعد تحويلهم إلى إشارات رقمية (0و1)
1111-1010-1111-1001-0000-1110-1111-1101-0011
وحين الوصول يتم فكهم وإرجاعهم لصورتهم الأولى.
الضغط Compression :
عندما تقطع الإشارة الصوتية إلى 8000 قطعة Sample فى الثانية وتحويل تلك القطع إلى إشارات رقمية ممثلة بال 1و0 فإنك ستجد الكثير من التكرار فى صورة الإشارة الرقمية الناتجة Redundant>
وبالفعل فلقد ظهرت مجموعة من الطرق لحذف بعض هذه القطع المتكررة compression وإعادتها إذا إحتجنا لذلك uncompression.
ومن أحد تطبيقات ضغط البيانات هو ضغط الإشارة الصوتية وذلك بجعل معدل تغير البيانات Data rate بها 32 كيلوبت فى الثانية بدلا من 64 كيلوبت فى الثانية وهذا لا يؤثر على كفاءة الصوت بينما لو جعلناه 8 كيلوبت فى الثانية فذلك سيضعف من كفاءة الصوت ولكنه سيظل مسموعا ومفهوما ونستطيع إستخدامه فى نقل الصوت عبر شبكات الهاتف والإتصالات اللاسلكية.
أما عن أقل معدل لتغير البيانات فى الإشارة الصوتية يمكن الوصول إليه بواسطة الضغط فهو 2 كيلوبت فى الثانية حيث يصبح الصوت مشوشرا بصوره كبيرة ولكن مع ذلك فإن بعض التطبيقات يمكنها إستعماله.

التحكم فى الصدى Echo control
عندما تتكلم فى التليفون فإن صوتك يرحل لمسافات كبيرة خلال الأسلاك ويحدث أن جزء منه يعود إليك فى صورة صدى .
فإذا كانت المسافة بينك وبين الطرف الأخر فى حدود عدة أميال فإن الزمن اللازم ليعود هذا الصدى لك يكون بالملى ثانية وحينها لن تتضايق من هذا الصدى لأن أذنك لم تحس به بصورة كبيرة.
أما لو كبرت المسافة التى تنتقل خلالها الإشارة المرسلة فإن هذا الصدى يصبح أكثر قدرة على الظهور والمضايقة.
وهذه المشكلة يتم حلها بواسطة ال DSP حيث يتم قياس هذا الصدى ويتم صنع إشارة مضادة antisignal لتلاشيه . وبنفس الإسلوب فإن مستخدمى الهاتف يمكنهم التكلم والسماع فى نفس الوقت .
كما يمكن لتلك التقنية إزالة التشويش المحيط بالصوت عن طريق تحويله إلى صورة رقمية وحذف التشويش ثم إعادة الصوت لصورته المسموعة.

التعامل مع الأصوات :

الموسيقى :

المسافة بين الميكروفون الذى يستخدمه المغنى إلى السماعة التى يستمع بها المستمع للمغنى كبيرة جدا لذا فإن تمثيل ذلك الصوت تمثيلا رقميا مهم جدا لحماية إشارة هذا الصوت من التشوش والتغيير.
فعندما تغير إشارة الضوضاء Noise من شكل الإشارة التماثلية فإن الصوت المستقبل سيتغير بوضوح عند المستقبل .
بينما لو فعلت إشارة الضوضاء نفس الفعل مع الإشارة الرقمية فإن ذلك لا يعنى شيئا لأن هذه الإشارات يمكن كشف قيمها (0 أو 1) وإعادة توليدها داخل المستقبل لتعود كما كانت قبل إرسالها دون أدنى تشويش .

ولعلك تلاحظ الفرق بين كفاءة الصوت فى شريط الكاسيت العادى (الذى يتعامل مع الصوت بصورة تماثلية Analog) و الإسطوانات المدمجة (والتى تتعامل مع الصوت بصورة رقميةDigital)
فعند تسجيل القطعة الموسيقية بصورة رقمية نقوم بتسجيلها على عدة مسارات Tracksأو قنوات Channels وفى بعض الأحيان تسجل كل أداه موسيقية على مسار منفصل وكذلك صوت المغنى وهذا الأسلوب يسمح لمهندس الصوت بالتحكم فى كل عناصر الصوت كل على حدة .
وتلك العملية الصعبة لدمج تلك المسارات المنفصلة لتكون المنتج النهائى تسمى Mix down والDSP يقوم بالكثير من العمليات خلال تلك العملية مثل الفلترة والإضافة والحذف والتعديل فى الإشارة وغيرهم.

ومن أحد أهم إستخدامات الDSP فى مجال الموسيقى هو عمل الصدى الصناعى artificial reverberation وهذا الصدى يجعل المستمع يشعر بأن تلك الموسيقى تعزف فى كتدرائية مثلا.

فمثلا لو جعلنا هذا الصدى يتبع الصوت الأصلى بمئات الملى ثانية فإن ذلك سيعطى إنطباع بأن الموسيقى تعزف فى كتدرائية أما لو أضفنا ذلك الصدى بتأخير 10-20 ملى ثانية فذلك سيعطى شعورا بأن الموسيقى تعزف فى حجرة متوسطة الإتساع.

-----------
إنتاج الكلام المنطوق Speech generation :

إنتاج الكلمات أو فهمها يستخدم للإتصال بين الإنسان والألة وبدلا من أن تستخدم يديك وعينيك فإنك تستخدم أذنك ولسانك بينما تفعل يداك وعينيك شيئا أخر فى نفس الوقت مثل قيادة السيارة أو إجراء عملية جراحية أو تصويب بندقيتك إلى العدو.

وتستعمل الحاسبات المتكلمة طريقتين :

1- التسجيل الرقمى digital recording
وفى هذه الطريقة نقوم بتسجيل الصوت البشرى بصورة رقمية مضغوطة وخلال عملية إسترجاع ذلك الصوت يتم فك ضغطه وتحويله إلى إشارة تماثلية
ولكن تسجيل ساعة واحدة بتلك الطريقة تتطلب مساحة تخزينية مقدارها 3 ميجابايت.

2- محاكاة المسارات الصوتى vocal tract simulation
وهى طريقة أكثر تعقيدا تحاول تقليد ألية النطق عند الإنسان وهذا المحاكى الصوتى عبارة عن تجويف صوتى يتحدد تردد الرنين له بتغيير حجم وشكل ذلك التجويف.

والأصوات الناتجة عن هذا التجويف تخرج للوجود بأحد طريقتين:

* Voiced النطق

حيث يهتز حبل صوتى ليحرك الهواء بداخل ذلك التجويف

* fricative الإحتكاك

وينتج عن إضطراب الهواء فى التجاويف الضيقة مثل الأسنان والشفاة

----------
التعرف على الأصوات :

إن التعرف على الصوت البشرى أصعب بكثييييييييييير من إنتاجه فهو محاولة لمحاكاة العقل البشرى الذى لن نصل لقدراته أبدا.

فالكمبيوترات تقوم باستدعاء كميات كبيرة من البيانات وتعالجها بالكثير من الحسابات الرياضية المعقدة وذلك بسرعات كبيرة دون أن تمل أو تتعب.

ولكن عند محاولة إفهامها حوارك تكتشف أنها غبية.
والDSP حاول حل مشكلة فهم الكلمات المنطوقة بخطوتين :

1- الفك feature extraction
2- المطابقة feature matching

حيث تعزل كل كلمة من الكلمات المسموعة وتحلل لمعرفة ترددات الرنين لها وبعض المتغيرات الأخرى ثم تقارن بتلك المعلومات المخزنة مسبقا لمعرفة الكلمة.

ولكن هذا النظام غالبا ما يكون محدود ببعض المئات من الكلمات كما أنه لا يقبل الكلمات إلا إذا كانت الفواصل بينها (فترة الصمت) كبيرة كما يستلزم هذا النظام التدريب على كل متحدث على حدة. كل هذه العيوب هى ما يعطل وضع هذا النظام فى الأسواق.

تحديد المكان باستخدام الصدى Echo Location:

من أحد الطرق للتعرف على الأشياء هو توجيه موجات لتصطدم بها ثم دراسة الموجات المرتدة منها.

الرادار Radar :

والكلمة الإنجليزية هى إختصار ل Radio Detection And Ranging أى الكشف عن الموجات وتحديد المدى.

وفى أبسط صورة لعمل الرادار يقوم بإنتاج نبضة عرضها لايزيد عن قليل من الميكروثوانى وهذه النبضة يتم توجيهها بسرعة الضوء بواسطة هوائى عالى التوجيه Highly directional Antenna
فإذا إعترضت طائرة طريق هذه النبضة فإن جزء صغير من تلك النبضة يرتد إلى هوائى الإستقبال .

وتحدد المسافة بين الرادار والطائرة من الزمن الذى قطعته النبضة فى الذهاب والإياب وبذلك يحدد مكان الهدف.

وكفاءة الرادار فى تحديد مكان الهدف تعتمد على عدة عوامل منها :

1- ما هى قدرة النبضة المرسلة؟
2- ما هى حساسية المستقبل ؟

وللأسف . فإن زيادة قدرة النبضة المرسلة يتطلب زيادة عرضها وزيادة عرضها يقلل من دقة تحديد المكان مما يجعل التوازن صعبا بين القدرة على رؤية الأجسام البعيدة والقدرة على دقة تحديد مكانها.

أما الDSP فيقوم بفلترة الإشارة المستقبلة من الرادار لتقليل الضوضاء مما يزيد من مدى الرادار

كما يقوم ال DSP بإنتاج نبضات مختلفة فى الشكل والعرض بسرعة كبيرة مما يساعد فى حل مشاكل الكشف بسرعة.

السونار Sonar:

والكلمة الإنجليزية هى إختصار ل Sound Navigation and Ranging أو الملاحة بالصوت وتحديد المدى.

والسونار له نوعان (إما مباشر Active أو غير مباشر Passive)

فى النوع المباشر منه فإن السونار يقوم بإنتاج نبضات صوتية (من 2 كيلوهرتز إلى 40 كيلوهرتز) وإرسالها عبر المياه ثم يكشف عن الصدى الناتج ويحلل. ويستخدم السونار المباشر فى :

1- كشف وتحديدأماكن الأجسام تحت سطح البحر.
2- الملاحة
3- الإتصال
4- رسم قاع البحر.

وأقصى مسافة يعمل عندها هذا النوع من 10 إلى 100 كيلومتر.
أما فى النوع الغير مباشر فإن جهاز السونار يستمع فقط إلى الأصوات المنبعثة من أعماق المياه مثل :

1- الإضطرابات الطبيعية
2- الكائنات الحية
3- الأصوات الميكانيكية المنبعثة من الغواصات

لذا فإن هذا النوع لا يصدر اى طاقة مما يجعله مهما فى الأعمال الحربية حيث يمكنك أن تكتشف العدو دون أن يشعر بأى نبضة تصطدم به.

أما عن المدى الذى يراه هذا السونار فيصل إلى ألالاف الكيلومترت.

أما فكيف يساعد الDSP ؟

فإنه يقوم بإنتاج النبضات وضغطها وفلترة النبضات المستقبلة.
ويمكنك أن تقول بأن السونار أبسط من الرادار لأنه يعمل عند الترددات المنخفضة ولكن من وجهة نظر أخرى فإنه أكثر تعقيدا من الرادار حيث يعمل فى بيئة (المياه) غير متجانسة وغير متزنة.

ونظام السونار غالبا ما يوظف مصفوفة من العناصر المستقبلة والمرسلة ليعملوا على قناة إتصال واحدة وبمقدرته على التحكم فى خلط الإشارات المنبعثة من العناصر المرسلة فإن السونار يمكنه توجيه نبضته إلى نقطة محددة ثم يحدد إتجاه النبضات العائدة.