حقق باحثو التخنيون طفرة عالمية في تكنولوجيا أخذ العينات

قام الباحثون ببناء نموذج أولي لبطاقة إلكترونية تسمح بأخذ عينات من إشارة النطاق العريض باستخدام معدل أخذ عينات منخفض للغاية؛ قد يسمح التطوير بأخذ عينات من الإشارات عالية السرعة وتخزينها ومعالجتها بطريقة فعالة بنسبة مئات بالمائة من الإشارات الموجودة؛ سجل التخنيون العديد من براءات الاختراع لهذه التكنولوجيا؛ ويقدر سوق العينة بمليارات الدولارات سنويا

نجح باحثون من كلية الهندسة الكهربائية في التخنيون في تحقيق اختراق عالمي في تكنولوجيا أخذ العينات، وقاموا ببناء نموذج أولي لبطاقة إلكترونية تتيح أخذ عينات إشارة النطاق العريض باستخدام معدل أخذ عينات منخفض للغاية. من المعتاد في الصناعة وصف أنظمة أخذ العينات وفقًا لمعدل أخذ العينات وحجم التخزين المطلوب والتعقيد الحسابي للنظام. يعزز التطوير التقني القدرة بمئات بالمائة في جميع المعايير الثلاثة. تقوم البطاقة المبنية في التخنيون بأخذ عينات من إشارات النطاق العريض باستخدام معدل أخذ عينات منخفض للغاية. ونتيجة لذلك، أصبح حجم التخزين والتعقيد الحسابي الذي يدعم تشغيل النظام أصغر بكثير. وتقدر قيمة سوق العينات العالمية بمليارات الدولارات سنويا، وقد سجل التخنيون عدة براءات اختراع لهذا الاختراع.

نماذج النطاق العريض الموجودة في السوق اليوم تعتمد بشدة على الأجهزة أو تعتمد على برامج معقدة لتمكين استقبال إشارات النطاق العريض ومعدل تخزين مرتفع ومعالجة المعلومات الرقمية. قام الباحثون في كلية الهندسة الكهربائية في التخنيون، البروفيسورة يونينا إلدر وطالب الدكتوراه موشيه مشالي، ببناء نموذج أولي لنموذج يتطلب معالجًا واحدًا فقط. كما يوفر الاختراع الحاجة إلى معالجات ذات قدرة حسابية عالية. تشير التقديرات إلى أن تكلفة مكون التصنيع الصناعي ستكون أرخص بعشرات بالمائة مقارنة بالنماذج السريعة المتوفرة في السوق اليوم.

أثناء العمل على صيغ رياضية معقدة، تمكن الباحثان من التخنيون من "كسر" الحاجز الأساسي الذي صيغ في بداية القرن الماضي في نظرية نيكويست وشانون لأخذ العينات. وفقًا لهذه النظرية، إذا تم أخذ عينة من الإشارة بضعف التردد الأقصى للإشارة، فيمكن إعادة إنتاج الإشارة بدقة عن طريق المعالجة المناسبة. هذه الجملة هي عماد التواصل الرقمي، وهي أساس معظمها

الأجهزة الرقمية اليوم. وبما أن الطموح اليوم هو استخدام هذه الأجهزة في أوسع نطاق ممكن من النطاق الترددي، فمن الضروري زيادة معدل أخذ عينات الإشارة. تحد القيود التكنولوجية حاليًا من السرعة القصوى التي يمكن أخذ العينات بها، ونتيجة لذلك، يلزم وجود حجم تخزين كبير وطاقة وبالطبع تكلفة عالية.

وللاختراع المذكور العديد من التطبيقات المحتملة، مثل تحسين أداء الرادار وزيادة سعة التسجيلات الصوتية. السوق المحتملة الأخرى هي السوق الطبية، حيث تترجم سرعة أخذ العينات إلى وقت تعرض المريض للجهاز الذي ينبعث منه إشعاعات خطيرة. من وجهة نظر اقتصادية، هناك ميزة كبيرة هنا، حيث سيكون من الممكن إجراء اختبار لعدد أكبر من المرضى.

"في الأجهزة الرقمية، يتم تمثيل الإشارة المادية بسلسلة من "البتات". على سبيل المثال، يتم تخزين الموسيقى أو الصورة على جهاز كمبيوتر باستخدام سلسلة من الأرقام"، يوضح البروفيسور ألدر. وتضيف: "الأذن لا تستطيع سماع الأرقام بالطبع". "هذا هو المكان الذي تأتي فيه عملية أخذ العينات والاسترداد. الهدف في مرحلة أخذ العينات هو تحويل الإشارة المادية بذكاء إلى بتات، أي إلى سلسلة من "الأصفار" و"الآحاد". يقوم "الشريط" الرقمي بتجميع عينات من الإشارة التي يتم تشغيلها وترجمتها إلى أجزاء. المفتاح في هذه المرحلة هو إجراء التحويل بطريقة تسمح لك بإعادة إنشاء الإشارة الحقيقية لاحقًا. ويتم تنفيذ هذا العمل في مرحلة إعادة البناء، عندما تتم ترجمة البتات إلى إشارة مادية يمكن سماعها أو رؤيتها."

ويضيف موشيه مشالي: "من منا لم يعتاد أن يقول - شاهدت فيلمًا بجودة HDTV أو استمعت إلى الموسيقى من المشغل الرقمي". "ننسى أن النظام البشري قادر فقط على استشعار ورؤية وسماع الإشارات الجسدية. لا أحد يستطيع رؤية أو سماع سلسلة من الأرقام. يوجد في الواجهة بين العالم الرقمي والعالم التناظري مكون يقوم بنمذجة الإشارة المادية في سلسلة من الأرقام، وفي النهاية يتم تنفيذها للعودة إلى العالم المادي الذي يمكن للنظام البشري استيعابه."

تحتوي نظرية نيكويست وشانون الأساسية، والتي تمت دراستها لسنوات باعتبارها حجر الزاوية في نظرية أخذ العينات، على افتراض صارم حول محتوى الإشارات. كان هدف موشيه مشالي، بتوجيه من البروفيسور ألدر، هو تصميم نظام أخذ عينات واحد للإشارات ذات نطاقات إرسال واسعة عديدة، بحيث يتمكن النظام من أخذ عينات من هذه الإشارات وإعادة إنتاجها بمعدل أقل بكثير مما هو متاح حاليًا. وقد تم تحقيق هذا الاختراق من خلال استغلال حقيقة أن أجزاء من الطيف لا تملك أي إرسال. "الفكرة هي استخدام "الثقوب" في الطيف بحكمة، لخفض معدل أخذ العينات بشكل كبير دون الإضرار بالإشارة"، يوضح البروفيسور إلدر. "تكمن الصعوبة في أنه نظرًا لأننا لا نعرف مكان وجود هذه الثقوب في الطيف، فإن النماذج الرياضية التقليدية لم تعد قادرة على المساعدة في توصيف هذه الإشارات ومعالجتها. ما تمكنا من إثباته هو أن حقيقة معرفتنا بأن الإشارة لا تشغل الطيف الكامل تسمح لنا بتقليل معدل أخذ العينات، وهو ما لم يكن ممكنًا حتى الآن".
وقد سبق هذا الاكتشاف الكثير من الأعمال الرياضية طويلة الأمد، وهو يثير اهتمامًا كبيرًا في العالم العلمي من خلال نشره في الصحافة العلمية.

في الصورة: نظام اختبار لبطاقة العينة تم تطويره في التخنيون. تصوير- المتحدث باسم التخنيون.