ما هو تسلسل البتات العشوائية الزائفة في الاتصالات PRBS

بدأ البحث في تصميم وتطبيق التسلسل الثنائي (PRBS) لأول مرة في الستينيات، ونظراً لأنّ هذه الإشارات لها طول محدد يمكن إنشاؤها بسهولة باستخدام دارة تسجيل التحول، وكل ما يحتاجه المرء هو توصيل الدوائر بالتغذية الراجعة المناسبة ممّا يؤدي إلى توليد هذا التسلسل الثنائي المفيد بشكل مناسب.

ما هو تسلسل البتات العشوائية الزائفة PRBS

تسلسل البتات العشوائية الزائفة في الاتصالات (PRBS): هي عبارة عن تسلسل ثنائي بسيط يبدو عشوائيًا، وعلى الرغم من أنّ التسلسل يبدو عشوائيًا، إلّا أنّه يتم إنشاؤه بواسطة خوارزمية حاسوبية محددة، وهذه الخوارزمية معقدة للغاية ممّا يجعل من الصعب للغاية التنبؤ بنتائج (PRBS)، ونتيجةً لذلك تكون الإشارة المولدة مشابهة إحصائيًا للتسلسل الثنائي العشوائي تمامًا.

• “PRBS” هي اختصار لـ “Pseudo Random Binary Sequence”.

أساسيات تسلسل البتات العشوائية الزائفة PRBS

في حين أنّ الإشارات العشوائية مثل: الضوضاء غالبًا ما تُعتبر مشكلة إلّا أنّ هناك تطبيقات مثل الاتصالات واختبارات الأجهزة التي تعتمد على تسلسلات البت العشوائية والضوضاء نظرًا لخصائصها الفريدة، ومع ذلك بالنسبة للاختبارات لمرة واحدة أو للمصممين بميزانية محدودة، قد لا يكون من الممكن شراء تسلسل ثنائي عشوائي أو شبه عشوائي (PRBS) أو مولد موجي عشوائي.

في مثل هذه الحالات يكون بناء واحد باستخدام أجهزة (CMOS) المتوفرة بسهولة أكثر فعالية من حيث التكلفة، والتسلسل الثنائي الزائف العشوائي هو تسلسل ثنائي مفيد للغاية وشائع الاستخدام، وهذا يجعل مولد (PRBS) أحد أهم مولدات الإشارة التي تم تطويرها على الإطلاق.

مع الاعتماد المتزايد على التكنولوجيا أصبح من الضروري تأمين كل جانب من جوانب المعلومات عبر الإنترنت حيث يمكن للتسلسلات الثنائية العشوائية الزائفة (PRBS) أن تلعب دورًا مهمًا في عالم الإنترنت اليوم، حيث يعمل (PRBS) في الرياضيات الأساسية وراء أمان البروتوكولات المختلفة وتطبيقات الترميز.

• “CMOS” هي اختصار لـ “Complimentary Metal Oxide Semiconductor”.

مبدأ عمل تسلسل البتات العشوائية الزائفة PRBS

تستخدم التسلسلات الثنائية العشوائية الزائفة (PRBS) على نطاق واسع في العديد من التطبيقات مثل: الاتصالات اللاسلكية والترميز، حيث في الترميز تم تطوير العديد من بروتوكولات الأمان مثل (SSL / TLS) و(HTTP) بناءً على تسلسلات عشوائية زائفة، وتشير عشوائية التسلسل إلى درجة صعوبة التنبؤ بالبت التالي في هذا التسلسل سواء كان تحليلًا ماديًا أو إحصائيًا.

يمكن بسهولة إنتاج مثل هذه التسلسلات العشوائية المثالية من الموارد الطبيعية وعلى سبيل المثال ضوضاء الغلاف الجوي والانحلال الإشعاعي والظواهر الطبيعية الأخرى، ومع ذلك فإنّ استنساخ مثل هذه التسلسلات أمر مستحيل رياضيًا بسبب التباين في الموارد الطبيعية، وبسبب هذا العيب فإنّ مصادر مثل هذه التسلسلات العشوائية الحقيقية لا يمكن الاعتماد عليها لتطبيقات الكمبيوتر العملية.

في المقابل، يتم اشتقاق التسلسلات العشوائية الزائفة باستخدام الصيغ الرياضية ولكن لها بعض الخصائص القياسية التي يتم فحصها في متواليات عشوائية حقيقية، كما يمكن تجديد التسلسلات باستخدام الرياضيات الحتمية ويمكن إنتاج تسلسل كبير في وقت قصير باستخدام أساسيات عشوائية صغيرة، وإنّ قابلية الاستنساخ والميزات مثل التسلسل العشوائي الحقيقي تجعل التسلسلات العشوائية الزائفة جزءًا أساسيًا من البروتوكولات الرياضية المختلفة في تطبيقات الكمبيوتر القائمة على الترميز والأمان.

تطور عمل تسلسل البتات العشوائية الزائفة PRBS

في السنوات الأخيرة تم تطوير العديد من أنظمة الترميز على أساس التسلسلات العشوائية الزائفة، وتعتمد مستويات أمان هذه التطبيقات في الغالب على درجة عشوائية التسلسلات المستخدمة، كما يتم تقييم تسلسل تطبيقات الترميز من خلال بعض الخصائص المميزة مثل طول دورة التسلسل وتسمى أيضًا الفترة والتعقيد الخطي والارتباط والتوحيد بين الأصفار وتلك المتسلسلة.

تعتبر التسلسلات ذات طول الدورة الطويل والتعقيد الخطي العالي ونمط البت المنتظم مثالية لتطبيقات الأمان، كما يتم إجراء دراسات مختلفة في محاولة لتوليد متواليات عشوائية زائفة مثالية وهناك العديد من المتواليات، مثل متتالية القيمة القصوى وتسلسل الذهب (Gold sequence) وتسلسل “كاسامي” الذي يمتلك طول دورة طويلة وخصائص ارتباط جيدة.

ومع ذلك، فإنّ التعقيد الخطي لهذه التسلسلات منخفض وبالتالي فهو غير مناسب في التطبيقات القائمة على الأمن، وتُستخدم مولدات (PRBS) في الاتصالات السلكية وكذاك الاتصالات اللاسلكية وكما هو الحال في التحويل التناظري إلى المعلومات، ولكن أيضًا في التشفير والمحاكاة وتقنية الارتباط والتحليل الطيفي لوقت الرحلة.

المثال الأكثر شيوعًا هو الحد الأقصى لتسلسل الطول الذي تم إنشاؤه بواسطة أقصى سجل إزاحة ردود الفعل الخطية (LFSR)، وومن الأمثلة الأخرى المتواليات الذهبية والمستخدمة في (CDMA) و(GPS) وتسلسلات (Kasami) وتسلسلات (JPL) وكلها تستند إلى (LFSRs)، حيث في الاتصالات السلكية واللاسلكية تُعرف التسلسلات الثنائية العشوائية الزائفة باسم أكواد الضوضاء العشوائية الزائفة أي أكواد (PN) أو (PRN) نظرًا لاستخدامها كضوضاء شبه عشوائية.

• “SSL / TLS” هي اختصار لـ “Secure Socket Layer / Transport Layer Security” و”PN” هي اختصار لـ “Phase Noise”.

• “PRN” هي اختصار لـ “Pseudo random noise” و”LFSR” هي اختصار لـ “Linear Feedback Shift Register”.

• “CDMA” هي اختصار لـ “code division multiple access” و”GPS” هي اختصار لـ “Global Positioning System”.

• “JPL” هي اختصار لـ “Jet Propulsion Laboratory” و”HTTP” هي اختصار لـ “Hypertext Transfer Protocol”.

تطبيقات مولد PRBS

مولد (PRBS)، هو تسلسل مفيد للغاية ويوجد له استخدامات في مجالات متعددة من الهندسة والاختبار مثل:

1. تعريف وتحديد النظام:

• تاريخياً، استخدم المهندسون مولد (PRBS) لغرض تحديد النظام، ويعد تعريف النظام مجالًا للنمذجة يمكن أن يساعد في محاكاة الأنظمة من البيانات التجريبية.

• على عكس النمذجة الرياضية التي تتخذ نهجًا تحليليًا، فإنّ تحديد النظام يستخدم مولدات (PRBS) لنهج تجريبي.

• يتم إجراء سلسلة من الاختبارات المحددة مسبقًا على النظام ويلاحظ استجابته لكل اختبار.

• في حالة الإشارات المعقدة، لا يمكن استخدام النموذج الرياضي ببساطة لأنّه يتطلب العديد من الحسابات، وفي هذه الحالات يستخدم المهندسون والمحللون مولدات (PRBS) لتطوير نهج تجريبي.

2. تطبيقات الألياف البصرية

• تستخدم مولدات (PRBS) بشكل شائع لاختبار تقنية الألياف البصرية.

• استخدمها المهندسون للتحقق من أداء جيروسكوبات (MEMS) التي يشيع استخدامها بواسطة هواتفنا الذكية لتثبيت الكاميرا وجيروسكوبات الليزر وأجهزة (IFOG).

ملاحظة:“IFOG” هي اختصار لـ “Interferometric Fiber-Optic Gyro” و”MEMS” هي اختصار لـ “Micro-electromechanical systems”.

ما هو مولد نمط PRBS-N عالي السرعة

يتم توفير مولد نمط (PRBS-N) عالي السرعة وكاشف الأخطاء ودوائر عداد الخطأ التي تحتوي على تكوينات دائرة بسيطة نسبيًا، والتي تقوم بمزامنة ومحاذاة بيانات الإدخال بسرعة مع النمط الذي تم إنشاؤه والتي تكتشف بسهولة وبسرعة حدوث حدث تحويل بت.

وذلك بإعادة مزامنة بيانات الإدخال وإعادة تنظيمها بسرعة مع النمط الذي تم إنشاؤه بعد حدوث حدث تبديل بت، كما يمكن تنفيذ عداد الخطأ بدائرة منخفضة السرعة على الرغم من أن مولد النمط وكاشف الأخطاء يعملان بنفس سرعة إشارة بيانات الإدخال عالية السرعة، هذا يقلل من التعقيد واستهلاك الطاقة لعداد الخطأ.

في نهاية المقال، يُعد التسلسل الثنائي العشوائي الزائف (PRBS) هو الكود الثنائي العشوائي الكاذب أو تدفق البتات العشوائي الزائف هو تسلسل ثنائي أثناء إنشائه باستخدام خوارزمية حتمية، حيث يصعب التنبؤ به ويعرض سلوكًا إحصائيًا مشابهًا للتسلسل العشوائي حقًا.