التصنيف: العلوم الإلكترونية

العلوم الإلكترونية

التصنيفات
العلوم الإلكترونية

الصور بالرنين المغناطيسي

السلام عليكم ورحمة الله و بركاته,
إخواني ساقدم اليكم اليوم تقنية ساعدتني في القيام بمشروع تخرجي.
(من خلال هذا الموضوع سوف احاول تبسيط الشرح ليكون بوسع الجميع فهمه)
هذه التقنية هي الصور بالرنين المغناطيسي او Magnetic Resonance Images(MRI):
هذه التقنية ذات استعمالات طبية بالاساس ,تمكن من التقاط صور ثنائية و ثلاثية الابعاد للجسم و للمخ خاصة:

تعليم_الجزائر
للحصول على هذه الصور, يقوم الحاسوب بخارطة للتغيرات المغناطيسية التي طرأت على الذرات المتواجدة في المخ.
هذه التقنية تستغل كون المواد المكونة للمخ ,و خاصة منها الهيدروجين, تتأثر سريعا بالحقول المغناطيسية.
في حالتها الطبيعية, هذه المواد لها اتجاهات عشوائية:
تعليم_الجزائر
اذا طبقنا حقلا مغناطيسيا على هذه الجزئيات سوف تأخذ نفس الاتجاه
و بامكانها الدخول في مرحلة من التذبذب تحت تأثير الموجات المنجرة عن الحقل المغناطيسي:
تعليم_الجزائر
حركة الذرات يصل الى الذبذبة عندما يصبح تردد الموجة يساوي تردد بروتونات الذرات المكونة للمخ.
الطاقة التي وقع اخراجها من مختلف اماكن المخ في هذه العملية يقع تسجيلها من قبل الحاسوب.
و كما تعلمون جميعا ففي المخ مادتان اساسيتان هما:
المادة البيضاء والمادة الرمادية ولكل مادة نسبة تركيز من الهيدروجين, اذن تمكننا هذه التقنية التفرقة من بين هذين المادتين.
ارجو ان يكون الموضوع قد نال اعجابكم واضاف لكم معلومات في ميدان ربما مازلتم حادثي العهد به.
السلام

التصنيفات
العلوم الإلكترونية

مكونات المكيف وطريقة عمله


مكونات المكيف وطريقة عمله :

ترتفع درجات الحرارة عالياً في معظم مناطق المملكة صيفاً مما يؤثر على المباني بتسرب الهواء الحار إلى داخلها مما يسبب بعض المضايقات للمستخدم لتعديها متطلبات درجة الحرارة المريحة للانسان والتي تتراوح بين 20-25 درجة مئوية … لذا تتطلب هذه المباني اضافة بعض أجهزة التكييف للوصول إلى درجات حرارة مريحة ومقبوله ، وقبل الشروع في تركيب جهاز التكييف اللازم لتكييف المبنى يجب معرفة النوع المناسب لهذا المكان والتي تعتمد على بعض العوامل كمساحة المبنى ومواقع أجهزة التكييف والصوت الناجم عنها . ومن أنواع المكيفات : المكيف المركزى والجهاز المنفصل SPLITTYPE والوحدة المتكاملة PACKAGE UNIT ومكيفات الجدار WINDOW TYPE ، وسوف نقوم هنا بالشرح المفصل عن مكيف الجدار نظراً لكثرة استخدامه مقارنة مع الانواع الأخرى .

‌أ. مكونات المكيف وطريقة عمله :

يتكون ميكيف الجدار العادي من ثلاثة أجزاء رئيسية هي الضاغط ( الكمبرسور ) والمبخر والمكثف ، ويتم تثبيته بالجدار بحيث يكون الضاغط والمكثف ومروحة التكثيف خارج المبنى ويكون المبخر ومروحة التبخير مواجهة لداخل المبنى كما هو موضح في الشكل أدناه :

ويلخص عمل المكيف في استخدام عاز الفريون ( الذي يتمتع بخواص فريدة ) كعامل مساعد رئيسي في انتقال الحرارة من والى المبنى . وحيث أنه في فصل الصيف تكون درجة الحرارة داخل المباني أعلى من المعدل المريح للإنسان ، فاننا نقوم بتشغيل جهاز التكييف حيث يعمل الضاغط على تحريك غاز الفريون داخل مواسير المكثف الذي يعمل على تكثيف الغاز بطرد الحرارة منه بمساعدة مروحة التكثيف ، ومن ثم يبرد الغاز ويتحول إلى سائل يمر داخل مواسير المبخر الذي يقوم بنقل الحرارة من الهواء الدخلي وبالتالي تبريده بينما ترتفع درجة حرارة سائل الفريون ويتحول إلى غاز ويعود إلى الضاغط لتتكرار الدورة مرة أخرى طيلة فترة تشغيل جهاز المكيف .

ويعمل الضاغط على تحريك غاز الفريون لفترات أطول كلما كانت درجة الحرارة داخل المبنى أعلى من الدرجة المطلوبة . ويمكن ضبط الدرجة المطلوبة بواسطة استخدام المنظم الذي يعمل على فصل الضاغط تلقائياً بمجرد وصول درجة الحرارة الداخلية إلى الدرجة المطلوبة ثم يعود للعمل مرة أخرى عندما ترتفع هذه الدرجة إلى أعلا بحد معين .

ويتساءل بعض الناس عن سبب ارتفاع قيمة الفاتورة الشهرية لمبنى من شهر إلى آخر ، علماً بأن فترة تشغيل الاجهزة الكهربائية لم تتغير وبخاصة أجهزة التكييف ، ونحن نقول نعم ، ان فترة تشغيل المكيف ظاهرياً تكون ثابتة ولكن الاختلاف الكبير في درجات الحرارة في أشهر الصيف عن بقية أشهر السنة يؤدي وبشكل رئيسي إلى تغيركبير في فترة تشغيل الضاغط في هذه المكيفات ، حيث أنه كلما ارتفعت الدرجة الخارجية للمبنى كلما زادت ساعات تشغيل الضاغط وبالتالي زاد استهلاك الطاقة الكهربائية .

فعندما تكون درجة الحرارة الخارجة مرتفعة 45 درجة مئوية مثلاً فان الفرق بين هذه الدرجة وبين الدرجة المطلوبة بالداخل 25 درجة مئوية يكون كبيراً مما يؤدي إلى أن يظل الضاغط في حالة تشغيل لفرات أطول ، أما إذا كانت درجة الحرارة الخارجية أقل 35 دؤجة مئوية مثلاً فان الفرق يكون أقل إيضاً مما يؤدي إلى أن تكون فترة تشغيل الضاغط أقل في هذه الحالة من الحالة الأولى .

لذا فان ارتفاع درجة الحرارة الخارجية يعد سبباً رئيسياً في زيادة استهلاك الطاقة الكهربائية في اشهر الصيف عن بقية أشهر السنة نسبة الازدياد فترة تشغيل أجهزة التكييف خلال أشهر الصيف كما أن هذه الزيادة في الاستهلاك تجعل الفرصة مواتية لانتقال معدل الاستهلاك من شريحة أقل إلى شريحة أعلى مما ينعكس أيضاً على زيادة في قيمة الفاتورة الشهرية خلال تلك الأشهر.

‌ب. ‌ارشادات خاصة بالاستخدام الأمثل لجهاز التكييف والتي تساعد على ترشيد استهلاكه للطاقة الكهربائية :

1. صيانة المكيف وتنظيفه مرة على الأقل كل عام حيث تراكم الاتربة والغبار تقلل من كفاءة المكيف .

2. تنظيف مرشح الهواء مرة كل أسبوع حيث أن الغبار والاتربة العالقة به تعيق مرور الهواء الحار من داخل الغرفة الى خارجها وبالتالي تقليل كفاءة المكيف .

3. تظليل معدات التكييف وتقليل تعرضها للشمس حيث أثبتت الدراسات ارتفاع كفءاة المكيف عندما يكون في مكان مظلل .

4. في حالة وجود واستخدام قنوات التبريد فانه من الواجب عزلها جيداً لتقليل الفاقد من برودة الهواء بداخلها .

5. ضبط مفتاح منظم الحرارة على درجة معتدلة لتقليل الفارق بين درجة حرارة الغرفة والدرجة المطلوبة حيث أن ذلك يقلل من ساعات تشغيل الضاغط ( الكمبرسور ) وبالتالي توفر جزء من الطاقة ، كما أنه يحدث في حالة ضبط المنظم على أعلى درجة تكون جليد على المبخر مما يعيق دوران الهواء داخل الغرفة .

6. اغلاق الأبواب والنوافذ في حالة تشغيل المكيفات حتى تحتفظ الغرفة بدرجة حرارة التكييف المطلوبة دون تسرب الهواء الخارجي الحار إليها ،كما ينصح بتركيب ردادات (Door Auto Closer ) للأبواب المطلة على الهواء الخاجي كالمداخل الداخلية للمبنى .

7. قفل الفتحات الجانبية لاطار المكيف منعاً لتسرب الهواء إلى الخارج وبالعكس ، ويفضل أن توضع مواد عازلة في مكانها كالفلين حتى تقاوم انتقال الحرارة .

8. وضع المكيف في المكان المناسب للغرفة بحيث لايوجه مدخل الغرفة منعاً لتسرب الهواء ، كما يجب التأكد من عدم وضع قطع الأثاث أمام واجهة المكيف حتى لا يعيق دوران الهواء وبالتالي تقليل كفاءته .

9. تقوم احدى الشركات العالمية بتطوير جهاز يسمى ( موفر الطاقة ) ( Energy Saver ) يتم توصليه بجهاز المكيف بحيث يزيد من كفاءة التبريد بنسبة حوالي 30-35 % وبالتالي ترشيد استهلاك المكيف للطاقة بهذه النسبة ، وحين تعلم بأن 60% من استهلاك شهور الصيف ينشأ من أجهزة التكييف فانه باستخدام هذا الجهاز سوف يتم توفير الاستلاك بمعدل جيد . ويوصل هذا الجهاز بين منظم الحرارة ( الترموستات ) والضاغط ( الكمبرسور ) بحيث يعمل على تأخير بدء الضاغط بالعمل وتقليل ساعات عمله وبالتالي تقليل استهلاك المكيف .

التصنيفات
العلوم الإلكترونية

المعالج

العوامل المؤثرة على سرعة المعالج

إن سرعة المعالج ليست هي العامل الوحيد الذي يقرر سرعة الحاسب بل المهم أيضاً سرعة حركة البيانات بين الأجزاء المختلفة في الحاسب وبخاصة من وإلى المعالج .
هناك الكثير من الطرق التي تستخدم لقياس سرعة المعالجات كما إن المعالجات المختلفة تتفاوت فيما بينها في المجالات المختلفة ، فقد يتفوق بعضها على الآخر في حسابات الفاصلة العائمة فيما يتفوق الآخر في أشياء أخرى وهكذا . وهناك عاملين أساسيين يتحكمان في أداء معالج ما :

  • تردد الساعة
  • معمارية المعالج

إن مقارنة معالجين بسرعة تردد الساعة لهما فقط يعتبر مقارنة خاطئة إذا كان المعالجين مختلفين في المعمارية ، يمكننا مثلاً أن نقول أن معالج بنتيوم 233 ميجاهيرتز أسرع من معالج بنتيوم 200 ولكن لا يمكنك أن تقول أنه أسرع من بنتيوم 200 ميجاهيرتزMMX لأن جزء من معمارية المعالج تختلف .
وفيما يلي نستعرض أهم الأشياء التي تجعل معالج يكون أسرع من معالج آخر ……

[line]-[/line]
تردد المعالج
[line]-[/line]

يقصد بتردد المعالج تردد الساعة التي يعمل عليها المعالج ، كلما كان تردد الساعة أعلى كلما أصبح بإمكان المعالج عمل أشياء أكبر في وقت أقل ، وتقاس سرعة المعالج بالميجاهيرتز *، معالج سرعة تردده بـ 200 ميجاهيرتز فإنه قادر على عمل 200 مليون دورة * في الثانية ، أما كم من العمليات الحسابية يتم في هذه الدورة فهذا راجع لبنية المعالج والجيل الذي ينتمي إليه كالتالي :
المعالج

عدد الدورات اللازمة لإتمام عملية جمع واحدة

386

6

486

2

pentium

1 أو أقل

وعندما نقول أن هذا المعالج تردده 400 ميجاهيرتز مثلاً فإن ذلك يعني تردد جميع ما في داخل المعالج ما عدا الذاكرة المخبئية فأحيانا يكون ترددها نصف تردد المعالج.
هذا بالنسبة للمعالج أما الأجزاء الأخرى المتصلة بالمعالج فلا تعمل بهذه السرعة الكبيرة لأنها لو كانت تعمل بهذه السرعة لكانت باهظة الثمن جداً بل تعمل بسرعات أقل من المعالج ، فناقل النظام يعمل في الغالب بتردد ما بين 66 أو 100 ميجاهيرتز وفي بعض المعالجات بتردد 133 وفي المعالج "أثلون" الجديد بتردد 200 ميجاهيرتز ويتوقع أن يزيد إلى 400 ميجاهيرتز.وهناك علاقة تحكم تردد المعالج وتردد الناقل وهي كالتالي:
تردد المعالج = تردد الناقل × عامل المضاعفة (أو يسمى عامل الجداء)
مثال : تردد معالجي هو 450 ميجاهيرتز = 100 هيرتز × 4.5 (عامل الجداء)
وبما أن هناك علاقة بهذا الشكل فهذا معناه أن نقل البيانات بين هذين الجزأين منظم بطريقة تزامنيه – أي أنه في حالة تردد الناقل 100 ميجاهيرتز وتردد المعالج 500 ميجاهيرتز فإن كل 5 دورات للمعالج تقابلها دورة واحدة للناقل ويسمى هذا النوع من النقل بالنقل المتزامن * للبيانات بعكس النقل غير المتزامن * للبيانات الذي لا تكون هناك علاقة ثابتة بينهما .
في العصور القديمة للحاسب ( أيام كانت حاسبات 386 وما قبلها سائدة ) لم نكن نحتاج أن تكون سرعة الناقل تختلف عن سرعة المعالج الداخلية ، حيث كانت سرعة المعالج مجرد 50 ميجاهيرتز أو أقل لذا فقد كانت سرعة المعالج هي نفسها سرعة الناقل ولكن برزت الحاجة لجعل تردد الناقل يختلف عن تردد المعالج منذ حاسبات 486 حين زادت سرعة المعالج عن سرعة الناقل .
وتردد المعالج ليس هو كل شئ فيما يتعلق بالسرعة في معالجة البيانات بل هناك تقنيات أخرى تزيد وتعزز من أداء المعالج ، كما أن هناك تفاوت من معالج وآخر في بعض المجالات من بعضها الآخر ، فقد فقد تجد أن معالج ما يتفوق في حسابات الأرقام الصحيحة ومعالج آخر يتفوق في الذاكرة المخبئية وهكذا .

[line]-[/line]
قوة وحدتي الفاصلة العائمة ووحدة الأرقام الصحيحة
[line]-[/line]

إن وحدة الأرقام الصحيحة لهي جزء مهم من المعالج لأن أغلب عمليات الحاسب تتم في هذا الجزء ، كما يجب الانتباه إلى أن المعالج الذي لديه وحدة أرقام صحيحة ممتازة ليس معناه أن وحدة الفاصلة العائمة عنده ممتازة أيضاً ، إن معالجات شركة إنتل لهي الأفضل حتى الآن في مجال الفاصلة العائمة .
تستعمل الفاصلة العائمة في برامج الألعاب والجداول الإلكترونية ، بينما تستخدم وحدة الأعداد الصحيحة في التطبيقات الأخرى .
سرعة الناقل
إن الناقل السريع يضمن كما قلنا توصيل البيانات بالسرعة التي تجعل المعالج لا يكون في حالة انتظار * ، ويعتبر كلاً من تردد الناقل وعرضه مهماً ، وفيما يكون عرض ناقل النظام 64 بت في المعالجات الحديثة جميعها فإن تردد الناقل هو الذي يحكم به على سرعة الناقل:
سرعة الناقل ( بت / ثانية ) = عرض الناقل ( بت ) × تردده (هيرتز)

[line]-[/line]
تبريد المعالجات
[line]-[/line]

أي قطعة إلكترونية في أي جهاز ومنها المعالج تحتاج لأن تكون ضمن مدى معين من درجات الحرارة التي افترض الصانع أنها ستعمل فيه وإذا زادت درجة الحرارة عن هذا الحد فإنها :

  • تقصر من عمر المعالج
  • تبطئ أدائه
  • تتسبب بأخطاء في الحسابات
  • تتسبب بتوقف الحاسب عن العمل بشكل متكرر (التعليق)
  • قد يعيد الحاسب تشغيل نفسه بدون سبب
  • قد تحدث أشياء غريبة مثل أخطاء في القرص الصلب
  • في أحيان نادرة تؤدي لعطب المعالج كلياً .

أشياء مثل هذه قد لا تخطر في بال مهندس الصيانة خاصة في بلاد حارة ومع وجود التقدم التكنولوجي الكبير في بلادنا العربية !!!
إن هذه الحرارة ناتجة عن مرور التيار الكهربائي في الترانزسترات ، وكلما كانت فولتية المعالج ومعماريته أقل كلما كانت الحرارة الناتجة أقل لذا فإن المعالجات المختلفة تنتج كميات مختلفة من الحرارة فالمعالج بنتيوم الثالث مثلاً ينتج كمية من الحرارة أكبر من بنتيوم ، و تقاس كمية الحرارة الناتجة من المعالج بـ"الواط" .
بدأت مشكلة التبريد منذ المعالج 486 وجميع المعالجات اللاحقة تتطلب طريقة للتبريد ، أما المعالجات 386 وما قبله فلم يكن يلزمه التبريد لأن عدد الترانزسترات لم تكن كبيرة مم يجعل درجة حرارته معتدلة .
إن الطريقة المتبعة في تبريد المعالجات الحديثة هي باستعمال المبدد الحراري ومروحة التبريد :

  • المبدد الحراري(*) : وهو عبارة عن شريحة من المعدن تلتصق بسطح المعالج (مربعة الشكل أو مستطيلة عادة إلا أن بعضها شبه دائري ) يخرج منها بشكل عمودي عدد كبير من العواميد المعدنية (*) ، وفائدة هذا المبدد الحراري هو أن الحرارة الناتجة من المعالج تنتشر في القضبان العمودية ذات المساحة السطحية الكبيرة فتقوم بتبديد الحرارة وكلما كان المبدد الحراري أكبر كان أفضل ، ويصنع المبدد الحراري عادة من الألمونيوم لأنه موصل جيد للحرارة.
  • مروحة التبريد : وعملها هو دفع الهواء بين العواميد المعدنية للمبدد الحراري بحيث يمكن تبديد قدر أكبر من الحرارة .

في الصورة على اليسار المعالج "أثلون" وفي خلفيته عواميد المبدد الحراري وفي منتصفها مروحة التبريد . بالمناسبة في بعض الأحيان قد يستخدم المبدد الحراري بدون مروحة تبريد وهذا يقلل التكلفة ويجعل المعالج غير معرض للتلف بسبب توقف المروحة عن العمل (طبعاً في هذه الحالة يجب استعمال مبدد حراري كبير جداً ).
يجب على المبدد الحراري أن يكون ملتصقاً بسطح المعالج تماماً ، في بعض المعالجات لا يكون المبدد ملتصقاً به من المصنع بل يثبت فوق المعالج بمثبتات معدنية خاصة (معالجات بنتيوم هي أفضل مثال ) ، وفي هذه الحالة إذا ثبتت المبدد الحراري على المعالج مباشرة فإنه لا بد أن يكون هناك كمية بسيطة جداً من الهواء بين المعالج والمبدد الحراري فيجب في هذه الحالة وضع مادة بيضاء خاصة تسمى heat sink compound وتملأ هذه المادة الفراغ البسيط وتسمح للحرارة بأن تنتقل بكفاءة من المعالج .
لاحظ أن حرارة المعالج أثناء العمل تعتمد على كفاءة المبدد الحراري وعلى كمية الحرارة التي ينتجها المعالج وأيضاً على درجة حرارة علبة النظام ، ولا يمكن لأي مبدد حراري أن يحفظ درجة حرارة المعالج إلى أقل من درجة حرارة علبة النظام ، هذا لأن الهواء الذي يدفع بين عواميد المبدد الحراري مأخوذ من علبة النظام نفسها . ما أريد أن أقول هنا أن حرارة علبة النظام مهمة لتبريد المعالج وكذلك تصميم العلبة حيث أنه في علب النظام الحديثة من نوع ATX تساعد العلبة نفسها في تبريد المعالج حيث يقع المعالج تحت مزود الطاقة ليكون في مجرى الهواء وهذا يساعد كثيراً في تفادي مشكلة الحرارة .
إن أحد أسباب ارتفاع درجة حرارة المعالج هو وجود الأوساخ داخل المبدد الحراري مما يمنع الهواء من المرور فيه ويسمح بارتفاع درجة الحرارة ، حدث لي ذلك ذات مرة وبتنظيف المبدد الحراري انتهت المشكلة . من المفيد تنظيف الحاسب من الداخل كل فترة .
بعض المعالجات مثل بنتيوم أوفر درا يف من شركة إنتل (*) لديها مروحة داخلية في الرقاقة ، إذا حصل وعطبت هذه المروحة فإن المعالج يحمي نفسه بإنقاص تردده إلى 25 ميجاهيرتز إلى أن تستبدل المروحة .
لدينا أيضاً الحاسبات المحمولة التي ليس فيها مراوح لأن هذه المراوح تستهلك الكثير من الطاقة التي هم في أشد الحاجة للاقتصاد في استخدامها في هذه النوعية من الحاسبات لأن مصدر الطاقة فيها هو البطاريات . فلتخفيف استخدام البطاريات يلجأ المهندسون إلى تخفيض الفولتية التي يعمل عليها المعالج مما يساهم في تخفيض استهلاك الطاقة كثيراً ويقلل من مشاكل التبريد . كما يستخدمون برامج خاصة لحفظ الطاقة عن طريق البيوس وذلك بإطفاء أجزاء كبيرة من عتاد الحاسب حينما لا يكون في حالة استعمال لفترة طويلة ، ويستعمل هذا النظام اليوم على كل الحاسبات الشخصية .
هناك أشكال متطورة من مبردات المعالجات ، هناك مثلاً ما يسمى peltier cooler وهو جهاز على شكل شريحة توضع على سطح المعالج وتستخدم الكهرباء كي تقوم بتبريد المعالج ويثبت المبدد الحراري من أعلى ، تقوم هذه الأجهزة بالتبريد بكفاءة تامة ولكنها غالية الثمن ولا تستعمل في العادة إلا من قبل الذين يشغلون معالجاتهم أعلى من تردد الساعة الذي يفترض بهم تشغيلها عنده لأن المعالج في هذه الحالة ينتج كميات كبيرة من الحرارة .
ومن أكثر أشكال تبريد المعالجات إثارة هو استعمال " راديترات " مثل تلك المستعملة في السيارات أو التبريد بواسطة "كومبريسور" مثل الموجود في أجهزة التبريد .

التصنيفات
العلوم الإلكترونية

اتصالات الألياف البصرية

نتقلت اتصالات الألياف البصرية Optical Fibers من أنظمة بسيطة لإصال الضوء الى أماكن يصعب الوصول اليها الى أنظمة تؤثر على حياتنا كالتي أحدثتها الإكترونيات والحاسبات . تمتلك الألياف البصرية مزايا عديدة كقلة الفقد وخفة الوزن ولكن الميزالهامة هي سعة نطاقها العالية جداً والتي تصل الى آلاف البلايين من البتات لكل ثانية .لقد احتلت الألياف البصرية مكاناً متميزاً في مجال الاتصالات إذ حلت محل الاسلاك النحاسية في العديد من الاستخدامات كا لربط بين المقاسم الهاتفية والخطوط بعيدة المدى وعبر البحار تطورت تقنية البصريات الليفية Fiber Optics تطوراً سريعاً خلال العقود الماضية فاقت كل التوقعات مما جعلها تتربع موقعاً تنافس فيه وسائل الاتصالات الأخرى .
مرت هذه التقنية بمراحل عديدة يمكن تقسيمها الى خمسة أجيال صمم الجيل الأول ليقوم بنقل معلومات بمعدل بتات تترواح بين 2 و 140 ميجابت لكل ثانية استخدمت فيه منابع بصرية مصنعة من زرنيخ الجاليوم ( Ga As ) وكواشف سليكونية تعمل في أطوال موجبة تتراوح بين 810 و900 نانومتر .في الجيل الثاني تم تطوير منابع وكواشف ضوئية تعمل عند طول الموجي 1300 نانومتر حيث ينخفض الفقد في الليف الى 1 ديسبل لكل كيلومتر . أدي استخدام الألياف البصرية أحادية النمط في الجيل الثالث الى القضاء على التشتيت في الألياف البصرية متعددة النمط مما أدي الى الحصول على سعة نطاق عالية ، تم في هذا الجيل تشغيل وصلات بصرية تستخدم الالياف أحادية النمط وبوط موجي 1300نانومتر للحصول على فقد يقل عن 1 ديسيبل لكل متر ومسافة بين المكررات تبلغ 40 كيلو متر بمعدل خطابتات قدرة 10 نانومتر في الجيل الرابع تم تشغيل هذه الانظمة عند الطول الموجي 1550 نامتر حيث الفقد اقل مما هو عليه عند الطول الموجي 1300 نانومتر . أدي تطوير العناصر المستخدمة في هذه الأنظمة كالمنابع والكواشف لبناء أنظمة تعمل بمعدل نقل معلومات قدرة 10 جيجابت لكل ثانية .
استمرت الأبحاث في تطوير عناصر نظم اتصالات الألياف البصرية للحصول على افضل الظروف التشغيلية مما مهد الى بروز الجيل الخامس والذي توفرت له عناصر عديدة فكانت البدية في تحسن حساسية أجهزة الاستقبال حيث استخدم الكشف التحقيقي ( heterodyne ) بدلا من الكشف المباشر . والذي مكن من وجود وسائل ذات كفاءة لاختيار القنوات في الأنظمة التي تستخدم تعدد الارسال بتقسيم الطول الموجي Wavelength D ivision Mul –( WDM) tiplexing تمكن الباحثون من تطعيم الألياف الزجاجية بمادة الاربيوم ( Er ) مما أعطى دفعة قوية لاستخدام أنظمة الالياف البصرية عند الطول الموجي 1550 نانومتر أدي ذلك التطعيم للحصول على مضخمات ذات كسب مرتفع اطلق عليها مضخمات ذات كسب مرتفع اطلق عليها مضخمات الليف المطعم بالأريبوم ( Er bium Doped Fiber Amplifiers ( EDFA,s)) والتي وجدت استخداما واسعاً في خطوط النقل ولم يقتصر استخدام الألياف المطعمة بمادة الربيوم على المضخات فحسب بل تعداها لتشمل استخدام الليزر والمفاتيح وكثير من النبائط غير الخطية . كما أن مضخمات EDFA,s قد مهدت الطريق لأنظمة اتصالات سريعة وبروز أنظمة نقل تعتمد على استخدام نبضات طبيعية (Solitons ) والتي تمكنها من قطع مسافات طويلة دون تشوه . أدت هذه التطورات السريعة الى شيوع استخدام أنظمة الاتصالات الليفية البصرية في كافة مجالات الاتصالات بدءاً من الوصلات للمستخدم حتى الاتصالات بعيدة المدى سواء في اليابسة أو عبر البحار .
1. نظرة تاريخية Historical Perspective لقد استخدم الضوء للاتصال منذ أن خلق الله الأرض ومن عليها فبدونه لا يمكن أن نرى من حولنا وقد استخدمت الاشارات والمرايا العاكسة والمصابيح لنقل المعلومات ولكن مقدرا المعلومات المنقولة محدودة علاوة على الظروف البيئية كما يمكن للاخرين الاطلاع عليها . إن أول محاولة فعلية مدونه لاستدام الاشارات كان عام 1791 من قبل كلود شابي في فرنسا ، إذا استخدم مجموعة من الابراج تحتوي على عدة أذرع لنقل معلومات مسافة 200كليو متر يستغرق ارسال المعلومة الواحدة حوالي 15 دقيقة . في عام 1854م أجرى جون تايندل تجربة بسيطة بين أن الضوء يمكن ثنية إذا وجد الوسط الملائم وفي عام 1880م قام الكسندر جراهام بل بنقل الصوت عبر حزمة ضوئية وقد أجريت محاولات عديدة لاستخدام الاتصالات البصرية خلال هذا القرن ولكنها لم تلق النجاح لعدم توفر المنابع المناسبة علاوة على الاضطرابات الجوية كا لمطر والثلج والغبار والضباب مما حد من امكانية استخدامها . أدي اكتشاف الليزر عام 1960م من قبل ثيودور ميمان الى تجدد الاهتمام بالاتصالات البصرية وفي عام 1966م اقترح كل من تشارس كاو وجورج هوكام تصنيع الياف زجاجية قليلة الفقد وفي عام 1970م تم تصنيع الياف بصرية مصنعة من مادة السليكا وبفقد 20ديسيبل لكل كليو متر بدلا من 1000 ديسيبل لكل كليومتر قبل ذلك الوقت . وفي غضون عشر سنوات ، تم تصنيع الياف بفقد يصل الى 20,. ديسيبل لكل كيلومتر عند الطول الموجي 1550نانومتر .
2. الألياف البصرية Optical Fibers
2-1 النظام اليفي البصري Optical Fibers System يبين الشكل ( 1) مخطط صندوقي لنظام ليفي بصري يحتوي على الاتي :
‌أ. دوائر تشغيل تقوم بتحويل الاشارة الكهربائية ويحولها الى تيار لتشغيل المنبع الضوئي.
‌ب. منبع ضوئي يقوم بايصال الاشارة الضوئية الى الليف البصري .
‌ج. الليف البصري هو القناة اللازمة لنقل الاشارات .
‌د. كاشف ضوئي يقوم بتحويل الاشارات البصرية الى اشارات كهربائية .
‌ه. مستقبل يتولى تضخيم الاشارات القادمة من الكاشف ويرسلها الى المستخدم .
‌و. موصلات ومقارن ووصلات دائمة لربط العناصر المختلفة لنظام الاتصالات دائمة لربط العناصر المختلفة لنظام لاتصالات الليفي البصري .
تمثل الألياف البصرية العنصر الاساسي في أنظمة الاتصالات الليفية البصرية وهي مكونة من مواد عازلة زجاجية أو بلاستيكية لها شكل اسطواني يسمى اللب محاطاً بطبقة اخرى تسمى الكساء . تستخدم الألياف البصرية كقنوات اتصال لنقل الضوء المحمل بالمعلومات من مكان الى آخر . عند دخول الضوء بزاوية معينة تحدث انعكاسات داخل الليف عند تقابل مع الكساء ويتطلب ذلك أن يكون معامل انكسار اللب أكبر من معامل انكسار الكساء . يبين الشكل ( 2) مقطعاً لليف بصري نرى انعكاس الضوء داخل الليف والذي يمكن تفسيره بنظرية الاشعاع وقانون سنل Snell,s Law عند زاوية سقوط معينة تسمى الزاوية الحرجة ، نجد إن زاوية الاشعاع المنكسر تبلغ 90 درجة بالنسبة للخط العمودي أو موازية للحد الفاص بين اللب وألكساء وعند ما تزداد زاوية السقوط عن حد معين ينعكس الاشعاع داخل اللب وهو ما يسمى بالانعكاس الداخلي الكلي . Total Internal Reflection .
معدل الإرسال عدد القنوات نوع القناة
64kb/s 160 مليون قناة قناة صوتية
9.6kb/s 1 بليون معلومة
44mb/s 200 الف قناة قناة تلفزيونية

2-2 ميزات الألياف البصرية(2،4) Advantages of Optical Fibers
للألياف البصرية مزايا عديدة جعلتها تتفوق على النظم الأخرى المستخدمة في مجال الاتصالات ومن هذه المميزات مايلي :
1. عرض نقاطها عال جداً .
2. قطرها صغير ووزنها خفيف .
3. لايوجد تداخل بينها مهما قربت المسافة بينها .
4. لا تتأثر بالحث أو التداخل الكهرومغناطيسي .
5. انخفاض في سعر تكلفة المكالمات .
6. اكثر أمانا وسلامة .
7. حياتها طويلة .
8. تتحمل درجات حرارة عالية ولاتتأثر بالمواد الكيميائية .
9. سهولة الصيانة كما يمكن الاعتماد عليها .
وسنشرح الآن الفوائد الرئيسية اللألياف البصرية .
1. إن عرض النطاق المرتفع جدا يعني إمكانية نقل معلومات عالية جدا بواسطة ليفه بصرية واحدة وقد تكون هذه المعلومات صور تلفزيونية أو مكالمات هاتفية أو معلومات للحواسيب أو مزيج منها . وقد تم تشغيل خطوط نقل معلومات بمعدل 10 جيجابت لكل ثانية مثل SEA-ME-WE3,FLAG وألابحاث مستمرة في أنحاء العالم للحصول على أنظمة تعمل بمعدل معلومات أعلى ولمسافة أطول وقد أجريت تجارب لنقل 2,64 تيرابت لكل ثانية بنظام صية لمسافة 120كم مستخدمين الياف أحادية النمط . من الناحيةالنظرية فإن عرض نطاق ليفه بصرية واحدة في حدود 10 جيجاهرتز ، فلوفرضنا أن المسافة بين المكررات تبلغ 100كم فإن هذا يعني إمكانية نقل المعلومات المذكورة في الجدول (1) وهي معلومات أقرب للخيال منها للواقع وبإمطاننا أن نضع مجموعة منها ضمن كابل وأحد . وهذا بالطبع يعني منبعا لا ينضب من وسائل نقل المعلومات ويتناسب عرض النطاق تناسب طردياً مع أعلى معدل لنقل المعلومات أو سعة نقل المعلومات Information Carrying Capacity .
2. قطرها صغير ووزنها خفيف ، يبلغ سمك الليفة البصرية سمك الشعرة ، وعلى الرغم من أن هناك طبقات وأقية توضع فوقها إلا نها لاتزال أقل حجما ووزنا من الاسلاك الهاتفية أو المحورية ومثالاً على ذلك أن ليف بصري بقطر يبلغ 125 مايكرومتر ضمن كابل يبلغ قطرة 6 ملم يمكن له أن يحل محل كابل هاتفي قطرة 8 سم ويحتوي على 900 زوج من الخطوط السلكية النحاسية وهذا يعني أن الحجم قد أنخفض بنسبة تزيد عن 1 : 10 وكمثال آخر على صغر حجم الكطابلات البصرية فإن كابلات محورية بطول 230متر وقطر 46 سم وتزن 7 طن كانت تستخدم في نظام رادار متقدم على ظهر أحد السفن تم استبدالها بكابلات بصرية تزن 18 كغم وقطرها 2,5سم .
مما سبق يتضح لنا إمكانية اضافة كابلات بصرية في نفس مسارات الكبلات النحاسية والمحورية في شتى مجالات الاتصالات السلكية .
ونظرا لهذه الميزة فقد تم استبدال الكابلات النحاسية في كثير من الطائرات والبواخر بألياف بصرية . وبسبب صغر الحجم وقلة الوزن فإن نقلها وتركيبها يتم بصورة أسهل وأسرع من الكابلات النحاسية وهذا يعني تكلفة أقل .
3. نلاححظ أحيانا عند اجراء محادثة هاتفية سماع أصوات محادثات هاتفية أخرى وهو ما يطلق علية باللغط C ROSSTALK وهذا النوع من التداخل لايحدث عند استخدام الألياف البصرية مهما قربت المسافة بينهما .
4. تتمتع الألياف البصرية لكونها مصنعة من مواد عازلة dielectrics بعدم تأثرها بالحث الكهرومغناطيسي الصادر من مصادر الكهرومغناطيسية الصناعية كالمحركات والمولدات وأجهزة الكهربائية المختلفة أو الطبيعية كالبرق وتلك الخاصية تغنينا عن وضع مواد عازلة لحمايتها من الحث induction والتدخل Interfernce .
5. تصنع معظم الألياف البصرية في وقتنا الحاضر من مادة السليكا والموجودة بكثرة في الرمل والتي يقل سعرها كثيراً عن معدن النحاس الذي بدأ بنفذ في أماكن كثيرة من العالم ونظراً للميزات التي ذكرناها في البنود 2.1 فإن ثمن نقل المعلومات بأنواعها المختلفة سيقل عن الانظمة المختلفة الاخرى .
6. نظراً لأن الضوء هو الوسط الناقل للمعلومات في الألياف البصرية ولا يولد هذا الضوء أى مجال مغناطيسي خارج الكابل فإن من الصعوبة بمكان التجسس ومعرفة المعلومات التي يحويها الكابل البصري كما أن من الصعوبة معرفة وجود الكابل البصري بسبب المادة المصنع منها ولا يوجد جزء معدني إلافي بعض الحالات حيث تتم اضافة كابل فولاذي لتقوية الكابل البصري ، أو تسليح معدني لحماية الكابل من القوارض والأحمال الخارجية . أما الميزة الأخرى فهي سلامة الألياف البصرية لأن الضوء الناقل لايمكنه أن يحدث شرارا أو دائرة قصر العدم وجود تيار كهربائي فيه ولهذا السبب يمكن استخدام الألياف البصرية في المحلات الحاوية على غازات أو مواد قابلة للإحترق ومستودعات المواد الخطرة كما أن احتمال كهربة العاملين في الألياف البصرية غير وارد.
7. يتوقع أن يكون عمر الألياف البصرية في حدود 25 عاماً مقارنة بخمس عشر عاماً للنظم الأخرى حيث أن المكونات الأساسية للألياف هي الزجاج والذي لا يصدأ على عكس النظم الأخرى والتي تحوي على معادن تتعرض للصدأ .
8. يمكن للزجاج أن يتعرض لدرجات حرارة متفاوتة من حيث الانخفاض والارتفاع كما يمكن استخدامه في أجواء تحتوي على مواد كيميييائية مختلفة دون أن يتعرض للتلف .
9. وضعت المكررات Repeaters على مسافة 100 كم بين مكرر وآخر وهذا يقلل من عدد المكررات وبالتالي من صيانة النظم كمايزيد من الاعتماد على النظام لقلة الاجهزة المستخدمة بينما المسافة بين المكررات في النظام الهاتفي المستخدم حالياً تتراوح بين 4 الى 6 كم .
2-3 أنواع الألياف البصرية Types of Optical Fibers تصنف الألياف البصرية الى ثلاثة أنواع تبعاً لأنماطها وتركيبها وهي كما يلي :
2-3-1 ألياف متعددة النمط وبمعامل انكسار عتبيMultimode Step Index Fibers
يتألف الليف البصري من جزئين أساسيين هما لب الليف والذي يشغل مركز الليف يحيط به كساء يضاف لذلك طبقة واقية تسمى الغلاف . يصنع هذا النوع من الألياف البصرية من عناصر مختلفة من الزجاج ومركباته أو من السليكا المطعمة . تتميز هذه الألياف بكبر قطر اللب وكبر فتحة النفوذ العددية والتي تمكن من دخول كمية كبيرة من الضوء لليف البصري وتعتمد خواص هذه الألياف على نوع الليف والمواد المصنعة منها وطريقة التصنيع وتعتبر الألياف المصنعة من السليكا المطعمة أفضل الألياف البصرية وتستخدم لنقل المعلومات لمسافة قصيرة وعرض نطاق محدود ، غير أن تكلفتها قليلة .
2-3-2 ألياف متعددة النمط وبمعامل إنكسار متدرج Multimode graded Index Fibers
معامل انكسار هذه الألياف متدرج إذ تبلغ أعلى قيمة له في مركز الليف وتقل قيمة معامل الإنكسار بصفة تدريجية كلما اتجهنا نحو الكساء حيث تكون قيمة معامل الانكسار ثابتة ويصنع هذا النوع من الألياف من عدد من العناصر الزجاجية أو السليكا المطعمة .
إن أداء الألياف متعددة النمط ومتدرجة معامل الانكسار يتفوق على أداء الألياف متعددة النمط ذات معامل الانكسار العتبي نظراً لتدرج معامل الانكسار وقلة التوهين فيها غير أن قطر اللب في الألياف متعددة النمط ومتدرجة معامل الانكسسار أقل من قطر اللب في الألياف متعددة النمط ذات معامل الانكسار العتبي . وتستخدم للمسافات المتوسطة وعرض نطاق متوسط عالي .
2-3-3 ألياف أحادية النمط Single Mode Fibers
قد يكون معامل إنكسار الليف متعدد النمط متدرج أو عتبي ولكن معظم الألياف أحادية النمط الموجودة حالياً ذات معامل الموجودة حالياً ذات معامل نكسار عتبي . تتميز الألياف أحادية النمط بنوعيتها الممتازة كما أن عرض النطاق فيها كبير وتستعمل للمسافات الطويلة وتصنع من مادة السليكا المطعمة . ولو أن قطر اللب صغير جداً إلا أن قطر الكساء يبلغ أضعاف قطر اللب وذلك للقليل من نسبة الفقد من الموجات المضمحلة evanescnt التي تمتد داخل الكساء ومع استخدام الغلاف الواقي يصبح القطر الاجمالي لليف أحادي النمط مساو الى قطر الليف متعدد النمط .
2- خواص الألياف البصرية Properties of Optcal Fibers
1-3 فتحة النفوذ التعددية Numerical Apertur
يتطلب اقتران الضوء في اللب البصري وقوع شعاع ضمن زاوية معينة تدعى زاوية القبول ويعبر عن قدرة تجميع الضوء يجيب Sine زاوية القبول والذي يطلق علية فتحة النفوذ العددية ويعبر عنها رياضيا بالتالي :

NA= ض n12 – n22 = no sin Ф

حيث أن no تمثل معامل انكسار الوسط الفاصل بين منبع الضوء والليف وn1 معامل انكسار اللب و n2 معامل انكسار الكساء . تحدد فتحة النفوذ العددية مقدار القدرة المفترنة بالليف .
3-2 التوهين Attenuation
يعتبر التوهين أحد العناصر الأساسية في تقويم أنظمة الاتصالات حيث تتعرض الموجات الحاملة للوهن عند انتشارها في قناة الاتصال نتيجة عوامل عديدة كالامتصاص Absorption والتناثر Scattering ويجب استخدام قنوات اتصال بأقل توهين ممكن حتى تنتشر الموجات الحاملة الأطول مسافة ممكنة . وفي قنوات الاتصال المصنعة من الألياف البصرية ، يلعب التوهين دوراً أساسياً في اختيار الليف ، وفقد الضوء في الليف البصري يعتمد الى حد كبير على الطول الموجي للضوء المستخدم حيث يقل عند بعض الأطوال الموجية ويزيد عند اطوال الموجية ويزيد عند اطوال موجية أخرى ، حيث أن امتصاص جزيئات ( OH ) للضوء يزداد عند بعض الأطوال الموجية ويقل عند أطوال موجية أخرى ، حيث أن امتصاص جزيئات ( OH ) للضوء يزداد مثلا عند طول موجي قدرة 1390 نانومتر وتقاس قيمة التوهين لليف البصري بوحدة الديسيبل لتعبر عن النسبة بين الطاقة الضوئية المستقبلة والطاقة الضوئية المرسلة في الليف .
3-3 التشتيت Dispersion
التشتيت هو انبساط أو اتساع النبضة عند مرورها في قناة الاتصال وفي نظم الألياف البصرية ينقسم التشتيت الى نوعين وهما التشتيت النمطي Intermodal dispersion والذي يتم نتيجة سلوك الاشارات المرسلة مساوات مختلفة عند انتشارها داخل الليف مما يؤدي الى عدم وصولها في وقت واحد . أما النوع الأخر فهو التشتيت الباطني وينقسم هذا التشتيت الى نوعين ( أ ) تشتيت المادة material dispersion ( ب) تشتيت الدليل الموجي waveguide dispersion يحصل هذا النوع من التشتيت في جميع أنواع الألياف البصرية وينتج من عرض خط المنبع البصري حيث أن المنابع البصرية لا تبث الضوء بطول موجي واحد بل بحزمة من الأطوال الموجية وحيث أن معامل انكسار الزجاج المستخدم في الألياف يتغير مع الطول الموجي فإن ذلك سيؤدي الى اختلاف في سرعة الاشارات أو النبضات مما يؤدي الى انبساطها ويؤثر ذلك على كمية المعلومات المراد نقلها .
4. مكونات النظام System Components
عند تصميم وصلة ليفية بصرية لابد من إعتبار ثلاثة عناصر رئيسية وهي :
أ.التوهين ب. التشتيت ج . فتحة النفوذ العددية.
ويتطلب ذلك عمل موازنة متعادلة لاختيار المكونات المختلفة للنظام الليفي البصري ، لوبدأنا من جهة الارسال فعلينا اختيار منبع ضوئي يبعث الضوء بطول موجي مناسب وعرض طيفي Spectral Width قليل وقدرة بصرية كافية لهذا الغرض ، ثم استخدام نوعين من المنابع وهما : أ – الثنائيات الباعثة للضوء و ب – ثنائيات الليزر Laser Diodes . يتطلب أقتران الضوء من المنبع الى الليف وجود مواءمة جيدة بينهما كي تنقل أكبر قدر من القدرة البصرية الى الليف لذا لابد من العناية في اختيار المقرن المناسب الذي يعطي اقل فقد ممكن . نظراً لأن الالياف تنتج بأطوال محددة فلابد من ربط بعضها ببعض للحصول على الطول المطلوب وقد يؤدي ذلك الى حصول على الطول المطلوب وقد يؤدي ذلك الى حصول بعض الفقد في القدرة المنقولة والهذا الفقد اربعة اسباب وهي أ – لانزياح الجانبي ب- عدم التراصف الزاوي ج – تباعد الاطراف د- نعومة الاسطح وتوازيها . وقد يحصل الفقد أيضا عند ربط الياف تختلف في اقطارها وفتحات نفوذها العددية . عند المستقبل يجب اختيار الكواشف التي تعمل بنفس الطول الموجي للمنبع ولها استجابية وكفاءة كمية جيدتين ، زمن استجابة مناسب والحد الأدنى من القدرة القابلة للكشف . الكواشف المستخدمة في هذه الانظمة عادة هي ثنائي PIN وثنائي ضوئي جرفي APD .
5. تطبيقات الألياف البصرية Optical Fiber Applications
تعرضنا في الأقسام السابقة الى فوائد الألياف البصرية ومكانات النظام الليفي البصري ، مما لا شك فيه أن كثيرا من الحقول في المجالات المدنية والعسكرية بدأت تستفيد من هذه الفوائد ومن الصعب جداً التعرف على كل المجالات المملكن استخدام الألياف البصرية فيها وسنقوم في هذا القسم بالتعرف على بعض الاستخدامات العامة .
5-1 الاتصالات الهاتفية Telephone Communications
لعبت الأسلاك المجدولة والكابلات المحورية دوراً كبيراً في السنوات الماضية في مجال الاتصالات الهاتفية وبصفة خاصة بين البدالات ، وحيث أن أحد الصفات الهامة هي سعة الألياف البصرية ، فقد بدأت كثير من الشركات بالتفكير في بناء خطوط هاتفية جديدة وإحلال بعض الخطوط القديمة سواء كانت اسلاك مجدولة أو كابلات محورية وأول خط تجاري يستخدم الألياف البصرية في الولايات المتحدة بدأ تشغليله في 22 ابريل 1977م وقد استخدم الارسال الرقمي في هذا الخط ، كما أن المكررات كانت على مسافة 3.6 كيلومتر واستخدمت الثنائيات الباعثة للضوء Light Emitting Diodes في أجهزة الارسال وثنائيات الضوء الجرفية avalanche photodiodes في أجهزة الاستقبال وكانت سعة هذا الخط 24 مكالمة آنية وقد استخدم تشكيل الرمز النبضي Pulse code modulation في هذا الخط وقد شاع استخدامها لهذا الغرف من قبل شركات التصالات في انحاء العالم وعلى سبيل المثال لا حصر فقد تم في المملكة العربية السعودية تركيب 10.000 كيلومتر من الكابلات البصرية لصالح شركة الاتصالات السعودية وكمثال آخر نجد أن أطوال الكابلات البصرية في الصين تبلغ 173000كليومتر وطول الألياف البصرية يتعدي مليون كيلومتر خاصة إذا ما علمنا أن معدل الزيادة السنوية في عدد الهواتف تصل الى 40 مليون خط حتى عام 2022 ليصل المجموع الكلي للهواتف الى 1000مليون خط والولا وجود السعة الكافية للألياف وإمكانية توسيعها مستقبلا لما أمكن إنجاز ذلك .
5-2 الاتصالات التلفزيونية TV Communictions
بدأ اول استخدام الألياف البصرية بربط الكاميرات التلفزيونية بسيارات النقل التلفزيوني وفي الدوائر المغلقة ثم استخدمت في ايصال الخدمات التلفزيونية للمنازل وقد استخدمت لنقل قناة واحدة فقط وتستخدم الأن لنقل عشرات القنوات التلفزيونية والفيديو ضمن الكابل التلفزيوني Cable television ( CATV ) وتراهن إحدى الشركات الامريكية على انفاق 116 بليون دولارلتركيب خطوط كابلات تلفزيونية تصل للمنازل مما يعطي المشتركين نطاقا واسعاً للتطبيقات المختلفة ولايقتصر استخدامها على النقل التلفزيوني فحسب بل يستخدم للدوائر المغلقة والانظمة الأمنية والنقل التلفزيوني عالي الوضوح .
5-3 محطات القوى Power Stations
نظراً لعدم تأثر الألياف البصرية بالداخل أو الحدث الناتج عن الموالدات الكهربائية أو خطوط الضغط العالي فقد تم تركيب الألياف البصرية في محطات القوى الكهربائية لنقل المكالمات الهاتفية ونقل المعلومات ، كما تم تركيبها جنبا الى جنب مع الخطوط الضغط العالي لنقل المعطيات Data transmission والسيطرة control .
5-4 الشبكات المحلية Local Area Networks
يطلق هذا الاسم على شبكات الاتصالات المستخدمة لتبادل المعلومات بين الحسابات والمستخدمين وهذه الشبكات تكون في نطاق جغرافي محدودكمكاتب الشركات أو الجامعات أو المستشفيات أو غيرها ومجالاتها ما بين 100 متر الى 10كم وسعة نطاقها فوق المليون وحدة ثنائية / ثانية وهناك عدة تكوينات لهذه الشبكات تذكر منها الشبكة الحقية والنجمية وغيرها .
5-5 الاستخدامات العسكرية Military Applications .
بدأ أول الاستخدامات العسكرية للألياف البصرية في السفن والطائرات الحربية نظراً للميزات التي ذكرناها وبصفة خاصة قلة الوزن والحجم ثم تلاذلك استخدامها في ميادين المعارك حيث أن خفة الوزن وصغر الحجم وسهولة النقل ، أمور هامة في مثل هذا الوضع ، كما تم استخدامها في الخطوط الأمامية في جبهات القتال .
5-6 نقل المعطيات Data transmission
ادى الطلب المتزايد على خطوط نقل ذات سعات عالية وبصفة خاصة ما يتعلق بتطبيقات الانترنت الى تساع الأبحاث في مجال الألياف البصرية المواكبة هذا الطلب . إذايزداد الطلب في مجال المعطيات ضعفين سنويا عما هو عليه النمو اليوم وسيتعدى الطلب على نقل الصوت في بداية القرن القادم كما هو موضح بالشكل ( 3) بالنسبة لليابان (7) . في لولايات المتحدة الامريكية على الجانب الآخر نرى أن الطلب على الإنترنت يتضاعف كل ستة شهور لتصل سعة النقل اللازمة عام 2022م الى 280 تيرابت لكل ثانية (8) . وتهدف كثير من الأبحاث الحالية الى الوصول الى عرض النطاق النظري لليف أحادي النمط البالغ 50تيراهرتز . وقد تم بالفعل الحصول على سعة نقل قدرها 2.64 تيرابت كل ثانية لمسافة 120كيلومتر مستخدمين ليف أحادي النمط (9).
5-7 الكابلات المغمورة (10) Undersea Cables
تعاونت كثير من الدول والشركات على إبرام اتفاقيات تم بموجبها ربط عدة دول مع بعضها بواسطة الكابلات البصرية ولعل أولها كان TAT8 الذي يربط الولايات المتحدة الامريكية بأوروبا تلاه خطوط أخرى كان آخرها TAT-12/13 بطول يبلغ 5913 كيلومتر وبسعة قدرها 5 جيجابت لكل ثانية يمكن زيادتها الى 20 جيجابت لكل ثانية أو أكثر وذلك لمقابلة الطلب حتى عام 2022م .
كما أن هناك خطوط مغمورة أخرى تربط الولايات الامريكية المتحدة باليابان وأخرى تربط اوروبا بأسيا عن طريق الشرق الاوسط مثل FLAG الذي يبلغ طوله 27000 كيلومتر وخط أخر يدعى SEA-ME-WE3 بسعة 10 جيجابت لكل ثانية وتربط الدول الاسيوية بخط طوله 11500كم وأحدث خط يلتف حول القارة الافريقية يدعى ARFICA ONE يستخدم احدث التقنيات المتاحة وبسعة تصل الى 40 جيجابت لكل ثانيةةة :
6- التوجهات المستقبلية Auture Directions
أدت التطورات السريعة في مجال البصريات الليفية الى صعوبة التكهن فيها سيحدث مستقبلا وبناء على مايجري من ابحاث في هذا المجال فإن هذه التطورات ستشمل المجالات التالية :
1. الارسال المتماسك .
2. التبديل الفوتوني .
3. ليزرات أحادية الطول الموجي وممكن مواءمتها .
4. دوائر البصريات المتكاملة .
5. انتشار النبضات الطبيعية .
6. ألياف الهالايد .
7. الخلاصة :
استعرضنا في هذه الورقة صفات وخصائص الألياف البصرية وكذلك مكونات النظم الليفية البصرية واستخداماتها ورأينا أن الألياف البصرية قد أحدثت ثورة في مجال الاتصالات المختلفة خلال السنوات القليلة صاحبها تطور مماثل في مجال الاكترونيات ، ويعزى هذا التطور الى ثلاث أسباب رئيسية وهي :
‌أ. ازدياد الطلب على حركة المعطيات وبصفة خاصة ما يتعلق بالإنترنت والإنترانت .
‌ب. تحرير مجال الاتصالات مما فتح المجال الشركات كثيرة غير الشركات التقليدية للدخول في هذا المجال .
‌ج. دخول موردين جدد وتقنيات حديثة في مجالات الشبكات والأجهزة وأصبح التنافس على أشده لتقديم الأفضل للزبون .
ولعل أحدث المجالات هي إنشاء شبكات بصرية ذات سعات عالية وستتمكن التقنية الفوتونية من استخدام سعة ترابت للخطوط الرئيسية وسعة جيجابت للشبكات الفرعية وسعة ميجابت للمنازل .

تعليم_الجزائر

التصنيفات
العلوم الإلكترونية

المقاومات Resistors


المقاومات Resistors

تعليم_الجزائر
1- تعريف المقاومة

2- وحدات المقاومة

3- أنواع المقاومات

4- كيفية قراءة قيمة كل مقاومة

5- مقاومة الموصل

6- توصيل المقاومات

المقاومات هي أجهزة غير نشطة Passive Device أي أنها لا تحتاج لمصدر خارجي لتعمل, تعمل المقاومات على التحكم في التيار الكهربي Current وليس الجهد كما هو شائع خطأ للكثير من الطلبة.

وحدات المقاومة

تعرف وحدة المقاومة بالأوم ومضاعفاتها مثل كيلو أوم (1000 أوم), وميجا أوم (مليون أوم), وغيرها الكثير من المضاعفات.

تأخذ وحدة المقاومة الرمز تعليم_الجزائر
ولحساب التيار الأقصى التي تتحمله المقاومة, يجب معرفة القدرة المقرر بالوات W, ومن خلال العلاقة التالية يتم حساب التيار الأقصى I بوحدات الأمبير A

تعليم_الجزائر
أنواع المقاومات

يمكن تصنيف المقاومات إلى نوعين أساسيين, مقاومة ثابتة ومقاومة متغيرة Potentiometer

أنظر الصورة التالية

تعليم_الجزائر

المقاومة المتغيرة: حي نوع من المقاومات التي توفر مدى من المقاومات, تختلف تبعاً لأنواع المتوافرة.

المقاومة الثابتة: توفر قيمة محددة لمقاومة التيار, ويتم تحديد قيمة المقاومة, كالآتي

تعليم_الجزائر

التفاوت: هو مقدار الإنحراف للمقاومة عن المقاومة الأصلية.
تعليم_الجزائر

يوجد نوع آخر من الأجهزة يسمى ثرموسترات Thermocouple ويوجد منها نوعان, نوع تقل المقاومة مع إزدياد درجة الحرارة وهو ثرموسترات سالب Negative Thermocouple (NTC), ونوع تزداد المقاومة نتيجة إرتفاع درجة الحرارة يسمى ثرموسترات موجبة Positive Thermocouple (PTC).

مقاومة الموصل:
عند مرور التيار الكهربي في موصل فإنه يعاني من معاوقة في مرور التيار, فما هي العوامل التي تؤدي إلى زيادة أو نقصان مقاومة التيار الكهربي داخل الموصل, العوامل التي تؤثر على ذلك ثلاثة هي:

1- طول الموصل (L): حيث أنه كلما زاد الطول زادت المقاومة والعكس صحيح

2- مساحة مقطعه(A): كلما زادت مساحة المقطع قلت المقاومة والعكس صحيح

3- نوع المادة (ρ): تختلف قيمة المقاومة للموصل تبعاً لنوع المادة المصنع منها الموصل.

ويمكن حساب مقاومة الموصل من خلال العلاقة

تعليم_الجزائر
حيث أن ρ)) هي المقاومة النوعية للمادة وتعرف بوحدات, ويبين الجدول التالي مجموعة قيم للمقاومة النوعية لأشهر المعادن الموصلة
تعليم_الجزائر
توصيل المقاومات

يمكن توصيل المقاومات إما على التوالي أو التوازي

التوصيل على التوالي Series Connection: يستخدم التوصيل على التوالي لتجزئة فرق الجهد
تعليم_الجزائر
ويتم حساب المقاومة المكافئة من خلال العلاقة

تعليم_الجزائر
ويتم حساب فرق الجهد الكلي من خلال العلاقة التالية
تعليم_الجزائر

ملاحظة: المقاومة المكافئة في حالة التوالي تكون كبيرة لذلك تكون شدة التيار الناتجة تكون قليلة نتيجة المعاوقة الشديدة.
التوصيل على التوازي:

يتم توصيل المقاومات على التوازي, حيث يتوزع التيار على المقاومات, وهنا تكون فرق الجهد هي الثابتة
تعليم_الجزائر
ومن خلال العلاقة

V=I*R

نصل للعلاقة التالية التي تمثل المقاومة المكافئة

تعليم_الجزائر
تعليم_الجزائر
ملاحظة: المقاومة الكافئة تكون أقل من قيمة أقل مقاومة في الدائرة

تعليم_الجزائر

التصنيفات
العلوم الإلكترونية

المتحكم الصغري Microcontroller ما هو وما مكوناته؟

لمتحكم الصغري
(Microcontroller)

المتحكم الصغري هـو في الواقـع كمبيـوتر صغير مصمـم خصيصـا ليقوم بأعمال معينة، ويستخدم الذاكرة لتخزين الأوامر المبرمجـة و القيــام بتنفيذ هــذه الأوامـر مثـل التشغيل والإطفاء والتوقيت والعد والحساب وغير ذلك من العمليات.

تم استعمال أول متحكم صغري فـي عام 1969 ومنذ ذلك الـوقت بدأت هذه المتحكمات بالانتشار حتى بات من الصعب العمل في مجال الإليكترونيات الحديثة بدون معرفتها.

وهذه المتحكمات العجيبة موجودة في داخــل العديـد من الأجهـزة التي نستخدمهــا في حيـاتنا اليومية، فمثلاً في السيارة نجد أن الفرامل ومثبت السرعة يتم التحكم فيها عن طريق المتحكم الدقيق.

ولو نظرنا إلى فرن المايكروويف في المطبخ لوجدنا بداخله متحكم صغري للتحكم بالتوقيت والحرارة بحسب الخيارات التي نطلبها عند الطبخ .

والأمثلة على الأجهزة التي يوجد بداخلهـا متحكم دقيق كـثيرة منهـا الهواتـف الجوالة، الثلاجات، الغسالات، التلفزيونات، كاميرات الفيديو، الكاميرات الرقمية وغير ذلك كثير.

هناك مصانع وطائرات و أقمار اصطناعيـة وجــدول لا نهاية لــه يدخـل المتحكم الصغري في تركيبته الأساسية، وما علاقة ذلك بالمتحكم الصغري؟ العلاقة هو أن المتحكم الصغري بحد ذاته هو عبارة عن كومبيوتر بكل ميزاته موضوع في شريحة واحدة (Chip) باثنين سنتيمتر طول ونصف سنتيمتر عرض وربع سنتيمتر ارتفاع وأحياناً أقل من ذلك بكثير يوجد كومبيوتر متكامل، وخاصة السعر الرخيص من دولارين وما فوق.

لماذا المتحكم ؟

لأنه قلب أي دائرة أو شبكه إلكترونية ويتحكم بإدارتها جيداً، تصنعـه شركـات مختلفـة وبـدوره هنـاك أنواع عديـدة ووظائف مختلفة .

خواص الميكروكنتروللر:

(1) يكون عادة بداخل جهاز آخر للتحكم بذلك الجهاز كما ذكرنا سابقاً .

(2) يكون فيه ما يحتاجه من الذاكرة مثل الرام والروم (RAM & ROM) فهو ليس بحاجة إلى شرائح خارجية للذاكرة .

(3) يكون عمل الميكروكنتروللر محدد بمهمة واحدة وتنفيذ الأوامر في برنامج واحد يكون مخزناً في ذاكرة الميكروكنتروللر .

(4) استهلاك طاقة صغير جدا بالنسبة للكمبيوترات الأخرى فمثلا بعضها يستهلك 50 مللي وات بينما الكمبيوتر العادي الذي نستخدمـه فـي منـازلنـا قد يستهلك 50 وات .

مكونات الميكروكنتروللر:

تحتوي شريحة الميكروكنتروللر على معالج بيانات، ذاكرة رام و ذاكرة روم، منافذ للمداخل والمخارج (I/O interfaces) ، مؤقتات وأنظمة أخرى مثل محولات القيم التمثيلية إلى رقمية (ADC).

· معالج البيانات :

ويعتبر قلب الميكروكنتروللر ويختلف باختلاف الجهاز المستخدم وكذلك مصنع الجهاز فمثلاً معالج البيانات المستخدم في جهاز الهاتف الجوال يختلف عن ذلك المستخدم في فرن المايكروويف.

· الذاكرة :

وتنقسم إلى رام و روم، أما الرام فتستخدم لتخزين المعلومات ويتراوح حجمها بين 25 بايت و 4كيلو بايت بحسب الميكروكنتروللر، أما الروم فيتراوح حجمها بين 512 بايت و 4096 بايت وقد يصل حجمها إلى 128 كيلو بايت في بعض الأنواع، وتستخدم الروم لتخزين البرامج التي تحتوي الأوامر التي ينفذها الميكروكنتروللر .

وذاكرة الروم قد تكون من نوع الروم (ROM) حيث يمكن برمجتها مرة واحدة فقط وقد تكون من نوع (EPROM) أو (EEPRPM) حيث يمكن برمجتها عدة مرات .

· منافذ المداخل والمخارج :

وهذه المنافذ الرقمية توفر للمايكروكنتروللر الطريق للتعامل مع الأجهزة الخارجية حيث يمكن استعمالها لتشغيل الدايودات المضيئة والمرحلات ويختلف عدد هذه المنافذ بحسب الميكروكنتروللر

· المنفذ التسلسلي تعليم_الجزائرUSB)

يسمح بتبادل المعلومات بين الميكروكنتروللر والأجهزة الأخرى مثل الكمبيوتر والمايكروكنتروللر الأخرى .

· المؤقت :

يسمح للمايكروكنتروللر بالقيام بالمهمات لفترات زمنية محددة .

· المحول التمثيلي إلى رقمي تعليم_الجزائرADC)

وهو يترجم المعلومات الداخلة بالهيئــة التمثيـليـة (Analog) إلى هيئـة رقميـة (Digital) حتـى يتمكن الميكروكنتروللر من فهمها والاستجابة لها .

Mir6666666666666666666666666666

شكرااااااااااااااااااااااااااااااااااا

شكراااااااا موضوع رائع

شكرااااااااااااااااااااااااااااااااااا

التصنيفات
العلوم الإلكترونية

العائلات المنطقية Logic Families


العائلات المنطقية
Logic families
إعداد
مهندس / محمد الحريرى
تعليم_الجزائر

تنقسم الدارات الرقمية إلى عائلات . كل عائلة فيها تختلف عن الأخرى من حيث تركيبها وجهود الدخل المناسبة لها والتى تمثل المستويان المنطقيان) وسرعة أدائها ومقدار القدرة التى يمكن أن تدعمها فى خرجها والقدرة التى تستهلكها.

وكل العناصر فى العائلة الواحدة تكون متوافقة مع بعضها البعض (أى يمكن ربطهم سويا فى دارات مشتركة بتغذية واحدة ومستويات دخل واحدة) . أما العناصر التى تنتمى إلى عائلات مختلفة فتعتبر بصورة عامة غير متوافقة ويلزم إضافة بعض الدارات لضبط توافقها مع بعضها البعض.

وأكبر العائلات المنطقية تحتوى على 250 دارة متكاملة مختلفة وأصغرها تحتوى على 50 دارة متكاملة مختلفة.

وسنستعرض فى موضوعنا الحالى أشهر ستة عائلات منطقية وهى :
1- عائلة منطق مقاومة-ترانزستور RTL
2- عائلة منطق دايود-ترانزستور DTL
3- عائلة منطق العتبة العليا HTL – High Threshold Logic
4- عائلة منطق الترانزستور-ترانزستور TTL- Transistor Transistor Logic
5- عائلة منطق ربط الباعث ECL – Emitter Coupled Transistor
6- عائلة منطق ال CMOS

ولا توجد عائلة تحتوى على كل المميزات حيث لا يمكننا أن نقول أن هذه العائلة أو تلك هى الأفضل فكل عائلة تكون أفضل فى بعض الخصائص وأسوء فى خصائص أخرى . ويلاحظ أنه بتحسين أحد الخواص تسوء خاصية أخرى . فإذا حسنا السرعة فسنزيد من إستهلاك الدارة للقدرة . لذا فإن على المصنعين الموازنة بين الخصائص المختلفة بحسب التطبيق المطروح لاستخدام تلك الدارات .

أولا : عائلة منطق مقاومة- ترانزستور RTL :
==============================
تعليم_الجزائر

وهى أول عائلة تم أختراعها لتكون قياسية فى خطوط الإنتاج . ولكنها نادرا ما تستخدم الآن فى التصاميم الحديثة .
والبوابة الرئيسية فى هذه العائلة هى بوابة NOR (أنظر الشكل التالى) . وتضمن هذه العائلة زمن تأخير أقل من 12 نانوثانية وهى أقتصادية فى إهدار القدرة حيث تصل القدرة المهدرة فى البوابة الواحدة إلى 10 مللى واط فى البوابة الواحدة.
ومن أحد مشاكل هذه العائلة أن فرق الجهد بين الحالتين المنطقيتين صغير مما يجعلها عرضة للتأثير الضار للضوضاء .

تعليم_الجزائر

ثانيا : عائلة منطق دايود-ترانزستور DTL :
============================
تعليم_الجزائر

تعتبر أيضا واحدة من أقدم العائلات ولكنها لم تشتهر مثل ال RTL وهى متوافقة مع عائلة TTL لذا يمكن أستخدامهما فى نفس الدارة دون مشاكل .
والدارة التالية تمثل بوابة NAND فى هذه العائلة .

تعليم_الجزائر

ثالثا : عائلة منطق العتبة العليا HTL – High Threshold Logic :
====================================== ========
تعليم_الجزائر

من أهم مميزاتها مقاومتها للضوضاء ( الفرق بين الحالتين المنطقيتين يصل إلى 15 فولت) لذا فهى تستخدم فى البيئات الصناعية حيث تصدر الألات الكهربية ضوضاء ذات جهود كبيرة ولكن زمن التأخير لها أبطأ من أى عائلة أخرى (150 نانو ثانية لليوابة)


رابعا: عائلة منطق الترانزستور-ترانزستور TTL- Transistor Transistor Logic
===================================== =====================
وهى العائلة الأكثر إستخداما و تتضمن عائلات فرعية هى :
– العائلة القياسية Standered TTL
– العائلة المنخفضة القدرة Low power TTL
– العائلة عالية السرعة High speed TTL
– عائلة Shottky clamped TTL
– عائلة الشوتكى مخفضة القدرة Low power Shottky

1- العائلة القياسية Standered TTL :
==========================
الشكل التالى يوضح دارة بوابة NAND منفذة بتقنية عائلة TTL القياسية
– لمن أراد الشرح بالتفصيل فاليحاول فهمها بنفسه أولا ثم يطرح علينا أفكاره قبل طلب الشرح المفصل –
– تعمل الدارة بتغذية مصدر قدرة +5 فولت
– هذه الدارة لها زمن تأخير 10 نانو ثانية
– الفقد فى القدرة للبوابة = 10 مللى واط
– أقصى تردد للعمل هو 35 ميجا هرتز.
تعليم_الجزائر

2- العائلة منخفضة القدرة Low power TTL :
========================== =====
ودارة نفس البوابة (NAND) فى هذه العائلة (المنخفضة القدرة) مشابهة لمثيلتها فى العائلة السابقة (العائلة القياسية) ولكنها مختلفة فى عدم وجود الثنائى CR1 كما أن قيم المقاومات بها مختلفة وهى كالتالى :
R1=40K
R2=20K
R3=12K
R4=500
ويكون ناتجا من هذا الإختلاف أن التيار المار أقل وفقد القدرة أقل.
وهذه العائلة الفرعية لها زمن تأخير 33 نانوثانية
والفقد فى القدرة للبوابة هو 1 مللى واط
وأقصى تردد هو 3 ميجا هرتز

3- العائلة العالية السرعة High Speed TTL:
==============================
وتم بناء هذه العائلة بإضافة زوج دارلينجتون Darlington – Q3/Q4 وتقليل قيم المقاومات مما يسرع الإنتقال من حالة منطقية إلى أخرى.
وفى هذه العائلة الفرعية لها زمن تأخير = 6 نانوثانية وقدرة مفقودة بمقدار 22 مللى واط فى البوابة الواحدة وأقصى تردد يمكن العمل عليه هو 50 ميجا هرتز.
تعليم_الجزائر

4- عائلة الربط بالشوتكى SCHOTTKY-Clamped TTL :
========================================
تعليم_الجزائر

وهى أخر العائلات الفرعية (تحت الTTL) ظهورا وهى أسرع من أى عائلة TTL أخرى وتختلف هذه العائلة الفرعية عن أى عائلة أخرى فى الTTL فى أنها تستخدم ترانزستور معدل حيث توصل قاعدة الترانزستور بمجمعه عن طريق موحد شوتكى (كما هو موضح بالشكل) ويعمل الدايود على تحويل تيار القاعدة عندما يكون الترانزستور فى حالة غلق ON وذلك حتى يمنعه من تخزين الشحنات التى تبطىء من سرعته عندما يتحول من الحالة ON إلى الحالة OFF . وهذا يسرع الأداء العام للدارة مما يعطي للبوابة زمن انتقال يساوى 3 نانوثانية ومعدل إستهلاك للقدرة = 19 مللى واط وأقصى تردد يمكن العمل عليه هو 125 ميجا هرتز.
تعليم_الجزائر

خامسا : عائلة منطق ربط الباعث ECL – Emitter Coupled Transistor
=========================================== =========
تعليم_الجزائر

وهى أعلى العائلات المنطقية سرعة وتضم أربعة فئات (مسماه بزمن النقل لها) :
1- فئة 8 نانو ثانية – وتعمل على ترددات 30 ميجا هرتز
2- فئة 4 نانو ثانية – وتعمل على ترددات 75 ميجا هرتز
3- فئة 2 نانو ثانية – وتعمل على ترددات 125 ميجا هرتز
4- فئة 1 نانو ثانية – وتعمل على ترددات 400 ميجا هرتز

وتعتبر أحسنها هى الفئة 2 نانو ثانية لأنها تجمع بين السرعة فى الأداء والمحافظة على القدرة.
والدارة التالية من تلك العائلة تستطيع العمل كأحد البوابتين NOR أو OR
وفى هذه الدارة يمثل المستويان المنطقيان 1 و 0 بالجهود -0.5 فولت و -1.7 فولت
ورغم أن هذه العائلة هى أسرع العائلات (تستخدم فى الحاسبات الكبيرة و نظم الإتصالات) إلا أنها تستهلك القدرة أكثر من عائلة ال TTL . وفى بعض الأحيان تسبب سرعتها تلك الكثير من المشاكل ومنها الإنبعاثات والتداخلات الغير مرغوب فيها . كما أنها لا تناسب النظم الرقمية البطيئة.

تعليم_الجزائر

سادسا : عائلة منطق ال CMOS :
=============== ========
تعليم_الجزائر

ولاحظ أن عائلة الCMOS تختلف عن عائلات الbipolar فى :
1- إستهلاكها القليل للقدرة :
تستهلك فقط 0.01 مللى واط (فى حالة الثبات على حالة منطقية) و ترتفع إلى 10 مللى واط (أثناء التغير من حالة لأخرى فى الترددات العالية من 5 ميجا هرتز إلى 10 ميجا هرتز). لذلك فهى تستخدم بكثرة فى الأجهزة التى تعمل على بطاريات مما يطيل من عمر البطارية كما تستخدم فى دارات الأقمار الصناعية.
2- إمكان إستعمال جهد متغير لمنبع التغذية
يمكن أن تغذى بجهود تتراوح من 3 إلى 18 فولت دون أن يؤثر ذلك على عملها . (ولكن كلما زاد جهد منبع التغذية زادت سرعة البوابة).
3- مقاومتها للضوضاء

التصنيفات
العلوم الإلكترونية

ماهي ميكاترونكس

أقدم اليوم تعريفاً للميكاترونكس

فماهي ميكاترونكس؟

إختلف التعريف الهندسي للميكاترونكس منذ أن بدأت وحتى يومنا هذا وذلك بسبب التقدم المستمر لها بشكل يومي, فسأسرد لكم تلك التعريف

ميكاترونكس هو العلم الهندسي الذي يربط بين الهندسة الميكانيكية والهندسة الكهربية وهندسة الحاسب وأنظمة التحكم.

كما عرفها تاكاشي ياماجوشي كان يعمل في مجموعة تاهيشي المحدودة قائلاً ” ميكاترونكس هي علم الإسلوب في تصميم المنتجات التي تتصرف بسرعة وتؤدي أداءً دقيقاً , هذه الخصائص تمكن تحقيقها ليس عن طريق الإدراك الميكانيكي وحده وإنما يستلزم إستخدام التحكم والحساسات والإلكترونيات”

تعليم_الجزائر

ميكاترونكس هي الإستخدام للمتحكمات الصغيرة Microcontrollers والــمعالجات الصغيرة Microprocessors و الإلكترونيات الرقمية في التصميم وأنظمة التحكم والآلات الذكية Smart Machines.

مشتملة على الإستخدام لمجموعة متقدمة جداً من البرامج الهندسية.

لماذا ميكاترونكس مهمة؟

تماماً كما قال جون إلتر نائب رئيس البرنامج التخطيطي لشركة زيروكس Xerox , “نحن نحتاج مصممين قادرين على فهم نظرية التحكم بالشكل الكافي حتى ينفذ تصميم أفضل” , فميكاترونكس هي نتيجة التقدم السريع الآن, ويمكن ملاحظة ميكاترونكس في العديد من الصناعات مثل صناعة المتحكمات في الغسالات, في الأقراص الصلبة , في أجهزة الكمبيوترات المحمولة, في صناعة الأقراص المضغوطة CD-Rom في أجهزة التحكم المركبة على الصمامات, في أنظمة الــ PLC في لوحات التحكم عموماً, ولاننسى أهم أهداف الميكاترونكس وهي الروبوتات Robotics.

تاريخ الميكاترونكس

يعود مصطلح الميكاترونكس إلى 1960 في اليابان حيث بدأ إستخدامه في إحدى شركات التحكم هناك, ثم بدأ هذا المصطلح في الإنتشار بقارة أوروبا, وكان هذا اللفظ يطلق على جهاز كمبيوتر للتحكم بمحرك كهربي.

في السبعينيات بدأ هذا المصطلح ينتشر بسبب إنتشار تكنولوجيا المؤازرة أو التحكم Servo Technology.

في الثمانينات ومع وجود تكنولوجيا المعلومات Information Technology وبدء ظهور المعالجات الصغيرة Microprocessors والمتحكمات الصغيرة Microcontroller وإستخدامها في الأعمال الميكانيكية, أصبح عندها المصطلح يأخذ شكلاً موسعاً.

في التسعينات ومع ظهور الإتصالات , إنضمت الإتصالات أيضاً الى ميكاترونكس, لزيادة الأداء وزيادة التقدم

حيث أنها زادت من الفاعلية اللاسلكية للتحكم بالروبوت.

ولازلنا نشهد حتى يومنا هذا ما تقدمه ميكاترونكس لنا يومياً, ويمكنك أن تشهدوا ذلك بوضوح أكثر في سيارات المرسيدس و BMW , كما أن ميكاترونكس بدأت خدمة مجال الطيران أيضاً وهي واضحة في طيارة إير باص Air Bus A380 الجديدة, إن ميكاترونكس هي المستقبل بعينه, وهي كما قال دافور هاروفات متخصص فني في معمل فورد للبحوث ” إن ميكاترونكس هي خليط من التكنولوجيا و الأساليب, فبهما نساعد في الحصول على منتج أفضل”.

مجالات الميكاترونكس
  • Control and Automation
  • Robotics
  • CAD/CAM
  • Material and Manufacturing Processes
  • Monitoring and Inspection Systems

التصنيفات
العلوم الإلكترونية

اتصالات الألياف البصرية


اتصالات الألياف البصرية

انتقلت اتصالات الألياف البصرية Optical Fibers من أنظمة بسيطة لإيصال الضوء إلى أماكن يصعب الوصول إليها إلى أنظمة تؤثر على حياتنا كالتي أحدثتها الإلكترونيات والحاسبات . تمتلك الألياف البصرية مزايا عديدة كقلة الفقد وخفة الوزن ولكن الميز الهامة هي سعة نطاقها العالية جداً والتي تصل إلى آلاف البلايين من البتات لكل ثانية .لقد احتلت الألياف البصرية مكاناً متميزاً في مجال الاتصالات إذ حلت محل الأسلاك النحاسية في العديد من الاستخدامات كالربط بين المقاسم الهاتفية والخطوط بعيدة المدى وعبر البحار تطورت تقنية البصريات الليفيةFiber Optics تطوراً سريعاً خلال العقود الماضية فاقت كل التوقعات مما جعلها تتربع موقعاً تنافس فيه وسائل الاتصالات الأخرى .
مرت هذه التقنية بمراحل عديدة يمكن تقسيمها إلى خمسة أجيال صمم الجيل الأول ليقوم بنقل معلومات بمعدل بتات تتراوح بين 2 و 140 ميجابت لكل ثانية استخدمت فيه منابع بصرية مصنعة من زرنيخ الجاليوم ( Gad As ) وكواشف سليكونية تعمل في أطوال موجبة تتراوح بين 810 و900 نانومتر .في الجيل الثاني تم تطوير منابع وكواشف ضوئية تعمل عند طول ألموجي 1300 نانومتر حيث ينخفض الفقد في الليف إلى 1 ديسبل لكل كيلومتر . أدي استخدام الألياف البصرية أحادية النمط في الجيل الثالث إلى القضاء على التشتيت في الألياف البصرية متعددة النمط مما أدي إلى الحصول على سعة نطاق عالية ، تم في هذا الجيل تشغيل وصلات بصرية تستخدم الألياف أحادية النمط وبطول موجي 1300نانومتر للحصول على فقد يقل عن 1 ديسيبل لكل متر ومسافة بين المكررات تبلغ 40 كيلو متر بمعدل خط بتات قدرة 10 نانومتر في الجيل الرابع تم تشغيل هذه الأنظمة عند الطول ألموجي 1550 نامتر حيث الفقد اقل مما هو عليه عند الطول ألموجي 1300 نانومتر . أدي تطوير العناصر المستخدمة في هذه الأنظمة كالمنابع والكواشف لبناء أنظمة تعمل بمعدل نقل معلومات قدرة 10 جيجا بت لكل ثانية .
استمرت الأبحاث في تطوير عناصر نظم اتصالات الألياف البصرية للحصول على أفضل الظروف التشغيلية مما مهد إلى بروز الجيل الخامس والذي توفرت له عناصر عديدة فكانت البداية في تحسن حساسية أجهزة الاستقبال حيث استخدم الكشف ألتحقيقي ( heterodyne ) بدلا من الكشف المباشر . والذي مكن من وجود وسائل ذات كفاءة لاختيار القنوات في الأنظمة التي تستخدم تعدد الإرسال بتقسيم الطول ألموجي Wavelength Division Mull –( WDM) tiplexing تمكن الباحثون من تطعيم الألياف الزجاجية بمادة الاربيوم ( Er ) مما أعطى دفعة قوية لاستخدام أنظمة الالياف البصرية عند الطول الموجي 1550 نانومتر أدي ذلك التطعيم للحصول على مضخمات ذات كسب مرتفع اطلق عليها مضخمات ذات كسب مرتفع اطلق عليها مضخمات الليف المطعم بالأريبوم ( Er bium Doped Fiber Amplifiers ( EDFA,s )) والتي وجدت استخداما واسعاً في خطوط النقل ولم يقتصر استخدام الألياف المطعمة بمادة الربيوم على المضخات فحسب بل تعداها لتشمل استخدام الليزر والمفاتيح وكثير من النبائط غير الخطية . كما أن مضخمات EDFA,s قد مهدت الطريق لأنظمة اتصالات سريعة وبروز أنظمة نقل تعتمد على استخدام نبضات طبيعية ( Solitons ) والتي تمكنها من قطع مسافات طويلة دون تشوه . أدت هذه التطورات السريعة الى شيوع استخدام أنظمة الاتصالات الليفية البصرية في كافة مجالات الاتصالات بدءاً من الوصلات للمستخدم حتى الاتصالات بعيدة المدى سواء في اليابسة أو عبر البحار .

تعليم_الجزائر

1. نظرة تاريخية Historical Perspective لقد استخدم الضوء للاتصال منذ أن خلق الله الأرض ومن عليها فبدونه لا يمكن أن نرى من حولنا وقد استخدمت الاشارات والمرايا العاكسة والمصابيح لنقل المعلومات ولكن مقدرا المعلومات المنقولة محدودة علاوة على الظروف البيئية كما يمكن للآخرين الاطلاع عليها . إن أول محاولة فعلية مدونه لاستخدام الإشارات كان عام 1791 من قبل كلود شابي في فرنسا ، إذا استخدم مجموعة من الأبراج تحتوي على عدة أذرع لنقل معلومات مسافة 200كليو متر يستغرق ارسال المعلومة الواحدة حوالي 15 دقيقة . في عام 1854م أجرى جون تايندل تجربة بسيطة بين أن الضوء يمكن ثنية إذا وجد الوسط الملائم وفي عام 1880م قام الكسندر جراهام بل بنقل الصوت عبر حزمة ضوئية وقد أجريت محاولات عديدة لاستخدام الاتصالات البصرية خلال هذا القرن ولكنها لم تلق النجاح لعدم توفر المنابع المناسبة علاوة على الاضطرابات الجوية كالمطر والثلج والغبار والضباب مما حد من إمكانية استخدامها . أدي اكتشاف الليزر عام 1960م من قبل ثيودور ميمان الى تجدد الاهتمام بالاتصالات البصرية وفي عام 1966م اقترح كل من تشارس كاو وجورج هوكام تصنيع الياف زجاجية قليلة الفقد وفي عام 1970م تم تصنيع الياف بصرية مصنعة من مادة السليكا وبفقد 20ديسيبل لكل كليو متر بدلا من 1000 ديسيبل لكل كليومتر قبل ذلك الوقت . وفي غضون عشر سنوات ، تم تصنيع الياف بفقد يصل الى 20,. ديسيبل لكل كيلومتر عند الطول الموجي 1550نانومتر .
2. الألياف البصرية Optical Fibers
2-1 النظام اليفي البصري Optical Fibers System مخطط صندوقي لنظام ليفي بصري يحتوي على الاتي :
‌أ. دوائر تشغيل تقوم بتحويل الاشارة الكهربائية ويحولها الى تيار لتشغيل المنبع الضوئي.

تعليم_الجزائر

‌ب. منبع ضوئي يقوم بايصال الاشارة الضوئية الى الليف البصري .
‌ج. الليف البصري هو القناة اللازمة لنقل الاشارات .
‌د. كاشف ضوئي يقوم بتحويل الاشارات البصرية الى اشارات كهربائية .
‌ه. مستقبل يتولى تضخيم الاشارات القادمة من الكاشف ويرسلها الى المستخدم .
‌و. موصلات ومقارن ووصلات دائمة لربط العناصر المختلفة لنظام الاتصالات دائمة لربط العناصر المختلفة لنظام لاتصالات الليفي البصري .
تمثل الألياف البصرية العنصر الاساسي في أنظمة الاتصالات الليفية البصرية وهي مكونة من مواد عازلة زجاجية أو بلاستيكية لها شكل اسطواني يسمى اللب محاطاً بطبقة اخرى تسمى الكساء . تستخدم الألياف البصرية كقنوات اتصال لنقل الضوء المحمل بالمعلومات من مكان الى آخر . عند دخول الضوء بزاوية معينة تحدث انعكاسات داخل الليف عند تقابل مع الكساء ويتطلب ذلك أن يكون معامل انكسار اللب أكبر من معامل انكسار الكساء . يبين الشكل ( 2) مقطعاً لليف بصري نرى انعكاس الضوء داخل الليف والذي يمكن تفسيره بنظرية الاشعاع وقانون سنل Snell,s Law عند زاوية سقوط معينة تسمى الزاوية الحرجة ، نجد إن زاوية الاشعاع المنكسر تبلغ 90 درجة بالنسبة للخط العمودي أو موازية للحد الفاص بين اللب وألكساء وعند ما تزداد زاوية السقوط عن حد معين ينعكس الاشعاع داخل اللب وهو ما يسمى بالانعكاس الداخلي الكلي . Total Internal Reflection .

معدل الإرسال
عدد القنوات
نوع القناة
64kb/s
160 مليون قناة
قناة صوتية
9.6kb/s
1 بليون
معلومة
44mb/s
200 الف قناة
قناة تلفزيونية

2-2 ميزات الألياف البصرية(2،4)
Advantages of Optical Fibers

تعليم_الجزائر

للألياف البصرية مزايا عديدة جعلتها تتفوق على النظم الأخرى المستخدمة في مجال الاتصالات ومن هذه المميزات مايلي :
1. عرض نقاطها عال جداً .
2. قطرها صغير ووزنها خفيف .
3. لايوجد تداخل بينها مهما قربت المسافة بينها .
4. لا تتأثر بالحث أو التداخل الكهرومغناطيسي .
5. انخفاض في سعر تكلفة المكالمات .
6. اكثر أمانا وسلامة .
7. حياتها طويلة .
8. تتحمل درجات حرارة عالية ولاتتأثر بالمواد الكيميائية .
9. سهولة الصيانة كما يمكن الاعتماد عليها .
وسنشرح الآن الفوائد الرئيسية اللألياف البصرية .
1. إن عرض النطاق المرتفع جدا يعني إمكانية نقل معلومات عالية جدا بواسطة ليفه بصرية واحدة وقد تكون هذه المعلومات صور تلفزيونية أو مكالمات هاتفية أو معلومات للحواسيب أو مزيج منها . وقد تم تشغيل خطوط نقل معلومات بمعدل 10 جيجابت لكل ثانية مثل SEA-ME-WE3,FLAG وألابحاث مستمرة في أنحاء العالم للحصول على أنظمة تعمل بمعدل معلومات أعلى ولمسافة أطول وقد أجريت تجارب لنقل 2,64 تيرابت لكل ثانية بنظام صية لمسافة 120كم مستخدمين الياف أحادية النمط . من الناحيةالنظرية فإن عرض نطاق ليفه بصرية واحدة في حدود 10 جيجاهرتز ، فلو فرضنا أن المسافة بين المكررات تبلغ 100كم فإن هذا يعني إمكانية نقل المعلومات المذكورة في الجدول (1) وهي معلومات أقرب للخيال منها للواقع وبإمكاننا أن نضع مجموعة منها ضمن كابل وأحد . وهذا بالطبع يعني منبعا لا ينضب من وسائل نقل المعلومات ويتناسب عرض النطاق تناسب طردياً مع أعلى معدل لنقل المعلومات أو سعة نقل المعلومات Information Carrying Capacity .
2. قطرها صغير ووزنها خفيف ، يبلغ سمك الليفة البصرية سمك الشعرة ، وعلى الرغم من أن هناك طبقات وأقية توضع فوقها إلا أنها لاتزال أقل حجما ووزنا من الاسلاك الهاتفية أو المحورية ومثالاً على ذلك أن ليف بصري بقطر يبلغ 125 مايكرومتر ضمن كابل يبلغ قطرة 6 ملم يمكن له أن يحل محل كابل هاتفي قطرة 8 سم ويحتوي على 900 زوج من الخطوط السلكية النحاسية وهذا يعني أن الحجم قد أنخفض بنسبة تزيد عن 1 : 10 وكمثال آخر على صغر حجم الكطابلات البصرية فإن كابلات محورية بطول 230متر وقطر 46 سم وتزن 7 طن كانت تستخدم في نظام رادار متقدم على ظهر أحد السفن تم استبدالها بكابلات بصرية تزن 18 كغم وقطرها 2,5سم .
مما سبق يتضح لنا إمكانية اضافة كابلات بصرية في نفس مسارات الكبلات النحاسية والمحورية في شتى مجالات الاتصالات السلكية .
ونظرا لهذه الميزة فقد تم استبدال الكابلات النحاسية في كثير من الطائرات والبواخر بألياف بصرية . وبسبب صغر الحجم وقلة الوزن فإن نقلها وتركيبها يتم بصورة أسهل وأسرع من الكابلات النحاسية وهذا يعني تكلفة أقل .
3. نلاححظ أحيانا عند اجراء محادثة هاتفية سماع أصوات محادثات هاتفية أخرى وهو ما يطلق علية باللغط C ROSSTALK وهذا النوع من التداخل لايحدث عند استخدام الألياف البصرية مهما قربت المسافة بينهما .
4. تتمتع الألياف البصرية لكونها مصنعة من مواد عازلة dielectrics بعدم تأثرها بالحث الكهرومغناطيسي الصادر من مصادر الكهرومغناطيسية الصناعية كالمحركات والمولدات وأجهزة الكهربائية المختلفة أو الطبيعية كالبرق وتلك الخاصية تغنينا عن وضع مواد عازلة لحمايتها من الحث induction والتدخل Interfernce .
5. تصنع معظم الألياف البصرية في وقتنا الحاضر من مادة السليكا والموجودة بكثرة في الرمل والتي يقل سعرها كثيراً عن معدن النحاس الذي بدأ بنفذ في أماكن كثيرة من العالم ونظراً للميزات التي ذكرناها في البنود 2.1 فإن ثمن نقل المعلومات بأنواعها المختلفة سيقل عن الانظمة المختلفة الاخرى .
6. نظراً لأن الضوء هو الوسط الناقل للمعلومات في الألياف البصرية ولا يولد هذا الضوء أى مجال مغناطيسي خارج الكابل فإن من الصعوبة بمكان التجسس ومعرفة المعلومات التي يحويها الكابل البصري كما أن من الصعوبة معرفة وجود الكابل البصري بسبب المادة المصنع منها ولا يوجد جزء معدني إلافي بعض الحالات حيث تتم اضافة كابل فولاذي لتقوية الكابل البصري ، أو تسليح معدني لحماية الكابل من القوارض والأحمال الخارجية . أما الميزة الأخرى فهي سلامة الألياف البصرية لأن الضوء الناقل لايمكنه أن يحدث شرارا أو دائرة قصر العدم وجود تيار كهربائي فيه ولهذا السبب يمكن استخدام الألياف البصرية في المحلات الحاوية على غازات أو مواد قابلة للإحترق ومستودعات المواد الخطرة كما أن احتمال كهربة العاملين في الألياف البصرية غير وارد.
7. يتوقع أن يكون عمر الألياف البصرية في حدود 25 عاماً مقارنة بخمس عشر عاماً للنظم الأخرى حيث أن المكونات الأساسية للألياف هي الزجاج والذي لا يصدأ على عكس النظم الأخرى والتي تحوي على معادن تتعرض للصدأ .
8. يمكن للزجاج أن يتعرض لدرجات حرارة متفاوتة من حيث الانخفاض والارتفاع كما يمكن استخدامه في أجواء تحتوي على مواد كيميييائية مختلفة دون أن يتعرض للتلف .
9. وضعت المكررات Repeaters على مسافة 100 كم بين مكرر وآخر وهذا يقلل من عدد المكررات وبالتالي من صيانة النظم كمايزيد من الاعتماد على النظام لقلة الاجهزة المستخدمة بينما المسافة بين المكررات في النظام الهاتفي المستخدم حالياً تتراوح بين 4 الى 6 كم .

تعليم_الجزائر

2-3 أنواع الألياف البصرية Types of Optical Fibers تصنف الألياف البصرية الى ثلاثة أنواع تبعاً لأنماطها وتركيبها وهي كما يلي :
2-3-1 ألياف متعددة النمط وبمعامل انكسار عتبيMultimode Step Index Fibers
يتألف الليف البصري من جزئين أساسيين هما لب الليف والذي يشغل مركز الليف يحيط به كساء يضاف لذلك طبقة واقية تسمى الغلاف . يصنع هذا النوع من الألياف البصرية من عناصر مختلفة من الزجاج ومركباته أو من السليكا المطعمة . تتميز هذه الألياف بكبر قطر اللب وكبر فتحة النفوذ العددية والتي تمكن من دخول كمية كبيرة من الضوء لليف البصري وتعتمد خواص هذه الألياف على نوع الليف والمواد المصنعة منها وطريقة التصنيع وتعتبر الألياف المصنعة من السليكا المطعمة أفضل الألياف البصرية وتستخدم لنقل المعلومات لمسافة قصيرة وعرض نطاق محدود ، غير أن تكلفتها قليلة .
2-3-2 ألياف متعددة النمط وبمعامل إنكسار متدرجMultimode graded Index Fibers
معامل انكسار هذه الألياف متدرج إذ تبلغ أعلى قيمة له في مركز الليف وتقل قيمة معامل الإنكسار بصفة تدريجية كلما اتجهنا نحو الكساء حيث تكون قيمة معامل الانكسار ثابتة ويصنع هذا النوع من الألياف من عدد من العناصر الزجاجية أو السليكا المطعمة .
إن أداء الألياف متعددة النمط ومتدرجة معامل الانكسار يتفوق على أداء الألياف متعددة النمط ذات معامل الانكسار العتبي نظراً لتدرج معامل الانكسار وقلة التوهين فيها غير أن قطر اللب في الألياف متعددة النمط ومتدرجة معامل الانكسسار أقل من قطر اللب في الألياف متعددة النمط ذات معامل الانكسار العتبي . وتستخدم للمسافات المتوسطة وعرض نطاق متوسط عالي .
2-3-3 ألياف أحادية النمط Single Mode Fibers
قد يكون معامل إنكسار الليف متعدد النمط متدرج أو عتبي ولكن معظم الألياف أحادية النمط الموجودة حالياً ذات معامل الموجودة حالياً ذات معامل نكسار عتبي . تتميز الألياف أحادية النمط بنوعيتها الممتازة كما أن عرض النطاق فيها كبير وتستعمل للمسافات الطويلة وتصنع من مادة السليكا المطعمة . ولو أن قطر اللب صغير جداً إلا أن قطر الكساء يبلغ أضعاف قطر اللب وذلك للقليل من نسبة الفقد من الموجات المضمحلةevanescnt التي تمتد داخل الكساء ومع استخدام الغلاف الواقي يصبح القطر الاجمالي لليف أحادي النمط مساو الى قطر الليف متعدد النمط .

تعليم_الجزائر

2- خواص الألياف البصرية Properties of Optcal Fibers
1-3 فتحة النفوذ التعددية Numerical Apertur
يتطلب اقتران الضوء في اللب البصري وقوع شعاع ضمن زاوية معينة تدعى زاوية القبول ويعبر عن قدرة تجميع الضوء يجيب Sine زاوية القبول والذي يطلق علية فتحة النفوذ العددية ويعبر عنها رياضيا بالتالي :

NA= ض n1 2 – n2 2 = no sin Ф

حيث أن no تمثل معامل انكسار الوسط الفاصل بين منبع الضوء والليف و n1 معامل انكسار اللب و n2 معامل انكسار الكساء . تحدد فتحة النفوذ العددية مقدار القدرة المفترنة بالليف .

تعليم_الجزائر

3-2 التوهين Attenuation
يعتبر التوهين أحد العناصر الأساسية في تقويم أنظمة الاتصالات حيث تتعرض الموجات الحاملة للوهن عند انتشارها في قناة الاتصال نتيجة عوامل عديدة كالامتصاص Absorption والتناثر Scattering ويجب استخدام قنوات اتصال بأقل توهين ممكن حتى تنتشر الموجات الحاملة الأطول مسافة ممكنة . وفي قنوات الاتصال المصنعة من الألياف البصرية ، يلعب التوهين دوراً أساسياً في اختيار الليف ، وفقد الضوء في الليف البصري يعتمد الى حد كبير على الطول الموجي للضوء المستخدم حيث يقل عند بعض الأطوال الموجية ويزيد عند اطوال الموجية ويزيد عند اطوال موجية أخرى ، حيث أن امتصاص جزيئات ( OH ) للضوء يزداد عند بعض الأطوال الموجية ويقل عند أطوال موجية أخرى ، حيث أن امتصاص جزيئات ( OH ) للضوء يزداد مثلا عند طول موجي قدرة 1390 نانومتر وتقاس قيمة التوهين لليف البصري بوحدة الديسيبل لتعبر عن النسبة بين الطاقة الضوئية المستقبلة والطاقة الضوئية المرسلة في الليف .

تعليم_الجزائر

3-3 التشتيت Dispersion
التشتيت هو انبساط أو اتساع النبضة عند مرورها في قناة الاتصال وفي نظم الألياف البصرية ينقسم التشتيت الى نوعين وهما التشتيت النمطي Intermodal dispersionوالذي يتم نتيجة سلوك الاشارات المرسلة مساوات مختلفة عند انتشارها داخل الليف مما يؤدي الى عدم وصولها في وقت واحد . أما النوع الأخر فهو التشتيت الباطني وينقسم هذا التشتيت الى نوعين ( أ ) تشتيتالمادة material dispersion ( ب) تشتيت الدليل الموجيwaveguide dispersion يحصل هذا النوع من التشتيت في جميع أنواع الألياف البصرية وينتج من عرض خط المنبع البصري حيث أن المنابع البصرية لا تبث الضوء بطول موجي واحد بل بحزمة من الأطوال الموجية وحيث أن معامل انكسار الزجاج المستخدم في الألياف يتغير مع الطول الموجي فإن ذلك سيؤدي الى اختلاف في سرعة الاشارات أو النبضات مما يؤدي الى انبساطها ويؤثر ذلك على كمية المعلومات المراد نقلها .

تعليم_الجزائر

4. مكونات النظام System Components
عند تصميم وصلة ليفية بصرية لابد من إعتبار ثلاثة عناصر رئيسية وهي :
أ.التوهين ب. التشتيت ج . فتحة النفوذ العددية .
ويتطلب ذلك عمل موازنة متعادلة لاختيار المكونات المختلفة للنظام الليفي البصري ، لوبدأنا من جهة الارسال فعلينا اختيار منبع ضوئي يبعث الضوء بطول موجي مناسب وعرض طيفي Spectral Width قليل وقدرة بصرية كافية لهذا الغرض ، ثم استخدام نوعين من المنابع وهما : أ – الثنائيات الباعثة للضوء و ب – ثنائيات الليزر Laser Diodes . يتطلب أقتران الضوء من المنبع الى الليف وجود مواءمة جيدة بينهما كي تنقل أكبر قدر من القدرة البصرية الى الليف لذا لابد من العناية في اختيار المقرن المناسب الذي يعطي اقل فقد ممكن . نظراً لأن الالياف تنتج بأطوال محددة فلابد من ربط بعضها ببعض للحصول على الطول المطلوب وقد يؤدي ذلك الى حصول على الطول المطلوب وقد يؤدي ذلك الى حصول بعض الفقد في القدرة المنقولة والهذا الفقد اربعة اسباب وهي أ –لانزياح الجانبي ب- عدم التراصف الزاوي ج –تباعد الاطراف د- نعومة الاسطح وتوازيها . وقد يحصل الفقد أيضا عند ربط الياف تختلف في اقطارها وفتحات نفوذها العددية . عند المستقبل يجب اختيار الكواشف التي تعمل بنفس الطول الموجي للمنبع ولها استجابية وكفاءة كمية جيدتين ، زمن استجابة مناسب والحد الأدنى من القدرة القابلة للكشف . الكواشف المستخدمة في هذه الانظمة عادة هي ثنائيPIN وثنائي ضوئي جرفي APD .

تعليم_الجزائر

5. تطبيقات الألياف البصرية Optical Fiber Applications
تعرضنا في الأقسام السابقة الى فوائد الألياف البصرية ومكانات النظام الليفي البصري ، مما لا شك فيه أن كثيرا من الحقول في المجالات المدنية والعسكرية بدأت تستفيد من هذه الفوائد ومن الصعب جداً التعرف على كل المجالات المملكن استخدام الألياف البصرية فيها وسنقوم في هذا القسم بالتعرف على بعض الاستخدامات العامة .

5-1 الاتصالات الهاتفية Telephone Communications
لعبت الأسلاك المجدولة والكابلات المحورية دوراً كبيراً في السنوات الماضية في مجال الاتصالات الهاتفية وبصفة خاصة بين البدالات ، وحيث أن أحد الصفات الهامة هي سعة الألياف البصرية ، فقد بدأت كثير من الشركات بالتفكير في بناء خطوط هاتفية جديدة وإحلال بعض الخطوط القديمة سواء كانت اسلاك مجدولة أو كابلات محورية وأول خط تجاري يستخدم الألياف البصرية في الولايات المتحدة بدأ تشغليله في 22 ابريل 1977م وقد استخدم الارسال الرقمي في هذا الخط ، كما أن المكررات كانت على مسافة 3.6 كيلومتر واستخدمت الثنائيات الباعثة للضوء Light Emitting Diodes في أجهزة الارسال وثنائيات الضوء الجرفية avalanche photodiodes في أجهزة الاستقبال وكانت سعة هذا الخط 24 مكالمة آنية وقد استخدم تشكيل الرمز النبضي Pulse code modulation في هذا الخط وقد شاع استخدامها لهذا الغرف من قبل شركات التصالات في انحاء العالم وعلى سبيل المثال لا حصر فقد تم في المملكة العربية السعودية تركيب 10.000 كيلومتر من الكابلات البصرية لصالح شركة الاتصالات السعودية وكمثال آخر نجد أن أطوال الكابلات البصرية في الصين تبلغ 173000كليومتر وطول الألياف البصرية يتعدي مليون كيلومتر خاصة إذا ما علمنا أن معدل الزيادة السنوية في عدد الهواتف تصل الى 40 مليون خط حتى عام 2022 ليصل المجموع الكلي للهواتف الى 1000مليون خط والولا وجود السعة الكافية للألياف وإمكانية توسيعها مستقبلا لما أمكن إنجاز ذلك .

5-2 الاتصالات التلفزيونية TV Communictions
بدأ اول استخدام الألياف البصرية بربط الكاميرات التلفزيونية بسيارات النقل التلفزيوني وفي الدوائر المغلقة ثم استخدمت في ايصال الخدمات التلفزيونية للمنازل وقد استخدمت لنقل قناة واحدة فقط وتستخدم الأن لنقل عشرات القنوات التلفزيونية والفيديو ضمن الكابل التلفزيوني Cable television ( CATV ) وتراهن إحدى الشركات الامريكية على انفاق 116 بليون دولارلتركيب خطوط كابلات تلفزيونية تصل للمنازل مما يعطي المشتركين نطاقا واسعاً للتطبيقات المختلفة ولايقتصر استخدامها على النقل التلفزيوني فحسب بل يستخدم للدوائر المغلقة والانظمة الأمنية والنقل التلفزيوني عالي الوضوح .

5-3 محطات القوى Power Stations
نظراً لعدم تأثر الألياف البصرية بالداخل أو الحدث الناتج عن الموالدات الكهربائية أو خطوط الضغط العالي فقد تم تركيب الألياف البصرية في محطات القوى الكهربائية لنقل المكالمات الهاتفية ونقل المعلومات ، كما تم تركيبها جنبا الى جنب مع الخطوط الضغط العالي لنقل المعطياتData transmission والسيطرة control .

5-4 الشبكات المحلية Local Area Networks
يطلق هذا الاسم على شبكات الاتصالات المستخدمة لتبادل المعلومات بين الحسابات والمستخدمين وهذه الشبكات تكون في نطاق جغرافي محدودكمكاتب الشركات أو الجامعات أو المستشفيات أو غيرها ومجالاتها ما بين 100 متر الى 10كم وسعة نطاقها فوق المليون وحدة ثنائية / ثانية وهناك عدة تكوينات لهذه الشبكات تذكر منها الشبكة الحقية والنجمية وغيرها .

5-5 الاستخدامات العسكرية Military Applications .
بدأ أول الاستخدامات العسكرية للألياف البصرية في السفن والطائرات الحربية نظراً للميزات التي ذكرناها وبصفة خاصة قلة الوزن والحجم ثم تلاذلك استخدامها في ميادين المعارك حيث أن خفة الوزن وصغر الحجم وسهولة النقل ، أمور هامة في مثل هذا الوضع ، كما تم استخدامها في الخطوط الأمامية في جبهات القتال .

5-6 نقل المعطيات Data transmission
ادى الطلب المتزايد على خطوط نقل ذات سعات عالية وبصفة خاصة ما يتعلق بتطبيقات الانترنت الى تساع الأبحاث في مجال الألياف البصرية المواكبة هذا الطلب . إذايزداد الطلب في مجال المعطيات ضعفين سنويا عما هو عليه النمو اليوم وسيتعدى الطلب على نقل الصوت في بداية القرن القادم كما هو موضح بالشكل ( 3) بالنسبة لليابان (7) . في لولايات المتحدة الامريكية على الجانب الآخر نرى أن الطلب على الإنترنت يتضاعف كل ستة شهور لتصل سعة النقل اللازمة عام 2022م الى 280 تيرابت لكل ثانية (8) . وتهدف كثير من الأبحاث الحالية الى الوصول الى عرض النطاق النظري لليف أحادي النمط البالغ 50تيراهرتز . وقد تم بالفعل الحصول على سعة نقل قدرها 2.64 تيرابت كل ثانية لمسافة 120كيلومتر مستخدمين ليف أحادي النمط (9).

5-7 الكابلات المغمورة (10) Undersea Cables
تعاونت كثير من الدول والشركات على إبرام اتفاقيات تم بموجبها ربط عدة دول مع بعضها بواسطة الكابلات البصرية ولعل أولها كان TAT8 الذي يربط الولايات المتحدة الامريكية بأوروبا تلاه خطوط أخرى كان آخرهاTAT-12/13 بطول يبلغ 5913 كيلومتر وبسعة قدرها 5 جيجابت لكل ثانية يمكن زيادتها الى 20 جيجابت لكل ثانية أو أكثر وذلك لمقابلة الطلب حتى عام 2022م .
كما أن هناك خطوط مغمورة أخرى تربط الولايات الامريكية المتحدة باليابان وأخرى تربط اوروبا بأسيا عن طريق الشرق الاوسط مثل FLAG الذي يبلغ طوله 27000 كيلومتر وخط أخر يدعى SEA-ME-WE3 بسعة 10 جيجابت لكل ثانية وتربط الدول الاسيوية بخط طوله 11500كم وأحدث خط يلتف حول القارة الافريقية يدعى ARFICA ONE يستخدم احدث التقنيات المتاحة وبسعة تصل الى 40 جيجابت لكل ثانيةةة :
6- التوجهات المستقبلية Auture Directions
أدت التطورات السريعة في مجال البصريات الليفية الى صعوبة التكهن فيها سيحدث مستقبلا وبناء على مايجري من ابحاث في هذا المجال فإن هذه التطورات ستشمل المجالات التالية :
1. الارسال المتماسك .
2. التبديل الفوتوني .
3. ليزرات أحادية الطول الموجي وممكن مواءمتها .
4. دوائر البصريات المتكاملة .
5. انتشار النبضات الطبيعية .
6. ألياف الهالايد .
7. الخلاصة :
استعرضنا في هذه الورقة صفات وخصائص الألياف البصرية وكذلك مكونات النظم الليفية البصرية واستخداماتها ورأينا أن الألياف البصرية قد أحدثت ثورة في مجال الاتصالات المختلفة خلال السنوات القليلة صاحبها تطور مماثل في مجال الاكترونيات ، ويعزى هذا التطور الى ثلاث أسباب رئيسية وهي :
‌أ. ازدياد الطلب على حركة المعطيات وبصفة خاصة ما يتعلق بالإنترنت والإنترانت .
‌ب. تحرير مجال الاتصالات مما فتح المجال الشركات كثيرة غير الشركات التقليدية للدخول في هذا المجال .
‌ج. دخول موردين جدد وتقنيات حديثة في مجالات الشبكات والأجهزة وأصبح التنافس على أشده لتقديم الأفضل للزبون .
ولعل أحدث المجالات هي إنشاء شبكات بصرية ذات سعات عالية وستتمكن التقنية الفوتونية من استخدام سعة ترابت للخطوط الرئيسية وسعة جيجابت للشبكات الفرعية وسعة ميجابت للمنازل .
. ولا تنبحث منها اي طاقة حرارية التي تعتبر طاقة مفقودة .
تعليم_الجزائر

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

شـكــ وبارك الله فيك ـــرا لك … لك مني أجمل تحية . شـكــ وبارك الله فيك ـــرا لك … لك مني أجمل تحية . شـكــ وبارك الله فيك ـــرا لك … لك مني أجمل تحية . شـكــ وبارك الله فيك ـــرا لك … لك مني أجمل تحية .

شـكــ وبارك الله فيك ـــرا لك … لك مني أجمل تحية . موفق بإذن الله … لك مني أجمل تحية . كيف حالك إن شاء الله دائما بخير ؟ ألف مبروك .. لقد سعدت بهذا الخبر

الحمدلله والصلاة والسلام على رسول الله وعلى آله وصحبه أجمعين موفق بإذن الله … لك مني أجمل تحية . شـكــ وبارك الله فيك ـــرا لك … لك مني أجمل تحية .

التصنيفات
العلوم الإلكترونية

ظاهرة دوبلر

تعليم_الجزائر السلام عليكم تعليم_الجزائر
بسم الله الرحمــن الرحيم
جأتكم اليوم بموضوع يتحدث

ظاهرة دوبلر

أرجوا أن ينال إعجابكم أترككم مع الموضوع
ظاهرة دوبلر

في صبيحة أحد الأيام وبينما كنت أقف على أحد مواقف الباص منتظرا قدومه مرت بي سيارة مسرعة بعض الشيء وكان سائقها قد أطلق الزامور قبل أن تصلني، ثم مرت بي وتجاوزتني. وربما يقول أحدكم وما العجيب في ذلك؟ وأوافق أن لا عجيب في الأمر ولكن ما لفت انتباهي هو اختلاف صوت الزامور قبل وصوله إلي عنه بعد أن تجاوزني؛ فقد كان (حادا) بعض الشيء قبل وصوله إلي ثم أصبح فجأة (غليظا) حين تجاوزني أفليس ذلك عجيبا؟

حسنا لنتدبر الأمر. وقبل أن نشرع في أي تفصيل دعني أفسر ما تعني “حادا” وما تعني “غليظا”. نعلم جميعا، على ما أظن، أن الصوت عبارة عن أمواج من نوع معين تنتشر في الهواء بسرعة الصوت وهي 340 م/ث. ولكن مهلا ما هي الأمواج وما أنواعها؟ هناك نوعان من الأمواج هي الأمواج الطولية والأمواج المستعرضة حيث يكون اتجاه تذبذب الوسط بنفس اتجاه انتشار الموجة في النوع الأول بينما يكون عموديا عليه في النوع الثاني.

والموجة الطولية ما هي إلا تضاغطات وتخلخلات لوسط معين. فإذا ضغطنا سطح وسط معين ثم تركناه يعود حرا (كما في الشكل أدناه) فإن جزيئات هذا الوسط تنضغط إلى بعضها بنفس اتجاه الضغط الخارجي. وينتقل هذا الضغط بنفس الاتجاه إلى الجزيئات الداخلية في مستويات موازية للسطح الضاغط الخارجي. وأكبر مثال على هذا النوع من الأمواج هو الصوت، حيث تضغط جزيئات الهواء عند مصدر الصوت ثم تعود لتتخلخل.

تعليم_الجزائر

أما الموجة المستعرضة فهي اهتزازات في الوسط لكنها تنتشر بشكل عمودي على اتجاه تذبذبها. فعندما نلقي حجرا في بركة ماء

تعليم_الجزائر

مثلا فإن الحجر يضغط على سطح الماء إلى أسفل مما يجعل الماء يفيض من جوانب الحجر وهكذا يتكون لدينا قاع وقمة وعند هبوط الجوانب التي ارتفعت فإنها تدفع جوانبها الخارجية إلى أعلى لتهبط بعد ذلك مكررة نفس التسلسل. وهذا التذبذب يحدث لجزيئات الماء موضعيا فهي تصعد وتهبط في مكانها. بذلك نرى أن هذه الموجة تنتشر أفقيا على سطح الماء بينما هي تضرب صعودا وهبوطا بشكل عمودي.

تعليم_الجزائر

ولنعد إلى الأمواج الطولية، ولنأخذ كمثال موجات الصوت حيث ينتقل الصوت في الوسط بشكل كرات متحدة المركز. فلو أخذنا كثافة الهواء كمقياس فالكثافة تكون أكبر ما يكون عند نقطة التضاغط وأقل ما يكون عند نقطة التخلخل. ونقول أن لدينا قمة عند اكبر كثافة للهواء بينما يكون لدينا قاعا عند أقل كثافة له. هل كل شيء واضح؟ إن لم يكن كذلك فعليك بالعودة ثانية للأعلى فإن لم يجد ذلك فعليك بالبريد الإلكتروني فاسأل عما تشاء.

تعليم_الجزائر

حسنا، يمكننا الآن أن نعرف السمات الأساسية لأية موجة. فكل موجة تميزها كميات ثلاث وهي طول هذه الموجة (l)، والفترة (T)، والسعة. أما الطول فهو المسافة الفاصلة بين أي نقطتين متتاليتين متماثلتين (متساويتين في الكثافة) أي لقطع طول موجة كامل وبهذا فإن بإمكاننا تعريف سرعة انتشار الموجة بأنها طول الموجة (l) مقسومة على الفترة اللازمة لقطعها.

أما الفترة فهي الزمن اللازم لعمل ذبذبة واحدة ويعرف مقلوب الفترة عادة بالتردد (n) وهو عدد الذبذبات المتولدة في وحدة الزمن وبالتالي فإن سرعة انتشار الموجة هي (V = n l) أي طول الموجة في ترددها. أما السمة الثالثة فهي السعة وتمثل أقصى كثافة يصلها الوسط أو أعلى ارتفاع تصلة القمة. وهي تعتمد على الطاقة المعطاة للموجة في الأصل.

أظن أنك قد نالك التعب بعد هذا المشوار الطويل، لذا دعنا نعود إلى ما بدأناه من السؤال عن معنى “حادا” و”غليظا” فنحن نقول أن صوت الرجل “أغلظ” من صوت المرأة وأن صوت الناي “أحدّ” من صوت الطبل مثلا إلى غير ذلك والحدة تزداد بزيادة تردد الموجة أي بازدياد عدد الذبذبات في الثانية وهذا ينتج عنه نقص في طول الموجة ما دامت سرعة الصوت ثابتة ولو قارنا طريقة اهتزاز الطبل بطريقة اهتزاز عمود الهواء في الناي فسنرى بوضوح أن الطبل يهتز ببطء شديد مقارنة بالناي أي أن عدد ذبذبات الطبل ( وبالتالي تردده ) قليل جدا مقارنة بالناي ونفس الشيء في صوت الرجل والمرأة أما شدة الصوت فتتحكم فيها سعة الموجة وكلما زادت السعة زادت شدة الصوت بمعنى ارتفاعه أو انخفاضه فترى الشخص يبذل جهدا أكبر ليتكلم بصوت عال ويضرب الطبال بقوة أكبر ليحصل على شدة كبيرة في صوت الطبل. أرجو الآن أن يكون المقصود بالحدة والغلظة قد اتضح.
ودعوني أذكركم أيضا بأن موضوعنا هو ذلك الزامور المزعج الذي جرنا إلى كل هذه التشعبات الطويلة. قلنا أن الزامور كان حادا قبل وصوله إلي ثم انقلب فجأة إلى غليظ بعد أن مر بي وهذا يحدث دائما عند ما يمر بك أي مصدر للصوت سواء كان قطارا أم سيارة إسعاف أو حتى باخرة ويلاحظ بوضوح أيضا عندما تمر بك طائرة أن كنت تسكن قريبا من مطار.

تعليم_الجزائر

تنتشر الأمواج كما قلنا من مصدر الصوت بشكل كرات متحدة المركز. وتبقى سائرة بشكل كرات ما دام المصدر ساكنا. وللسهولة دعنا نمثل هذه الكرات بدوائر. أما إذا ما تحرك المركز فإن الأمواج سوف تعاني من تغير في شكل الانتشار تبعا لسرعة المصدر ووفقا لجمع السرع. فالجزء من الدائرة الذي ينتشر بنفس اتجاه حركة المصدر سوف تنضغط أمواجه على بعضها لتحافظ على سرعة الصوت ثابتة. فيزداد تردده ويقل طول موجته (أي يصبح أكثر حدة). عكس ذلك تماما يحدث للموجة المنتشرة بعكس اتجاه حركة المصدر فهي تتخلخل ويقل ترددها مما يزيد في طول موجتها (فتصبح أكثر غلظة) أما الأمواج المنتشرة بالاتجاه العمودي على حركة المصدر فتبقى بشكلها الطبيعي.

تسمى هذه الظاهرة (التي تتضمن زيادة التردد للمقترب ونقصه للمبتعد) بظاهرة دوبلر ولها استعمالات كثيرة وتطبيقات مفيدة ولعل أهم هذه التطبيقات المألوفة تدخل في الرادار فالرادار كما نعلم يرسل موجات ذات تردد معين بجميع الاتجاهات ثم يسجل انعكاساتها وعندما يكون الجسم المرصود متحركا فإن هذه الانعكاسات ستعاني تغيرا في طول الموجة والتردد ومن هذا التغير يمكننا حساب سرعة هذا الجسم وما إذا كان يقترب أو يبتعد عن الراصد. فهذه هي الطريقة التي يستطيع بها شرطي المرور عند عربة الرادار أن يوقفك وأنت تقود السيارة بسرعة عالية ليخبرك بأن سرعتك كانت كذا بينما أنت تتعجب كيف عرف ذلك؟

تعليم_الجزائر

ثمة تطبيق هام آخر في علم الفلك يتعلق بحساب سرعات النجوم سحيقة البعد عنا حيث لا يصدق كثيرون أن بإمكان الفلكيين حساب سرعات نجوم تبعد عنا آلاف وملايين السنين الضوئية. إن الأمر بسيط، فكل نجم يمكن تجميع ضوئه وتحليله إلى مكوناته الطيفية (كما يحلل ضوء الشمس باستعمال المنشور) فعندما يتحرك النجم بسرعة ما فإن طول موجة ضوءه يتغير. في الضوء يمثل طول الموجة أو التردد لون هذا الضوء، فنجد أن ألوان قوس قزح السبعة وما بينها تقابل أطوالا موجية معينة لكل منها وبالتالي فلها ترددات معينة لكل منها فإذا حدث تغير في طول الموجة لضوء معين فمعنى ذلك أن لونه قد تغير. إن أطول الألوان موجة (أقلها ترددا) هو اللون الأحمر وأقصرها طولا ( أكبرها ترددا) هو اللون البنفسجي فإذا كان نجم ما يبتعد عنا بسرعة معينة فإن طول موجته سيزداد وبالتالي ستتجه ألوانه إلى الاحمرار أي كأن الطيف كله يزاح إلى الأحمر. وإذا كان هذا النجم يقترب فإن طيفه سيزاح إلى البنفسجي. ومن مقدار هذا الإنزياح للأحمر أو البنفسجي يمكن حساب السرعة التي يتحرك بها النجم مبتعدا أو مقتربا منا. وهكذا ترون معي أن هذه الظاهرة التي ربما نصادفها يوميا يعود لها الفضل الكبير في كثير من التطبيقات العملية والعلمية.