العلاقة بين الوقت والتردد في الاتصالات

يمكن بسهولة رؤية العلاقة العكسية بين الوقت والتردد بيانياً وغالباً تعتبر الوظيفة التي تكون واسعة في مجال واحد ضيقة في الآخر والعكس صحيح.

ما هو التردد؟

التردد: هو المعدل الذي يحدث به شيء ما بمرور الوقت. لذلك عن طريق تقصير الفترة الزمنية التي يحدث فيها شيء ما، فأنت تزيد من تواتره وبزيادة الفاصل الزمني تقلل التردد.

ما هي العلاقة بين التردد والوقت؟

التردد والفترة هي كميات مرتبطة عكسياً ويعتبر التردد هو كمية معدل أمّا الفترة هي كمية زمنية، التردد هو عدد الدورات في الثانية التي يشار إليها بالهرتز أمّا الفترة هي الثواني لكل الدورة وهو معكوس التردد لأنّه إذا كان التردد مرتفعاً تكون الفترة الزمنية منخفضة.

فعلى سبيل المثال، إذا كانت عشر دورات في الثانية هي التردد (الموصوف بـ 10 هرتز) فإنّ الفترة الزمنية هي عُشر ثانية في كل دورة وإذا قمنا بزيادة التردد إلى (100 هرتز) فسيتم تقليل الفترة إلى جزء من مائة من الثانية لكل دورة.

عندما يتكرر حدث ما فإنّنا نصف الحدث بأنّه دوري ونشير إلى الوقت الذي يتكرر فيه الحدث على أنّه الفترة، وفترة الموجة هي الوقت الذي يستغرقه الجُسيم على وسط ما لعمل دورة اهتزازية كاملة، والفترة في الوقت المناسب تقاس بالثواني أو الساعات أو الأيام أو السنوات.

1. معيار التردد السلبي:

مذبذب ذري يتم اشتقاق إشارة ناتجة من تردد مذبذب مقفل على تردد الرنين الذري، بدلاً من أن يتم إخراجها مباشرة بواسطة الذرات على عكس معايير التردد النشط، فإنّ التجويف الذي تحدث فيه التحولات الذرية لا يدعم التذبذب الذاتي ولكن معظم المذبذبات الذرية المتاحة تجارياً هي معايير تردد سلبي.

2. تأخير المسار:

تأخير الإشارة بين المرسل والمستقبل غالباً ما يكون تأخير المسار هو أكبر مساهم في عدم اليقين في نقل الوقت، فعلى سبيل المثال عند إرسال إشارة راديو عبر مسار (1000 كم) ونظراً لأنّ الإشارات الراديوية تنتقل بسرعة الضوء (مع تأخير يبلغ حوالي 3.3 ميكرو ثانية / كم)، يمكننا معايرة مسار 1000 كم بتقدير تأخير المسير على أنّه (3.3 ملي / ثانية) بحيث تعمل أنظمة نقل الوقت المتطورة، مثل (GPS) تلقائياً على تصحيح تأخير المسار.

إنّ التأخير المطلق في المسير غير مهم لأنظمة نقل التردد لأنّ النبضات في الوقت المحدد غير مطلوبة، ولكن التغيرات في تأخير المسير لا تزال تحد من عدم اليقين في التردد.

3. المرحلة:

تُعد بأنّها موضع نقطة زمنية (فورية) على دورة الموجة وتعرف الدورة الكاملة بأنّها الفاصل الزمني المطلوب لشكل الموجة لإعادة قيمته الأولية التعسفية، ويمكن التعبير عن الطور أحياناً بالراديان، حيث يساوي راديان واحد للطور حوالي 57.3 درجة كما يمكن أن تكون المرحلة أيضاً تعبيراً عن الإزاحة النسبية بين سمتين متقابلتين (على سبيل المثال قمم أو تقاطعات صفرية) لشكل موجة لهما نفس التردد.

عند مقارنة شكلين موجيين يتم التعبير عن اختلاف الطور أو زاوية الطور بالدرجات كرقم أكبر من (-180 درجة وأقل من أو يساوي + 180) درجة وتشير المرحلة الرائدة إلى موجة تحدث قبل موجة أخرى من نفس التردد، والمرحلة المتأخرة تشير إلى موجة تحدث خلف موجة أخرى من نفس التردد فعندما تختلف موجتان في الطور بمقدار (-90 درجة أو +90 درجة) يقال إنهما في تربيع الطور أمّا عندما تختلف موجتان في الطور بمقدار 180 درجة (-180 درجة تقنياً هي نفسها +180 درجة) يقال إنّهما في حالة معارضة.

في مقياس الوقت والتردد يكون فرق الطور عادةً بوحدات زمنية بدلاً من وحدات زاوية الطور الفاصل الزمني لدرجة الأولى من المرحلة يتناسب عكسياً مع التردد وإذا تم إعطاء تردد إشارة بواسطة (f) فإنّ الوقت بالثواني المقابل لدرجة واحدة من الطور هو (t_deg = 1/(360f) = T /360)، لذلك فإنّ تحول الطور 1 درجة على إشارة 5 ميغا هرتز يتوافق مع تحول زمني قدره (555 بيكو ثانية).

4. مقارنة المرحلة:

مقارنة المرحلة: هو مقارنة بين طوري شكلين موجيين وعادةً ما يكون لهما نفس التردد الاسمي أمّا في قياس الوقت والتردد يكون الغرض من مقارنة الطور هو تحديد تخالف التردد لجهاز قيد الاختبار (DUT) فيما يتعلق بمرجع.

يمكن إجراء مقارنة بسيطة في الطور عن طريق توصيل إشارتين إلى راسم تذبذب ثنائي القناة بحيث سيعرض الذبذبات موجتين جيبيتين والموجة الجيبية الواحدة هي تردد الاختبار والأخرى تمثل إشارة من المرجع، فإذا كان الترددان متماثلان تماماً فلن تتغير علاقة الطور بينهما وسيظهر كلاهما ثابتاً على شاشة راسم الذبذبات ونظراً لأنّ الترددين ليسا متطابقين تماماً يبدو أنّ المرجع ثابت وتتحرك إشارة الاختبار، ومن خلال قياس معدل حركة إشارة الاختبار يمكن تحديد إزاحة ترددها كما يمكن إجراء مقارنات طور أكثر تعقيداً مع شكوك أصغر بكثير باستخدام أدوات مثل عدادات الفاصل الزمني أو أنظمة فرق وقت الخلاط المزدوج.

5. الأحكام والدقة:

يمكن أن يكون مصطلح الدقة غامضاً لأنّ له عدة معانٍ في مقياس الوقت والتردد ونظراً لغموضها فإنّها لا تستخدم بالمعنى الكمي كما يشير إلى درجة الاتفاق المتبادل بين سلسلة من القياسات الفردية أو القيم أو النتائج وفي هذه الحالة تكون الدقة مماثلة للانحراف المعياري كما يمكن استخدام الدقة للإشارة إلى قدرة الجهاز على إنتاج نفس القيمة أو النتيجة بشكل متكرر وبدون تعديلات، مع مراعاة ظروف الإدخال نفسها والتشغيل في نفس البيئة.

هذا الاستخدام للدقة يجعله مشابهاً للتكرار أو التكاثر أو حتى الاستقرار، وفي حالات أخرى يتم استخدام الدقة كمقياس لقدرة الكمبيوتر على التمييز بين القيم المتساوية تقريباً، فعلى سبيل المثال قد يكون المترجم أو جدول البيانات بدقة (32 بت) عند إجراء العمليات الحسابية بأرقام الفاصلة العائمة وفي هذه الحالة تكون الدقة مماثلة للقرار.

6. بروتوكول الوقت الدقيق – PTP:

بروتوكول الوقت الدقيق (PTP): هو بروتوكول قياسي محدد بواسطة معيار (IEEE-1588) لإرسال الوقت عبر شبكات تبديل الحزمة، ويمكن أن يحصل بروتوكول وقت الدقة (PTP) على قدر أقل من عدم اليقين من بروتوكول وقت الشبكة (NTP)، وغالباً ما يكون أقل من (1 ميكرو ثانية)، ومع ذلك على عكس (NTP) لا يتم تنفيذ (PTP) بشكل عام عبر الإنترنت العام، بدلاً من ذلك يتم استخدامه عادةً عبر شبكات المنطقة الخاصة أو المحلية حيث يمكن قياس تأخيرات المسار بشكل أفضل.

والساعة الكبرى هي المرجع الزمني لجميع الساعات الأخرى في نظام (PTP) والساعات الأخرى مُصنَّفة على أنها ساعات عادية لها منفذ (PTP) واحد وساعات حدية لها اتصالات شبكة متعددة ويمكنها ربط المزامنة من جزء شبكة إلى آخر.

7. المعيار الأساسي:

المعيار الأساسي: هو معيار محدد أو معترف به على نطاق واسع على أنّه يحتوي على أعلى الصفات المترولوجية وقيمته مقبولة دون الرجوع إلى معايير أخرى من نفس الكمية، فعلى سبيل المثال معايير نافورة السيزيوم معترف بها حالياً كمعايير أساسية للفاصل الزمني والتردد، حيث يتم تقييم هذه المعايير من خلال تحديد المستويات القصوى لتحولات التردد التي تسببها العوامل البيئية ومن خلال جمع أو دمج تأثيرات هذه التحولات في التردد فأصبح من الممكن تقدير عدم التيقن من معيار أولي دون مقارنته بالمعايير الأخرى.

في مجال الوقت والتردد يستخدم المصطلح المعيار الأساسي أحياناً للإشارة إلى أي مذبذب السيزيوم ونظراً لأنّ تعريف (SI) للثاني يعتمد على الخصائص الفيزيائية لذرة السيزيوم كما يستخدم مصطلح المعيار الأساسي أيضاً بشكل شائع على الأقل بالمعنى المحلي للإشارة إلى أفضل معيار متاح في مختبر أو منشأة معينة.

العلاقة العكسية بين الوقت والتردد:

1. يرتبط وصف المجال الزمني ومجال التردد للإشارة ارتباطا عكسيا:

• إذا تم تغيير وصف المجال الزمني للإشارة، فسيتم تغيير وصف مجال التردد للإشارة والعكس صحيح.
  
• إذا كانت الإشارة محدودة في التردد، فإنّ الوقت يكون محدوداً للغاية وسيتم تتبع وصف المجال الزمني للإشارة إلى أجل غير مسمّى.
  
• إذا كانت الإشارة محدودة في الوقت المناسب، فإنّ طيف النطاق يكون محدود المدى.
  

2. عرض النطاق الترددي:

• يوفر عرض النطاق الترددي للإشارة مقياساً لمدى المحتوى الطيفي الكبير للإشارة الترددات:
  
  • عندما تكون الإشارة محدودة النطاق بشكل صارم يكون عرض النطاق محدداً جيداً.
    
  • عندما لا تكون للإشارة نطاقاً صارماً عندها لا يكون عرض النطاق غير محدود وهذا هو التعريف المقبول للنطاق الترددي.
    
• عرض النطاق الترددي 3 ديسيبل:
  
  • عندما تكون الإشارة منخفضة، يتم تعريف عرض النطاق الترددي 3 ديسيبل على أنّه الفصل بين تردد الصفر حيث سعة الطيف إلى قيمته القصوى ويبلغ الطيف قيمته القصوى والتردد الموجب عند الذي ينخفض ​​طيف الاتساع إلى قيمته القصوى.
    
  • ميزتها: يمكن قراءتها مباشرة من قطعة طيف السعة .
    
  • عيبها: يمكن أن يكون تظليل طيف السعة يتتناقص ببطء.
    تحليل توزيعات التردد الزمني لإشارات الاتصال المختلفة من خلال تحليل (تشوي ويليامز) بحيث يكون التردد المركزي وعرض النطاق للإشارات المشكّلة التربيعي ليسا ثابتين، لكنهما يختلفان مع الوقت في نطاق التمرير وتوزيعاتها غير منتظمة، فإنّ تصميم منطقة المرور لمرشح متغير بمرور الوقت يمثل تحدياً، لحسن الحظ فإنّ توزيعات النطاق الأساسي وإشارات تشكيل النبضة المعدلة الثنائية تتغير بانتظام بمرور الوقت ممّا يسهل إجراء إنشاء منطقة المرور.