Posted in ALL

خصائص الموجات الراديوية



الفصل الأول من منهج إدارة الشبكة اللاسلكية CWNA

خصائص الموجات الراديوية

نادر المنسي

مدونة مسودة لاسلكية

wirelessset.net

1 Radio Frequency (RF) Technologies – 15%

1.1 Define and explain the basic characteristics of RF and RF behavior

1.1.1 Wavelength, frequency, amplitude, phase, sine waves

1.1.2 RF propagation and coverage

1.1.3 Reflection, refraction, diffraction and scattering

1.1.4 Multipath and RF interference

1.1.5 Gain and loss

1.1.6 Amplification

1.1.7 Attenuation

1.1.8 Absorption

1.1.9 Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)

1.1.10 Return Loss

1.1.11 Free Space Path Loss (FSPL)

1.1.12 Delay Spread

1.1.13 Modulation (ASK and PSK)

1.1.1

Wavelength, frequency, amplitude, phase, sine waves



أي استعراض أو رياضة حركية تعتمد تسميتها علي مجمل الحركات بها مثل السباحة و الجري في ألعاب القوي و أساليب الكنغوفو و الكاراتيه حتي و العياذ بالله الرقص  ,الرقص الشامي يختلف عن البلدي عن الصعيدي عن السكندري عن الخليجي عن الغربي عن الأرجنيتني عن البرازيلي

الموجات أيضا كذلك حركات متكررة و نوع التكرار و شكله يحمل مضمون ما, هذا المضمون هو معلومة , اذن فالموجات تحمل معلومات.

و كما أن حركات راقصي الباليه مثلا تحمل لك رسالة ما فإن أيضا حركة الموجة تنقل الطاقة التي هي أصلا رسالة تم تحويلها الي كهرباء في جهاز كهربي ثم الي موجات بواسطة هوائيات الارسال

شكل و طبيعة موجات الصوت تختلف عن شكل و طبيعة موجات الضوء و كلاهما يختلف عن موجات الرادار و الوايرلس و الموجات النووية و هكذا

و كمان أن الإختلاف بين طرق الجري في ألعاب القوي يعتمد مثلا علي السرعة و ربما شكل طريقة القفز و الإرتفاع و الزمن فنحن أيضا نميز بين الموجات بعد خصئاص

هذه الخصائص تحدد كم المعلومات و كيفيتها الموجودة في الموجة مثل قوة الموجة Amplitude و عدد تكرارها Frequency و المسافة بين كل تكرار Wavelength و مدي التزام الموجة بتكرارها Phase و الوقت اللازم لإتمام الموجة رقصتها

اذن فإنه يطلق علي أي ظاهرة تتكرر باستمرار مع الزمن  اسم موجة مثل الصوت و الضوء و حركة الأمواج و الإلكترون و غيرهم و لكل منهم هيئة مغايرة للأخري  ففي الصوت مثلا يتم التغير في ضغط هواء الوسط  لينتقل الصوت أما في الضوء و الموجات الكهرومغناطيسية فيتم التغير في قوة مركبتي الكهربية و المغناطيسية في الموجة

Amplitude (A)

تستطيع أن تعرفها حرفيا أو رياضيا بقيمة الإشارة و هي فيزيائيا و هندسيا تعبر عن قوة الإشارة و يمثلها في حياتنا رفع و خفض صوت التلفاز أو عدد شرط الموجة المستقبلة في إشارة الموبايل أو اشارة الوايفاي

اذن فكلما زادت قيمة الإشارة زادت قوتها و لكن ليس طبعا وضوحها فربما تكون الإشارة التي استقبلتها قد تداخلت مع اشارات أخري أو شوشر عليها – جرب اللإستماع الي راديو السيارة بجوار برج إذاعي أو خطوط كهرباء ضغط عالي –

عند حدوث هبوط في قيمة الإشارة يسمي هذا بالذبول أو التلاشي Fading – جرب الإستماع الي راديو السيارة في نفق –


و الإشارات اللاسلكية التي يلتقطها الأكسسبونيت أو جهازك ليست بالقوة التي تسمح باستخدامها و لذلك توجد مراحل تكبير للإشارة بعد مرحلة الهوائي

اذن فالتغير في قيم الإشارة يغير من مستوي وضوحها أو قوة سماعها اذا كانت صوت و لأن Amplitude يعبر عن قدرة الإشارة فإنه يقاس بوحدة الوات W و تستطيع أن تقرأ مثلا علي الأكسسبوينت أن قدرة هوائي الإرسال له 50 mw و هو هنا Amplitude و هذه القدرة ليست طبعا هي القدرة التي ستصل اليك حيث أن Amplitude سيعاني من كثير من المشاكل – مثل التشتت – في الجو أو حتي في الموصلات بعد هوائي الإستقبال لديك و ذلك الي أن تصل اليك

و التغير في التردد أو بشكل أصح الطيف الترددي المعمول به في أي نظام يحدد مستوي قدرة الإشارة Amplitude كي تستطيع أن تصل الي المستقبل , فمثلا ترددات المذياع AM يحتاج بث الموجة بقدرة 50,000 watts بسبب استخدام هوائيات بث عالية القدرة و ذلك لنشرها علي أكبر مساحة ممكنة بينما تردد الشبكات اللاسلكية يتراوح قدرة بثها من 1ميللي وات الي 100 ميللي وات و ذلك لعدم احتياج بثها علي مسافات شاسعة و لاستخدامها هوايات ذات امكانيات محدودة في البث و بالعكس فإن هوائيات الإستقبال في الشبكات اللاسكية ذات حساسية حالية فتستطيع كشف اشارة بقدرة أقل بكثير من ذلك.

Frequency (f)


يعتبر مصطلح التردد من اكثر المصطلحات انتشارا في عالم الإتصالات بشكل عام و الشبكات اللاسلكية بشكل خاص  فلكل تقنية ترددها الخاص بها و الذي علي أساسه تم تصميم أجهزتها  و  هو أكثر المصطلحات التي ستحتك معها عند التعامل مع أجهزة الريسيفر و  التلفاز و الراديو و الأكسسبونيت فالقنوات الفضائية و الأرضية و محطات المذياع  ما هي الا حيزات ترددية محجوزة  لبث الإرسال

و في الشبكات اللاسلكية تتنوع معاييرها ما بين ieee 802.11 a , b , g , n,ac  طبقا للتردد في غالبها و تتوزع خلاياها في داخل المعيار الواحد طبقا لتردد الخلية المصممة

بل و تتوزع محطات الإرسال اللاسلكي للموبايل طبقا لخلايا ترددية معروفة و مصممة لا تتحمل التتداخل ..

و لذلك تم تقسيم  الطيف الكهرومغناطيسي بين الأنظمة طبقا  لتردد الإشارات التي تستخدمها  و من هذه الترددات الصغيرة التي لا تأثير لها و لا تستطيع الإنتقال لمسافات كبيرة  مثل الإشارات الصوتية  و منها القوية التي تتستخدم لحمل الإشارات الصغيرة في عمليات التعديل أو التضمين modulation  مثل اشارات الراديو و منها خارقة القوة و التي تستطيع التدمير مثل اشعة جاما  ومنها الإشارات التي تستطيع أن تخترق اللدائن و لا تخترق المواد الصلبة مثل أشعة اكس او السينية التي تستخدم في التصوير الطبي و منها ما لم نعرفه بعد قطعا


 و التردد  بشكل مبسط و عام يعبر عن مدي تكرار شيء معين في فترة زمنية محددة و هنا في عالم الإلكترونيات و الفيزياء  هو عدد الدورات التي تتم في الثانية الواحدة  للإشارة

و يرتبط دائما التردد بشيء معاكس له و يسمي “الفترة الزمنية ” period  و الذي  يعبر عنه بالفترة الزمنية لعمل دورة واحدة فقط أي أن التردد frequency هو عدد الدورات في الثانية  أما period  فهو الفترة الزمنية لعمل دورة واحدة

و يعبر عن التردد أو يقاس بوحدة تسمي هرتز Hz وقد سميت هذه الوحدة باسم الفيزيائي الألماني هاينريش رودولف هرتز الذي كان له عظيم الفضل في مجال العلوم الكهرومغناطيسية

Wavelength (λ)


“الآن انفصلت موجاتنا عن موجات صوت العرب و القاهرة و تستمعون إلينا الان على الموجة القصيرة 3.0124521 مترا والموجة المتوسطة 2.1202154 مترا ”

أظن أن هذه الجملة مألوفة اليك و انت تستمع الي اذاعة القرآن الكريم او البرنامج العام

إنه يتكلم عن الطول الموجي

الطول الموجي Wavelength  λ  لموجة ما هو المسافة بين نقطتين متتاليتين علي خط الموجة عند تقاطعها مع خط مستقيم  و يعبر عنها البعض بأنها المسافة بين قمتينcrests متتاليتين أو قاعين troughs متتاليين و ما قلته هو الأصح و الأشمل “و جرب بنفسك  ”

و يرمز للطول الموجي بالرمز الإغريقي لامدا lambda λ


في الأوساط الطبيعية فإن علاقة التردد بالطول الموجي علاقة عكسية تامة أي يزيد بقلة التردد و يقل بزيادة التردد و لذلك تجد الإشارات ذات التردد العالي UHF ultra high frequency  يطلق عليها اشارات ذات موجات قصيرة Microwave  و يربط بين التردد و الطول الموجي بهذه المعادلة حيث v  هو سرعة الموجة و التي تقاس للضوء بسرعة 3×108 m/s   أي أن الموجة الضوئية قادرة علي الوصول الي القمر في ثانية واحدة فقط و قادرة علي الوصل من الشمس الي الأرض في ثماني دقائق و يعتبر سرعة الموجات الكهرومغناطيسية المستخدمة في الشبكات اللاسلكية مشابهة لسرعة الضوء في حين أن سرعة الموجات الصوتية لا تزيد عن 340  متر لكل ثانية في  الهواء و تتغير بتغير عوامل الوسط و لا مجال للخوض فيها الآن و بحساب بسيط و باستخدام المعادلة السابقة  فإن الموجات المستخدمة في معيار 802.11ac  ذات التردد 5 جيجا هرتز يكون طولها الموجي مساويا 0.06 م فقط بينما معيار 802.11b ذو التردد 2.4 جيجا هرتز  يكون تقريبا مساويا لضعف القيمة السابقة

و تعاني الموجات ذات الطول الموجي القصير و ذات التردد العالي مثل من تشتت أكبر من الموجات ذات الطول الموجي الطويل ذات التردد المنخفض و بهذا فإن الخلية اللاسلكية التي يستخدم فيها التردد الأقل أو الموجة ذات الطول الموجي الأكبر ستنتشر بشكل أوسع و أكفأ من نقيضتها

و للتنويه طبعا فإن التشتت attenuation ليس سببه اطلاقا التردد أو الطول الموجي بل المسافة و العوائق التي تعاني منها الشبكة و لكننا نقصد أن التردد الأعلي يعاني تشتت أكبر من التردد الأقل عند تعرضهم لنفس الظروف الجوية و انتشارهم لنفس المسافات

و لهذا فإنه بالمقارنة بين موجات 2.4 جيجا هرتز   و 5 جيجا هرتز في الشبكات اللاسلكية يتبين لنا ميزة الموجة ذات التردد الأقل 2.4 جيجا هرتز  و هذا بالطبع سيقلل من عدد الأكسسبوينت اللازمة لتغطية الشبكة مقارنة بالشبكة التي تستخدم التردد 5 جيجا هرتز

و لكن بالطبع هناك ميزات يتمتع بها التردد الأعلي 5 جيجا هرتز و لهذا فإنه يفضل أن تكون الشبكة اللاسلكية ثنائية التردد 2.4 جيجا هرتز   و 5 جيجا هرتز لتستفيد من ميزات الترددين

و مرة أخري هذا هو الطيف الموجي يبين العلاقة بين التردد و الطول الموجي


و الصورة التالية تبين الطول الموجي لكل لون علي حده


Wave speed (c)


هي العلاقة بين تردد الموجة و الطول الموجي و يؤخذ من العلاقة التالية


c = wave speed (m s-1)

f = frequency (Hz)

λ   = wavelength (m)

و من المعروف أن تغير الطول الموجي مع التردد مقرون بثبات سرعة الموجة و لهذا فإنه عندما تنتقل الموجة من وسط الي آخر فإن سرعتها تتغير و يتغير معها الطول الموجي و يبقي التردد ثابتا و هذا يظهر جليا في الضوء عند انتقاله من الفراغ الي الماء و يعاني من ظاهرة الإنكسار Refraction كما تري في الصورة

و لهذا فإن عند ارسال اشارة في وسط ما لابد من معرفة ماهية هذا الوسط كي لا يقوم بالتأثير علي الإشارة بشكل سلبي و لدينا أكثر من نوع لأوساط قد تغير في الطول الموجي منها الأوساط غير المتجانسة  و الكريستالية و غيرها

سرعة الموجة اللاسلكية في الفراغ هي 300000 كم في الثانية أي أنها تستطيع أن تصل الي القمر في ثانية واحدة و هي نفس سرعة الضوء و الإلكترون تقريبا في الأوساط الموصلة

Phase ø


علي عكس ما سبق فإن الطور phase ليس خاصية للموجة بل هو يحدد العلاقة بين أكثر من موجة تنتشر في نفس الوسط علي نفس التردد حيث تتم المقارنة بين قمة و قاع موجتين

أي أنه يحدد مقدار سبق أو تأخر موجة عن أخري و يتم تحديد هذا السبق أو التأخر بالزمن أو المسافة أو الدرجة

و تسمي الموجتين التي تتفق قمتهما و قاعهما في الزمن أو الدرجة أو المسافة بأنهم متفقين في الطور in phase أي تسيران بالتوازي رياضيا و العكس يسمي out of phase

المشكلة في الطور هنا أنه اذا كان الإختلاف بين موجتين يسيران في نفس الخلية و بنفس التردد يصل الي أن يكون 180 درجة فإن الموجتين يلغي بعضهما الأخر فالقمة تلغي القاع و العكس تماما يحدث فإذا كان هناك موجتان يستقبلهما الهوائي يسيران بنفس الطور فإن الموجة الناتجة ستكون بقدرة أكبر من الأصلية أي أن Amplitude سيتضاعف

فهم هذه الخاصية مهم جدا لفهم ظاهرة تعدد المسارات multipath التي تسبب فرق الطور بين الموجات

Sinewave


إذا أردنا أن نربط ما بين كافة المفاهيم السابقة – التردد و الطول الموجي و الطور و القيمة – فليس أمامنا مبدئيا سوي
الموجة الجيبية هي منحنى رياضي يوصف التذبذب المتكرر البسيط المستمر, يدعى أيضا بالدالة الجيبية و تستخدم في الرياضيات البحتة والتطبيقية، وكذلك الفيزياء والهندسة ومعالجة الإشارات والعديد من المجالات الأخرى. و يعبر عنها بالرسم البياني السابق أو كدالة للوقت (t)كما تري


و كما عرفت مسبقا فإن A هو قيمة الدالة و تدل علي أعلي قمة فيها

بينما f هو التردد و يحسب كم عدد الذبذبات في الثانية الواحدة

بينما ø فهو الطور و يقيس مدي تأخر الدالة أو تقدمها

الموجة جيبية مهمة في الفيزياء لأنه يحتفظ بشكل موجة لها عندما تضاف إلى موجة جيبية أخرى من نفس التردد و الطور و القيمة و هي هو الموجة الدورية الوحيدة التي لديها هذه الخاصية و الذي يلعب دورا مهما في تحليل نظريات فورير Fourier analysis


وبما أن الموجات الجيبية تنتشر دون تغيير الشكل في الأنظمة الخطية الموزعة distributed linear systems ، فإنها غالبا ما تستخدم لتحليل انتشار الموجة. يمكن تمثيل موجات جيب السفر في اتجاهين في الفضاء كما تري


ويحدث نمط الموجة هذا في كثير من الأحيان بطبيعته مثل موجات الرياح والموجات الصوتية والموجات الضوئية.

و هناك موجة مشتقة أخري منها تسمي موجة جيب التمام Cos و يطلق عليها في العموم موجة جيبية حيث تختلف عنها في طور π / 2 راديان

الأذن البشرية تستطيع التعرف على الموجات الجيبية عند انتشارها في تردد واحد مع عدم وجود التوافقيات.

1.1.2

RF propagation and coverage


عفوا الجهاز الذي طلبته قد يكون مغلقا أو خارج نطاق التغطية

بالتأكيد كلنا قد استمعنا لهذه الجملة من قبل وذلك عندما نحاول أن نتصل بأحدهم و يكون جهازة مغلقا او يوجد في مكان لا تصله تغطية شبكة المحمول

الأمر لا يختلف كثيرا مع الواي فاي فهي ايضا تقنية لا سلكية تحتاج اجهزتها الي وجودها ضمن تغطية معقولة لإستقبال و ارسال البيانات وهذا ما يسمي ب range او المدي

فالمدي هو قابلية الإشارة للوصول خطيا الي أقصي مكان يستطيع المستخدمون تلقي هذه الإشارة

و يعتمد مدي الإشارة علي عدة عوامل منها ما يختص بالحالة الجوية فتستطيع ان تقارن بين الإرسال في وقت يكون في الجو غائما و بين اني كون الجو مطيرا او مليء بالتراب او صافيا وستجد ان استقبال الإشارة سيختلف فيما بين هذه الحالات

و يعتمد ايضا علي وجود عوائق مادية في الطريق خاصة المعدنية فالإشارة اللاسلكية هي اصلا اشارة راديو RF لا تستطيع ان تتخطي العوائق المعدنية وترتد بسببها

تعتمد التغطية ايضا علي المعايير المستخدمة في الشبكات اللاسلكية مثل 802.11ac او 802.11n تعتمد ايضا التغطية علي المكان الذي ستعمل فيه أجهزتك ففي حين تصل الإشارة الي ما يقرب من 500 متر وذلك في اماكن مفتوحة فلن تتعدي مائة متر داخل بيتك وهذا بسبب العوائق التي ستقابلها الإشارة و كم التداخلات الراديوية و التصادمات داخل البيت



و في حين يكون المدي هو الوصول الخطي للإشارة – وهو شيء وهمي فلا توجد اشارة راديوية تسير خطيا بل تسير منتشرة – يكون انتشار الإشارة في محيط مساحي و هو ما نسميه التغطية coverage

وتستطيع ان تفهمهما عندما تقارن بين نصف قطر كرة وحجمها

فنصف قطر الكرة هو المدي التي تستطيع ان تصل اليه الإشارة و حجمها هو اكبر مدي تغطية هذه الإشارة



ويكون حجم التغطية في حالته المثالية بهذه المعادلة



حيث r هي المدي و v هي التغطية
, وتستطيع ان تزيد هذا المدي وبالتالي التغطية بتقوية الإشارة عند منبعها بواسطة هوائي قوي او تقويتها في طريق ارسالها بواسطة مكررات الإشارة واستخدام اكثر من اكسس بوينت وسنري الكثير من هذه الأمور مستقبلا بإذن الله

1.1.3

Reflection, refraction, diffraction, and scattering

تتأثر اشارة الشبكات اللاسلكية أثناء انتشارها بالكثير من العوارض تحد من انتشارها و هذه العوارض لادخل بالمرسل أو المستقبل في أجهزة الشبكات اللاسلكية بها

Reflection


هل قمت يوما باللعب بقطعة مرآه لمشاكسة أصحابك و ذلك بتوجيهها ناحية الشمس بشكل معين لتضايق أعينهم

ان لم تكن فعلت ذلك فقطعا لاحظت يوما صدي صوتك أثناء تكلمك بصوت عالي في متنزه واسع

انه الإنعكاس

الإنعكاس لايحدث فقط للضوء أو الصوت بل هو ظاهرة مشتركة لكل الموجات الكهرومغناطيسية و الميكانيكية و يستفاد منه كثيرا في بعض الإختراعات أو التقنيات و أفضل مثال عليها هو نقل البيانات عبر كابلات الفايبر و التي تتم عبر تحويل البيانات الي ضوء ثم نقلها الي انبوب فايبر نسميه كابل فايبر اوبتيك يقوم بنقل هذه الإشارات عبر العديد من الإنكسارات حتي يصل الي مستقبله لكن انكسار الإشارات في الشبكات اللاسلكية مزعج حيث تقوم المعادن بعكس الإشارات و تحويل مسارها مما يضيع و يشتت الإشارة و لهذا وجب أن تضع أجهزتك اللاسلكية في حيز بصري أو علي الأقل لا تضعها في أماكن محاطة بمعادن و قد استفاد بعضهم من هذه الظاهرة لصالح الشبكة اللاسلكية فقام بتصميم شيء بسيط يركز الإشارة اللاسلكية و ذلك بعكس كل الإشارة و لكن باتجاه الأجهزة

Refraction


لا اظن أنه قد فاتك ملاحظة انكسار قلم عند وضعه في  كوب ماء .. بالطبع لم ينكسر القلم و لكن انكسرت الأشعة المنعكسة من علي القلم في الماء فرأيته منكسراو هذا ما يحدث بالضبط مع اشارات الشبكات اللاسلكية

و   انكسار الإشارة  هو تغير في مسارها نتيجة مرورها علي وسط مغاير للوسط الذي تمر فيه و عند حدوث ذلك في اشارات الشبكات اللاسلكية فإنها ولا ستفقد بعا من طاقتها و ثانيا ستتعدد مساراتها مما يجعلها عرضة لظاهرة multipath

تنكسر غالبا الموجات ليس فقط من خلال عوائق عادية بل تكون كثيييرة من الإنكسارات عبر جزيئات  الرطوبة و الغبار في الهواء و و هو مع كثرتها يجعل الموجات تنكسر و تنعكس بشكل كبير مؤدية الي ظاهرة اخري تسمي التشتت scattering

scattering


الإشارة اللاسلكية هي موجات كهرومغناطيسية تسير في الهواء و لا تتأثر فقط بالمعوقات الكبيرة  فربما يحتوي الوسط التي تنتشر فيه علي غبار أو أدخنة فتقوم كل ذرة من ذرات هذه المواد بالتأثير علي هذه حزم هذه الإشارة فتارة تكسرها أو تعكسها و هذا يسمي بـ scattering أو التناثر

Diffraction


يحدث انحراف للإشارة الراديوية عند مواجهتها لحافة أو شق مساو لطولها الموجي مما يؤدي الي حيودها و انحناءها حول تلك الحافة و بالتالي فقدان لبعض طاقتها و تعاني منها أكثر الترردات الأعلي لأن أطوالها الموجية أقل و بالتالي فهي تواجه شقوق و حواف بطولها الموجي تجعلها تحيد عن مسارها

و تعتبر الحافة أو الشق حينها كأني هوائي جديد يعيد بث الإشارة و لكنها بمعاملات جديدة في الطاقة

1.1.4

Multipath and RF interference


صدي الصوت الذي أطلق في الجزء السابق منذ قليل لم يصل الي آذاننا مرة واحدة بل تتابع و كأننا تكلمنا اكثر من مرة و ذلك لأن صوتنا وصل الي أكثر من عائق ثم ارتد كل منهم مرسلا صدي صوت علي فترات زمنية هذه الظاهرة تسمي Multipath أي تعدد المسارات

و هذه الظاهرة تؤثر كثيرا علي الإشارة اللاسلكية حيث أن أجهزة الإرسال و الإستقبال ان لم تكن بنفس ذكائنا لتعرف أننا تكلمنا مرة واحدة فقط فسيعانون من نفس معاناة الشخص الذي لأول مرة يسمع صدي صوته فسيظن ان أكثر من شخص متواجد معه و هذا سيجعل المرسل و المستقبل يعالج الإشارة أكثر من مرة و هذا استهلاك للقدرة بشكل فوضوي

و الأسوأ من ذلك هو ان معني استقبال نفس الإشارة تباعا علي عدة ازمنه يغير في الطول الموجي مما يجعل الإشارة قابلة لأن تكون معاكسة لنفسها عن استقبالها مرة أخري و هذا يجعلها تلغي بعضها بعضا كما هو معروف حيث ان أحدها سيكون موجب و الآخر سالب و بنفس القيمة و هذا يسمي out of phase

و هذا ناشيء عن وجود العوائق التي تكسر و تعكس الإشارة فلا تصل بنفس الطاقة و لا في نفس الوقت و عندما يقوم الهوائي بإكتشافها فإنه لا يري الإشارة الأصلية فقط بل يري مجموع الإشارات الواصلة اليه و التي تختلف فيما بينها في الطور كما بالشكل


و ياتي تضرر البيانات علي صور شتي تعتمد علي مجموع الإشارات عند المستقبل مثل

Data Corruption

تضرر البيانات بشكل يتعذر علي المستقبل الكشف عن الإشارة

Signal Nulling

الإشارة الواصلة تكون منعدمة تماما و ذلك يحدث عندما تكون الإشارات مجموعها صفر نتيجة لتشابه الإشارات في القيمة و متعاكسة في الطور

Increased Signal Amplitude

الإشارات متشابهة في الطور مما يزيد في قيمة الإشارة

Decreased Signal Amplitude

الإشارة الناتجة تكون اقل من الإشارة الأصلية و ذلك لإختلاف طور الإِشارات مما يجعل مجموعهما أقل

في كل الحالات تكون الإشارة المستقبلة مختلفة عن الإشارة المرسلة و ذلك كما قلنا لأن الهوائي يلتقط اشارة مختلفة في وقت واحد “لنفس الإشارة” كما بالشكل


و لتصحيح ظاهرة Multipath قاموا بتصميم أكسس بوينت متعدد الهوائيات بشرط ان تكون الهوائيات متشابهة و متناسقة و بنفس الكفاءة و بنفس الصفات الراديوية و علي بعد طول موجي واحد و ذلك كي تستطيع تغطية نفس المنطقة و هذه الهوائيات لا تستخدم بغرض تمديد نطاق الهوائيات بل لتحسين تغطية الهوائي للمنطقة و هو ما يسمي بـ Diversity مثل جهازا Cisco Aironet 350 Series Wireless الذي يحتوي علي هوائيان Diversity

و الفكرة في وجود الهوائيين أن الأكسس بوينت يختبر “مقدمة” Preamble الإشارة الواصلة لكل من الهوائيين ثم يقارن بينهما و يتخير الإشارة الأفضل ثم يكمل استقبال باقي الإشارة من نفس الهوائي كما بالشكل


1.1.5

Gain and Loss


يستخدم مصطلحي Gain / Loss بكثرة في كثير من نواحي الحياة فهما كلمتين متضادتين تعني احداهما الربح و الأخري الخسارة و لذلك يكثر استخدامهما في الإقتصاد و التجارة و في الطب عندما يتعلق الأمر بعمليات الزيادة و النقصان في الوزن

نحن أهل تكنولوجيا المعلومات و الإتصالات لسنا بعيدين أيضا عن هذين المصطلحين فعمليات الإرسال و الإستقبال في أي منظومة شبكية سلكية كانت أو لاسلكية تتعامل مع هذين المصطلحين لبيان مستوي قوة الإشارة المستقبلة من المرسل خصوصا ان كانت المنظومة هذه شبكات لاسلكية

يقول صاحب موقع التأمل نت عندما تكلم عن الفرق بين الكسب و الفقد

و نبدأ بالكسب Gain و هو مصطلح يعبر عن قوة الاشاره الراديويه أي عن مقدار الطاقه الضروريه لدفع الاشاره الى مسافه معينه,و مع تزايد هذه الطاقه يزداد المجال الذي تغطيه الموجات الراديويه و تعتبر عملية الكسب من العمليات المهمه التي تساعد في ايصال الاشاره الى مسافه ابعد و بجوده عاليه لذلك يستعمل للحصول على طاقة كسب أعلي أجهزة مكبرات لاسلكيةAmplifire او مقويات الاشاره Repeater أو الهوائيات عالية الكسب High Gain Antennaو لتوضيح الكسب من خلال رسم الذبذبات

أما الفقد Loss و هو مصطلح يصف ضعف قوة و مدى الاشاره الراديويه و يمكن ان يحدث هذا النقص سواء في اثناء تواجد الإشارة في السلك او بعد انتشارها في الهواء بواسطة الهوائي فمقاومة الكوابل و الموصلات تسبب ضعف الطاقه و فقدان جزء منها و نقطه اخرى هي عدم توافق الكوابل و الموصلات المستخدمه يسببب انعكاس الطاقه الى مصدرها مما يؤدي لفقد الاشاره و ايضا هناك الاجسام التي تعيق طريق الاشاره تودي ايضا الى فقدان بعض الطاقه و بهذا يحدث وهن في الاشاره و ضعف .

انتهي كلامه بتصرف يسير مني

قلت “نادر”

و كباقي النظم اللاسلكية يتم حساب مستوي القدرة في الإشارة أو ما يعرف بالكسب و الفقد Gain/Loss في الإشارة بواسطة وحدة الديسيبلdecibel (dB)  و يتم حساب ذلك بالمقارنة أو بدلالة قيمة معروفة أو ثابتة

فعلي سبيل المثال يتم الحساب بوحدة dBm عند المقارنة ب الواحد ميللي وات  1mW و يتم الحساب بوحدة dBw عند المقارنة بـ الوات 1 W و هذه هي المعادلة المعبرة عن ذلك

Power (in dB) = 10 * log10 (Signal/Reference)
حيث log10 هو اللوغاريتم المعروف بالأساس عشرة و Signal هي قدرة الإشارة مثلا 50 وات و Referenceهي القيمة التي سنقارن بها و علي سبيل المثال ستكون 1ميللي وات
وبذبك يكون مستوي قدرة الإشارة هي 17 ديسيبل ميللي وات كما بالمعادلة التالية

Power (in dB) = 10 * log10 (50/1) = 10 * log10 (50) = 10 * 1.7 = 17 dBm

و هذه جداول تبين أسس عامة لتتعرف علي دلالات زيادة أو نقصان الديسيبل


في الهوائيات يتم استخدام هذه القيم علي نطاق واسع جدا لقياس كسب الهوائي و تكون القيمة الأساسية التي تتم حساب مستوي الإشارة بالنسبة لها هي قيمة الهوائي dBi أو dBd

dBi عندما يتم الحساب بالمقارنة بهوائي المثالي isotropic antennas و هو هوائي غير موجود في الحقيقة و يستخدم رياضيا فقط

dBd و يتم الحساب بالمقارنة بهوائي ثنائي القطب dipole antenna

و الشائع هو الحساب بالمقارنة بالهوائي المثالي dBi كما تري في الشكل التالي و الذي يبين علاقة dbi مع قوة الإشارة و انتشارها


و هو المستخدم من قبل سيسكو و FCC و عموما فالفرق بين القياسين هو 2.2

حيث

0 dBd = 2.2 dBi

و علي سبيل المثال فإن

3 dBd= 5.2 dBi


و لذلك نجد دائما أن قيمة الكسب الناتج عن الهوائي مكتوبة ضمن مواصفاته بل هي أهم مواصفاته مثلما تري


1.1.6

Amplification


التكبير أو التضخيم Amplification هو المرادف الأجنبي لكلمة الكسب Gain و نعني بها الزيادة في قيمة الإشارة بدون التغيير في أي من معاملاتها الأخري من التردد و الطول الموجي أو طورها

و لدينا نوعان من التكبير تكبير نشط Active gain أو تكبير خامل Passive Gain و في كلا من النوعين يتم تكبير الإشارة عبر اضافة مرحلة أو خاصية لجهاز الإرسال أو الإستقبال

فأما التكبير النشط Active Gain فيتم فيه استخدام أجهزة أو مراحل أو دوائر تكبير amplifier و نعني بكلمة نشط هو استخدام طاقة كهربائية تقوم بتعزيز و تقوية الإشارة في هذا المكبر و بمستويات تكبير مختلفة بالضبط مثلما تقوم بزيادة ـو خفض صوت الراديو

و أما التكبير الخامل Passive gain فنستخدم فيه مرحلة لا تعتمد علي مصدر طاقة كهربية بل بواسطة عملية دفع الإشارة بالضبط مثلما تقوم بدفع عربة المشتريات بقوة و يعتبر الهوائي Antenna هو المسؤل الرئيسي عن هذه العملية حيث يقوم بدفع الإشارة و تكبيرة في اتجاه معين

بالطبع في العالم الواقعي يتم استخدام كلا من المرحلتين النشط و الخامل في أجهزة الإتصالات خصوصا Transceiver و التي تقوم بأداء عملية الإرسال و الإستقبال مثل الهواتف المحمولة و ألأكسسبوينت و غيرها حيث يقوم الهوائي بالتقاط الإشارة و تكبيرها ليستطيع المكبر قرائتها ثم يقوم المكبر بتكبيرها عبر عدة مراحل و في المقابل يقوم عند الإرسال يقوم المكبر بأخذ الإشارة و يكبرها ثم يدفعها الي الهوائي الذي يزيدها قوة عبر دفعها لتصل الي الجهة التي تم تصميم الهوائي لإرسالها اليه

أدوات قياس قيمة الإشارة


توجد طريقتين مختلفتين لقياس قيمة الإشارة Signal Amplitude عند نقطة ما هما Frequency Domain tool و Time Domail tool

فأما Frequenvy domain tool فيتم استخدامها لقياس قيمة الإشارة علي مدي طيفي محدود أو خلال وقت محدد أو لحظم معينة و يعتبر جهاز spectrum analyzer هو المفضل من قبل مهندسي الإتصالات لعمل هذا الأمر

و أما الأداة الأخري Time domain Tool فتستخدم للتعرف علي مدي تغير قيمة الإشارة في مدي زمني واسع أو بشكل أخر مدي تغير الإشارة خلال بشكل دائم مثل أجهزة قياس نبضات القلب و يعتبر جهاز Osciloscope هو الجهاز الأشهر في استخدام بيان تغير الاشارة


1.1.7

attenuation

تشتت الإشارة في الشبكات اللاسلكية


لكي تتمكن من عمل شبكة لاسلكية جدية لابد من وضع أجهزة الأكسس بوينت الخاصة بالشبكة في أوضاع تقلل الي حد ما الفقد في الإشارات التي تلتقطها أو تبثها بالإضافة الي بعض من المعلومات الأساسية البسيطة عن ماهية الإشارة اللاسلكية و كيفية انتشارها قد تساعدك في هذا الأمر

الإشارات اللاسلكية و التي تعرف علميا بإشارات الراديو Radio Waves RF تنتشر في اتجاه مستقيم في أكثر من اتجاه بسرعة انتشار في الفراغ تساوي سرعة الضوء أي 300000 كم لكل في كل ثانية في الفراغ أي تستطيع الإشارة اللاسلكية أن تصل الي القمر خلال ثانية واحدة

لكن في الواقع قد تعاني الإشارة اللاسلكية من موهنات قد تقلل من هذه السرعة أو تمنعها أو تؤخر وصولها بسبب امتصاصها أو انعكاسها أو حيودها أو انكسارها علي أسطح لا ينبغي أصلا ان تقابلها

فعندما تقابل الإشارة اللاسلكية بعض الأسطح فإن هذه الأسطح تقوم تمتص بعضا من الطاقة الإشعاعية لهذه الإشارات محولة ايها الي صور أخري من صور الطاقة


فعلي سبيل المثال يعتبر تشتت الإشارة attenuation من الظواهر التي تقلل الطاقة في الإشارة مما يعني عدم تمكنها من الوصول الي المستقبل أو اضعاف قوتها لا تستطيع منه قراءة البيانات من هذه الإشارة

مقدار التشتت Attenuation  يقاس بوحدة بل bel نسبة الي العالم جراهام بل أول من اخترع الهاتف و تختصر B و هو ناتج اللوغاريتم ذو الأساس 10 للنسبة بين الإشارة الخارجة الي الداخلة و غالبا ما يستخدم الجزء العشري من البل و يسمي ديسيبل dB و تقاس بهذه الصيغة

R (dB)
									=
											(10)
															*
																	log
																			(P2/P1)
																								

عندما تكون قيمة R موجبة فإن هذه القيمة تسمي تكبير الإشارة و عندما تكون سالبة فإنه قيمة تشتت الإشارة


يزداد التشتت طرديا مع زيادة التردد أو المسافة و يعتمد علي نوع العائق و نوع مادته فلو كان العائق مثلا معدني فسيحدث التشتت نتيجة عكس الإشارة أما اذا كان العائق مائي فسيحدث التشتت نتيجة امتصاص الإشارة

التشتت الناتج عن إنعكاس الإشارة ناتج عن ان الإشارة تفقد بعضا من قوتها بعد الإنعكاس و في الواقع يكون الإنعكاس متكررا و هذا يسمي multipath كما تري في الشكل التالي


و المشكلة في تعدد المسارات تكمن في فروق الوقت propagation delay بين أكثر من مسار عند وصوله الي المستقبل و الذي يسبب فرق وقتي في وصول الموجات لهدفها مما يؤدي لظاهرة التداخل التي تقلل في النهاية مجموع سرعة الشبكة اللاسلكية

و لتلافي مشكلة التداخل يتم استخدام هوائيين لكل وحدة ارسال مع دائرة ضبط الكسب التلقائي AGC (Automated Gain Controller) و الذي يقوم بالتبديل بين احد الهوائيين بناء علي قوة الإشارة الملتقطة و الذي يحدد هل الإشارتان مختلفتان أم هما في الأصل اشارة واحدة تعددت مساراتها و ذلك بناء قياس الفرق بين وصولها فإذا كان هذا الفرق يساوي Lambda/2 أي يأ 6.25 cm عند 2.4GHz

خواص المواد


لا يعتمد فقط جودة انتشار الإشارة علي طريقة ارسالها أو استقبالها انما بالأساس علي الوسط الذي تنتشر فيه و الذي يحدد بشكل كبير قوة و جود هذه الإشارة و هذا جدول يبين درجة التشتت Attenuation للإشارة بناء علي كل وسط تنتشر فيه

المادة

درجة التشتت

Air الهواء

None

Wood الخشب

Low

Plastic البلاستيك

Low

Glass الزجاج

Low

Tinted glass الزجاج الملون

Medium

Water الماء

Medium

Living creatures

الكائنات الحية

Medium

Bricks مواد البناء

Medium

Plaster الدهانات

Medium

Ceramic السيراميك

High

Paper الورق

High

Concrete الخرسانة المسلحة

High

Bulletproof glass زجاج مقاوم للرصاص

High

Metal معادن

Very high

1.1.8

Absorption

إمتصاص الإشارة اللاسلكية


هل استمعت لأحدهم و هو يكلمك من وراء جدار ؟؟

بالطبع حدث و لكن الصوت كان بطبيعة الحال منخفضا و ذلك لأن الجدار امتص قليلا أو كثيرا من طاقة صوت صاحبك هذا بالضبط يحدث مع موجات الشبكات اللاسلكية بشكل خاص و موجات اللاسلكي بشكل عام حيث أنها موجات كهرومغناطيسية و قادرة علي النفاذ من كثير من المواد و لكن نفذاها هذا علي حساب قوتها و طاقتها

و لزيادة معلوماتك فإن المفاعل النووي يتم تغليف قلبه بمعدن الرصاص و هو معدن قادر علي منع اقوي الموجات الكهرومغناطيسية و هي أشعة جاما حيث تستطيع ألواح الرصاص أن تمتصها و تمنعها من النفاذ الي خارج المفاعل مسببة كوارث اشعاعية

و الإمتصاص ظاهرة فيزيائية تقوم بتقليل قيمة الإشارة Amplitude و التي درسناها في مقالة سابقة مما يقلل من طاقة الإشارة

يعتبر امتصاص الإشارة من أكثر الظواهر التي تعاني منها الإشارة اللاسلكية و التي تتعدي ظواهر ارتداد الإشارة أو الإنحناء حول الحواف الصلبة حيث تعتبر غالبية المواد قابلة لامتصاص الإشارة بنسبة ما تختلف طبقا لنوع المادة ففي حين تكون الخرسانة و مواد البناء الحجرية أكثر امتصاصا للإشارة بشكل ملحوظ تعتبر الحوائط نفسها أقل امتصاصا فإشارة 2.4 GHz سيبقي منها فقط 1/16 من قيمتها عند المرور خلال حائط حديث مبني من أحجار طينية الأصل بينما ستفقد نصف قيمتها عند المرور من خلال جدار حجري و يرجع ذلك بسبب الماء الذي يعتبر من اكثر المواد امتصاصا للإشارة و كلما زادت نسبة الماء في مادة ما كلما زادت نسبة امتصاصها للإشارة و العكس بالعكس


و يعتبر الإمتصاص هو اكثر الظواهر التي تؤدي الي اضمحلال الإشارة attenuation التي تكلمنا عنها سابقا

و لأن الماء من أكثر المواد انتشارا في محيطنا بحالاته الثلاث الجامدة و السائلة و الغازية فدعني أنقل لك خبرة حقيقية لشخص ما قام بعما مسح site survey في مطار لعمل شبكة لاسلكية به و لتحديد عدد الأكسسبوينت التي سيحتاجها و أماكن توزيعها و بالفعل أتم عمل المسح الشامل للموقع و قام بتحديد أعداد و أماكن الأكسسبوينت و أصبحت الشبكة جاهزة للعمل و نجح الفحص الأخير للإلتقاط الإشارة في كافة جانب هذا الجزء من المطار

بعد بضعة ايام حدثت عاصفة ثلجية اضطر معها الكثير من المسافرين الي التأخر عن مواعيد اقلاع طائراتهم و ازدحم المطار بالمسافرين المتأخرين و لاحظ المهندس أن الإشارة اللاسلكية اصبحت أقل من المتوقع بكثير و اظهرت شاشة مراقبة الشبكة اللاسلكية أنه لم يلحظ أجهزة جديدة قامت بالإنضمام للشبكة أي أن مستخدمي الإشارة لم يتغير كثيرا اي أن هذا العدد الموجود من الناس لم يهتم أصلا بالتقاط الإشارة , اذن فما السبب في إضمحلال الإشارة التي سرعان ما عادت الإشارة الي قوتها بعد ذهاب هذا العدد من الناس

الإضمحلال لم يكن سببه أجهزة مستخدمين قامت بالولوج للشبكة – و ان كان هو سبب معتبر ان وجد – و لكن في حالتنا هذه كان الإضمحلال سببه الناس أنفسهم فمن المعروف أن جسم الإنسان يحتوي علي 65% من الماء و هذا كاف جدا لعمل “لمس أكتاف” لأضخمها اشارة فالجسم البشري “استاذ” في امتصاص الإشارات اللاسلكية و كان يجب علي المهندس اثناء تصميمه للشبكة الأخذ بعين الإعتبار العنصر البشري كعائق في طريق الإشارة و تحديد أماكن و عدد أجهزته طبقا لذلك

الإمتصاص في العلوم التطبيقية


ظاهرة الإمتصاص بالأساس هي عبارة عن أن ذرات مادة ما تستثار بواسطة موجات بتردد ما مما يجعل هذه الموجات تفقد بعضا من طاقتها أو كلها و تتحول الي طاقة داخليه في هذه المادة و التي غالبا ما تكون طاقة حرارية محسوسة أو غير محسوسة طبقا لمقدار الطاقة الممتصة و تردد اشارة هذه الموجات

و رغم أن امتصاص الإشارة يعتبر كارثي بالنسبة للإشارات الإتصالات الا ان العلم التطبيقي قام بتحويله الي اختراعات لم يعد الكثيرين قادرين علي الإستغناء عنها و اليكم بعض الأمثلة

أجهزة الميكروويف ما هي الا أجهزة ترسل اشارات فتمتصها المأكولات فتحول الإشارة الي طاقة حرارية داخلية فيتم اثارة ذرات هذه المأكولات و تسخين الجزيئات

علم الأرصاد الجوية meteorology و علم المناخ climatology يعتمد علي مدي امتصاص غازات الغلاف الجوي للإشعاع لتحديد درجات الحرارة

جهاز اشعة X أو الأشعة السينية الطبية يعتمد علي امتصاص الجلد للإشعاع و ارتداده عن العظام

في الكيمياء يتم تحديد أنواع العناصر و المواد طبقا لمدي امتصاصها موجات معينة بترددات معينة

1.1.9

Voltage Standing Wave Ratio VSWR


VSWR هو قياس تغير المقاومة Impedance التي تواجهها إشارة التيار المتردد AC Signal و هو يحدث نتيجة مرور إشارة لاسلكية ذات تردد مرتفع RF بين جزئين لكل منهما مقاومة مختلفة مثل المقاومة التي تجدها الإشارة عند مرورها من كابل الي هوائي أو من الموصل Connector الي الهوائي و يحدث هنا ارتداد لبعض الطاقة نتيجة تغير الوسط الذي تسير فيه الإشارة الذي يؤدي التي تغير في المقاومة و يزيد هذا الأمر عند التوصيل السيء بين الهوائي و جهاز الإرسال



و تسمي النسبة بين مقدار الجهد المرتد في الإشارة و الجهد المرسل فيها عند نقطة الإرتداد بـ Voltage Reflection Coefficient و يرمز لها بالحرف الإغريقي p و ينطق رو rho

و لأنها نسبة بين قيمة مرسلة و قيمة مفقودة فيفضل التعبير عنها بوحدة الديسيبل db و التي تستخدم للتعبير عن الفقد و سنسميها هنا return loss الفقد العائد


مع وجود دائم لطاقة مرسلة و طاقة مفقودة يتكون نمط دائم للموجة standing wave pattern فيها قمم و قيعات للجهد و المقاومة و التيار و يطلق عليها Voltage Standing Wave Ratio VSWR و هو العلاقة الرياضية بين أقصي قيمة للجهد يتم ارسالها علي طول الخط قبل الهوائي و بين أقل قيمة للجهد يصل للهوائي قبل ارساله


و يعبر عن VSWR دائما بقيمة كسرية أو نسبية فمثلا تعبر القمية 1:1 عن نسبة VSWR في الأنظمة المثالية Ideal systems و هي التي لا توجد بشكل عملي تكون قيمة المقاومة متساوية علي طول خط الإرسال بين الكابل و الهوائي و بذلك لا يحدث فقد في الطاقة و يقوم الهوائي ببث كل الإشارة بدون ارتداد أي جزء منها و تكون قيمة Voltage Reflection Coefficient مساوية للصفر و قيمتها بالديسيبل لانهائية و يسمي خط الإرسال بـ Flat Line و يوصف بكونه Matched أي متساوي المقاومة

و بالطبع هي قيمة خيالية رياضية فقط لا توجد عمليا


بينما تكون القيم العملية بين 1.5:1 و 1.1:1 و التي غالبا ما توجد في التطبيقات العسكرية و التي لا ينتظر أن يكون في منظوماتها أي فقد ملموس


عند زيادة VSWR بشكل كبير تصبح هناك معاوقة ملحوظة لمرور الإشارة مما يعني أن المرتد منها أكبر من المرسل و هذا قد يكون بسبب التوصيل السيء بين مكونات منظومة الإرسال مثل بين الكابل و الهوائي أو عند استخدام “توصيلة” لربط كابلين تكون ذات مقاومة عالية و لهذا فإنه تم توحيد قيمة مقاومة أجزاء الشبكات اللاسليكة التي تمر بها الإشارة بقيمة 50 أوم حيث الأوم Ohm هي وحدة قياس المقاومة نسبة للعالم الألماني جورج أوم


1.1.10 return loss

الفقد المرتد


في علم الإتصالات السلكية و اللاسلكية يعتبر الفقد المرتد return loss فقد في قدرة الإشارة المرتدة بسبب وجود بعض المشكل في خط الإرسال سواء كان هذا الخط كابل عادي أو فايبر و هذه المشاكل تنتج عن عدم تجانس الخط نتيجة وجود لحام به أو توصيلات تختلف عن الكابل نفسه فلا تستطيع الإشارة بكاملها اللإنتقال فيرتد جزء منها و غالبا ما يحدث هذا في الجزء الذي يتصل به الهوائي بجهاز الإرسال أو الإستقبال أو في الموصلات التي تربط أجزاء ببعضها

و يعبر عن هذا الفقد بوحدة الديسبيبل


حيث RL(dB) هي قيمة الفقد العائد بالديسيبل بينما Pi هي القدرة المرسلة و Pr هي القدرة المرتدة

الفقد المرتد Return Loss بهذا التعريف يرتبط بمصطلحين هما نسبة تغير الإشارة المرتدة standing wave ratio (SWR) و معامل الإرتداد reflection coefficient (Γ)

.

الإشارة

بشكل صحيح يعتبر مقدار أي فقد عند التعبير عنه بالديسيبل موجب المقدار الا أنه درج التعبير عن Return Loss كمقدار سالب و هو يعبر عن الفرق بين القدرة المرسلة Pi الي نقطة ما و القدرة المرتدة عن تلك النقطة Pr الا أن المقدار بهذا الشكل يعطينا قيمة موجبة هكذا و تسمي هذه معامل الإرتداد reflection coefficient (Γ)


و تعتبر المعادلة التالية هي المعكوس الجمعي لهذه العملية فإن كان المقدار سالبا كان هذا معبرا عن Return Loss


الفقد المرتد في الدوائر الكهربية


في الدوائر الكهربية يتم استخدام العلاقة بين قيم الجهد المرتد reflected wave Vr من نقطة و الجهد الساقط عليها incident wave Vi و يعبرعنه بالرمز جاما


و نستطيع أن نعبر عنهم بدلالة معاوقة كل من الجهة المغذية للجهد source “مصدر الكهرباء” و الجهة المستهلكة للجهد Load “الجهاز”



و يتم التعبير عن الفقد المرتد بالديسيبل في هذه الحالة بهذه المعادلة


و يتناسب هنا قيمة الفقد المرتد تناسبا عكسيا كبيرا مع النسبة بين القدرة المرتدة reflected power و القدرة المرسلة incident power أي أن الزيادة الكبيرة في القيمة الموجبة للفقد المرتد Return Loss يعني ان القدرة المرتدة صغيرة مقارنة بالقدرة المرسلة

و هناك صيغة أخري لحساب الفقد المرتد بدلالة الفرق بين القدرة المرسلة و المرتدة بصيغة dBm Decibel-milliwatts


و للتذكير فإن قيمة ديسيبل مللي وات تحسب من خلال هذه المعادلة


أو هذه


حيث P قيمة القدرة بالمليي وات و X قيمة القدرة بالديسيبل مللي وات dBm

و هناك قيمة أخري بدلالة نسبة تغيرالإشارة قبل الإرسال SWR


الفقد المرتد في الكابلات البصرية


يتم الفقد في الكابلات البصرية بسبب نفس المنطق في الكابلات أو الدوائر الكهربية هو عدم انسجام الخط المرسل للبيانات مثل أماكن اللحام أو اتصال كابلين مختلفين المعاملات بالضبط مثل مرور ضوء بين الماء و الزجاج فيحدث بعض الإنكسارات و الإنعكاسات نتيجة اختلاف معامل الإنكسار بين الوسطين refractive index فيرتد جزء من الضوء الساقط و تسمي هذه الظاهرة بـ Fresnel reflection loss

و في الأنظمة الضوئية التي تستخدم أشعة الليزر في الإرسال عبر كابلات الفايبر فإن هذا الفقد المرتد يسمي optical return loss (ORL)  و يحسب بنفس طريقة الفقد المرتد الكهربي


و هذا أحد الأجهزة الذي يقيس هذا النوع من الفقد


1.1.11

Wave propagation including Free Space Path Loss

تأثير مسار انتشار الإشارة على قوة الإشارة


ماذا يحدث عندما تلقي حجرا في وسط بركة ماء؟

ستلاحظ حدوث دوامات مركزها الحجر و ستبدأ الموجات بالإنتشار و التوسع تلقائيا حتي تتلاشي , هذا هو ما يحدث بالضبط للإشارة اللاسلكية عند انطلاقها من منبعها تبدأ بالإنتشار و لكن في شكل كروي و يتوسع قطرها حتي تضعف رويدا رويدا مع زيادة القطر حتي تتلاشي و هذه الظاهرة تسمي Free Path Loss و هي ظاهرة بديهية الحدوث و الإستنتاج عند وجود أي انتشار للإشارة اللاسلكية حيث يستطيع الجهاز القريب من الأكسس بوينت التقاط اشارة اكبر من الجهاز الأبعد و عندما تحتسب بالضبط قطر كرة الموجة المنتشرة في أضعف و أبعد أماكنها فإنه وجب أن لا تضع أي جهاز بعد هذا الحيز لأنه ببساطة لن يجد الإشارة

طبقا لقوانين الفيزياء الموجية فإن الإشارة المنتشرة تضمحل على طول مسارها ليس فقط نتيجة العوائق obstructions أو الإمتصاص absorption أو الإنكسار reflection أو الحيود diffraction و لكن أيضا مساره الطبيعي في الهواء أو الفراغ يؤثر فيها

بالضبط مثلما تقوم بنقل تيار مائي عبر قناة مائية غير جيدة المحافظة علي الماء و دائمة الإتساع , هذا ما يحدث فعلا لللإشارة و يسمي هذا الأثر بالأثر البيئي natural broadening أو شعاع التباعد beam divergence حيث تتسع الإشارة كلما ابتعدت عن مصدر اطلاقها مما يضعف كثافتها و تضمحل كلما ابتعدت عن هوائي الإرسال حتي و إن لم يكن هناك عوائق

تستطيع أن تشبه قوة الإشارة بالبالون حيث يكون سمكه قبل أن يمتليء بالغاز صغير و لكنه محسوس رغم أن البالون صغير و غير منتشر “منفوخ” أما بعد أن يمتليء بالغاز فلا تكاد تشعر بهذا السمك نتيجة انتشاره و توزع كثافته علي حجم فراغي أكبر ,, هكذا الإشارة اللاسلكية

لحسن الحظ فإن هذا الفقد في الإشارة نتيجة هذا الإنتشار يعتبر قيمة لوغاريتية و ليست خطية و نعني بالقيمة اللوغاريتمية أي أنها تتغير بشكل ملحوظ في المسافات القريبة ثم يقل هذا التغير بشكل ملحوظ جدا في المسافات الأبعد أي أنها غير محسوسة علي المسافات البعيدة – البعد هنا يعتمد علي معايير المسافات و التي تختلف في الوايفاي عن الوايماكس عن موجات الموبايل- فمثلا الموجة ذات التردد 2.4 GHz ستتغير بمقدار 80 dB بعد 100 متر و لكنها ستقل بمقدار 6 dB في المئة متر الثانية و هكذا … هذا ما يسمي بالتغير اللوغاريتمي

و يسمي هذا التغير اللوغاريتمي بقانون 6 dB rule و الذي ينص علي أنه كلما زادت المسافة للضعف فإن الإشارة تضمحل بمقدار 6 dB


نستطيع استخدام هذه المعادلات لحساب هذا الفقد البيئي

FSPL = 32.44+ (20log10(f)) + (20log10(D))

حيث أن

FSPL = path loss in dB

f = frequency in MHz

D = distance in kilometers between antennas

و توجد صفحات علي الإنترنت مخصصة لحساب قيم هذا النوع من الفقد مثل هذه

1.1.12

Delay Spread


كما نعلم أن إشارة الترددات الراديوية تأخذ كل منها مسار مختلف للوصول إلى الوجهة بسبب ظاهرة المسارات المتعددة Multipath . وتسبب هذه المسارات المتعددة الانعكاس والانكسار وتشتت الإشارة الراديوية.

ومن ثم، عندما ترسل الإشارة من مكان إلى آخر، ترد نسخ متعددة من الإشارة مع قيم amplitudes مختلفة وتأخيرات delays مختلفة (تؤدي إلى وقت وصول time مختلف) في المستقبل.

فعلى سبيل المثال، إذا أرسلت نبضة impulse ، فإنها لن تكون impulse عند استقبالها في الطرف الآخر، ولكنها ستصبح pulse أي مجموعة من impulse و هذا التأثير في الإشارة يعرف باسم Delay Spread

ويعرف Delay Spread بكونه التأخير بين الإشارة الرئيسية والإشارة المنقولة ويمكن أن يصل في بيئة لاسلكية داخلية من 30 إلى 270 نانو ثانية وإذا كان Delay Spread كبيرا جدا، فقد تتداخل بيانات الإشارة المعكسة مع الإشارة الرئيسية؛ ويشار إلى intersymbol interference (ISI)

وأنظمة الطيف الترددي Spread spectrum systems ليست عرضة intersymbol interference (ISI) لأن إشاراتها تنتشر عبر مجموعة من الترددات. وتنتج هذه الترددات المختلفة تأخيرات مختلفة في المسيرات المتعددة، بحيث قد تتأثر بعض الأطوال الموجية بـ intersymbol interference (ISI)في حين أن البعض الآخر قد لا يتأثر. وبسبب هذا السلوك، تكون إشارات الطيف المنتشرة متفاوتة في التأثير بالتداخل عند حدوث تعدد للمسارات في الإشارات narrowband

ويستعمل Delay Spread في معظم الأحيان في توصيف القنوات اللاسلكية، ولكنه ينطبق أيضا على أي قناة أخرى متعددة المسيرات (مثل تعدد المسيرات في الألياف البصرية).

1.1.13

Modulation (ASK and PSK)

عند التعرض للشبكات اللاسلكية فإنك ستجد ان معاييرها المختلفة IEEE 802.11 تعتمد علي تقنيات تعديل ارسال modulation مثل DSSS و OFDM و MIMO و لفهم هذه التقنيات أوحتي تصور سطحي لمعانيها فلابد لمعرفة ما هي تقنية modulation و أنواعها في نظم الإتصالات

هل تذكر عندما تكلمنا عن حيود الإشارة اللاسلكية جينما ذكرنا أن الحيود يحصل للإشارة عندما تواجه حافة أو شق طوله نفس الطول الموجي لها و من ثم يقوم بتحويل لمسار الإشارة و كأنه هوائي لها

معني هذا أنالطول الموجي للإشارة له علاقة بإرسالها و استقبالها فلكي تستطيع ارسال اشارة بتردد 5Ghz و بحساب بسيط علما بأن سرعة الموجة 300000000 متر في الثانية فإن طولها الموجي يصبح 300000000/5000000000=0.06 متر أي 6 سم و لكنك بالتأكيد لا تجد أي من هذه الهوائيات في هاتفك المحمول أو اللابتوب و ان كان الطول 6 سم ليس بالطول الكبير

و لكن ماذا سيحدث اذا كنا نريد إرسال إشارة طولها الموجي مثلا 1000 متر مثل موجات AM فإن ذلك يتطلب هوائي antenna بطول 1000 متر و هذا شيء مستحيل و لذلك فلابد من تركيب الموجة علي حامل يكون تردده كبير , فملا لو استخدمنا هذا الحامل بتردد 5.5 جيجا هرتز فبذلك سيكون الطول موجي5.4 سم و بذلك يكون طول الهوائي 5سم و هذا مقبول جدا و هذا هو اول فائدة و اعظم فائدة للتعديل modulation

و للتعديل وائد جمة منها أنه يستخدم لتحويل الترددات المرسلة الي نطاقات ترددية اخري سهلة التعامل معها و السهولة تكمن في وجودمكونات تستطيع التعامل مع هذه الترددات و كذلك امكانية تنظيم هذه الترددات ضمن قنوات ترددية Channels تساعدنا في تصميم الأنظمة و كذلك من فوائده الرائعة انه يمكننا من ارسال أكثر من اشارة واحدة علي نفس القناة

و تقنية تعديل الإرسال أو Modulaion هي تقنية تستخدم في كافة نظم الإتصالات العادية و الرقمية و القديمة و الحديثة و ذلك لإرسال البيانات ذات التردد المنخفض و نقوم فيها بتعديل إحدي خصائص الاشارة مثل قيمتها amplitude أو ترددها frequency أو موضعها phase و ذلك طبقا لخصائص اشارة أخري نقوم بتحميلها عليها و لذلك تسمي الإشارة التي نغير خصائصها بالحاملة carrier و ذلك لأنها تحمل اشارة البيانات التي نريد ارسالها data و ذلك مثل ان تقوم بإسال بيانات صوتية data ذات تردد منخفض عبر تحويلها الي اشارات راديو ذات تردد عالي

Analog modulation

التعديل التماثلي


يتم التعديل التماثلي في خصائص الإشارات التماثلية analog signal الأساسية مثل قيمتها أو ترددها أوموضعها

فعند التغيير في قيمة الإشارة فإن هذا يسمي Amplitude Modulation AM و عند التعديل في ترددها يسمي Frequency Modulation FM و عند التعديل في موضعها فإن هذا يسمي Phase Modulation PM

تقنيات التعديل الرقمي

Digital Modulation


يستخدم التعديل الرقمي في ارسال البيانات الرقمية مع استخدام حامل ذو اشارة تمثاثلية analog carrier و يستخدم في الأنظمة الرقمية مثل الكمبيوتر حيث يحتاج الي ارسال بيانات رقمية عبر خط الهاتف مثلا مثل بيانات الإنترنت فيقوم باستخدام جهاز يقوم بتحويل البيانات من الصيغة الرقمية الي التماثلية و في الجهة المقابلة يقوم بعمل العكس اي demodulation او الكشف detection و لهذا يسمي الجهاز الي يقوم بعمل هذه العمليات في الطرفين بـ MODEM حيث تم تكوين اسمه من الكلمتين mo اي modulation و dem اي demodulation

و هذه هي بعض أنواع التعديل الرقمي

Spread-spectrum Modulation

تقنيات التعديل الطيفي


و هي التي غالبا ما تستخدم في الشبكات اللاسلكية مثل ultra wideband و البلوتوث و الواي فاي

Direct-sequence spread spectrum (DSSS)

Chirp spread spectrum

Frequency-hopping spread spectrum (FHSS)

Time-Hopping

تقنيات التعديل النبضي

Pulse Modulation


و هناك انواع تعديل اخري تسمي بالتعديل النبضي Pulse Modulation ويتم فيها تحويل الإشارة الي نبضات متقطعة متغيرة في موضعها او عرضها

أو قيمتها و يستفاد منه علي نطاق واسع في أنظمة الإتصالات الرقمية مثل شبكات ISDN و شبكات الإتصالات الصوتية و هذه بعض تقنياته

Pulse-amplitude modulation (PAM)

Pulse-width modulation (PWM)

Pulse-position modulation (PPM)

Pulse-code modulation (PCM)

Delta modulation (DM or Δ-modulation)

Sigma-delta modulation (∑Δ)

Pulse-density modulation (PDM)

Phase-shift keying PSK


كما ذكرنا فإن Phase-shift keying PSK يعتبر احد تقنيات التضمين الرقمي Digital Modulation مثل Amplitude-shift keying ASK و Frequency-shift keying FS و لكنها تتميز بأنها الشائعة الإستخدام في الشبكات اللاسلكية سواء المحلية LAN مثل الواي فاي أو الشخصية PAN مثل الزيج بي و البلوتوث و التي يتم فيها التغيير في طور phase الإشارة الحاملة carrier طبقا لتغيرات الإشارة الرقمية الأصلية فكما تري في الشكل أنه عند التغير في مستوي الإشارة الرقمية فإنه يتم التغير في طور اشارة الحامل carrier


Binary phase-shift keying BPSK


و هو الصورة الأساسية لـ phase shift keing يسمي أيضا PRK Phase Reversal Keying أو 2PSK حيث أن اشارة الحامل تنقلب و يتغير طورها عند كل تغير في الإشارة الرقمية الأصلية اي one bit per symbole اي يحدث التغيير من 0 الي 180 و العكس عند كل بت اي انه يقوم بعمل تضمين لبت واحد فقط

و يتم استخدام طورين للتعبير عن التغير في الإشارة الحاملة هما 0 و 180 و هذا ما يقسر تسميتها بثنائي الطور او binary phase و كما تري في الشكل فإنه عند تحول الإشارة الرقمية من 1 الي 0 او من 0 الي 1 يتم تغيير طور الإشارة الحاملة من 0 الي 180 و العكس

Quadrature phase-shift keying QPSK


و يسمي أيضا quaternary PSK, quadriphase PSK, 4-PSK, or 4-QAM و يقوم بعمل تضمين لكل بتين من الإشارة الرقمية encode two bits per symbol ”

اي أنه عند كل تغير في الطور يتم تضمين 2 بت و التغير يحدث أربع مرات في الإشارة عند الدرجات 0, +90, -90, 180 و كما تري في الشكل فإن عند كل بتين يتم تغيير الطور 90 درجة فقط و هذا ما يفسر تسميته برباعي الطور quadrature phase

و حيث أنه كلما زاد عدد التغيرات في الطور التي تعبر عن symbole في الإشارة الرقمية كلما زاد معدل تدفق البيانات للإشارة data rate فإن هذا يفسر استخدام “quadrature phase-shift keying” QPSK في معيار الشبكات اللاسلكية ieee 802.11b

جدير بالتنويه أن تعرف أنه من الطبيعي ان يكون هناك طرق تستخدم تغيرات في الطور تزيد عن أربعة و تسمي هذه الطرق multiple phase-shift keying MPSK مثل ان تستخدم ثماني تغيرات في الإشارة 0, +45, -45, +90, -90, +135, -135, 180 اي تضمين أربعة بت في كل مرة

و هناك أنواع أخري مثل

O-QPSK – Offset Quadrature Phase Shift Keying

8PSK – 8 Point Phase Shift Keying

16PSK – 16 Point Phase Shift Keying

QAM – Quadrature Amplitude Modulatio

16QAM – 16 Point Quadrature Amplitude Modulation

64QAM – 64 Point Quadrature Amplitude Modulation

MSK – Minimum Shift Keying

GMSK – Gaussian filtered Minimum Shift Keying

و لكل منها استخداماته طبقا لما تعطيه من معدل لتدفق البيانات و نحن اذ ندرس الشبكات اللاسلكية بفروعها LAN و PAN و WAN فسينصب اهتمامنا علي تقنيتين فقط

BPSK – Binary Phase Shift Keying

QPSK – Quadrature Phase Shift Keying


Advertisements

الكاتب:

مهندس عربي يطمح و يساعد في الرقي بالمحتوي العربي للتكنولوجيا عبر ترجمة و اعداد مقالات و كتب علمية في مجال الشبكات و الإتصالات السلكية و اللاسلكية

اترك رد

إملأ الحقول أدناه بالمعلومات المناسبة أو إضغط على إحدى الأيقونات لتسجيل الدخول:

WordPress.com Logo

أنت تعلق بإستخدام حساب WordPress.com. تسجيل خروج   /  تغيير )

Google+ photo

أنت تعلق بإستخدام حساب Google+. تسجيل خروج   /  تغيير )

صورة تويتر

أنت تعلق بإستخدام حساب Twitter. تسجيل خروج   /  تغيير )

Facebook photo

أنت تعلق بإستخدام حساب Facebook. تسجيل خروج   /  تغيير )

w

Connecting to %s