الدور الحاسم في تجهيز الإشارات الإلكترونية الحديثة

وتُشكِّل عملية تجهيز الإشارات الإلكترونية العمود الفقري لكل جهاز رقمي تقريباً نتفاعل معه يومياً، ومن السمات الذكية في جيبك إلى نظم التصوير الطبي المتقدمة في المستشفيات، ومن القدرة على الإمساك بهذه الإشارات الإلكترونية والتفسير والتلاعب بها، ومن حيث الأداء الجيد لهذه النظم، وفي حين أن مكونات الأجهزة مثل المحولات المشابهة إلى الأرقام الرقمية والمضخمين تعالج عمليات الضبط الأولية، فإن هذه نماذج البرمجيات التي أصبحت مُعوَّلة الحقيقية.

مؤسسات التجهيز الإلكتروني للعلامات

وفي أبسط مراحل عملية التجهيز الإلكتروني للإشارة هي علم تحليل وتعديل الإشارات لاستخراج المعلومات أو تحسين النوعية، ويمكن أن تكون الإشارة أي إشارة من موجة صوتية التقطها ميكروفون إلى صدى الكهرومغناطيسي الذي يتلقاه هوائي راداري، وتشمل سلسلة التجهيز عادة تحويل إشارة إلى تمثيل رقمي، ثم تطبيق العمليات الرياضية على الترشيح أو الضغط أو تحويل البيانات.

من "هاردواير" إلى "البرمجيات"

وقد تغلبت عملية تجهيز الإشارات من الناحية التاريخية على عناصر مصممة من الأجهزة مثل أجهزة التصفيق، ومرشحات التناظر، ومترجمات مفصّلة، وكانت هذه الدوائر فعالة في المهام البسيطة ولكنها عانت من قيود في المرونة والدقة، وكل تغيير في سلسلة التجهيز يتطلب مكونات مسح مادي أو إعادة تصميم لوحات الدوائر، وارتفاع أجهزة الإرسال الرقمية وتعليمات التحويل العامة الغرض.

الأهداف الرئيسية لتجهيز الإشارات

وبصرف النظر عن التطبيق، فإن تجهيز الإشارات الإلكترونية يهدف عادة إلى تحقيق بضعة أهداف أساسية:

  • Noise reduction] - removing unwanted disturbances that obscure the target signal.
  • Signal enhancement] - amplifying or clarifying features of interest.
  • Data compression] - Reduc the amount of data needed to represent a signal without lose critical information.
  • Feature extraction] - identifying patterns or events within the signal for classification or decision-making.
  • Transformation] - converting signals between domains (e.g., time to frequency) to reveal hidden characteristics.

وتعالج خوارزميات البرمجيات كل هدف من هذه الأهداف بدقة تتجاوز بكثير ما يمكن أن تحققه الأجهزة المشابهة وحدها.

النوافذ الأساسية في تجهيز الإشارات

وقد تم تطوير مجموعة متنوعة من الخوارزميات لمعالجة التحديات المتنوعة التي تواجه تجهيز الإشارات الإلكترونية، ونستكشف فيما يلي أكثر الأسر نفوذاً من الخوارزميات وكيفية تعزيز جودة الإشارة وفائدتها.

الفرز والإلغاء التصحيحي

والإنذار هو رفيق لا يمكن تجنبه لأي إشارة إلكترونية، والضوضاء الحرارية من المكونات، والتدخل من القنوات المتاخمة، والاضطرابات البيئية، كلها تتدهور سلامة الإشارات، وتُحدث أجهزة التصفير الثابتة ذات معامل ثابتة - ضوضاء مخففة ولكن كثيرا ما تفشل عندما تتغير خصائص الضوضاء بشكل غير متوقع، وهذا هو المكان الذي تُبيد فيه الخوارزمات التكييفية.

أما محال الإسم () (Least Mean Squares) ) فهي خوارزمية ومتغيرات لها، مثل نظام الرصد الموضعي المطهر، فهي من بين أكثر أجهزة التكييف الموزعة على نطاق واسع، ويستخدمها قياس الترددات المائلة للتكييف إلى أدنى حد للخطأ بين الإشارات المرغوبة والتطبيقات الملوحة لتكييف السمع.

وتواصل البحوث التي تجريها IEE Transactions on Signal Processing] دفع التصفية التكيفية إلى مجالات جديدة، بما في ذلك الإشارة الطبية البيولوجية التي تنبثق عن الاتصالات الصوتية تحت الماء.

4ier and Wavelet Transforms

وكثير من الإشارات أكثر وضوحاً في مجال التردد من النطاق الزمني، حيث إن Fast Fourier Transform (FFT) هي أهم مقياس في تاريخ تجهيز الإشارات، وهي تحول إشارة مرجعية إلى مكوناتها المكونة للترددات، مما يمكّن المهندسين من تحديد الأنماط الدورية، والتجانسات، ودرجة الذروة في الخلايا، مثل الذروة.

وفي حين أن هذا النظام يوفر نظرة عالمية لمحتوى الترددات، فإنه لا يستوعب متى تحدث هذه الترددات، وبالنسبة للإشارات غير الثابتة - مثل الاهتزازات الصوتية أو السيزمية أو الصور الكهرومغناطيسية - - يقدم نموذجاً للكشف عن الترددات، وهو رقم قياسي يحفظ إشارات الترددات العالية في قرارات متعددة.

ويمكن الاطلاع على لمحة عامة جيدة عن تطبيقات الموجات في ScienceDirect Engineering Resources]، التي تفصل كيفية استخدام الملوحات في تحليل الصور الطبية ورصد الصحة الهيكلية.

كتيبة البيانات

ومع تزايد عدد أجهزة الاستشعار ومعدلات البيانات، تصبح الإشارات المضغوطة دون فقدان المعلومات الأساسية أمراً بالغ الأهمية، وتزيل الخوارزميات الضغط من الإرسال من الإشارات، مما يتيح التخزين والبث بكفاءة.

(أ) تقنيات الضغط غير المستقر ، مثل الترميز في هوفمان والزف - ويلتش (LZW)، الحفاظ على كل تفاصيل الإشارة الأصلية، وهي ضرورية في التطبيقات التي تكون فيها سلامة البيانات ذات أهمية قصوى، مثل الأشكال السمعية غير المفقودة أو الصور الطبية المحفوظة نماذج مركبة]

وفي سياق تجهيز الإشارات الإلكترونية، فإن قياس كمية الناقلات وتحويل الترميز هما طريقتان أساسيتان، إذ أن الشفرة الحديثة للفيديو مثل H.265 (HEVC) تجمع بين تقدير الحركة والتحوّلات الكونية المتباينة، والترسب المضغوط في خوارزمية متعددة المراحل لضغط الفيديو العالي التعريف بعوامل تبلغ 1:1 أو أكثر من ذلك.

استخراج الرفات والاعتراف بالأدوات

وفيما عدا إشارات التنظيف والضغط، يجب أن تفسرها نظم كثيرة، إذ تحدد خوارزميات استخراج الأنواع بارامترات ذات مغزى من بيانات الإشارات الخام، وفي التعرف على الخطابات، تلتقط معامل الترددات الدماغية الشكل الشفري للخطاب، الذي يصنف بعد ذلك باستخدام نماذج مخفية من ماركوف أو شبكات عصبية، وفي تجهيز إشارات الرادار، يستخرج أجهزة كشف ثابتة مثبتة من الترددات.

وقد نضجت خوارزميات البرمجيات لاستخراج السمات إلى درجة يمكن أن تعمل في الوقت الحقيقي على الأجهزة المتدنية القدرة، وقد أدت هذه القدرة إلى انتشار المساعدين المشتغلين بالصوت والمجسات الذكية في شبكة الإنترنت.

أثر الغوريثم على التكنولوجيات الرئيسية

ويظهر التأثير العملي لوحدات البرامجيات على تجهيز الإشارات الإلكترونية في العديد من الصناعات، فيما يلي بعض أهم مجالات التطبيقات.

نظم الاتصالات اللاسلكية

وتعتمد المعايير اللاسلكية الحديثة اعتماداً كاملاً تقريباً على خوارزميات تجهيز الإشارات الرقمية لإدارة التحديات المتمثلة في محدودية نطاق الترددات، والتدخل المتعدد العاطفة، والضوضاء، وتقوم أجهزة الراديو المحددة بالبرمجيات بتنفيذ عمليات تعديل، وتخفيض عدد الأجهزة، وتصحيح الأخطاء، وتحقيق المساواة الكاملة في البرامجيات، وتتيح هذه المرونة لجهاز واحد العمل عبر النطاقات والبروتوكولات المتعددة الترددات وذلك بمجرد تحميل خطوط الأنابيب المختلفة.

ومن شأن التقديرات المحظورة مثل تقدير تسلسل التسلسلي المحتمل maximum (MLSE) و تزيين النسيج أن يدفع الحد الأقصى النظري للبيانات لسلسلة من القنوات.

التشخيص الطبي والتصنيف

وقد تحولت الأجهزة الطبية من خلال تجهيز الإشارات بواسطة الأشعة المتحركة بواسطة الحاسب الآلي، وتستخدم أجهزة رصد القلب الكهربي أجهزة تكييف لإزالة القطع الأثرية العضلية والتدخل في خط الطاقة، ثم تستخدم خوارزميات الكشف عن أجهزة الرباعي لتحديد نبضات القلب والأرثميسا، وتستخدم نظم الكهرباء في تحليل العناصر المستقلة (ICA) لفصل إشارات الدماغ عن الوصلات.

وفي التصوير الطبي، فإن خوارزميات إعادة البناء خلف ] الصور الفوقي المحوسبة و] التصوير المغنطييسي المغنطيسي المغنطيسي [MRI] هي سلاسل تجهيز الإشارات.

وتوثق هذه التطورات بعمق من قبل معاهد الصحة الوطنية ، التي تبرز كيف أن الابتكار الافتراضي يحسن مباشرة نتائج المرضى.

نظم رادار وسونار

وتكشف نظم الرادار والسونار عن الأجسام عن طريق نقل الطاقة وتحليل الإشارات المجسدة، ويكمن التحدي في استخراج صدى ضعيفة من الضوضاء الغامرة والقطع. [FLT:]

كما أن خوارزميات البرمجيات تتيح أيضاً الرادار ذي الفتحة الاصطناعية الذي يستخدم حركة الهوائي الرادار على منطقة مستهدفة لخلق صور عالية الاستبانة. وقد أدت خوارزميات تشكيل صور السار - مثل خوارزميات الدوبلر - المطلية على النطاق - إلى إحداث زيادة كبيرة في الصنع المحسوبي، ولكن التقدم المحرز في تجهيز إشارات الترددات الملتقطة من GPU إلى حدوث عمليات تصنيع.

تجهيز المواد السمعية والبصرية

وفي أجهزة الإلكترونيات الاستهلاكية، تشكل الخوارزميات البرمجية مباشرة تجاربنا السمعية، وتتيح خوارزميات الإلغاء الصوتي مكالمات هاتفية خالية من اليد، بسحب ناتج المتحدث من مدخلات الميكروفون، وتولد نظم مراقبة الضوضاء النشطة إشارات مضادة للنووية - عكس مرشّحات ضوضاء مستعملة للصوت - تتضمن أجهزة عصرية للسمع تعليقات، ونسخة دينامية من النطاق.

وقد انتقلت نظم الاعتراف بالخط من نماذج مطابقة للنموذج العصبي العميق (DNN) إلى نماذج الصوتية التي تستند إلى المقاييس، والرموز التي تحول الموجات الصوتية الخام إلى نصوص، هي خطوط أنابيب معقدة تشمل استخراج السمات، والتحكيم الصوتي، ونموذج اللغة، والفكيك، وقد عبرت دقة هذه النظم عتبة 95 في المائة للخطاب الحديث، مما مكّن مساعدي الكسليون الذين يتحكمون في الصوت مثل الأمازتا.

الاتجاهات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

ولا يظهر تطور خامات البرمجيات في تجهيز الإشارات الإلكترونية أي علامات على التباطؤ، إذ تعد عدة اتجاهات ناشئة بإعادة تشكيل الميدان خلال العقد القادم.

التعلم في مجال الآلات والتعلم في أعماق البحار

وتعتمد خوارزميات تجهيز الإشارات التقليدية على نماذج رياضية واضحة مثل الافتراض بأن الضجيج يتبع توزيعاً للغاز، وأن نُهج التعلم الماكين، ولا سيما الشبكات العصبية العميقة، تتعلم البيانات مباشرة دون الحاجة إلى سمات مصممة يدوياً، مما أدى إلى اختراقات في مجالات مثل تعزيز الكلام، حيث يستبعد المدونون عن طريق الاختزال الكلاسيكي.

ويجري الآن تطبيق الشبكات العصبية الثورية على إشارات أولية ذات زمن طويل لمهام مثل التعرف على الخطابات النهائية والكشف عن الشذوذ في بيانات الاستشعار الصناعي، وتعالج الشبكات العصبية المتكررة، والمحولات المعالين الاصطناعية في الإشارات، مما يتيح تفاعلات أكثر طبيعية بين الحواسيب البشرية، ويطرح التحدي في نشر هذه النماذج المكثفة للأجهزة المتخصصة للتعلم الحاسوبي.

التجهيز الكمي للعلامات

وفي حين أن الحوسبة الكمية لا تزال في مرحلة الاستنشاق، فإنها تنطوي على إمكانية إحداث ثورة في بعض مهام تجهيز الإشارات، ويمكن أن يؤدي التحول الكمي لأربعة مستويات تحليل الترددات، نظريا، أسرع من تحليل الترددات الكلاسيكية، مع ما يترتب على ذلك من آثار بالنسبة لعلم الفلك الراديوي، والأشعة المكبسة، وعمليات المحاكاة المعقدة.

نظم الحكم الذاتي وضغوط أجهزة الاستشعار

وربما تكون المركبات المستقلة ذاتيا أكثر التحديات التي تواجه تجهيز الإشارات طلبا في التنمية الواسعة النطاق اليوم، ويجب أن تسحب سيارة ذاتية الدفع بيانات من ليدار، والرادار، والكاميرات، والمجسات فوق الصوتية، ووحدات القياس غير الصوتية - كل منها يولد إشارات يجب معالجتها بواسطة خوارزميات مخصصة.

ومع انتقال هذه النظم إلى مستوى الاستقلال الذاتي الخامس، يجب أن تعالج الخوارزميات قضايا الحافة دون تحمل أي تسامح إزاء الفشل، مما يدفع إلى التحسين المستمر في القوة، والتساهل، وموثوقية سلاسل تجهيز الإشارات الأساسية.

خاتمة

وقد انتقلت خوارزميات البرمجيات من كونها ملصقاً إلى أجهزة الحاسوب إلى المحرك المركزي لتجهيز الإشارات الإلكترونية، وهي تتيح خفض الضوضاء، والضغط، واستخراج السمات، والتفسير الذي يحول الإشارات الإلكترونية الخام إلى تجارب عالية الصفوة وإلى الأفكار الحاسمة التي نعتمد عليها، ومن القذارة التكييفية التي تُسكّم ضوضاء خلفية على مكالمة هاتفية إلى تحول غير مرئي يكشف عن ورم مصمم في فحص طبي.

ونظراً لأن القدرات الحاسوبية لا تزال تستمد طاقتها من التقدم في صناعة شبه الموصلات، والتجهيز الموازي، والتعلم الآلي - فإن تطور هذه الخوارزميات لن يعمق إلا، فالمهندسون والباحثون وعلماء التكنولوجيا الذين يتقنون التقنيات الأساسية والاتجاهات الناشئة سيشكلون موقعاً جيداً ليقودوا الموجة التالية من الابتكار، ففهم وتقدير دور التمارين الرياضية البرمجية ليساً فحسب.