ضوضاء ضيق النطاق - Narrow Band Noise

عندما تحتوي الضوضاء الصادرة من مصدر ما على نغمة نقية أو مكون ضيق النطاق يمكن ملاحظته للأذن كضوضاء ذات طبقة صوتية يمكن تمييزها، والتي تمثل سمة سائدة لضوضاء المصدر الكلي فيجب اعتبار ضوضاء المصدر على أنّها تحتوي على ضجيج ضيق أي ضوضاء النطاق لغرض هذه المواصفات.

ما هي إشارة النطاق الضيق؟

إشارة النطاق الضيق (Narrow Band Signal): هي إشارة ضوئية أو إشارة إلكترونية لها تركيبة طيفية أي طيف تردد، لكنّه يقتصر على نطاق ضيق.

ما هي Narrow Band Noise؟

ضوضاء ضيق النطاق (Narrow Band Noise): هي عملية ممر نطاق أو عملية عشوائية ضيقة النطاق إذا كانت الكثافة الطيفية لقدرتها ((SX (f) غير صفرية فقط في منطقة صغيرة من بعض الإشارات الحتمية عالية التردد (fc) حيث يتم تحديدها من خلال تحويل فورييه للكثافة الطيفية للقدرة.

كيفية تمثيل ضوضاء ضيق النطاق:

في معظم أنظمة الاتصالات يتم التعامل غالباً مع ترشيح تمرير النطاق للإشارات حيث يتم تشكيل ضوضاء النطاق العريض في ضوضاء محدودة النطاق، وإذا كان عرض النطاق الترددي للضوضاء محدودة النطاق صغيراً نسبياً مقارنة بتردد الموجة الحاملة، فيتم الإشارة إلى النطاق المحدود على أنّه ضوضاء ضيقة النطاق، كما يمكن اشتقاق الكثافة الطيفية للقدرة ((G_n ​​(f) ووظيفة الارتباط التلقائي ((R_n (n) لضوضاء النطاق الضيق واستخدامها لتحليل أداء الأنظمة الخطية، وغالباً ما يتم التعامل مع الخلط بالضرب وهو عملية غير خطية فيصبح تحليل النظام صعباً.

ملاحظة: في حالة وجود شك حول التقييم الذاتي للضوضاء ضيقة النطاق، يجب حلها عن طريق تحليل النطاق الضيق باستخدام أداة بعرض نطاق لا يزيد عن (10 هرتز أو 1%).

تم قياس القدرة على التمييز بين الاختلافات في سعة الجيوب والضوضاء ضيقة النطاق من خلال طريقة التصنيف لنظرية الكشف، وعلى الرغم من أنّ كل جيب (1000 هرتز دائماً) تم تقديمه بسعة ثابتة فإنّ اتساعها في أي تجربة تم استخلاصه من أحد توزيعي احتمالية رايلي اللذين يختلفان في متوسط ​​الاتساع أي توزيع الإشارة وتوزيع الضوضاء.

كما تم توزيع اتساع ضوضاء النطاق الضيق كتوزيع رايلي بحكم العلاقة المتبادلة بين عرض النطاق الترددي الخاص بهم (100 هرتز متمركزة على 1000 هرتز) والمدة (10 مللي ثانية) حيث كانت الوظائف السيكومترية التي تم الحصول عليها والتي تُظهر المنطقة الواقعة تحت (ROC) كدالة لنسبة الإشارة إلى الضوضاء متشابهة لكلا النوعين من الإشارات وتم إزاحتها في المتوسط حيث كانت منحدرات الوظائف التي تم الحصول عليها مماثلة لتلك الخاصة بالمراقب المثالي باستخدام درجة واحدة من الحرية أي نصف العدد المتاح في ضوضاء رايلي.

مزايا الاتصال ضيق النطاق:

1. يستخدم الاتصال ضيق النطاق عرض نطاق ضيق.
   
2. تُستخدم الإشارات ذات النطاق الضيق في شكل أبطأ من أشكال الاتصال حيث يتعين إرسال الصوت أو تدفق البيانات البطيء بشكل أساسي.
   
3. عادةً ما يكون للإشارات ضيقة النطاق نطاق استقبال أكبر بكثير حيث يمكن استخدام مرشحات أضيق وبالتالي إلغاء ضوضاء النطاق العريض غير المرغوب فيها، كما تركز الطاقة المرسلة أيضاً على جزء أصغر من الطيف.
   
4. الاستخدامات الشائعة هي (Lora Wan وRFID وGSM 900) عبر الأقمار الصناعية ورمز مورس (CW) وإشارات (GPS وNOAA) ومفتاح تحويل التردد (Lora Wan).
   

النطاق الضيق FM: مزايا وعيوب الاتصال واسع النطاق – Wideband

النطاق الضيق (FM) يُستخدم للإشارات حيث يكون الانحراف صغيراً بدرجة كافية بحيث تكون المصطلحات في وظيفة (Bessel) صغيرة، والنطاقات الجانبية الرئيسية هي تلك التي تظهر عند تردد التعديل، كما يُستخدم (FM) ضيق النطاق على نطاق واسع للاتصالات اللاسلكية ثنائية الاتجاه.

مزايا وعيوب الاتصال واسع النطاق – Wideband:

يُستخدم الاتصال واسع النطاق في جزءاً أكبر من الطيف، ويكون له بعض المزايا والعيوب، منها:

• يتيح الاتصال واسع النطاق عرض نطاق ترددي أعلى وبالتالي اتصالاً أسرع.
  
• يسمح الاتصال واسع النطاق بنشر الإشارة لتشفيرها.
  
• يسمح الاتصال واسع النطاق بإخراج مصادر الضوضاء الضيقة في الطيف.
  
• تفرض الاتصالات ذات النطاق العريض متطلبات عالية على خطية المرشحات، كما أنّ عرض نطاق المرشح ذي الصلة أعلى.
  
• من الصعب إرسال إشارات النطاق العريض واكتشافها، وهي تحتاج إلى نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية حيث يتم توزيع طاقة الإشارة عبر عرض الطيف ممّا يجعل الإشارة أضعف كلما اتسعت أي الإرسال على مستوى طاقة معين.
  
• يتم إجراء اتصالات النطاق العريض بشكل حصري تقريباً في الترددات الأعلى تقريباً (500 ميجا هرتز) لأنّه من الأسهل تصميم دوائر متكاملة ذات مرشحات أوسع.
  
• تقنيات التشكيل الشائعة هي (OFDM وGMSK وN – PSK وQAM – N) بالاقتران مع قفز التردد.
  
• من أمثلة الاتصال واسع النطاق الشبكات اللاسلكية (Wi – Fi وLTE وHSPA).
  

الفرق بين اتصالات ذات النطاق الواسع والنطاق الضيق:

• على الرغم من أنّ صناعة الاتصالات السلكية عبر الإنترنت تقع حالياً في النطاق الواسع مقابل النطاق الضيق إلّا أنّ مناقشات مماثلة تحدث في صناعة الاتصالات اللاسلكية، ومعدلات البيانات المتزايدة أي الفائدة الواضحة لاتصالات النطاق الواسع تغري الاستثمارات في تقنيات النطاق الواسع، أمّا بالنسبة لصناعة الاتصالات السلكية عبر الإنترنت، تتمثل التحديات الرئيسية التي نواجهها في وضع أنابيب بيانات قادرة على النطاق الواسع وشبكات التبديل.
  
• هناك العديد من العوامل المادية التي تحد من تنفيذ أنظمة النطاق الوتسع، كما تثير هذه القضايا النقاش حول حلول النطاق الضيق أو النطاق العريض حيث تتطلب العديد من هذه التطبيقات موثوقية وأداء من الدرجة العسكرية أو السلامة العامة على مدى نطاقات رائعة.
  
• ينطبق الاتصال ذو النطاق الواسع على استخدام نطاقات التردد التي تتجاوز تلك المستخدمة في الاتصالات ضيقة النطاق، من جانبه يشير النطاق الضيق إلى الاتصالات التي تستخدم محتوى تردد داخل نطاق التماسك لقناة تردد كما يشير إلى تشغيل التردد أضيق من النطاق الواسع.
  
• تشترك جميع التطبيقات لاتصالات النطاق الضيق والعريض في مجموعة من أكثر المعلومات المرغوبة، منها: الاتصالات التي تحتوي على أعلى معدل بيانات وتستخدم أقل طيف وتستهلك أقل قدر من الطاقة ولها المدى الأطول والأكثر مقاومة للتداخل، ومن أجل ضمان ارتفاع معدل البيانات فيجب زيادة طيف التردد المستخدم حيث تعمل هذه الخطوة على تقليل الطاقة والمدى ومقاومة التداخل.
  
• تشكل الاختلافات الحرجة بين اتصالات التردد اللاسلكي ذات النطاق الواسع وضيقة النطاق بالنسبة لمعظم التطبيقات التي تتطلب اتصالات طويلة المدى ومنخفضة الطاقة وموثوقة، كما يميل النطاق الضيق إلى أن يكون الخيار السائد، فإذا كانت معدلات البيانات العالية ضرورية يتم استخدام تقنيات مثل الخلوية وكسب التشفير وغيرها للتخفيف من انخفاض النطاق ومقاومة التداخل، لكن هذا يتم على حساب القوة.
  
• وفقًا لبروس كولينز، في حلول النطاق الضيق (القنوات أقل من 500 كيلو هرتز) يكون للنطاق الترددي الأصغر للقنوات ضوضاء حرارية أقل، لذلك من أجل تحقيق نسبة إشارة إلى ضوضاء مماثلة يلزم مستوى استقبال أقل وبالتالي فإنّ قوة الإرسال المنخفضة مطلوبة، كما تؤدي طاقة النقل المنخفضة هذه إلى تقليل استهلاك الطاقة ممّا يتيح حلولاً تعمل بالطاقة الشمسية أو عمر بطارية طويل للغاية.
  
• إنّ نطاقات التردد المنخفضة التي تستخدمها أنظمة النطاق الضيق (sub – 1 – GHz) تنتشر بشكل أكبر بسبب الفيزياء، وهذا يقلل من متطلبات الطاقة لنفس المسافة أو يزيد من نطاق نفس استهلاك الطاقة.
  
• فيما يتعلق بالتطبيقات التي تعتمد على الطاقة والتي غالباً ما تتطلب طاقة البطارية أو الضروريات منخفضة الطاقة لعقد الاستشعار اللاسلكية (WSN)، يوفر النطاق الضيق مسافات أفضل لكل واط من استهلاك الطاقة من النطاق الواسع، كما يُعد هذا أمراً بالغ الأهمية من العقدة البعيدة ولكنه أقل أهمية بالنسبة لنقطة الوصول أو موقع المحور، وهذه العوامل ذات صلة خاصة بالتطبيقات الصوتية للسلامة العامة وأنظمة الإنذار وأجهزة الاستشعار الموزعة الحرجة والاتصالات الحيوية من آلة إلى آلة (M2M).
  
• إذا كان التطبيق يتطلب دفق الفيديو أو أنظمة استشعار أخرى تنتج كميات هائلة من البيانات، فلن يكون هناك ملجأ يذكر خارج نظام النطاق الواسع، كما سيؤدي انخفاض استهلاك الطاقة لأنظمة النطاق الضيق أيضاً إلى انخفاض تكلفة التطبيقات البعيدة، لكن عوامل التكلفة هذه هي مفتاح الاختلاف بين التقنيتين.
  
• وفقاً لمارك فولكنر، نائب رئيس هندسة الحلول المتكاملة للترددات اللاسلكية في شركة (Microsome)، بأنّه هناك مقايضة أساسية لمطابقة الترانزستور لعرض النطاق الترددي، كما يمكن مطابقة الترانزستورات لتحسين أعلى أداء لها أو قوتها أو فعاليتها عبر نطاق ترددي ضيق حيث ينتج عن تطابق الترانزستور واسع النطاق ربحاً أقل لكل مرحلة، لكن الأمر الذي يتطلب المزيد من مراحل مكبر الصوت لتحقيق الأداء العام المكافئ.
  
• مع زيادة تعقيد الدوائر، يرتفع وقت التصميم وتنخفض التكلفة غالباً، وإنّ إضافة مراحل إضافية لمكبر النطاق العريض يجذب مزيداً من التيار ويقلل الكفاءة، وبالإضافة إلى ذلك تحتوي شبكات المطابقة ذات النطاق العريض والترانزستور على عدد أكبر من العناصر التفاعلية، والتي تضيف خسائر تصبح كبيرة في ترددات الموجات المليمترية.
  

لقد استخدمت العديد من التطبيقات مثل أجهزة الراديو العسكرية والقياس الذكي ومراقبة النفط أو الغاز والسلامة العامة في الاتصالات ضيقة النطاق تاريخياً لزيادة نطاقها وموثوقيتها، لكن مع الطلب المتزايد على المراقبة المتقدمة والمزيد من التطبيقات كثيفة البيانات مثل دفق الفيديو فإنّ السلامة العامة وغيرها من الصناعات تبحث في فوائد تقنيات النطاق العريض، فإنّ احتياجاتهم تتعارض بشكل مباشر مع نقص الطيف المتاح وسياسات لجنة الاتصالات الفيدرالية ضيقة النطاق، واعتباراً من (1 يناير 2013م) تم تقليص جميع نطاقات الأعمال الصناعية والسلامة العامة من (150 إلى 512 ميجا هرتز) ومن (25 إلى 12.5 كيلو هرتز) في محاولة لتقليل الطيف، وهو نهج يسمى تضييق النطاق.