تراكب الإشارات

حين تتشارك الموجات نفس الفضاء

الآن، آلاف الإشارات اللاسلكية تمر عبر جسمك في وقت واحد — Wi-Fi وشبكات الخلوي وراديو FM والبلوتوث وملاحة الأقمار الصناعية وغيرها. ومع ذلك يختار هاتفك بدقة الإشارة التي يحتاجها. كيف يكون هذا ممكناً؟ الإجابة تكمن في أحد أكثر المبادئ جوهرية في الفيزياء: التراكب.

ينص مبدأ التراكب على أنه حين تحتل موجتان أو أكثر نفس منطقة الفضاء في نفس الوقت، تكون الاضطرابات الناتجة عند أي نقطة هي ببساطة المجموع الجبري لسعات الموجات الفردية عند تلك النقطة. لا فيزياء معقدة، لا تفاعلات غريبة — مجرد جمع.

هذا الخطية الرائعة — حقيقة أن الموجات الكهرومغناطيسية تتجمع معاً ببساطة — هي ما يجعل الاتصال اللاسلكي ممكناً. يمكن لمحطات متعددة البث في آنٍ واحد، ويمكن للمستقبلات تصفية التردد الذي تريده بالضبط.

التداخل البنّاء: موجات تتعزز

حين تكون موجتان بنفس التردد في الطور — قممهما وقيعانهما متوافقة — فإنهما تُعززان بعضهما. الناتج موجة بنفس التردد ولكن بسعة أكبر. موجتان متطابقتان في الطور تماماً تُنتجان موجة بـضعف السعة.

هذا هو التداخل البنّاء. فارق الطور بين الموجتين هو 0° (أو أي مضاعف من 360°). عملياً، تختبر التداخل البنّاء حين يرتد إشارة راوتر Wi-Fi من جدار وتصل إلى هاتفك مع تأخير بسيط ولكن لا تزال في الطور مع الإشارة المباشرة، مما يُضخّم الطاقة المستقبَلة.

التداخل الهدّام: موجات تتلاشى

حين تكون موجتان متطابقتان خارج الطور بمقدار 180° — القمم متوافقة مع القيعان — فإنهما تتلاشيان تماماً. هذا هو التداخل الهدّام، وينتج عنه إشارة صفرية. قد يبدو الأمر نظرياً، لكن للتداخل الهدّام عواقب عميقة في الأنظمة اللاسلكية.

حين ينتقل إشارة راديوية من جهاز إرسال إلى مستقبل عبر مسارين مختلفين — خط مباشر ومسار منعكس — يمكن أن تصل النسختان خارج الطور، مما يتسبب في إضعاف الإشارة المستقبَلة بشكل كبير. هذه الظاهرة تُسمى خفوت المسارات المتعددة وهي أحد التحديات الأساسية في تصميم أنظمة الخلوي. امشِ خطوات قليلة وسيتغير فارق المسار، محولاً التداخل من هدّام إلى بنّاء — هذا هو سبب تفاوت الاستقبال بشكل كبير على مسافات قصيرة.

النبضات: ماذا يحدث مع الترددات المتقاربة

ماذا يحدث حين يكون لموجتين ترددان متقاربان قليلاً؟ لا تتعزز الموجات ببساطة ولا تتلاشى — بل تفعل شيئاً أكثر إثارة للاهتمام. تتناوب الموجات في الدخول والخروج من الطور مع بعضها، مُنتجةً تغلغلاً بطيئاً في السعة يُسمى النبضات.

يستخدم الموسيقيون النبضات لضبط الآلات: يضبطون الوتر حتى ينخفض تردد النبض بينه وبين نغمة مرجعية إلى الصفر. تمنحك النبضات الصورة الذهنية الصحيحة لـمغلّف السعة، وهو ما ينقل AM المعلومات فيه — لكن الآلية ليست واحدة، والفرق مهم. النبضات تنشأ من جمع نغمتين، والناتج يحتوي هاتين النغمتين فقط: لا حاملة فيه. أما AM فيُنتَج بـضرب الرسالة في حاملة، ولهذا يحتوي طيفه على حاملة وشريطين جانبيين. جمع نغمتين أقرب في الحقيقة إلى النسخة مكبوتة الحاملة، DSB-SC. سنبني AM كما ينبغي في الوحدة 3.

متسلسلة فورييه: أي موجة من موجات جيبية

يقود مبدأ التراكب إلى إحدى أقوى الأفكار في الهندسة: أي شكل موجي دوري يمكن بناؤه بجمع موجات جيبية بالترددات والسعات والأطوار الصحيحة. هذه هي متسلسلة فورييه.

خذ مثلاً الموجة المربعة — الشكل الموجي الحاد الزوايا المستخدم في إشارات الساعة الرقمية. لا تشبه الموجة الجيبية في شيء، ومع ذلك أثبت الرياضي الفرنسي جوزيف فورييه أنها يمكن التعبير عنها كمجموع لا نهائي من الموجات الجيبية: التردد الأساسي والتوافقيات الفردية (الثالثة والخامسة والسابعة...) بسعات تتناقص كـ1/n.

هذه الرؤية هي أساس تحويل فورييه الذي ألمحنا إليه في الدرس السابق. لأن أي إشارة يمكن تحليلها إلى موجات جيبية، والموجات الجيبية تُوصَف كلياً بالتردد، يمكننا تحليل أي إشارة في مجال التردد — فهم محتواها الطيفي بدلاً من شكل موجتها الزمني.

الضوضاء كتراكب

ليس كل التراكب مرحّباً به. الضوضاء هي ببساطة تراكب إشارات غير مرغوب فيها على إشارتك المطلوبة. تأتي الضوضاء الحرارية من حركة الإلكترونات العشوائية في الموصلات — عند أي درجة حرارة فوق الصفر المطلق، تتذبذب الإلكترونات عشوائياً، مُولِّدةً إشارة كهربائية صغيرة ولكن لا مفر منها تتراكب على كل شيء آخر.

المقياس الرئيسي هو نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)، يُقاس بوحدة الديسيبل:

كل ميزانية وصلة في هندسة الاتصالات اللاسلكية — الحساب الذي يحدد ما إذا كان يمكن استقبال إشارة بشكل موثوق على مسافة معينة — تعود في نهاية المطاف إلى ضمان أن تكون SNR مرتفعة بما يكفي. سنبني ميزانيات الوصلة في الوحدة 9.

لماذا يجعل التراكب الاتصال اللاسلكي ممكناً

جمال التراكب الكهرومغناطيسي أن الإشارات لا "تتصادم" أو تُدمّر بعضها أثناء الإرسال. يمكن لمليار إشارة لاسلكية أن تنتشر في نفس الهواء في وقت واحد، كل منها تمر عبر الأخريات كأنهن غير موجودات. يستقبل هوائي هاتفك جميعها، لكن دائرة المستقبل تستخدم مرشحاً مضبوطاً لاختيار النطاق الترددي الضيق الذي تريده فقط.

هذا هو مبدأ تعدد الإرسال بتقسيم التردد (FDM) — التقنية المستخدمة في راديو AM وFM والتلفزيون الكابلي وشبكات الخلوي للسماح لمحطات متعددة بالتعايش دون التداخل مع بعضها، طالما ترددات محطاتها متباعدة بما يكفي لتتمكن المرشحات من التمييز بينها.