في الاتصالات واتصالات الراديو، الطيف المنثور spread spectrum، هوتقنية 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 حتى التداخل يحدث بعد نثر الإشارة المرسلة، ومن ثَم عندما يقوم المستقبل بإعادة الإشارة المرغوب فيها إلى عرض حزمتها الأصلي، فهوينثر في الوقت ذاته الإشارة غير المرغوب فيها (التداخل) بالمقدار ذاته، وينقص من ثم الكثافة الطيفية لاستطاعة التداخل.

خلفية

من المعروف حتى المجال الجوي المتاح للاستخدام الراديوي هومن الأهمية بمكان ويجب ترشيد استخدامه، مثلما هي حال الماء في الصحراء. ويردّ ذلك إلى المُرسِلات والمُستقبِلات التقليدية التي يجب حتى ينحصر تشغيلها في شرائح ضيقة مكرَّسة من الطيف الكهرمغنطيسي لتقليل التداخلات interference إلى أقصى حد. لذا راحت الحكومات تقوم بتجزئة القنوات الراديوية وترخيصها وكأنها عقارات. وفي الولايات المتحدة عمدت هيئة الاتصالات الاتحادية (FCC) أحيانا إلى عملية مزايدة في الأسعار لتوزيع نُطُق (نطاقات، عُصَب) ترددات قيِّمة على أغراض متنوعة، تضم محطات البث الإذاعي والتلفزيوني التجارية والتراسلات العسكرية والبحرية وتراسلات الشرطة وممحرر النقل بالأجرة (التكسي) واتصالات النطاق المدني الراديوي Citizens Band وهواة البث الراديوي ومستخدمي الهاتف الخلوي.

ولكن أوجُه التقدم الحديثة في الاتصالات الرقمية فتحت الباب لنموذج إرسال حديث بالكامل، فأصبحت المُرسِلات الآن قادرة على الاستفادة مما يسمى تقنيات تمديد الطيف، وفيها تتقاسم القنوات الطيف من دون حتى يدخل بعضها في نزاع مع بعضها الآخر، إذ يمكن تقطيع المعلومات إلى رزم إلكترونية رقيقة مؤلفة من واحدات وأصفار، ثم إرسالها على الموجات الراديوية، على حتى ترسل جميع رزمة في قنوات مختلفة، أوترددات، وبقدرة منخفضة. وبيّنت الدراسات الحديثة حتى الملايين من المُرسلات الراديوية الواقعة ضمن المنطقة الحضرية نفسها تستطيع نظريا حتى تعمل بنجاح في نطاق التردد ذاته، في حين أنها تنقل مئات الميگابِتَّة من البيانات (المعطيات) في الثانية الواحدة.

اختراع القفز الترددي

طُورت تقنية الطيف المنثور أساساً من أجل التطبيقات العسكرية، لأن أنظمة الاتصال الصديقة قابلة للكشف أوالاعتراض 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.

إن الطبيعة الخفيَّة لتمديد الطيف كانت في البدء هي جاذبيته الرئيسية. ففي أثناء الحرب العالمية الثانية اهتم الجيش الأمريكي بجهاز خلاَّب كانت نجمة التمثيل هَيدي لامار قد شاركت في تسجيل براءة اختراعه ,كان مفهومه بسيطا للغاية ـ فبدلا من بث المعلومات على قناة وحيدة، حيث قد يتمكن العدومن العثور على الإرسال مصادفة، يقوم الجهاز بالبث متنقلا عبر قنوات مختلفة بشكل مستمر، فيبث كمية صغيرة من المعلومات هنا وأخرى هناك، وفقا لكود سري لا يفهمه إلا المُرسِل والمستقبِل المقصود. وهذا القفز الترددي المتكرر يجعل من الصعب جدا على العدوحتى يستجمع تام الإرسال من خلال الضجيج الكهربائي المحيط به. ولكن جهاز هَيدي لامار كان غير عملي على ما يبدو؛ لأنه كان يعتمد على أداة ميكانيكية غريبة لإنجاز عملية القفز الترددي.

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

ولكن التقدم اللاحق في مجال الدارات الإلكترونية جعل تمديد الطيف مجديا، فالشيبَّات نصف الموصِّلة (الناقلة) المرصَّعة بآلاف الترانزستورات تستطيع بث رُزَم رقمية من البيانات على عدة قنوات في نمط يظهر عشوائيا. غير حتى المُستقبِل المصمَّم ليسمع الإشارات وفق التتابع الخاص الدقيق للمرسِل الراديوي،قد يكون قادرا على اجتذاب المعلومات المجزَّأة بالترتيب السليم من مختلف الترددات. إضافة إلى ذلك، عندما يصادف المُستقبِل رزما مفقودة أومغلوطة يمكنه إبلاغ المرسِل الراديوي بإعادة إرسال تلك الرزم. كما أنه من الممكن استخدام تقنية تدعى تسليم تسليم الخطأ المبكر لتحسين فُرَص استقبال البيانات بشكل سليم من المرة الأولى. لقد وفَّرت التقانات الإلكترونية طريقة أخرى لتمديد الطيف، ألا وهي كيفية التتابع المباشر التردد المباشر التي تُمزَج فيها المعلومات المرسلة بإشارة مكوّدة بحيث تبدولمستمع خارجي وكأنها ضجيج. ففي هذا البديل عن القفز التردّدي تُرْسَل جميع بتة من البيانات على ترددات مختلفة في الوقت نفسه، على حتىقد يكون المُرسِل والمُستقبِل متزامنين من طبيعة الحال مع التتابع المكوّد نفسه.

المبادئ الأساسية للطيف المنثور

يفترض وجود مرسل يرغب في إرسال رسالة مستخدماً استطاعة إرسال S واط وسرعة معلومات Rb بت/ثا (بت في الثانية). إذا استخدام تعديل الطيف المنثور سيزيد عرض حزمة الإشارة المرسلة من Rb هرتز إلى Wss هرتز، وهوعرض حزمة الطيف المنثور (حيث Wss أكبر بكثير من Rb). وعلى فرض حتى القناة أدخلت، إضافة إلى الضجيج الحراري المعتاد (نفرض حتى الكثافة الطيفية للاستطاعة وحيدة الجانب تساوي N0 واط/هرتز) تداخلاً جمعياً (تشويش) استطاعته J موزعة على عرض حزمة WJ، فيعود عرض حزمة الإشارة المرغوب فيها بعد فك النثر إلى قيمته الأصلية Rb هرتز، أما الكثافة الطيفية لاستطاعة التداخل فتصبح NJ = J/Wss. وحيث حتى الضجيج الحراري يفترض حتىقد يكون أبيض (أي إنه ذوتوزيع 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:

Eb / Nt = Eb / (N0 + NJ) =

(S/Rb) / (N0+(J/Wss)

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

Eb / Nt = Eb / NJ = (S/Rb) / (J/Wss)

= (S/J) (Wss/Rb)

حيث يُطلق على النسبة Wss/Rb اسم معدل النثر، ويُعهد على أنه كسب معالجة النظام، أما النسبة J/S فهي نسبة استطاعة التشويش إلى استطاعة الإشارة.

وبما حتى الأداء النهائي للمستقبل من حيث احتمال الخطأ يتعلق بالنسبة Eb/NJ فإن الهدف، من وجهة نظر المتصل، يتمثل في إنقاص النسبة J/S إلى الحد الأدنى (باختيار S) وزيادة كسب المعالجة (عبر اختيار Wss 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 جميع منها Tc باستخدام سلسلة خرج (cn) مولد أعداد شبه عشوائي بحيث:

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

d(t) exp{j(πfct + θc)

حيث d(t) شكل موجة معطيات ذات قيم إثنانية سرعتها s1/Tb بت/ثا وFc وθc هما على الترتيب تردد الحامل المعَدلة وطورها.

وتجدر الإشارة إلى حتى صعوبة مزامنة مولد السلاسل شبه العشوائية المستخدم في المستقبل لفك النثر مع المولد المستخدم في المرسل بدقة كبيرة هوالذي 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 fn)) مولدة بصورة شبه عشوائية. ويكون للإشارة c(t) الشكل العقدي الآتي:

حيث n:-∞, +∞، وحيث (p(t هوأيضاً شكل النبضة الأساسي ومدتها Th، وΦn 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(fc+ d(t)]

حيث d (t) شكل موجة رقمي ذوM مستوى (تدل M على حجم أبجدية الرمز) يمثل التعديل الترددي للمعلومات بسرعة s1/Ts 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.

[[صورة:بنية نظام تعديل بإزاحة التردد متعدد ـ قفز ترددي.jpg|300px|وسط|تصغير|بنية نظام تعديل بإزاحة التردد متعدد ـ قفز ترددي.

وتجدر الإشارة إلى وجود نوعين من الأنظمة: أنظمة القفز الترددي السريع والتي تتميز بقفزة أوأكثر لكل رمز معطيات أي Ts = N Th حيث N عدد طبيعي، وأنظمة القفز الترددي البطيء والتي تتميز بأكثر من رمز لكل قفزة أوTh = N Ts.

جيل إشارة ساعة الطيف المنثور

التطبيقات المتنوعة

التطبيقات العسكرية

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

• مكافحة أوحذف الآثار المخرّبة للتداخل الناجم عن التشويش، أوالناشئ عن مستخدمين آخرين للقناة، أوالتداخل الناجم عن الانتشار متعدد المسارات.
• إخفاء إشارة عبر إرسالها باستطاعة منخفضة مما يجعل كشفها من قبل مستمع غير مرغوب فيه صعباً بوجود الضجيج.
• تأمين سرية الرسالة مع وجود مستمعين آخرين. كما تُستخدم إشارات الطيف المنثور في الرادار والملاحة، بهدف الحصول على قياسات دقيقة لأزمنة التأخير والسرعة.

التطبيقات المدنية

• النفاذ المتعدد بالطيف المنثور:

لعل أبرز استخدام للطيف المنثور في التطبيقات التجارية للاتصالات هوتقنية النفاذ المتعدد. فهويمثل بديلاً للنفاذ المتعدد بتقسيم التردد وللنفاذ المتعدد بتقسيم الزمن، ويطلق عليه اسم النفاذ المتعدد بتقسيم الرمز أوالنفاذ المتعدد بالطيف المنثور. ففي نظام النفاذ المتعدد بتقسيم الرمز يُخصص لكل إشارة من المجموعة سلسلة نثر خاصة بها، وتشغَّل جميع 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، أومن 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.

• 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 حتى التداخل في هذه الحالة لاقد يكون متعمداً، وإنما ينجم عن وجود خدمات عديدة تستخدم القناة الترددية ذاتها في الوقت ذاته (تداخل القناة).

الآفاق المستقبلية

مما لاشك فيه حتى 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.

مخترعون غير متسقطون

كانت الممثلة هَيدي لامار موهوبة وساحرة وفاتنة، وكانت أيضا صاحبة فكر تقاني. فلقد تقدمت هَيدي (نجمة التمثيل) في عام 1941 بالاشتراك مع المؤلف الموسيقي الطليعي جورج آنثيل بطلب لتسجيل براءة اختراع تخص «نظامهما للاتصال السري»، وهوجهاز صُمِّم ليساعد على توجيه الطُربيدات الأمريكية بإشارات راديوية تقفز باستمرار من تردد إلى آخر، مما يصعّب على العدواعتراضها أوالتشويش عليها.

يمكن حتى تكون فكرة «القفز الترددي» خطرت لهيدي لامار ـ التي ولدت باسم هِدڤيگ ماريا إيڤا كيسلر في فيينا ـ عندما كانت متزوجة من فريتز ماندل , وهومصنِّع أسلحة كان يبيع الذخيرة لأدولف هتلر. وبهذا الزواج الذي رتبه لها والداها كانت لامار زوجة ماندل ومحطّ اعتزازه ترافقه إلى الكثير من دعوات العشاء واجتماعات الأعمال حيث درست بصمت وفي غفلة عن المشاركين الكثير عن تقانة حرب دول المحور. وبعد أربع سنوات قضتها لامار مع ماندل، وهي المعادية الشرسة للنازية، هربت إلى لندن حيث اكتشفها <B.L.ماير>، صاحب شركة متروجولدوين ماير، وأقنعها بالذهاب إلى الولايات المتحدة الأمريكية.

وفي هوليوود اجتمعت بأنثيل الذي ساعدها على اكتشاف سبيل لمزامنة القفز الترددي بين جهازي الإرسال والاستقبال الراديويين. واختراعهما هذا الذي قدماه مجانا إلى حكومة الولايات المتحدة كان يستدعي وجود لفَّتين من الورق تشبهان اللفات المستعملة في البيانوالآلي، وهما مثقبتان بنمط متطابق من الثقوب العشوائية. وتتحكم إحدى اللفتين في المرسِل الموجود في الغواصة في حين تُقذف اللفّة الأخرى مع المُستقبِل الموجود على الطربيد. ومع جميع براعة هذا الجهاز فقد كان أكثر من مُربك لاستخدامه في الحرب العالمية الثانية.

ومع ذلك بقيت فكرة القفز الترددي تتبرعم ببطء، إلى حتى أصبح مقاولوالبحرية الأمريكية في أواخر الخمسينات قادرين على الاستفادة من بواكير المُعالجات الحاسوبية للتحكم في التتابع القفزي ومزامنته. ومنذئذ وسّع الجيش الأمريكي دائرة انتشار تقنيات أكثر إتقانا لمعالجات أكثر سرعة موضوعة في أجهزة سرية ومكلفة بما في ذلك منظومات اتصالات عبر الأقمار الصنعية. وفي هذه الأيام أصبحت هذه التقانة واسعة الانتشار في الهواتف الخلوية وفي خدمات الاتصالات الشخصية (PCS) من ضمن غيرها من التطبيقات المدنية.

كانت هيدي لامار نجمة التمثيل في هوليوود قد شاركت في تسلم براءة الاختراع (المُدرجة هنا) المتعلقة بتقانة أساسية تستعمل الآن على نطاق واسع في الهواتف الخلوية وخدمات الاتصالات الشخصية (PCS).

انظر أيضاً

• Direct-sequence spread spectrum
• طيف مفتوح
• توافق كهرومغناطيسي (EMC)
• تداخل كهرومغناطيسي (EMI)
• Frequency allocation
• Frequency-hopping spread spectrum
• Orthogonal variable spreading factor (OVSF)
• Process gain
• Spread-spectrum time-domain reflectometry
• Time-hopping spread spectrum
• HAVE QUICK military frequency-hopping UHF radio voice communication system
• Ultra-wideband
• جورج أنثيل
• هَيدي لامار

الهوامش

المصادر

• نطقب:FS1037C MS188
• NTIA Manual of Regulations and Procedures for Federal Radio Frequency Management
• National Information Systems Security Glossary
• History on spread spectrum, as given in "Smart Mobs, The Next Social Revolution", Howard Rheingold, ISBN 0-7382-0608-3
• Władysław Kozaczuk, Enigma: How the German Machine Cipher Was Broken, and How It Was Read by the Allies in World War Two, edited and translated by Christopher Kasparek, Frederick, MD, University Publications of America, 1984, ISBN 0-89093-547-5.
• Andrew S. Tanenbaum and David J. Wetherall, Computer Networks, Fifth Edition.

وصلات خارجية

• HF Frequency Hopping
• A short history of spread spectrum
• HF VHF UHF Spread Spectrum Radio
• CDMA and spread spectrum
• Information about the use of spread spectrum for reduced AGP EMI
• Spread Spectrum Scene newsletter
• Presentations at 4/08 George Mason University conference on unlicensed spread spectrum history
• Interview for the Indian press with Hedy Lamarr's (the inventor of spread spectrum) son, Anthony loder, on the impact of her invention