DSP ١٠١
M02 · L01
الوحدة ٢: أخذ العينات والتكميم

نظرية العينات

كيف نلتقط إشارة مستمرة في شكل منفصل دون فقدان المعلومات؟ نايكويست وشانون أعطونا الإجابة — وغيّرا كل شيء.

01 / 11
DSP ١٠١
M02 · L01
العملية

من المستمر إلى المنفصل

إشارات العالم الحقيقي — الصوت، الحرارة، الاهتزاز — هي إشارات مستمرة. لمعالجتها رقمياً، نأخذ لقطات على فترات منتظمة. كل لقطة هي عيّنة.

معدل أخذ العينات (fs)
عدد العينات في الثانية، ويقاس بـهرتز. عينات أكثر = تفاصيل أدق.
02 / 11
DSP ١٠١
M02 · L01
السؤال الجوهري

ما سرعة أخذ العينات المطلوبة؟

أخذ عينات بطيء جداً يعني فقدان معلومات. سريع جداً يعني إهدار التخزين. هاري نايكويست وكلود شانون أجابا: يجب أخذ عينات بمعدل ضعف أعلى تردد في الإشارة على الأقل.

معدل نايكويست
f_s \geq 2 \cdot f_{\max}
03 / 11
DSP ١٠١
M02 · L01
النظرية

نظرية نايكويست-شانون

إشارة محدودة النطاق بدون مركبات ترددية أعلى من fmax يمكن إعادة بنائها بالكامل من عينات مأخوذة بمعدل fs ≥ 2·fmax. لا تُفقد أي معلومات!

44.1 kHz
صوت CD
8 kHz
الهاتف
لماذا هذه المعدلات؟
CD: fmax=20 kHz → نحتاج ≥40 kHz. الهاتف: fmax=3.4 kHz → نحتاج ≥6.8 kHz.
04 / 11
DSP ١٠١
تفاعلي
جرّب بنفسك

تصوّر أخذ العينات

عدّل معدل أخذ العينات وراقب ما يحدث. عندما يكون fs < 2·fsignal، لا تستطيع العينات التقاط شكل الموجة.

fsig3.0 Hz
fs8.0 Hz
fs = 8.0 Hz ≥ 2 × 3.0 Hz = 6.0 Hz — OK!
05 / 11
DSP ١٠١
M02 · L01
الخطر

ماذا يحدث تحت نايكويست؟

عندما تأخذ عينات بمعدل أقل من 2·fmax، تحصل على الإيهام الترددي (Aliasing). تبدو الإشارة المأخوذة وكأنها إشارة مختلفة تماماً بتردد أقل. مثل مشاهدة عجلة سيارة في الفيديو — أحياناً تبدو وكأنها تدور للخلف.

تأثير الضوء المتقطع
كاميرا بـ 24 إطار/ثانية تجعل عجلة تدور بـ 23 دورة/ثانية تبدو وكأنها تدور بدورة واحدة في الثانية فقط — للخلف! وعند 25 دورة/ثانية تزحف للأمام بدورة واحدة في الثانية. هذا هو الإيهام الترددي بالضبط.
06 / 11
DSP ١٠١
M02 · L01
أمثلة واقعية

الإيهام الترددي عملياً

  • عجلات الأفلام — تبدو وكأنها تدور للخلف عند 24 إطار/ثانية
  • مصابيح LED — تومض في تصوير الهاتف
  • أنماط موريه — في صور الأنسجة الدقيقة
تردد الإيهام
f_{\text{alias}} = |f_{\text{signal}} - n \cdot f_s|
07 / 11
DSP ١٠١
M02 · L01
الحل

مرشح مضاد للإيهام

قبل أخذ العينات، مرّر الإشارة عبر مرشح تمرير منخفض يزيل جميع الترددات فوق fs/2. هذا يمنع الإيهام الترددي. كل محوّل تناظري-رقمي (ADC) يحتوي على واحد مدمج.

بدون المرشح
الترددات العالية تتنكر كترددات منخفضة في الإشارة الرقمية — ولا يمكن التراجع عن ذلك بعد أخذ العينات.
تردد القطع
f_{\text{cutoff}} = \frac{f_s}{2}
08 / 11
DSP ١٠١
اختبار سريع

تحقّق ممّا ثبت

أربعة أسئلة من هذا الدرس. أجب لترى السبب — يظهر الشرح سواء أصبتَ أم أخطأت. ولا شيء يُسجَّل أو يُحفَظ.

السؤال 1 من 0
النتيجة 0/0

09 / 11
DSP ١٠١
النقاط الرئيسية
ملخص

النقاط الرئيسية

  • أخذ العينات يحوّل الإشارات المستمرة إلى منفصلة
  • معدل نايكويست: fs ≥ 2·fmax لإعادة البناء الكامل
  • أقل من نايكويست → تراكب طيفي (ظهور ترددات وهمية)
  • مرشح مضاد للإيهام يزيل الترددات فوق fs/2 قبل أخذ العينات
  • صوت CD (44.1 kHz) يلتقط كامل السمع البشري (حتى ~20 kHz)
10 / 11
DSP ١٠١
القادم
القادم

الإيهام الترددي: عندما تقلّ العينات

الآن بعد أن عرفت القاعدة، لنرَ ماذا يحدث عندما تكسرها. سنستكشف الإيهام الترددي بعمق — الرياضيات، المرئيات، وكيف يظهر في الأنظمة الحقيقية.

11 / 11