أولاً: تطور استخدام الطيف الكهرومغناطيسي

1. استخدام الطيف المنتشر

استخدام الطيف المنتشر Spread Spectrum، هو أحد تقنيات الاتصال المتطورة؛ فمعظم الإشارات، التي تتبادلها قنوات الاتصال، هي موجات جيبية معدلة؛ وتوصف الموجة الجيبية، رياضياً، بالعلاقة:

 

حيث   A     = قيمة أو سعة الموجة الجيبية

        ¦₀    = تردد الموجة الجيبية

        ئ = زاوية الطور للموجة الجيبية.

ويمكن تمثيل أيّ موجة غير جيبية في مجموع عدد ملائم من الموجات الجيبية، ذات سعات A1, A2, A3، وترددات F1, F2, F3، وزوايا طور مختلفة  3  2  1  ، طبقا للمعادلة:

 

ومن ثَم، يمكن تعرف هذه الإشارة، من خلال طيفها الترددي Frequency Spectrum، الذي يحدد سعة كلّ موجة من الموجات الجيبية، التي تمثل الإشارة؛ كما يوضح الطرف الأيمن من المعادلة السابقة، ويربط بين كلّ سعة A وتردد للموجة الجيبية ¦₀؛ فإذا كان شكل الإشارة المتداولة عبر قناة الاتصال، هي الموجة المربعة، (انظر شكل النبضات المربعة)، فإنه يمكن تمثيلها في موجات جيبية مختلفة التردد والسعة.

والطيف الترددي لهذه الإشارة، يحتوي على المكونات، الموضحة في (شكل طيف النبضة المربعة)، ويوضح (شكل توافقيات النبضة المربعة) الفارق بين شكل الموجة المربعة، وهي الموجة الأصلية، والأشكال الناتجة من جمع اثَنين ثم أربعة من مكونات طيفهما الترددي.

ولنقْل تلك الإشارة نقلاً سليماً، عبر قناة الاتصال، يجب أن يكون الحيز الترددي، الذي تستوعبه تلك القناة Channel Bandwidth، يزيد على الحيز الترددي للإشارة Signal Bandwidth، ويزداد الحيز الترددي للإشارة، كلما ازداد محتواها من المعلومات، وفي حالة استخدام الأساليب الرقمية، تكون المعلومات المتداولة في صورة تغيرات، يطلق عليها النبضات؛ فكلّما ازداد معدل هذه التغيرات في وحدة الزمن، ازداد اتساع الحيز الترددي للإشارة.

2. القفز الترددي Frequency Hopping

أسهمت التقنيات الإلكترونية الحديثة، وأساليب هندسة الدوائر الإلكترونية بواسطة الحاسب الآلي، في إحداث طفرة في إنتاج قنوات اتصال عريضة النطاق الترددي؛ إذ أمكن إرسال كمّ كبير من المعلومات الرقمية؛ وبسرعة كبيرة. كما أتاحت للاستخدام العسكري أساليب جديدة، لزيادة سرية الاتصال، وتأمينه من تدخل العدو. ومن تلك التطورات استخدام القفر الترددي.

وفيه يقسم الحيز الترددي العريض إلى قنوات ترددية أصغر، يكفي كلّ منها لنقل الإشارة المتبادلة؛ ثم تُوزع الإشارة، التي تحوي المعلومات، على تلك القنوات الصغرى، (انظر شكل طيف القفز الترددي). وفيه توزع الرسالة على الترددات من f₁ إلى f₁₀، ويكون التغير طبقاً لبرنامج محدد لبعثرة الترددات. و التغير في تردد القنوات الفرعية الصغرى، ليس عشوائياً؛ وإنما وفق برنامج محدد، له درجة عالية من السرية، وهو موجود في محطة الإرسال، ومحطة الاستقبال؛ وتُرسل ضمن الرسالة المتبادلة إشارة للتزامن.

هذه التقنية تجعل من العسير على أيّ طرف ثالث، لا يحوز برنامج توزيع الترددات الفرعية، أن يسمع الرسالة المتبادلة، ويفهم المعلومات التي تحتويها. وهذا يؤهل القفز الترددي للاستخدام العسكري، الذي تمثل فيه سرية الاتصالات أهمية قصوى. وثمة سبب آخر، يجعل تقنية القفز الترددي ذات جاذبية خاصة للمستخدم العسكري؛ وهو مقاومة التعويق والتشويش الإلكتروني؛ إذ أنه لكي ينجح العدو في منع الاتصال، الذي يستخدم القفز الترددي، يلزم أن يستخدم أساليب ومعدات خاصة، تكفي لتغطية حيز الطيف المنتشر، الذي تشغله الرسالة المتبادلة؛ وبذلك تُعصَم تلك الرسالة المتبادلة من التنصت، وكذلك التعويق الإلكتروني.

3. الدخول المتعدد بالتقسيم الترددي Frequency Division Multiple Access FDMA

وفي هذا الأسلوب، يكون لكلّ اتصال تردد محدد منفصل؛ إذ يقسم الحيز الترددي العريض إلى حيزات ترددية فرعية، (انظر شكل التقسيم بالتردد). وفيه يقسم الحيز الترددي، وقيمته 45 ميجاهرتزاً، إلى أجزاء، يُخصص كلّ جزء لمشترك واحد. وهذا الأسلوب، يصلح لتبادل الرسائل الصوتية. كما يمكنه نقل البيانات الرقمية بكفاءة أقلّ.

4. الدخول المتعدد بالتقسيم الزمني Time Division Multiple Access TDMA

وفي هذا الأسلوب، يقسم النطاق الترددي العريض إلى حيزات ترددية فرعية ضيقة، سعة كلّ منها 30 كيلوهرتزاً. ويستخدم هذا الحيز في التراسل في ثلث المدة الزمنية، التي كانت تخصص لتبادل الرسائل التناظرية. ومثال هذا الأسلوب اتصالات الهاتف الخلوي، حيث يقسم الحيز الترددي من 824 إلى 894 ميجاهرتزاً المخصص للتراسل، إلى حيزات فردية، سعة كل منها 30 كيلوهيرتزاً، فترتها الزمنية 6.7 ملّي/ ثانية، يخصص ثلث هذا الامتداد الزمني للمستخدم الواحد، في الوقت الواحد (انظر شكل التقسيم بالزمن). وهذا الأسلوب يُنْتَهَج في تحويل الرسائل التناظرية إلى رسائل رقمية.

5. الدخول المتعدد بالتقسيم بالأكواد Code Division Multiple Access CDMA

وفي هذا الأسلوب تُحول الرسائل إلى بيانات رقمية، ثم تنتشر الرسالة في الحيز الترددي المتاح كله، (انظر شكل التقسيم بالكود)، حيث تتداخل الرسائل المتعددة خلال قنوات الاتصال المتاحة؛ ولكن يخصص لكل رسالة كود تعريف محدد، ينتقل مع كل جزء من أجزائها، حتى يسهل عند الطرف المتلقي إعادة تجميع الرسالة الواحدة، من طريق كود التعريف الخاص بها. والأنظمة، التي تعمل بأسلوب الدخول بالتقسيم الزمني TDMA، وتلك التي تعمل بأسلوب الدخول بالتقسيم بالأكواد CDMA، تستطيع أن تبادل الرسائل، شرط وجود تنسيق بينهما؛ وإلا تداخلتا.