طيف واسع

📅 آخر تحديث: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة

في مجال الاتصالات ، وخاصة الاتصالات اللاسلكية ، تُعدّ تقنية الطيف المنتشر أسلوبًا يتم من خلاله نشر إشارة (مثل إشارة كهربائية أو كهرومغناطيسية أو صوتية) مُولّدة بنطاق ترددي مُحدد ، عمدًا، في نطاق ترددي أوسع . تُستخدم تقنيات الطيف المنتشر لإنشاء اتصالات آمنة، وزيادة مقاومة التداخل الطبيعي والضوضاء والتشويش ، ومنع الكشف، والحد من كثافة تدفق الطاقة (كما هو الحال في وصلات الإرسال الهابطة عبر الأقمار الصناعية )، وتمكين الاتصالات متعددة الوصول.

الاتصالات السلكية واللاسلكية

تستخدم تقنية الطيف المنتشر عمومًا بنية إشارة تسلسلية شبيهة بالضوضاء لنشر إشارة المعلومات ذات النطاق الضيق عادةً على نطاق ترددي واسع نسبيًا (ترددات الراديو). يقوم جهاز الاستقبال بربط الإشارات المستقبلة لاستعادة إشارة المعلومات الأصلية. في الأصل، كان هناك دافعان: إما مقاومة جهود العدو لتشويش الاتصالات (مقاومة التشويش)، أو إخفاء حقيقة وجود اتصال من الأساس، وهو ما يُسمى أحيانًا باحتمالية اعتراض منخفضة . [ 1 ]

تُعدّ تقنيات طيف الانتشار، مثل طيف الانتشار بالقفز الترددي (FHSS)، وطيف الانتشار بالتسلسل المباشر (DSSS)، وطيف الانتشار بالقفز الزمني (THSS)، وطيف الانتشار بالتردد المتغير (CSS)، بالإضافة إلى تركيبات هذه التقنيات، أشكالاً من طيف الانتشار. تستخدم التقنيتان الأوليان متواليات أرقام شبه عشوائية - يتم إنشاؤها باستخدام مولدات أرقام شبه عشوائية - لتحديد نمط انتشار الإشارة والتحكم فيه عبر النطاق الترددي المخصص. يستخدم معيار IEEE 802.11 اللاسلكي إما تقنية FHSS أو DSSS في واجهة الراديو الخاصة به.

  • تُعرف تقنيات طيف الانتشار منذ أربعينيات القرن العشرين، وتُستخدم في أنظمة الاتصالات العسكرية منذ خمسينياته، حيث تعمل على "نشر" إشارة الراديو على نطاق ترددي واسع، أعلى بعدة مراتب من الحد الأدنى المطلوب. ويكمن المبدأ الأساسي لتقنية طيف الانتشار في استخدام موجات حاملة شبيهة بالضوضاء، وكما يوحي الاسم، نطاقات ترددية أوسع بكثير من تلك المطلوبة للاتصال البسيط من نقطة إلى نقطة بنفس معدل نقل البيانات.
  • مقاومة التشويش (التداخل). يتميز نظام التسلسل المباشر (DS) بمقاومته الجيدة للتشويش المستمر ذي النطاق الترددي الضيق، بينما يتميز نظام القفز الترددي (FH) بمقاومته الأفضل للتشويش النبضي. في أنظمة التسلسل المباشر، يؤثر التشويش ذو النطاق الترددي الضيق على أداء الكشف بنفس القدر تقريبًا كما لو تم توزيع طاقة التشويش على كامل نطاق تردد الإشارة، حيث غالبًا ما تكون أقل قوة من ضوضاء الخلفية. في المقابل، في الأنظمة ذات النطاق الترددي الضيق حيث يكون نطاق تردد الإشارة منخفضًا، ستنخفض جودة الإشارة المستقبلة بشكل كبير إذا تركزت طاقة التشويش في نطاق تردد الإشارة.
  • مقاومة التنصت . غالبًا ما يكون تسلسل الانتشار (في أنظمة الطيف المنتشر) أو نمط القفز الترددي (في أنظمة القفز الترددي) غير معروف لأي شخص غير مُستهدف بالإشارة، مما يُخفي الإشارة ويُقلل من فرصة فهمها من قِبل المُهاجم. علاوة على ذلك، بالنسبة لكثافة طيف قدرة الضوضاء (PSD) المُحددة، تتطلب أنظمة الطيف المنتشر نفس كمية الطاقة لكل بت قبل الانتشار كما في أنظمة النطاق الضيق، وبالتالي نفس كمية الطاقة إذا كان معدل البت قبل الانتشار هو نفسه، ولكن نظرًا لأن طاقة الإشارة تنتشر على نطاق ترددي واسع، فإن كثافة طيف قدرة الإشارة تكون أقل بكثير - غالبًا أقل بكثير من كثافة طيف قدرة الضوضاء - بحيث قد لا يتمكن المُهاجم من تحديد ما إذا كانت الإشارة موجودة أصلًا. مع ذلك، بالنسبة للتطبيقات بالغة الأهمية، وخاصة تلك التي تستخدم أجهزة راديو متوفرة تجاريًا، لا تُوفر أجهزة راديو الطيف المنتشر أمانًا كافيًا إلا إذا تم، كحد أدنى، استخدام تسلسلات انتشار غير خطية طويلة وتشفير الرسائل.
  • مقاومة التلاشي . يوفر النطاق الترددي العالي الذي تشغله إشارات الطيف المنتشر تنوعًا في التردد؛ أي أنه من غير المرجح أن تواجه الإشارة تلاشيًا شديدًا متعدد المسارات على كامل نطاقها الترددي. في أنظمة التسلسل المباشر، يمكن الكشف عن الإشارة باستخدام مستقبل ذي مشط .
  • تُعرف خاصية الوصول المتعدد باسم الوصول المتعدد بتقسيم الشفرة (CDMA) أو تعدد الإرسال بتقسيم الشفرة (CDM). يمكن لعدة مستخدمين الإرسال في وقت واحد في نفس نطاق التردد طالما أنهم يستخدمون تسلسلات نشر مختلفة.

اختراع تقنية القفز الترددي

تعود فكرة محاولة حماية الإشارات اللاسلكية وتجنب التداخل فيها إلى بدايات استخدام الموجات الراديوية. ففي عام ١٨٩٩، أجرى غولييلمو ماركوني تجارب على الاستقبال الانتقائي للترددات في محاولة لتقليل التداخل. [ ٢ ] تبنت شركة تيليفونكن الألمانية للراديو مفهوم القفز الترددي، ووصفه نيكولا تيسلا جزئيًا في براءة اختراع أمريكية صدرت عام ١٩٠٣. [ ٣ ] [ ٤ ] ويصف كتاب "التلغراف اللاسلكي" الألماني ، الذي ألفه رائد الراديو جوناثان زينك عام ١٩٠٨، هذه العملية، ويشير إلى أن شركة تيليفونكن كانت تستخدمها سابقًا. [ 2 ] شهد استخدامًا محدودًا من قبل الجيش الألماني في الحرب العالمية الأولى ، [ 5 ] تم طرحه من قبل المهندس البولندي ليونارد دانيليفيتش في عام 1929، [ 6 ] ظهر في براءة اختراع في ثلاثينيات القرن العشرين من قبل ويليم برورتجيس ( براءة اختراع أمريكية رقم 1,869,659 صدرت في 2 أغسطس 1932)، وفي نظام الاتصالات السري لفيلق الإشارة التابع للجيش الأمريكي في الحرب العالمية الثانية المسمى SIGSALY .

خلال الحرب العالمية الثانية، طورت الممثلة هيدي لامار، نجمة العصر الذهبي لهوليوود، والملحن الطليعي جورج أنثيل، نظام توجيه لاسلكي مقاوم للتشويش لاستخدامه في طوربيدات الحلفاء ، وحصلا على براءة اختراع للجهاز بموجب براءة الاختراع الأمريكية رقم 2,292,387 بعنوان "نظام اتصالات سري" في 11 أغسطس 1942. تميز نهجهما بكونه فريدًا من نوعه، حيث تم تنسيق الترددات باستخدام لفائف ورقية للبيانو الآلي، وهو نهج مبتكر لم يُطبق عمليًا قط. [ 7 ]

توليد إشارة الساعة

طيف انتشار مصدر طاقة تبديل حديث (فترة التسخين) بما في ذلك مخطط الشلال على مدى بضع دقائق. تم التسجيل باستخدام محلل التوافق الكهرومغناطيسي NF-5030

تُستخدم تقنية توليد إشارة الساعة ذات الطيف المنتشر (SSCG) في بعض الأنظمة الرقمية المتزامنة ، وخاصةً تلك التي تحتوي على معالجات دقيقة، لتقليل كثافة الطيف للتداخل الكهرومغناطيسي (EMI) الذي تُولّده هذه الأنظمة. النظام الرقمي المتزامن هو نظام يُشغّل بإشارة ساعة ، وبسبب طبيعته الدورية، يتميز بنطاق ترددي ضيق حتمًا. في الواقع، تتركز طاقة إشارة الساعة المثالية بالكامل عند تردد واحد (تردد الساعة المطلوب) وتوافقياته.

خلفية

تقوم الأنظمة الرقمية المتزامنة العملية بإشعاع الطاقة الكهرومغناطيسية على عدد من النطاقات الضيقة المنتشرة على تردد الساعة وتوافقياتها، مما ينتج عنه طيف تردد يمكن أن يتجاوز، عند ترددات معينة، الحدود التنظيمية للتداخل الكهرومغناطيسي (مثل تلك الخاصة بـ FCC في الولايات المتحدة، وJEITA في اليابان، و IEC في أوروبا).

تتجنب تقنية التوقيت الطيفي المنتشر هذه المشكلة عن طريق تقليل ذروة الطاقة المشعة، وبالتالي تقليل انبعاثاتها الكهرومغناطيسية، مما يضمن الامتثال للوائح التوافق الكهرومغناطيسي (EMC). وقد أصبحت هذه التقنية شائعة للحصول على الموافقات التنظيمية نظرًا لأنها لا تتطلب سوى تعديلات بسيطة على المعدات. وتزداد شعبيتها في الأجهزة الإلكترونية المحمولة نظرًا لسرعات الساعة العالية وتزايد دمج شاشات LCD عالية الدقة في أجهزة أصغر حجمًا. ولأن هذه الأجهزة مصممة لتكون خفيفة الوزن ومنخفضة التكلفة، فإن التدابير الإلكترونية السلبية التقليدية لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي، مثل المكثفات أو التدريع المعدني، غير مجدية. لذا، تُعد تقنيات الحد من التداخل الكهرومغناطيسي النشطة ، مثل تقنية التوقيت الطيفي المنتشر، ضرورية في هذه الحالات.

طريقة

في أنظمة PCIe وUSB 3.0 وSATA، تُعدّ تقنية خفض التردد، عبر تعديل التردد باستخدام مصدر ذي تردد منخفض، التقنية الأكثر شيوعًا. [ 8 ] كما أن تقنية توقيت الطيف المنتشر، كغيرها من أنواع تغيير التردد الديناميكي ، قد تُشكّل تحديات للمصممين. ومن أبرز هذه التحديات عدم تزامن الساعة مع البيانات، أو ما يُعرف بانحراف الساعة . إذ تحتاج حلقة قفل الطور في جانب الاستقبال إلى نطاق ترددي عالٍ بما يكفي لتتبع ساعة الطيف المنتشر بدقة. [ 9 ]

على الرغم من أن توافق SSC إلزامي في مستقبلات SATA، [ 10 ] إلا أنه من الشائع وجود رقائق توسيع تواجه مشاكل في التعامل مع هذه الساعة. ونتيجة لذلك، تُعتبر إمكانية تعطيل توقيت الطيف المنتشر في أنظمة الحاسوب مفيدة. [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]

تأثير

تجدر الإشارة إلى أن هذه الطريقة لا تُقلل من إجمالي الطاقة المُشعّة ، وبالتالي فإن الأنظمة ليست بالضرورة أقل عرضةً للتسبب في التداخل. يُقلل توزيع الطاقة على نطاق ترددي أوسع من القراءات الكهربائية والمغناطيسية ضمن نطاقات ترددية ضيقة. تقسم أجهزة الاستقبال القياسية المستخدمة في مختبرات اختبار التوافق الكهرومغناطيسي الطيف الكهرومغناطيسي إلى نطاقات ترددية  بعرض 120 كيلوهرتز تقريبًا. [ 14 ] إذا كان النظام قيد الاختبار يُشعّ كل طاقته في نطاق ترددي ضيق، فسيسجل ذروة عالية. يمنع توزيع هذه الطاقة نفسها على نطاق ترددي أوسع الأنظمة من وضع طاقة كافية في أي نطاق ضيق واحد لتجاوز الحدود القانونية. غالبًا ما تُثار التساؤلات حول جدوى هذه الطريقة كوسيلة للحد من مشاكل التداخل في الواقع العملي، [ 9 ] إذ يُعتقد أن تقنية توقيت الطيف المنتشر تُخفي مشاكل الطاقة المُشعّة العالية بدلًا من حلها، وذلك ببساطة عن طريق استغلال الثغرات في تشريعات التوافق الكهرومغناطيسي أو إجراءات الاعتماد. ينتج عن هذا الوضع أن المعدات الإلكترونية الحساسة لنطاق ترددي ضيق تتعرض لتداخل أقل بكثير، في حين أن تلك التي تتمتع بحساسية النطاق العريض، أو حتى تلك التي تعمل بترددات أعلى أخرى (مثل جهاز استقبال راديو مضبوط على محطة مختلفة)، ستتعرض لمزيد من التداخل.

غالبًا ما تُجرى اختبارات شهادة لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) مع تفعيل وظيفة الطيف المنتشر لتقليل الانبعاثات المقاسة إلى الحدود القانونية المقبولة. مع ذلك، قد يُعطّل المستخدم وظيفة الطيف المنتشر في بعض الحالات. على سبيل المثال، في مجال الحواسيب الشخصية، يُتيح بعض مُصممي نظام الإدخال والإخراج الأساسي (BIOS) إمكانية تعطيل توليد ساعة الطيف المنتشر كإعداد للمستخدم، مما يُفقد لوائح التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) جدواها. قد يُعتبر هذا ثغرة قانونية ، ولكن يتم التغاضي عنها عمومًا طالما أن وظيفة الطيف المنتشر مُفعّلة افتراضيًا.

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ↑ توريري، دون (2018). مبادئ أنظمة الاتصالات ذات الطيف المنتشر، الطبعة الرابعة .
  2. 1 2 كان، ديفيد (17 يناير 2014). كيف اكتشفت أعظم جاسوس في الحرب العالمية الثانية وقصص أخرى عن الاستخبارات والشفرات . دار نشر سي آر سي. رقم ISBN 9781466561991تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 نوفمبر 2022 – عبر كتب جوجل.
  3. ↑ توني روثمان، مسارات عشوائية للقفز الترددي، مجلة ساينتست الأمريكية، يناير-فبراير 2019، المجلد 107، العدد 1، الصفحة 46 americanscientist.org
  4. ↑ جوناثان أدولف ويلهلم زينك، التلغراف اللاسلكي، شركة ماكجرو هيل للنشر، 1915، صفحة 331
  5. ↑ دينيس وينتر، قيادة هيغ - إعادة تقييم
  6. ↑ استذكر دانيليفيتش لاحقًا: "في عام 1929، اقترحنا على هيئة الأركان العامة جهازًا من تصميمي للتلغراف اللاسلكي السري، والذي لحسن الحظ لم يُقبل، لأنه كان فكرة بدائية حقًا تتمثل في تغييرات مستمرة في تردد جهاز الإرسال. ومع ذلك، رأت اللجنة أنه من المناسب منحي 5000 زلوتي لتنفيذ نموذج أولي وتشجيعًا لي على مواصلة العمل." (مقتبس من: فلاديسلاف كوزاتشوك ، إنجما: كيف تم كسر الشفرة الآلية الألمانية، وكيف قرأها الحلفاء في الحرب العالمية الثانية ، 1984، ص 27).
  7. ↑ آري بن مناحيم، الموسوعة التاريخية للعلوم الطبيعية والرياضية، المجلد 1، سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا ​​- 2009، الصفحات 4527-4530
  8. ↑ "تقنية توقيت الطيف المنتشر" . مايكروسيمي .
  9. 1 2 آيتم ميديا ​​(19 مارس 2013). "توليد إشارة الساعة بتقنية الطيف المنتشر - النظرية والنقاش" . تكنولوجيا التداخل .
  10. ↑ "ملاحظة تطبيقية لبرنامج CATC SATracer / Trainer: توقيت الطيف المنتشر" (ملف PDF) . CATC . 2 يوليو 2003. تم الاطلاع عليه في 20 مايو 2023 .
  11. ↑ محركات الأقراص الصلبة Western Digital Raid Edition III werden vom RAID Controller nicht erkannt (توماس كرين ويكي)
  12. ↑ Intel Speichersystem SS4000-E: Festplatten، wie beispielsweise die Western Digital WD2500JS SATA، werden nicht erkannt. هل تريد أن تفعل ذلك؟ (مركز موزع إنتل)
  13. ↑ أداة تبديل SSC – Barracuda 7200.9 في Wayback Machine (تمت أرشفة بتاريخ 29-04-2010) (قاعدة معارف Seagate)
  14. ↑ المعيار الوطني الأمريكي لأجهزة قياس الضوضاء الكهرومغناطيسية وقوة المجال، من 10 هرتز إلى 40 جيجاهرتز - المواصفات، ANSI C63.2-1996، القسم 8.2 عرض النطاق الترددي الإجمالي

مصادر