الطيف المنثور

طيف منثور

Spread spectrum - Spectre de diffusion

الطيف المنثور

الطيف المنثور spread spectrum هو تقنية في الاتصالات تعتمد على نثر (زيادة عرض) حزمة الإشارة قبل إرسالها إلى قناة الاتصال، ثم فك نثر (إنقاص عرض) حزمتها بالمقدار نفسه عند الاستقبال.

ويسمح استخدام إجرائية النثر (فك النثر) بالتقليل من آثار التداخل على أداء المستقبل، والذي يتعلق بمقدار استطاعة التداخل ضمن عرض الحزمة، ومن ثَم بتحسين جودة الاتصال.

وتتمثل الفكرة الرئيسية في أن التداخل يحدث بعد نثر الإشارة المرسلة، ومن ثَم عندما يقوم المستقبل بإعادة الإشارة المرغوب فيها إلى عرض حزمتها الأصلي، فهو ينثر في الوقت ذاته الإشارة غير المرغوب فيها (التداخل) بالمقدار ذاته، وينقص من ثم الكثافة الطيفية لاستطاعة التداخل.   

لمحة تاريخية

طُورت تقنية الطيف المنثور أساساً من أجل التطبيقات العسكرية، لأن أنظمة الاتصال الصديقة قابلة للكشف أو الاعتراض من العدو، وغير منيعة في وجه التداخل المتعمد (التشويش). ويُطلق على أنظمة الاتصالات التي تستخدم الطيف المنثور للتقليل من قابلية كشفها اسم أنظمة اتصالات ذات احتمال اعتراض منخفض، ويطلق على تلك التي تستخدمه للتصدي للتداخل ذي المصدر المعادي اسم أنظمة اتصالات ممانعة للتشويش.

ومع انتهاء الحرب الباردة، سمح العسكريون بانتقال تلك التقنية إلى القطاع المدني فظهرت عدة تطبيقات تجارية للطيف المنثور، وخاصة في مجال الاتصالات النقالة الخلوية. إذ إن المبادئ الأساسية التي جعلت الطيف المنثور مفيداً للاتصالات العسكرية قد أثبتت جدواها في الاتصالات المدنية أيضاً.  

المبادئ الأساسية للطيف المنثور

يفترض وجود مرسل يرغب في إرسال رسالة مستخدماً استطاعة إرسال S واط وسرعة معلومات R_b بت/ثا (بت في الثانية). إن استخدام تعديل الطيف المنثور سيزيد عرض حزمة الإشارة المرسلة من R_b هرتز إلى Wss هرتز، وهو عرض حزمة الطيف المنثور (حيث W_ss أكبر بكثير من R_b). وعلى فرض أن القناة أدخلت، إضافة إلى الضجيج الحراري المعتاد (نفرض أن الكثافة الطيفية للاستطاعة وحيدة الجانب تساوي N₀ واط/هرتز) تداخلاً جمعياً (تشويش) استطاعته J موزعة على عرض حزمة W_J، فيعود عرض حزمة الإشارة المرغوب فيها بعد فك النثر إلى قيمته الأصلية R_b هرتز، أما الكثافة الطيفية لاستطاعة التداخل فتصبح N_J = J/W_ss. وحيث أن الضجيج الحراري يفترض أن يكون أبيض (أي إنه ذو توزيع منتظم على الترددات كلها) فإن الكثافة الطيفية لاستطاعته لا تتغير وتبقى N₀. وتعطى نسبة طاقة البت إلى الضجيج الكلي، بصرف النظر عن أشكال موجة الإشارة والتداخل بالعلاقة:

E_b / N_t = E_b / (N₀ + N_J) =

(S/R_b) / (N₀+(J/W_ss)

وبما أن التشويش يحد الأداء في معظم الحالات العملية فإنه يمكن إهمال آثار ضجيج المستقبِل، ومن ثَم افتراض أن NJ أكبر بكثير من N0، فتصبح المعادلة السابقة:

E_b / N_t = E_b / N_J = (S/R_b) / (J/W_ss)

= (S/J) (W_ss/R_b)

حيث يُطلق على النسبة W_ss/R_b اسم معدل النثر، ويُعرف على أنه ربح معالجة النظام، أما النسبة J/S فهي نسبة استطاعة التشويش إلى استطاعة الإشارة.

وبما أن الأداء النهائي للمستقبل من حيث احتمال الخطأ يتعلق بالنسبة E_b/N_J فإن الهدف، من وجهة نظر المتصل، يتمثل في إنقاص النسبة J/S إلى الحد الأدنى (باختيار S) وزيادة ربح المعالجة (عبر اختيار W_ss من أجل سرعة معلومات مرغوبة معينة).

تقنيات الطيف المنثور

ثمة تقنيات عدة للنثر وهي التعديل بالسلسلة المباشرة، والتعديل بالقفز الترددي، والتعديل بالقفز الزمني، والتعديل الهجين. وستُعرض فيما يأتي التقنيتين الأكثر شيوعاً، وهما:

1ـ التعديل بالسلسلة المباشرة

تُشكل إشارة التعديل بسلسلة مباشرة c(t) direct sequence بإجراء تعديل خطي لقطار من النبضات، مدة كل منها T_c باستخدام سلسلة خرج (c_n) مولد أعداد شبه عشوائي بحيث:

وحيث n:-∞, +∞، وحيث p (t) هو شكل النبضة الأساسي والذي يكون عادة مستطيلاً. ويُستخدم هذا النوع من التعديل عادة من أجل إشارات المعلومات المزاحة الطور الإثنانية والتي لها الشكل العقدي:

d(t) exp{j(πf_ct + θ_c)}

حيث d(t) شكل موجة معطيات ذات قيم إثنانية سرعتها s1/T_b بت/ثا و F_c و θ_c هما على الترتيب تردد الحامل المعَدلة وطورها.

الشكل (1) بنية نظام تعديل بإزاحة طور ثنائي ـ سلسلة مباشرة

ويبين (الشكل ـ1) بنية نظام تعديل بإزاحة الطور ثنائي ـ سلسلة مباشرة (في شكله العقدي).

وتجدر الإشارة إلى أن صعوبة مزامنة مولد السلاسل شبه العشوائية المستخدم في المستقبل لفك النثر مع المولد المستخدم في المرسل بدقة كبيرة هو الذي يحد من عرض حزمة الطيف المنثور.

2ـ التعديل بالقفز الترددي

تُشكّل إشارة التعديل بالقفز الترددي c(t) frequency hopping بإجراء تعديل غير خطي لقطار من النبضات باستخدام سلسلة من الإزاحات الترددية f_n)) مولدة بصورة شبه عشوائية. ويكون للإشارة c(t)  الشكل العقدي الآتي:

حيث n:-∞, +∞، وحيث (p(t هو أيضاً شكل النبضة الأساسي ومدتها T_h، وΦ_n سلسلة من الأطوار العشوائية مرتبطة بتوليد القفزات. ويُستخدم هذا النوع من التعديل عادة من أجل إشارات المعلومات المزاحة التردد المتعددة والتي لها الشكل العقدي:

exp{j[2π(f_c+ d(t)]}

حيث d (t) شكل موجة رقمي ذو M مستوى (تدل M على حجم أبجدية الرمز) يمثل التعديل الترددي للمعلومات بسرعة s1/T_s رمز/ثا.

وفي الواقع لا يتم توليد الإشارة (c(t في المرسل، بل يتم الحصول على الإشارة المرسلة الحقيقية x (t) بتطبيق سلسلة الإزاحات الترددية شبه العشوائية مباشرة على المركب الترددي الذي يقفز بالحامل بين الترددات وعددها s2k. ويبين (الشكل ـ2)  بنية نظام تعديل بإزاحة التردد متعدد ـ قفز ترددي.

الشكل (1) بنية نظام تعديل بإزاحة التردد متعدد ـ قفز ترددي

وتجدر الإشارة إلى وجود نوعين من الأنظمة: أنظمة القفز الترددي السريع والتي تتميز بقفزة أو أكثر لكل رمز معطيات أي T_s = N T_h حيث N عدد طبيعي، وأنظمة القفز الترددي البطيء والتي تتميز بأكثر من رمز لكل قفزة أو T_h = N T_s.

التطبيقات المختلفة

الشكل (3) طيف الإشارة قبل وبعد النثر

1ـ التطبيقات العسكرية: تستخدم أنظمة الاتصالات العسكرية تقنية الطيف المنثور من أجل تحقيق اتصالات مضادة للتشويش أو ذات احتمال اعتراض منخفض. وبصورة أكثر تحديداً يهدف استخدام إشارات الطيف المنثور إلى:

ـ مكافحة أو حذف الآثار المخرّبة للتداخل الناجم عن التشويش، أو الناشئ عن مستخدمين آخرين للقناة، أو التداخل الناجم عن الانتشار متعدد المسارات.

ـ إخفاء إشارة عبر إرسالها باستطاعة منخفضة مما يجعل كشفها من قبل مستمع غير مرغوب فيه صعباً بوجود الضجيج. ويبين (الشكل ـ3) مثالاً على طيف إشارة معدلة بإزاحة الطور ثنائية قبل وبعد عملية النثر، حيث نجد أن ذروة المطال في الطيف بعد النثر قد تم إنقاصها بمقدار من رتبة ربح المعالجة بالنسبة للذروة قبل النثر.

ـ تأمين سرية الرسالة مع وجود مستمعين آخرين. كما تُستخدم إشارات الطيف المنثور في الرادار والملاحة، بهدف الحصول على قياسات دقيقة لأزمنة التأخير والسرعة.

2ـ التطبيقات المدنية:

ـ النفاذ المتعدد بالطيف المنثور:

لعل أهم استخدام للطيف المنثور في التطبيقات التجارية للاتصالات هو تقنية النفاذ المتعدد. فهو يمثل بديلاً للنفاذ المتعدد بتقسيم التردد وللنفاذ المتعدد بتقسيم الزمن، ويطلق عليه اسم النفاذ المتعدد بتقسيم الرمز أو النفاذ المتعدد بالطيف المنثور. ففي نظام النفاذ المتعدد بتقسيم الرمز يُخصص لكل إشارة من المجموعة سلسلة نثر خاصة بها، وتشغَّل كل الإشارات في النفاذ المتعدد بتقسيم الرمز الحزمة الترددية ذاتها، وتُرسل في آن معاً وذلك على النقيض من نظام النفاذ المتعدد بتقسيم التردد حيث يشغل جميع المستخدمين حزم ترددية منفصلة إنما تُرسل في آن معاً، أو من نظام النفاذ المتعدد بتقسيم الزمن، إذ يشغل جميع المستخدمين الحزمة الترددية ذاتها، لكن الإرسال يتم في فترات زمنية منفصلة. ويتم تمييز الإشارات بعضها من بعض عند المستقبل في نظام النفاذ المتعدد بتقسيم الرمز بفضل رموز النثر المحددة التي يستخدمونها.

وقد حظي النفاذ المتعدد بتقسيم الرمز مؤخراً باهتمام بالغ في حقل الاتصالات اللاسلكية، وتشتمل تلك التطبيقات على الاتصالات الخلوية، وخدمات الاتصالات الشخصية، والشبكات المحلية اللاسلكية. ويعود الفضل في هذا الانتشار إلى الأداء الذي تظهره إشارات الطيف المنثور لدى إرسالها عبر قناة خفوت متعددة المسارات.

ـ رفض التداخل: تحظى تقنيات الطيف المنثور بأهمية كبيرة في القطاع المدني للأسباب ذاتها التي جعلتها حيوية في التطبيقات العسكرية، وبالذات لخصائصها في ممانعة التشويش واحتمال الاعتراض المنخفض، إلا أن التداخل في هذه الحالة لا يكون متعمداً، وإنما ينجم عن وجود خدمات عديدة تستخدم القناة الترددية ذاتها في الوقت ذاته (تداخل القناة).

الآفاق المستقبلية

مما لاشك فيه أن الاهتمام المتزايد الذي تحظى به تقنيات الطيف المنثور، وخاصة من قبل الاتصالات الخلوية، والأبحاث المتواصلة عبر العالم لتحسين أداء أنظمة الاتصالات يَعِدُ بمزيد من التطوير للطيف المنثور وتطبيقات.

 محمد خالد شاهين

الاتصال ـ الاتصال من بعد ـ تعديل الإشارة ـ تعديل الإشارة (كشف ـ) ـ شبكات الهاتف الخلوي.

- JERRY D. GIBSON, The Mobile Commu­ni­cations Handbook, (CRC press Inc.1996).

- JOHN G. PROAKIS, Digital Commu­ni­cation, (McGraw-Hill Inc. 1995).

التصنيف : التقنيات (التكنولوجية)

النوع : تقانة

المجلد: المجلد الثاني عشر

رقم الصفحة ضمن المجلد : 693

آخر أخبار الهيئة :

معجم المصطلحات

الأطلس الجغرافي

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية