Table of Contents
وقد أصبحت تكنولوجيا الطيف الموسَّع حجر الزاوية في الإلكترونيات الحديثة للمستهلكين، حيث توفر اتصالات سلكية قوية مع الحد الأدنى من التدخل، إذ أن تصميم حلول طيفية فعالة من حيث التكلفة أمر أساسي بالنسبة للمصنِّعين الذين يهدفون إلى تقديم منتجات موثوقة دون تصعيد التكاليف، وبما أن الربط اللاسلكي يمتد من كل من متحدثين ذكاء إلى ملامح صالحة للارتداء، فإن المهندسين يواجهون التحدي المزدوج المتمثل في الحفاظ على الأداء مع إبقاء تكاليف تصميمات البرمجة منخفضة.
Understanding Spread Spectrum Technology
وتوزع تقنيات الطيف المُنتشر إشارة عبر نطاق الترددات الأوسع مما تتطلبه البيانات الأصلية، وهذه السمة الأساسية توفر مقاومة متأصلة لتدخلات النطاق الضيقة، وتلاشي التعددية، والتشويش المتعمد، وتهيمن على طرقتين أساسيتين على الكترونيات المستهلكين: مُعدة التسلسل الهرميني، وجهاز التصفيق المباشر.
Sectrum (FHSS)
ويُعَدُّ نظام خدمات الدعم الميداني بسرعة تبديل تواتر الناقل بين العديد من القنوات المتميزة في نمط معروف لكل من جهازي الإرسال والاستقبال، ويُعَدُّ تسلسل التسلسل التسلسلي للقفزات هو الدودية، مما يجعل من الصعب على المُسَرِّب أن يتبع الإشارة، ويُعتبر أنَّ المقياس البسيط هو البسيط الذي يُقدِّم على نظام الترددات اللاسلكية.
مباشرة (Squence Spread Spectrum)
ويضاعف نظام خدمات الدعم الميداني تدفق البيانات مع رمز انتشار عالي الجودة (تسلسل الوصل) لنشر الإشارة على نطاق واسع، ويستخدم جهاز الاستقبال موصلاً لتبديد الإشارة، ويسترد البيانات الأصلية، ويرفض التدخل، وتقدم إدارة خدمات الدعم الميداني خدمات التجهيز الممتازة، وهي تمثلها رقائق كثيرة، مما يجعلها قوية ضد الضوضاء.
مقايضة بين محطة الخدمات الصحية المتكاملة ودائرة خدمات الدعم الميداني
ويتوقف الاختيار بين محطة الخدمات الصحية الأولية ودائرة خدمات الدعم الميداني على متطلبات التطبيق المحددة، حيث توفر خدمات الدعم الميداني عموماً تكلفة أقل وتزامناً أبسط لحركة المرور المنخفضة السعرات الحرارية، وتوفر خدمات الدعم الميداني قدراً أكبر من المخرجات وتحسن من التسامح بين مختلف المتعاطفين، ولكنها تتطلب معالجة أكثر تعقيداً للسلاسل الأساسية، وفي كثير من المنتجات الاستهلاكية، تستخدم النهج الهجينة أو المخططات التكييفية لتحقيق التوازن بين التكلفة والأداء.
العوامل الرئيسية في التصميم الضار بالتكاليف
ويتوقف النجاح في خفض التكاليف في نظم الطيف المنتشر على عدة عوامل مترابطة، ويجب تقييم كل منها أثناء التطوير الأولي وطوال دورة حياة المنتج.
العنصر
كما أن اختيار العناصر غير المكلفة والسهلة التواجد هو الطريقة الأكثر مباشرة لخفض تكاليف BOM، إذ أن المناظير ذات القدرة المنخفضة والمزلاجات البسيطة كثيرا ما تكون كافية للعديد من التطبيقات الاستهلاكية، وعلى سبيل المثال، فإن استخدام جهاز قياسي للصمود بدلا من بلورة الكبريت يمكن أن يوفّر 0.05 إلى 0.10 دولار للوحدة الواحدة، على حساب تسامح طفيف في الترددات.
Algorithm Optimization
وتخفض الخوارزميات الفعالة القدرة على التجهيز والذاكرة المطلوبة، مما يتيح للمراقبين الميكرويين الأرخص أو مجهزي الإشارات الرقمية، ويمكن بالنسبة لمؤسسة FHSS، تخزين جدول بسيط للتسلسلات التناسليية في الذاكرة فقط، ويلغي الحاجة إلى نظام غير قابل للتداول، ويستخدم نموذجاً لتحديد نقاط الاتصال الرقمية بدلاً من أن يخفض إلى أدنى حد ممكن من دورة استخدام الباراميل الثابتة.
توحيد المعايير
فعملية رفع المعايير القائمة مثل IEEEEE 802.15.4 (Zigbee, Thread, Matter) أو Blutooth-BLE تقلل بشكل كبير من وقت التنمية وتكاليف التصديق، وقد يؤدي استخدام نموذج مؤهل مسبقا أو نظام للمنح إلى إلغاء الحاجة إلى بناء طبقة مادية مأمونة والتحقق منها، كما أن المعايير تكفل قابلية التشغيل المتبادل بين مختلف البائعين، وتوسيع نطاق السوق المحتملة للمنتج.
إدارة الطاقة
كما أن انخفاض استهلاك الطاقة لا يمتد إلى معدل ضربات البطاريات فحسب، بل يخفض أيضا تكاليف النظام بإتاحة البطاريات الأصغر، والضميمات الأقل رقعة، والإدارة الحرارية البسيطة، ويمكن أن تكون أجهزة البث اللاسلكي ذات النطاق الرخيص موزعة على الدوام، بحيث لا تتحول إلا إلى أجهزة إرسال أو تلقي عبوات قصيرة، كما أن اختيار جهاز لاسلكي ذي وقت سريع للانتعاش (دون 100 ميكروغرام) يقلل من القدرة على نقل الطاقة.
استراتيجيات التصميم لخفض التكاليف
وبالإضافة إلى العوامل الأساسية، يمكن أن تؤدي عدة استراتيجيات تصميم محددة إلى زيادة تخفيض التكاليف في الكترونيات الاستهلاكية ذات الطيف الواسع الانتشار.
الدوائر المتكاملة وحلول النظام على النظام
ويمكن أن يُلغى عنصر التفكيك الخارجي الذي يُعنى بتشكيلات مغايرة للإطار، وأجهزة مجهزة للشبكة الأساسية، والتعديل/الإلغاء، وغالبا ما يكون مركباً صغيراً على نظام واحد للكشف عن الاختبار، وهو أحد أكثر التدابير فعالية لتحقيق وفورات في التكاليف، ويخفض عدد أجهزة التفكيك المبسطة من مركبات الكربون الكلورية فلورية إلى مستوى أقل من المستوى المتوسط.
مخططات التعديل المبسّطة
ويمكن أن يؤدي التخريب في مخططات التحويل التي تتطلب قدرا أقل من التعقيد إلى خفض التكاليف، وعلى سبيل المثال، فإن تحديد درجات الحرارة الثنائية والتحول إلى عوامل الإنتاج ذات الترددات المنخفضة أو التداخل في الترددات العالية يمكن أن يؤدي إلى زيادة سهولة استخدام المواد الكيميائية.
النهج النموذجية للتصميم والمنبر
(ب) إضافة إلى ذلك، فإن النظم النموذجية للتصميم تتيح تحسيناً ونفقات أسهل، وتخفيض النفقات الطويلة الأجل، ويستخدم نهج منبر مشترك تصميماً قاعدياً واحداً مع وحدات نموذجية قابلة للتبادل (مثلاً، 2 جيهرتز، 1 غيغاهرتز، أو كلاهما) لمعالجة مختلف الأسواق، مما يقلل من تكاليف الهندسة غير المتكررة لأن وحدة الإبلاغ الموحد تحتاج إلى إعادة تصميم عند الحاجة إلى نموذج جديد للتصنيع أو نموذج الترددات.
الاختبارات الأولية والتحكيم
فالاختبار المبكر مع نماذج أولية فعالة من حيث التكلفة يساعد على تحديد المسائل المحتملة قبل الإنتاج الجماعي، ويمكن استخدام منابر إذاعة محددة بالبرمجيات من أجل إعادة صياغة سريعة أن تحقق من المقاييس قبل الالتزام بالسيل، كما أن إنشاء وصلة واسعة النطاق بين أدوات المحاكاة مثل اختبارات التليفزيون أو محاكاة التصميم يتيح للمصممين تحقيق أقصى قدر من الطول، وهياكل التصفيق، والتصويب دون معدات للبناء.
اعتبارات تصميم مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ومركبات الكربون الهيدروكلورية فلورية
(ج) خفض عدد المواد المعيارية من مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور واستخدام المواد المعيارية من النوع FR-4، مما يؤدي إلى خفض تكاليف التصنيع، ويمكن في كثير من الأحيان تحقيق تصميم الطيف على لوحاتين إذا استخدمت خطوات متأنية للحفاظ على سلامة الترددات، واستخدام عنصرين مطبوعين من المواد الموزَّعة من الفائقة الفولطية بدلاً من أن يُوزَّع على عنصري رقائق السيرامي، على حساب الحيز اللوحي.
التطبيقات العملية في الإلكترونيات الاستهلاكية
ويجري نشر حلول طيفية فعالة من حيث التكلفة على نطاق واسع في العديد من أجهزة المستهلكين، مما يؤدي إلى انتشار الاتصالات اللاسلكية.
المتكلّمون بلا سلك وذوو الإجهاد
ويستخدم متحدثون من ذوي الرتب الزرقاء جهازاً من أجهزة الاستنشاق بالترددات التكييفية لتجنب التدخل في الشبكة، وللإبقاء على التكاليف منخفضة، يستخدم العديد من المتكلمين على مستوى الدخول جهازاً صوتياً واحداً من طراز Blutooth (مثلاً، QCC300x) يُدمج أجهزة الراديو والرمز الصوتي ومراقبة المضخمة، وبالتالي يكفل الطابع المُنتشر البث الصوتي الموثوق به حتى في بيئة مخففة من الإنتاج تبلغ 2.4-GHz.
أجهزة استشعار ومراقبين
ويسمح هذا المقياس للتنوع البيولوجي (على أساس المعيار IEEE 802.15.4) باستخدام نظام البرمجيات المتطورة (O-QPSK) في إطار النطاق الترددي 2-4-GHz، وتستهدف هذه البروتوكولات انخفاض الطاقة وانخفاض التكلفة، مع وجود أسعار نموذجية تقل عن 3 دولارات.
الأجهزة القابلة للزراعة
وتعتمد أجهزة تعقب الضبط والوابات الذكية على بلوتون منخفض الطاقة، الذي يستخدم متغيراً في محطة الترددات العالية جداً مع 40 قناة وأجهزة تطويق ذات ترددات مكيفة، وقد أصبحت البطاطا ذات تكلفة غير مكلفة جداً تقل عن 0.50 دولار في الحجم المرتفع، وللحد الأدنى من التكلفة، يختار المصممون جهازاً من نوع BLESC مع الوميضات المثبتة وحزمة ذات التأثير الضيق (مثل 2.52).
Remote Controls and Gaming Peripherals
ويستعاض عن الضوابط عن بعد بالأجهزة الترددية ذات الترددات العالية، لأنها لا تتطلب خطاً للبصر، وتستخدم أجهزة الترددات المتوسطة الأجل إما جهازاً بسيطاً من أجهزة التردد العالي أو جهازاً من أجهزة التردد العالي جداً (FSS) (Sss) (FHS) (S) (Stecr) أو جهازاً من أجهزة الدفع غير المرخصة (DXP)().
شبكة الإنترنت للأشياء (IoT) End Nodes
وكثيراً ما تستخدم أجهزة الاستشعار المنخفضة التكلفة للزراعة وتتبع الأصول والتشغيل الآلي للبناء لورا (التي تستخدم جهاز CSS - Srp Spectrum) أو جهاز استشعار مضغوط ضيق النطاق في إطار النطاقات الفرعية للإدارة المتكاملة للمواد الكيميائية (GHz ISM) (LRa) مع استخدام أجهزة قياسية ذات سعر منخفض قدره 2 إلى 3 دولارات في الحجم الكريستالي، وتوفر الحد الأدنى من الحساسية (منخفض إلى 148 درجة)
الاتجاهات والاعتبارات المستقبلية
ولا تزال تتطور مشهد تصميم الطيف الممتد للأجهزة الالكترونية الاستهلاكية، وستشكل عدة اتجاهات حلولا فعالة من حيث التكلفة في السنوات القادمة.
Ultra-Wideband (UWB) for High-Precision Location
ويستخدم اليو بي نبضات قصيرة جداً تنتشر على نطاق واسع (من 3-1 إلى 10.6 غيغاهيرتز) ويعطي درجة من الدقة على مستوى المتر للوضع الداخلي، وفي حين أن رقائق البوليسو بي (مثلاً منصة كوروفو، NXP) هي حالياً أكثر تكلفة من الحلول الضيقة النطاق، فإن التكاليف تتناقص بسرعة مع زيادة الحجم، وفي السنوات القليلة القادمة، ستصبح السوائب غير فعالة بالنسبة للمنتجات الاستهلاكية مثل المفاتيح الذكية.
AI-Driven Optimization
ويمكن أن تؤدي خوارزميات التعلم في مجال الآلات إلى تحقيق الحد الأمثل من البارامترات المستخدمة في الانتشار، وأنماط التخدير، ومستويات الطاقة القائمة على أساس ظروف القنوات في الوقت الحقيقي، مما يمكن أن يقلل من استهلاك الطاقة ويحسن موثوقية الربط، ويسمح باستخدام أجهزة اللاسلكي المنخفضة التكلفة بمواصفات غير مقصودة، غير أن أجهزة الاستنشاق ستزيد تعقيداً وتحتاج إلى وحدات خفض انبعاثات متعددة الرؤوس.
العجلات المفتوحة وأجهزة البرمجيات
كما أن المبادرات المفتوحة المصدر مثل نظام " أوفنغ ترايد " ، و " زيفير RTOS " ، و " ليبر " ، و " سائقو " ، تخفض تكلفة تطوير الطيف " ، وذلك بتوفير مدونة مُنشأة قبل البناء، و " مصممون " ، يمكن أن يتجنبوا رسوم الترخيص ويستفيدوا من مواصفات البق تعاونية، كما أن تُسمح للشركات الصغيرة بتخطي العديد من عمليات التصميمات الأجهزة المرجعية للبرمجة التكات التكية، كما أن تُخفضة التكاليف.
عملية هضبة الطاقة والبطارية - ليرة
ويمكن أن تؤدي الأجهزة الإلكترونية للمستهلكين في المستقبل إلى زيادة ضخ الطاقة من الضوء أو الحركة أو الحرارة، ويمكن لمرور الطيف المصمم لدورات العمل المنخفضة للغاية (دون 0.1 في المائة) أن يعمل على عشرات من المغذيات الدقيقة، مما يتيح استشعارات الطيف اللاسلكية التي لا تحمل بطارية، ويظل التحدي في التكلفة هو أن مكونات جمع الطاقة (الخلايا الفولطية، ومولدات الطاقة الكهربائية، ومنتجات الطاقة الكهربائية العالية الجودة) لا تزال منخفضة التكلفة.
خاتمة
ويتطلب تصميم حلول للطيف المتناثر من حيث التكلفة توازنا دقيقا في اختيار العناصر، وكفاءة الخوارزميات، والتوحيد القياسي، وإدارة الطاقة، وبتطبيق المبادئ التي نوقشت والتي ترسم مخططا ملائما للتعديلات، وتستفيد من المراكز المتكاملة للبرمجيات، وتعتمد هياكل نموذجية، وتستثمر في المصانع التي تستخدم في التبكير في صياغة المواد الكيميائية، ويمكن أن تستحدث منتجات لا تحمل تكاليفها وتلبي احتياجات المصانع الإلكترونية الحديثة للمستهلكين.
وللاطلاع على مزيد من القراءة، انظر هذه الموارد: