خامساً: الهوائيات وأنظمة تنوع الاستقبال

عندما تُرسل موجات الراديو إلى مسافة طويلة، يتذبذب كمّ الإشارة المستقبلة بالنسبة إلى الوقت، وهو ما يسمى بخفوت الإشارة. ومن المعروف من التجارب والمشاهدة أن الخفوت لقنوات الراديو، والتي تكون بعيدة عن بعضها بمسافة كافية في التردد أو الفراغ أو الزمن وأحيانًا في الاستقطاب، غير متلازمة إحصائياً من حيث تعرضها للخفوت. هذه الحقيقة تستخدم في التقنيات المختلفة للتروبو عند تعرُض الإشارة إلى الخفوت الشديد، والمستهدف من هذه التقنيات هو استخدام عدة إشارات مستقبلة عند محطة الاستقبال، والتي تكون نسخة طبق الأصل من الإشارة المستقبلة الأصلية، وبغرض الوصول إلى مستوى إشارة مناسب، بدلاً من زيادة قدرة الإرسال، والتي قد تُكلف كثيراً، وذلك باستخدام هوائيات ذات أحجام كبيرة, ويجب أن يؤخذ في الاعتبار أن الاعتماد الكبير على انتشار الموجات، التي يستخدم فيها التنوع تخضع كلها لحسابات إحصائية، وهذه التقنيات تعتمد إحصائيا على طبيعة الخفوت لقنوات الراديو.

وللحصول على نتائج جيدة من استخدام التنوع، يجب أن تكون هناك إحصائيات كافية مستقلة للخفوت لعدة إشارات مستقبلة.

وباستخدام التنوع الترددي، والتنوع الفراغي، والتنوع الفراغي الترددي، يمكن أن تتحسن عدة قنوات راديو، لا يعتمد فيها الخفوت على التغيرات على المدى السريع إحصائيًا في قناة بالنسبة للقناة الأخرى. وبهذا الأسلوب يتم اختيار القنوات التي يكون الخفوت فيها مختلفًا بالنسبة للوقت، ولا تعتمد على بعضها، وبذلك يمكن استقبال إشارة بمستوى جيد، وبنسبة إشارة إلى ضوضاء أفضل من المستخدمة لقناة راديو واحدة.

وعلى الرغم من أن نسبة الإشارة إلى الضوضاء مهمة جدّا، فإن انخفاض مستوى الإشارة، بطريقة كبيرة في جزء صغير من الوقت، يجعلها غير مفيدة. وتتميز إشارات التروبو إضافة إلى الخفوت السريع، بخفوت على المستوى الطويل، الذي يؤثر في قنوات الراديو بالتساوي، وبالتالي لا يمكن تحسين الإشارة المستقبلة بواسطة تقنيات التنوع.

1. أنظمة التنوع

يرجع هذا المسمى إلى وجود نسخ من الإشارة المستقبلة، ولكنها بمستويات مختلفة. وفي حالة اتصالات التروبوسكاتر، فإنه يُستخدم (2ـ3) من هذه التقنيات، وهي التنوع الترددي، والتنوع الفراغي؛ والتنوع الفراغي هو الأكثر استخداماً عملياً من النوعين الآخرين.

وقد اكتشف أن لو أُرسلت المعلومات، في الوقت نفسه في نظام التروبوسكاتر، على موجتين حاملتين للتردد والفاصل بينها مسافة كافية، لكان الارتباط صغيرًا بين الإشارتين المستقبلتين بجهازي استقبال منفصلين، ويسمى هذا بتنوع التردد. (أُنظر شكل التنوع الترددي)

وكذلك، عند إرسال المعلومات على موجتين حاملتين، بنفس التردد وبمسافة كافية بين هوائيي الإرسال، يسمى هذا بالتنوع الفراغي. (أُنظر شكل التنوع الفراغي)

والميزة المهمة لاستخدام التنوع الترددي، هي استخدام هوائي واحد عند كلٍ من محطتي الإرسال والاستقبال، بينما استخدام جهازي إرسال لكل تردد يعد مكلفًا جدّا. وفي حالة التنوع الترددي باستخدام أربعة ترددات، فلا بد من وجود ثمانية ترددات مختلفة، وبفاصل مناسب بين كل تردد وآخر، للوصول إلى عدم ارتباط بينهما في الإشارة المستقبلة، وللسماح أيضا باستخدام مغذٍّ واحد لأربع أجهزة إرسال.

وحيث إن التنوع الفراغي يستخدم أربعة هوائيات، وحيث إن التنوع الفراغي يعنى أن الهوائيات مقامة على مسافات مناسبة، فلابد من التمييز بين المسارات المختلفة، وهذا يتم بواسطة علامات التردد أو علامات الاستقطاب. (أُنظر شكل مُبسط للتنوع الرباعي)، الذي يمثل المزج بين التنوع الرباعي الترددي والفراغي.

وبتعبير آخر يجب اختيار الترددين بفاصل مناسب، بحيث يمكن التمييز بينهما بواسطة نظام الاستقبال، وحيث يمكن استخدام الاستقطاب الرأسي للتمييز بين الإشارتين بفاصل في المسافة بينهما. ولكن تنوع الاستقطاب الرأسي والأفقي لا يوفر درجة مناسبة من عدم ارتباط الإشارة المستقبلة عند تعرضها للخفوت، (على الأقل في حيز التردد المستخدم في التروبوسكاتر)، ويتم التنوع هنا بواسطة فاصل طبيعي في المسافة لمسار الإشارتين المرسلتين.

وبسبب الحدود المسموح بها لاختيار التردد في أجهزة الإرسال ذات القدرة العالية، فنادراً ما يستخدم التنوع الترددي. ولكن التنوع الترددي يُستخدم في حالات خاصة، وعند عدم وجود مكان مناسب لاستخدام التنوع الفراغي.

2. تقنيات المزج

بمجرد اختيار التنوع المطلوب، يوفر كيفية الحصول على أفضل إشارة مستقبلة، أو الجمع بين عدة إشارات للحصول في النهاية على إشارة بمستوى مناسب من نسبة الإشارة إلى الضوضاء، و كيفية الوصول إلى أداء وتقنيات، توفر الحصول على إشارة جيدة، يمكن التعامل معها. وتقنيات المزج للإشارة تنقسم إلى:

أ. اختيار أحسن إشارة من بين عدة إشارات.

ب. مزج كل الإشارات المستقبلة.

ج. الجمع بين اختيار أحسن الإشارات المستقبلة والمزج بينها.

وبالنسبة إلى تقنيات الاختيار، تستخدم عملية مسح للترددات، كل تردد يُمسح على حدة، وبتتابع ثابت للوصول إلي تردد يُحقق استقبال إشارة بمستوى مناسب. وتستخلص المعلومة المرسلة من استقبال القناة المختارة، طالما مستوى الإشارة في حدود مقبولة، وعندما تضعف الإشارة، نتيجة تعرضها للخفوت، يبدأ المسح مرة أخرى للوصول للقناة، التي تحقق مستوى جودة إشارة معروفة قيمتها مسبقاً لجهاز الاستقبال، و يستمر تتابع عملية المسح، طالما أن القنوات المستقبلة تتعرض للخفوت، ومستوى استقبال الإشارة غير مناسب للتعامل معه.

في هذه الطريقة، الإشارة المستقبلة ليست هي الأفضل دائماً بالنسبة إلى باقي القنوات، ولكن يستمر العمل بها طالما تحقق جودة إشارة مناسبة، ولكن في طريقة تنوع الاختيار الأمثل optima selection يُختار أفضل قناة، وهذه الطريقة مفضلة عن نظام تنوع المسح، ولكنها ليست طريقة عملية دائماً.

وفي تقنيات المزج تُقوّم كل القنوات المستقبلة بضوضاء، من حيث قوتها، وتمزج القنوات، التي تحقق مستوى الإشارة المستهدف، ويسمى هذا مزج الوزن المتساوي في الجودة، أو مزج الكسب المتساوي.