Table of Contents
العناصر الأساسية لمستقبل البصريات
والمستقبل البصري هو قلب أي وصلة اتصال بحرية في الفضاء البصري، وتتمثل وظيفته الرئيسية في استخلاص الشعاع الضوئي المرسل وتحويله إلى إشارة كهربائية، ثم تجهيز الإشارة لاستعادة البيانات الأصلية بأقل قدر من الخطأ، ويقرر جهاز استقبال مصمم بدقة معدل البيانات القابلة للتحقيق، ومسافة الربط، وموثوقية النظام عموما، وتشمل وحدات البناء الأساسية أجهزة التصوير الضوئي، ومرشحات التجهيز الضوئية المختارة.
Photodetectors: The Signal Conversion Element
وتحتاج أجهزة الاستطلاع الضوئية إلى أكثر العناصر أهمية، حيث تتحول الصور الواردة إلى تيارات كهربائية، ويزداد عدد الخيارات المشتركة لأجهزة استقبال الترددات العضوية الثابتة من حيث الأشعة الضوئية، وأجهزة الإرسال الضوئي ذات الترددات العالية، إلى درجة عالية من الحساسية، حيث تؤدي أجهزة الاستديوان الضوئي ذات الترددات المنخفضة إلى إحداثيات عالية، مما يجعلها مناسبة لوصلات ذات نطاق عال في الحالات التي لا تشكل فيها الضوضاء
الأفلام المعارضة: رفض الضوء غير المرغوب فيه
وفي حلقة اتصال من طراز FSO، لا يلتقط جهاز الاستلام الإشارة المقصودة فحسب، بل أيضا الضوء الخلفي من الشمس والمصادر الصناعية والضوء المتناثر، كما أن جهازاً مختصاً بصرياً يوضع أمام جهاز التصوير الضوئي هو أمر أساسي لقمع هذا الضجيج من الترددات الخارجية، حيث إن جهازاً للتدخل ضيق النطاق يركز على جهاز كشف الموجات الترددية، يمكن أن يحقق قبولاً متبادلاً لقلة من أجهزة الاستلام.
المكبرات والإلكترونيات الأمامية
أما بالنسبة إلى الناتج المخفض للصور فهو تيار صغير، وغالبا ما يكون في الميكرومتر إلى النطاق النانوميتري، ويجب أن تتضخم هذه الإشارة بضخة عالية من الإشارات إلى التبسيط قبل إجراء مزيد من المعالجة، وأن تتحول هيئة تقييم الأثر إلى درجة الفولطية وتضع النطاق النهائي الإجمالي للصوت، وأن تصميم هيئة التوحيد القياسي هو عملية تنافسية دقيقة بين المكسب والزلاجات الضجة.
تجهيز الإشارات وحذفها
وبعد أن تُضخ الإشارة وتُقيَّد، تنتقل هذه الوحدة إلى وحدة تجهيز الإشارات، وتُجري عملية استرداد البيانات على مدار الساعة، وتُخفض فيها وتُعالج الأخطاء، كما يمكن أن يكون تطبيق نظام تحديد المواقع على أساس نوع معين (نظام تحديد المواقع) كافياً.
الاعتبارات الرئيسية المتعلقة بالتصميم
ويعد تصميم جهاز استقبال مرئي لجهاز الموجات المفلورة مشكلة ذات أهداف متعددة، ويجب على المهندسين أن يوازنوا بين الحساسية، وضم النطاق، والنطاق الدينامي، واستهلاك الطاقة، والتكلفة، مع مراعاة الطابع غير المتوقع للقناة الجوية، وتورد الفروع التالية تفاصيل أهم معايير التصميم والمبادلات.
إدارة الحساسية والإلمام
ويُعرَّف الحساسية الاستلامية بأنها الحد الأدنى من القوة البصرية اللازمة لتحقيق معدل خطأ محدد، وعادة ما يكون 10 -9 أو 10 . ويُحدِّد الإحساس الذي يُعتبر مُنَعَدَّداً للضوضاء: ضوضاء مُظلمة، وضوضاءة مُثلة من نظام تقييم الأداء، ويُتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَت
معدل الضمادات والبيانات
ويجب أن تضاهي عملية تحديد النطاق الترددي لمعدل البيانات وشكل تعديلها، وفي نظم OOK، فإن النطاق الترددي المطلوب يعادل تقريبا المعدل الأدنى، وبالنسبة للتعديلات العالية المستوى، فإن اشتراط النطاق الترددي قد يكون أقل من ذلك ولكن مع اشتراط أعلى في نظام SNR.
نظام الضبط والتتبع
وفي اتحاد رابطات الموظفين المدنيين الدوليين، يشكل الحفاظ على المواءمة بين جهاز الإرسال والاستقبال تحديا كبيرا بسبب مسار البناء، والتوسع الحراري، والاضطرابات الجوية، ويشمل جهاز الاستقبال عادة نظاما للتتبع الدقيق يستخدم جهازا للتصوير الضوئي الضيق الكمي أو جهازا للكشف عن المواقع، مما يعوض عن زوال الشعاع.
آثار قناة الغلاف الجوي
وينتج الغلاف الجوي الاستيعاب والتناثر والاضطرابات، إذ إن الامتصاص بواسطة بخار الماء وثاني أكسيد الكربون والغازات الأخرى يقلل من قوة الإشارة في موجات محددة، ويتسبب التفرق في الموجات المختلفة في انتشار البخار وتفشيه، ويُصمم هذا الزر بفارق كاف للتغلب على هذه الخسائر.
المؤسستان المتقدمتان للمستقبل
ومع تزايد الطلب على معدلات البيانات المرتفعة والمسافات الطويلة، يجري تطوير تصميمات أكثر تطورا للمستقبل، وتتجاوز هذه الهياكل حدود الكشف المباشر البسيط.
متلقي كشف متماسك
ويستخدم جهاز الكشف عن الرواسب جهازاً محلياً للخلط بين الإشارة الواردة قبل الكشف عن الصور، ويحتفظ هذا النظام بمرحلة ودرجة الطول من المعلومات المتعلقة بالإشارة، ويتيح أشكالاً للمسح الضوئي ذات درجة أعلى، وحساسية محدودة جداً، كما أن أجهزة استقبال أجهزة التحلل الضوئي قادرة على تحقيق الحساسيات حتى 20 مقياساً للترددات العالية أفضل من الاكتشاف المباشر لنفس معدل البيانات.
متلقي التنوع المكاني والانتقالي
ولمكافحة التوافر وتحسين الموثوقية، يستخدم استقبال التنوع أجهزة متعددة للتصوير إما في مواقع مكانية مختلفة أو تعمل في مختلف الأنهار الموجية، ويمكن تنفيذ التنوع المكاني مع مجموعة من أجهزة الكشف التي تنتشر على موجة استقبال، وكلها مضخمة ذاتية، ثم تجمع الإشارات باستخدام نهج متكافئة في الازدحام أو في أقصى درجة من التعقيد.
جهاز استقبال مُنْ طراز Quantum-Limited
ويمكن أن تشمل نظم الترددات المتناهية الصغر في المستقبل توزيعاً رئيسياً كمياً أو أجهزة استقبال محدودة المدة تعمل على مستوى الفوتونية الواحدة، كما أن أجهزة الاستقبال هذه تستخدم أجهزة الكشف عن الرفض ذات الترددات النانوية الواحدة أو أجهزة الاستشعار ذات الترددات المارة بمرحلة انتقالية، التي تتيح كفاءة الكشف عن الهوية على نحو قريب وحسابات منخفضة للغاية.
التكنولوجيات الناشئة والاتجاهات المستقبلية
وتفتح سرعة الابتكار في مجال الصور الفوتوغرافية والإلكترونيات إمكانيات جديدة أمام أجهزة استقبال منظمات المجتمع المدني، وستشكل عدة اتجاهات الجيل القادم من النظم.
جهاز استقبال مصور متكامل
ويُمكن أن يُدمج في أجهزة التصوير والمرشحات، بل وحتى أجهزة الاستنشاق في رقاقة واحدة للتصوير الضوئي (مثلاً، صور السليكون أو منابر الفوسفيد في الداخل) الوعود التي تُعد بها أجهزة استقبال منخفضة التكلفة وموثوقة بدرجة عالية، ويمكن أن يُدمج جهاز استقبال متكامل في تصميمات النسيج المشابهة للنسيج، وعناصر متجانسة للاستهلاك الالي.
تعليم الآلات لأغراض التجهيز التكيفي
وتطبق خوارزميات التعلم من الآلات على مهام الاستلام مثل التعادل في التكييف، وتقدير القنوات، وتتبع الأشعة، ويمكن للشبكة العصبية أن تتعلم الأنماط الإحصائية للزيارة التي تسببها الاضطرابات، وأن تعدل معايير جهاز الاستلام (مثلا، الكسب، والعتبة، ومعاملات الرش) في الوقت الحقيقي، ويمكن للكشف عن الرموز القائمة على القانون النموذجي أن يتجاوز نطاق قنوات التكييف التقليدية.
المواد المتقدمة لمحرري الصور
وتبرز مواد تتجاوز النسيج التقليدي والإنغاوات لتحسين الأداء، وتتوفر مواد غرافين وغيرها من المواد ذات الـ 2 دال للتنقل على نطاق واسع واستيعاب النطاق العريض، مما يتيح للمحركات التصويرية التي تعمل من مرئي إلى متوسطة الحجم بسرعة عالية، ولا تزال منطقة التصادم المتوسطة الحجم (2-10 ميكروغرام) جذابة بشكل خاص بالنسبة للفول السوداني في الضباب واله نظراً لأن الخسائر الناجمة عن الارتحال أقل من
التحديات واستراتيجيات التخفيف
ورغم التقدم السريع، لا يزال تصميم جهاز استقبال المنظمة يواجه عدة تحديات عملية يجب التصدي لها من أجل اعتماد تجاري واسع النطاق.
Weather and Environmental Resilience
ويمكن أن يتسبب التلويث والثلوج والأمطار الغزيرة في تصعيد عشرات الدي بي لكل كيلو متر، مما يجعل من المستحيل على جهاز الاستقبال كشف الإشارة حتى مع الحساسية العالية، وتشمل استراتيجيات التخفيف نظماً هجينة للتثبيت السطحي/الترددات الفوقية تتحول إلى وصلة احتياطية للترددات اللاسلكية عندما تتحلل الظروف البصرية، ويجب تصميم واجهة الاستقبال بمدى دينامي كبير لمعالجة كل من إشارات قوية ومتزامنة مع الظروف المخففة.
أنظمة السلامة العينية
ويجب على أجهزة إرسال الترددات أن تمتثل لمعايير سلامة العين (الرقم IEC 60825 للليزر) ويمكن أن يساعد تصميم جهاز الاستلام بصورة غير مباشرة عن طريق السماح باستخدام طاقة نقل أقل من خلال تحسين الحساسية، وفي بعض النظم، يشمل جهاز الاستقبال نفسه ترابطاً بين الأمان العيني يغلق الليزر إذا كان الشعاع مضللاً أو أن الطاقة المتلقاة عالية جداً، ويجب أيضاً أن يكون قادراً على معالجة نبضات ذات قوة عالية العرض دون إلحاق ضرر باللوحات الإلكترونية.
التكلفة والتعقيد
أما العناصر ذات الأداء العالي مثل أقراص الاصطناعية، ومرشحات النطاق الضيقة، والبصريات المتسقة فهي باهظة الثمن، أما بالنسبة لتطبيقات السوق الجماعية (مثل الوصول إلى آخر ميل)، فالتكاليف تشكل حاجزاً أولياً، فالصور المتكاملة وتوحيد المكونات هي مفتاح تخفيض التكلفة، وبالإضافة إلى ذلك، فإن تبسيط نظام المواءمة والتتبع - على سبيل المثال، باستخدام تقنيات توجيه الشعاع السلبي مثل العناصر البصرية ذات الطابع الشهير - يمكن أن يكون تقييم الأداء بحرص أقل.
خاتمة
أما المتلقين البصري للبلاغات البصرية في الفضاء الحر، فهو مسعى متعدد التخصصات يجمع بين التصورات والإلكترونيات وعلم المواد وتجهيز الإشارات، ويستمر اختيار العناصر الأساسية للبناء - التي تُعد باختفاء الصوت، والمرشحات، والمضخمات، ووحدات تجهيز الإشارات - يتم تنسيقها للوفاء بالأهداف المزدوجة ذات الحساسية العالية والارتفاع في نطاق الترددات، مع مواجهة التنوع البصري المتغير.