كيف تنتقل إشارات الصوت في الهواتف المحمولة؟
عندما تسمع أو تقرأ كلمة ‘إشارة صوتية’، ربما يتبادر إلى ذهنك فكرة بسيطة: مجرد صوت ينتقل من فمك إلى أذن الآخر. ولكن، هل فكرت يومًا في الرحلة المعقدة التي يمر بها صوتك قبل أن يصل إلى الطرف الآخر؟
حقيقةً، يمرّ الصوت بعدّة تحوّلات تقنية مذهلة، حيث يتحوّل صوتك إلى بيانات رقمية تُضغط، تُشفر، ثم تُرسل عبر شبكة معقدة من الأبراج ومحطات القاعدة والخوادم حتى تصل إلى وجهتها.
هذا المقال يشرح بدقة وتوسّع طريقة نقل الصوت في الهاتف المحمول من لحظة حديثك إلى وصوله إلى مركز الشبكة.
تابع معنا!
لا أحد اليوم يظن أن الصوت ينتقل في لحظة أو أن العملية بسيطة، ولكن في نفس الوقت، قليلون من يعرفون المراحل التي يمر بها الصوت قبل أن يصل للطرف الآخر.
عندما نتحدّث عبر هواتفنا المحمولة، يمرّ الصوت بعدّة مراحل قبل أن نسمعه بوضوح في الطرف الآخر. تبدأ العملية من لحظة التقاط الصوت عبر الميكروفون، الذي يحوّل الأصوات إلى إشارات كهربائية. ثم يتم تحويل هذه الإشارات إلى إشارات رقمية ليتم معالجتها، ومن ثم يتم ضغط البيانات لتقليل حجم الصوت دون التأثير على جودته.
بعد ذلك، يتم تشفير الإشارة لضمان خصوصيتها وأمانها أثناء انتقالها عبر الشبكة. تُرسل الإشارة عبر الشبكة باستخدام تقنيات مثل 4G أو 5G، لتصل إلى برج الاتصالات، هنا تُعالَج وتُرسل إلى الشبكة. تمر الإشارة عبر قلب الشبكة حيث تُوجه إلى الوجهة المطلوبة. ليتم أخيرً تحسين جودة الصوت خلال انتقاله عبر تقليل الضجيج أو التأخير، لتصل إليك بكل دقة ووضوح.
لنتابع في الفقرات القادمة كل مرحلة على حدة لنفهم أكثر كيف تعمل هذه العمليات بشكل مفصل.
الميكروفون هو الجهاز الذي يحوّل الصوت (الموجات الصوتية) إلى إشارات كهربائية. يعتمد ذلك على مبدأ التغيّرات الديناميكية أو التأثير الكهروضغطي من خلال:
حقيقةً، ظهرت مجموعة من الميكروفونات المتطورة التي أحدثت فرقًا حقيقيًا في جودة التسجيل ودقّته، ولبّت متطلبات التطبيقات الحديثة من حيث الحجم والدقة والتفاعل مع الصوت المحيط. فيما يلي أبرز هذه التقنيات:
| التقنية | الميّزات |
| الميكروفونات MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) |
|
| التقاط ثلاثي الأبعاد للصوت (3D Sound Capture) |
|
للوصول إلى جودة صوت جيّدة في البيئات المزدحمة بالضجيج، لا بدّ من استخدام تقنيات متقدّمة تمكّن الميكروفون من التركيز على الصوت المراد تسجيله. من أبرز هذه الأساليب الذكية:
تعتمد على وجود ميكروفونات متعدّدة لتمييز الصوت المستهدف (مثل صوتك) عن الضوضاء.
تُركّز الميكروفونات على اتّجاه محدّد (مثل فَم المُتحدّث) لتصفية الضوضاء القادمة من اتجاهات أخرى.
الصوت الذي ننتجه عند التحدّث هو صوت طبيعي لا تستطيع الشبكات الرّقمية التعامل معه كما هو، لذلك يتم تحويله إلى صيغة رقمية يمكن للأجهزة والشبكات معالجتها وإرساله إلى الطرف الآخر بشكل دقيق
يتم التحويل الرقمي للصوت من خلال سلسلة من العمليات التقنية الدقيقة. تبدأ العملية بتحويل الموجات الصوتية التناظرية إلى بيانات رقمية يمكن معالجتها. يجب الإشارة إلى أنّ هذه العمليات تتضمّن أخذ عينات من الصوت، تحديد قيمه المميزة، وتحويلها إلى تسلسل ثنائي يسهل نقله عبر الأنظمة الحديثة
هنا يتم تقريب قيم الصوت المستمرة إلى مستويات محددة (مثل 256 مستوى).
بعد مرحلة التقطيع (Sampling) و التكميم (Quantization)، يتم تحويل القيم المكممة إلى تسلسل ثنائي (أي مجموعة من الأرقام 1 و 0).
ملاحظةالتسلسل الثنائي هو الطريقة التي يتم بها تمثيل البيانات في شكل أرقام 1 و 0، وهي تمثّل كل جزء من الصوت أو المعلومات الرقمية بطريقة يفهمها الكمبيوتر أو الشبكة الرقمية. |
يمكن أن يكون الصوت الخام الناتج عن عملية التقطيع والتكميم ضخمًا جدًا. ولكي نضمن نقل البيانات بسرعة واحترافية، يتم استخدام تقنيات ضغط تقلّل من حجمها مع مراعاة أهمية الحفاظ على جودة مقبولة.
الآن، دعونا نتعرف على الخوارزميات المستخدمة في ضغط البيانات:
يجب حماية محتوى الصوت من التنصت أو الاختراق أثناء نقل البيانات عبر الشبكة،. يتم ها الأمر من خلال تطبيق تقنيات تشفير قوية.
تُشفّر البيانات إلى نص مشفر باستخدام مفتاح محدد.
تُستخدم لتأمين الاتصالات عبر الإنترنت مثل مكالمات VoIP.
تُستخدم لتشفير المكالمات الصوتية في الوقت الحقيقي.
معلومة تهمّك💡⚠️ التأثير على زمن التأخير (Latency): قد تضيف عمليات فك التشفير تأخيرًا خفيًا على الاتصال، يؤثر على جودة الاستجابة في المكالمات والتطبيقات التي تحتاج إلى استجابة سريعة. |
بعد أن يتم تشفير البيانات وتحويلها إلى صيغة رقمية، تبدأ مرحلة إرسال الإشارة عبر الشبكة اللاسلكية. في هذه المرحلة، تدخل تقنيات الإرسال المتطورة لضمان وصول الإشارة بسرعة ودقة، مستفيدة من البنية التحتية الحديثة لشبكات الاتصال
تقنيات الإرسال المستخدمة:
الهوائي هو الجزء المسؤول عن تحويل الإشارة الرقمية إلى موجات كهرومغناطيسية تُرسل إلى أقرب برج.
| معلومة سريعة!👀 تقنية MIMO (Multiple Input Multiple Output) تُحوّل طريقة الإرسال تمامًا! من خلال استخدام عدة مسارات لنقل البيانات، تستطيع هذه التقنية زيادة كفاءة الإرسال بشكل كبير، وهذا الأمر يسهم وبشكل كبير في تحسين السرعة وتقليل التأخير. |
إنّ برج الاتصالات هو نقطة الاتصال الأساسية بين الأجهزة المحمولة وشبكة الاتصالات. حيث يحتوي البرج على مجموعة من المعدّات التكنولوجية التي تعمل على استقبال الإشارات من الأجهزة المحمولة، معالجتها، ثم إعادة توجيهها إلى الشبكة. من جانب آخر تعتمد هذه العملية على تقنيات معقدة لضمان جودة الإشارة وتقليل الأخطاء.
لنستعرض معًا الأجزاء الأساسية لبرج الاتصالات:
تُستخدم الهوائيات لاستقبال الموجات الكهرومغناطيسية الصادرة من الأجهزة المحمولة وتحويلها إلى إشارات كهربائية. عادةً ما تكون متعدّدة الاتجاهات (Omni-directional) لتغطية منطقة واسعة، أو موجهة (Directional) لتحسين الكفاءة.
يقوم الـــ TMA بتضخيم الإشارات الضعيفة عند الهوائي، الأمر الذي يقلّل من فقد الإشارة الناتج عن الكابلات الطويلة. إليك وظائف TMA:
تُستخدم لمعالجة الإشارات اللاسلكية قبل إرسالها إلى معدات المعالجة المركزية. إضافة إلى أنّها تدعم تقنيات مثل MIMO لتحسين الكفاءة.
وهي المسؤولة عن فك تشفير الإشارات ومعالجتها رقميّا. كما تُستخدم تقنيات مثل OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) لتقسيم الإشارة إلى نطاقات فرعية، مما يحسن من كفاءة الإرسال.
حان الوقت الآن لنفهم العمليات في البرج:
بدايةً، تُلتقط الإشارة الكهرومغناطيسية القادمة من جهاز الموبايل بواسطة الهوائيات. ثمّ يتم تحويل هذه الإشارة إلى إشارات كهربائية عبر مرشحات تناظرية.
تُضخّم الإشارات الضعيفة الناتجة عن المسافة أو التداخل باستخدام مكبرات الإشارة (Signal Amplifiers).
بعد ذلك، تُفكّ الإشارة المشفرة شفرتها لاستعادة البيانات الأصلية. حيث تُستخدم خوارزميات متقدمة لفك تشفير البيانات دون فقدان أي معلومات.
تُفحص الإشارة للتحقق من جودتها وتحديد إذا كانت تحتاج إلى إعادة إرسال أو تصحيح. يجب أن تعلم أنّه يتم استخدام بروتوكولات تصحيح الأخطاء مثل Forward Error Correction (FEC) لتحسين استقرار البيانات.
بعد معالجة الإشارة، تُرسل البيانات إلى قلب الشبكة (Core Network) عبر شبكة النقل (Backhaul).
لنتعرّف على أهم التحديات التي يتم دراستها والاهتمام بها خلال استقبال الإشارات:
| التحدّي | الشرح |
| التداخل (Interference) | تداخل الإشارات من مصادر مختلفة قد يؤثر على دقة البيانات المستقبلة. |
| التوهين (Attenuation) | فقدان قوة الإشارة أثناء انتقالها لمسافات طويلة. |
| التغيرات السريعة في البيئة | مثل حركة الجهاز أو وجود حواجز مادية كالمباني. |
قلب الشبكة أو المعروف باسم (Core Network) هو مركز عمليات الاتصالات اللاسلكية. يتم فيه التحكّم في مسارات الإشارة ومعالجتها وتوجيهها إلى الوجهة المطلوبة، سواء داخل نفس الشبكة أو إلى شبكة أخرى (محلية أو دولية).
تعمل كبوابة لربط شبكات متعددة، مثل ربط شبكة الموبايل بشبكة الإنترنت أو بشبكة مشغل آخر.
أمثلة: GGSN (Gateway GPRS Support Node) في شبكات 3G أو UPF (User Plane Function) في شبكات 5G.
مسؤولة عن إدارة حركة الإشارة (Signal Routing) والتأكد من وصولها إلى الوجهة الصحيحة. وتُستخدم بروتوكولات مثل SIP (Session Initiation Protocol) لإنشاء المكالمات وإدارتها.
تحتوي على معلومات حول الأجهزة المشتركة مثل رقم الهاتف، الموقع الحالي، والخدمات المفعلة.
أهم الأمثلة:
تُستخدم لمعالجة الوسائط مثل الصوت والفيديو عند الحاجة. كما أنّها تتيح تحويل المكالمات من صيغة إلى أخرى (مثل تحويل مكالمة VoIP إلى مكالمة تقليدية).
في الخطوة الأولى يتم التحقّق من هوية الجهاز باستخدام أنظمة المصادقة مثل EAP-AKA (Extensible Authentication Protocol for AKA) لضمان أن الجهاز مشترك موثوق.
تحدّد الشبكة أفضل مسار لنقل الإشارة بناءً على عوامل مثل:
علمًا أنّه يتم استخدام بروتوكولات مثل OSPF (Open Shortest Path First) لتوجيه الإشارات بكفاءة.
إذا كان الطرف المستقبل على شبكة أخرى، يتم تمرير الإشارة إلى مشغل الشبكة المستهدف عبر بوابات الربط (Interconnection Gateways). وفي المكالمات الدولية، تُرسل الإشارة عبر بوابات تعتمد على بروتوكولات مثل SS7 (Signaling System 7).
هنا وأخيرًا، تتم مراقبة جودة الإشارة باستمرار. و تُستخدم تقنيات مثل QoS (Quality of Service) لضمان أفضل تجربة للمستخدم من حيث الصوت أو البيانات.
الــ Backhaul هي البنية التحتية التي تربط محطات القاعدة (Base Stations) بقلب الشبكة (Core Network). تعدّ هذه الشبكة أساس أنظمة الاتصالات اللاسلكية الحديثة، حيث تنقل الإشارات التي يتم استقبالها من الأجهزة المحمولة إلى مراكز معالجة البيانات، والعكس.
تُعتبر الألياف الضوئية الأكثر كفاءة في نقل البيانات ضمن شبكات النقل وخصوصًا في المناطق الحضرية ذات الكثافة السكانية العالية. حيث تعتمد على إرسال نبضات من الضوء عبر ألياف زجاجية أو بلاستيكية رفيعة جدًا لنقل البيانات بسرعة فائقة.كما تربط محطات القاعدة (BS) بالمراكز الرئيسية للشبكة (Core Network). و تتميّز بــ :
تُستخدم الموجات الميكرووية كوسيلة لنقل البيانات لاسلكيًا عبر ترددات عالية من الموجات الكهرومغناطيسية. تكمن أهم استخداماتها في ربط محطات القاعدة في المناطق الريفية أو الجبلية، و توفير بدائل اقتصادية في الأماكن التي تحتاج إلى حلول سريعة.
وتتميز بــ:
من المهم بعد المعلومات التي تحدّثنا عنها حتى الآن أن تعرف دور شبكة Backhaul في الاتصالات اللاسلكية. فهي المسؤولة عن ربط المكونات المختلفة للشبكة، وبالتالي تسهيل نقل الإشارات وتحسين زمن الاستجابة. لنفصّل هذا معًا:
تعمل شبكة النقل كحلقة وصل بين مختلف مكونات الشبكة. حيث تنقل الإشارات الصوتية والبيانات الرقمية من محطات القاعدة إلى قلب الشبكة للمعالجة، ومن ثم تعيد الإشارات المُعالجة إلى المستخدمين النهائيين.
تقلّل الألياف الضوئية زمن الاستجابة بشكل كبير بفضل قدرتها على نقل البيانات بسرعات فائقة. في المقابل، توفّر الموجات الميكرووية حلاً بديلاً مع زمن استجابة معتدل، مما يُحسن تجربة الاتصال في المناطق البعيدة أو ذات التغطية المحدودة
تتميّز أنظمة النقل المتقدّمة، مثل الألياف الضوئية بكفاءة عالية في تقليل فقدان البيانات أثناء النقل. حيث تُستخدم تقنيات تصحيح الأخطاء (Error Correction) لتحسين جودة الإشارة وضمان وصول البيانات بشكل دقيق.
سنشرح أهم التحديات التي يتم أخذها بعين الاعتبار:
| التحدي | الوصف |
| التكلفة | إنّ مدّ الألياف الضوئية قد يكون مكلفًا جدًا في المناطق النائية أو ذات التضاريس الصعبة. |
| العوامل البيئية | يمكن أن تتأثّر الموجات الميكرووية بالعوامل الجوية مثل المطر أو الضباب، مما يؤثر على استقرار الإشارة. |
| زيادة الطلب على البيانات | مع كثرة استخدام تقنيات مثل 5G، تزداد الحاجة إلى شبكات نقل ذات سعات أعلى وقدرات أكبر. |
هذه المرحلة مهمة جدًا، لأنّ تحسين جودة الصوت أثناء انتقاله من المرسل إلى المستقبل هو صلب الاتصالات في الهواتف المحمولة. فالإشارات الصوتية أثناء رحلتها تواجه العديد من التحديات التقنية التي تؤثر على وضوحها واستقرارها.
عندما يتم إرسال الإشارة الصوتية، قد يحدث انعكاس للصوت عن الأسطح المختلفة (مثل الجدران والمباني) ويعود إلى المصدر، وهذا يتسبّب في حدوث صدى قد يربك المستمع.
نتيجة لتعدّد الأجهزة المتصلة بنفس الشبكة، يمكن أن تتداخل الإشارات الصوتية، مما يؤثر على نقاء الصوت.
تقلّ قوة الإشارة الصوتية عند انتقالها لمسافات طويلة، وبالتالي فقدان بعض التفاصيل الصوتية.
يمكن أن يؤدي التأخير في معالجة الإشارة الصوتية أثناء الرحلة إلى تأثير ملحوظ على تدفق المحادثة.
لتوفير تجربة صوتية عالية الجودة في المكالمات الصوتية، تعتمد الهواتف المحمولة على مجموعة من التقنيات المتقدمة. فيما يلي بعض من أبرز هذه التقنيات:
إحدى المشكلات الشائعة في المكالمات الصوتية هي الصدى الناتج عن انعكاس الصوت في البيئة المحيطة. لذلك تسهم تقنية إزالة الصدى في تحسين تجربة الصوت كثيرًا.
لتحقيق إزالة جيّدة للصدى، يجب أولًا فهم الأنواع المختلفة للصدى التي قد تحدث أثناء المكالمات الصوتية. فيما يلي بعض الأنواع الشائعة للصدى التي يتم معالجتها:
أدوات وتقنيات شائعة:
|
تُعدّل التقنيات التكيفية جودة الصوت تلقائيًا بناءً على ظروف الشبكة وجودة الإشارة. إذا كانت الإشارة ضعيفة أو بها تشويش، تقوم الخوارزميات بتحليل الإشارة وإعادة معالجتها لتعويض الفاقد.
تطبيقات هذه التقنيات:
يتم تجهيز الهواتف الحديثة بميكروفونات متعددة يمكنها التقاط الصوت من اتجاهات مختلفة وتحليلها. تُستخدم هذه التقنية لإنشاء مجال صوتي ثلاثي الأبعاد (3D Audio Field) يعزز تجربة المستخدم أثناء المكالمات أو تسجيل الصوت.
تعتمد على تقنيات الجيل الخامس (5G) لنقل الصوت بجودة فائقة تضاهي جودة الاستوديوهات الاحترافية.
تحسين وضوح الصوت في التطبيقات التي تعتمد على الواقع المعزز من خلال تكييف الإشارات الصوتية مع البيئة المحيطة.
سيصبح الذكاء الاصطناعي قادرًا على التكيف مع أنماط جديدة للضوضاء وتقديم حلول مبتكرة في الوقت الحقيقي.
رحلة صوتك من لحظة خروجه من فمك حتى وصوله إلى الطرف الآخر عبر شبكة الهواتف المحمولة ليست عملية بسيطة، بل سلسلة من التحولات التقنية المدروسة بعناية. بدءًا من التقاط الصوت بواسطة الميكروفونات المتقدّمة، مرورًا بتحويله إلى بيانات رقمية مضغوطة ومشفرة، ثم نقله عبر شبكة معقدة من الأبراج ومحطات القاعدة و البنية التحتية الاتصالات ، وصولاً إلى مركز الشبكة (Core network) حيث تتم معالجته وتوجيهه إلى وجهته النهائية.
في المستقبل، وخصوصًا في السعودية، ستصبح اتصالاتنا أكثر ذكاءً وموثوقية، وستُفتح آفاقًا جديدة للتواصل الشخصي والمهني وتحسين جودة الاتصال في السعودية.
تذكّر دائمًا أن المكالمة التي تبدو بسيطة وسريعة على هاتفك هي في الواقع نتائج جهود هندسية وتقنية جبارة تعمل في خلفية كل كلمة تقولها!
تابعوا دائمًا أكاديمية اتصالاتي، لتتعرّفوا على أحدث التقنيات في مجال هندسة الاتصالات لضمان أفضل تجربة صوتية وتقنية في عالم الاتصال ولتفهم كيف يتم تحسين جودة المكالمة في السعودية وفي العالم أجمع.
Optimized by Seraphinite Accelerator