أجهزة إلكترونيات

كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) – الجزء الأول

كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول

الجزء الأول

ملايين من الناس في أنحاء العالم تستخدم جهاز المحمول (الجوال)، وربما تكون عزيزي القارئ أيضا مما يستخدموا الجوال وتمتلك جهاز أو أكثر، وقريباً جداً سيصبح الجوال الجهاز الذي لاغنى عنه وسيمتلكه كل فرد. يمكنك باستخدام الجوال من التحدث إلى أي شخص في العالم من أي مكان في العالم أنت موجود فيه، ليس هذا فحسب فأجهزة الجوال الحديثة مزودة بالعديد من الوظائف وكل يوم نسمع عن أجهزة جوال جديدة وبإضافات عديدة منها:

  1. دليل معلومات عن الأشخاص الذين تتعامل معهم مع كامل البيانات الخاصة بهم.
  2. أجندة الكترونية تسهل عليك تتبع مواعيدك وتذكرك بها قبل موعدها بمنبه صوتي.
  3. تمكنك من انشاء أجندة لاعمالك اليومية وترتيب اولوياتها.
  4. تتوفر في أجهزة الجوال ألة حاسبة لاجراء الحسابات اليومية البسيطة.
  5. تمكنك أجهزة الجوال من ارسال الرسائل القصيرة ورسائل البريد الإلكتروني.
  6. الاتصال مع الانترنت واحصول على الاخار العاجلة وأسعار البورصة وغيره من المعلومات التي تهمك.
  7. يمكنك استخدام جوالك كوسيلة للتسلية من خلال الألعاب التي تختزنها في الجهاز.
  8. دمج أجهزة أخري مثل الراديو ومشغل MP3 لتشغيل الملفات الصوتية ومشغل فيديو لعرض لقطات الفيديو وكاميرا للتصوير الثابت والمتاحرك وقارئ نصوص إلكترونية PDF ومرشد مكاني GPS.

ليس هذا فحسب بل الكثير الكثير وخصوصاً امكانية ربط الجوال مع جهاز الكمبيوتر فيعمل الجوال كمودم لتوصيلك بشبكة الانترنت وانت في اي مكان في العالم، إذا نحن بصدد جهاز متعدد الوظائف بحجم كف اليد والأجهزة المدمجة فيه كانت تملء غرفة كبيرة، فهل فكرت عزيزي القارئ كيف يعمل الجوال وما الفرق بينه وبين التلفون العادي وما معنى المصطلحات العلمية المصاحبة للجوال مثل PCS, GSM, CDMA, TDMA؟  كل هذا والكثير الكثير سنقوم بشرحه وتوضيحه في هذا المقال من تفسيرات فيزيائية.  وستجد عزيزي القارئ الكثير من المصطلحات الإنجليزية لم نترجمها لانها ستفقد معناها انما سنورد المصطلح بالانجليزية كما هو واختصاره وسنقوم بشرح معناه من خلال توضيح وظيفته ودوره في جهاز الجوال. ونظرا لطول الموضوع سنقسمه إلى عدة أجزاء.

اساسيات وحقائق

كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) - الجزء الأولمن المدهش أن تعرف أن جهاز الجوال هو جهاز يشبه في عمله جهاز الراديو، ولكن راديو بدرجة عالية من الدقة والتعقيد. أخترع التلفون العادي بواسطة العالم الاكسندر جراهام بل Alexander Graham Bell في 1876، والاتصالات اللاسلكية تطورت نتيجة لاختراع وتطور اجهزة الراديو الذي اخترع بواسطة العالم نيكولاي تسلا Nikolai Tesla في 1894. ومن الجدير بالذكر أنه من الطبيعي أن تتحد وتندمج فكرة الهاتف والراديوا معا.

قبل اختراع الجوالات كان الاشخاص الذين احتاجوا إلى الاتصال اللاسلكي باجهزة متتنقلة نتيجة لطبيعة عملهم كسائقي السيارات مثلاً استخدموا تلفونات الراديوا radio telephones.  في هذه الأنظمة من التلفونات لم يكن يوجد سوى محطة ارسال واحدة مركزية في المدينة (أنتينا) و25 قناة اتصال فقط متاحة للاستخدام، مما توجب أن تحتوي تلك الأجهزة على جهاز ارسال قوي ليغطي مسافة 70-100 كيلومتر.  وهذا يعني أن عدد محدود من الأشخاص 25 يمكنهم استخدام تلفونات الراديوا، حيث ان عد القناوات المتوفر للاستخدام غير كافية.

هذا بالنسبة لتلفونات الراديو، أما في نظام تلفون الجوال فإن المدينة تقسم إلى خلايا صغيرة cells وفي كل خلية يوجد محطة ارسال (أنتينا)، وبهذه الطريقة يمكن اعادة استخدام نفس التردد على كل المدينة وبالتالي فإن الملايين من الأفراد يمكنهم استخدام الجوال في نفس الوقت،

تقسيم المدينة إلى خلايا Cells ادى إلى تسمية الجوالات بالانجليزية Cell Phone أي الجوال الخلوي وهذا هو الاساس في التسمية، أما كلمة المحمول والجوال فهي دلالات على قابلية التحدث من أي مكان في العالم.

لفهم دقيقة لفكرة عمل الجوال سوف نقوم بمقارنة الجوال مع بعض الأجهزة اللاسلكية مثل جهاز CB radio ووهو اختصار لما يعرف باسم جهاز راديو موجة المدينة (City Band Radio) وللتعرف أكثر على هذا الجهاز اطلع على الموقع التالي على الانترنت http://en.wikipedia.org/wiki/Cb_radio

CB Radio

كما سوف نقارن الجوال بجهاز أخر معروف أكثر لنا وهو أو جهاز walkie-talkie وهو جهاز يعمل بنظام راديو ارسال واستقبال. وستجد المزيد عن هذا الجهاز على الموقع التالي على شبكة الإنترنت http://en.wikipedia.org/wiki/Walkie-talkie

كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) - الجزء الأول

Walkie-Talkie

عناصر المقارنة بين جهازي CB radios و Walkie-Talkie وجهاز الجوال هي

  1. طريقة الاتصال Duplex
  2. القناوات Channels
  3. المدى Range

أولاً طريقة الاتصال Duplex

كلأ من جهازي CB radios و Walkie-Talkie يعتبران أجهزة ذات half-duplex، حيث أن في أجهزة CB Radio يتم الاتصال بين شخصين باستخدام نفس التردد، لذا فإن شخص واحد فقط يستطيح التحدث والأخر يستمع. أما الجوال فيعمل بنظام full-duplex وهذا يعني أن هناك تردد مخصص للحديث وتردد اخر مختلف للاستماع مما يعني أن كلأ الشخصين يمكنهما التحدث في نفس الوقت.

إن مصطلح كلمة “Duplex” يعني امكانية ارسال واستقبال البيانات بين الأجهزة الإلكترونية باستخدام الصوت. ولمزيد من المعلومات عن هذا المصطلح تجده على الموقع التالي:

http://telecom.hellodirect.com/docs/Tutorials/DuplexExplained.1.080801.asp

ثانيأ القناوات Channels

يوجد في أجهزة walkie-talkie قناة واحدة للاتصال بينما في أجهزة CB radio يوجد 40 قناة للاتصال. ولكن في أجهزة الجوال يتعامل مع أكثر من 1664 قناة

ثالثاً: المدى Range

يمكن لأجهزة walkie-talkie أن تغطي مدى يصل إلى 2 كيلومتر باستخدام قدرة 0.25 وات. وأجهزة CB radio تعمل على قدرة أكبر تصل إلى 5 وات فإن مداها يصل إلى 8 كيلومتر.  أجهزة الجوال تعمل ضمن الخلايا التي قسمت لها المدينة ويمكن ان تتحول من خلية إلى أخرى كلما تحركت من مكان لأخر اثناء الاستخدام، وهذا يعني أن المدى الذي يعمل فيه جهاز الجوال كبير جداً ويمكنك بالطبع التحدث مع أي شخص وأنت مسافر مئات الكيلومترات دون أن ينقطع الاتصال.

اتصال بين سائقي شاحنتين يستخدما نظام راديوا يعمل على تردد واحد (half-duplex) حيث يتحدث أحدهما والأخر يستمع،

كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) - الجزء الأول

في أجهزة الراديو التي تعمل بنظام full-duplex فإن الشخصين المتحدثين يستخدما ترددات مختلفة مما يسمح لهما التحدث في نفس الوقت

ولتوضيح فكرة تقسيم المدينة إلى خلايا فسوف نستعين بالشكل التوضيحي أدناه، حيث تقسم المدينة إلى خلايا كل خلية بمساحة 26 كيلومتر مربع وتأخذ شكل سداسي ا لأضلاع كما في الشكل. كل خلية من الخلايا التي قسمت إليها المدينة تحتوي على محطة تقوية تحتوي على برج يحمل معدات ارسال راديو.

كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) - الجزء الأول

وبسبب أن أجهزة الجوال ومحطات الارسال تعمل بقدرة منخفضة فإن نفس الترددات يمكن ان تستخدم في الخلايا البعيدة مثل الخليتين المميزتين باللون الداكن الموضحتين في الشكل أعلاه.

كم عدد الاشخاص في الخلية الواحدة الذين يمكنهم استخدام الجوال في نفس الوقت؟

في خلية واحدة تعمل بالنظام التناظري analog system تستخدم سبع (1/7) القنوات المتوفرة، أي أننا لو افترضنا ان المدينة مقسمة إلى سبع خلايا فقط فإن كل خلية سيكون لها مجموعة من الترددات الخاصة التي تستخدمها دون ان يحدث تداخل مع خلية أخرى.

1. يوجد في كل مدينة عدد 832 من ترددات الراديو المتاحة لاستخدام الجوال.

2. كل جوال عند اجراء اتصال يستخدم ترددين واحد للارسال (التحدث) وأخر للاستقبال (الاستماع) وهذا يعني انه يوجد 395 قناة اتصال لكل محطة ارسال (لكل خلية في المدينة) ويتبقى عدد 42 تردد لاستخدام قنوات التحكم (سيتم شرحها لاحقاً)

3. وحيث ان كل خلية تحتاج فقط إلى سبع (1/7) من الترددات المتاحة لذا فإن كل خلية يوجد بها 56 قناة متوفرة للاتصال.

بمعنى اخر 56 شخص في الخلية الواحدة يمكنهم التحدث من خلال هواتف الجوال في نفس الوقت.

كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) - الجزء الأول

ملاحظة: أنظمة الهواتف الخلوية التي تعمل بالنظام التناظري analog تسمى بتكنولوجيا جوال الجيل الأول first-generation mobile technology ويرمز لها بالرمز 1G. ونظام الهواتف الخلوية التي عملت بالنظام الرقمي تسمى تكنولويجا الجيل الثاني 2G حيث ازدادت عدد القنوات المتوفرة للاستخدام بحوالي ثلاثة اضعاف أي أصبح 168 قناة متوفرة للاتصال في نفس الوقت للخلية الواحدة. وسوف نشرح تطور تكنولوجيا الجوال وأجياله المعروفة بالاختصارات TDMA, CDMA, GSM لاحقاً.

مزايا اتصالات الجوال عن الأنظمة القديمة للاتصالات اللاسلكية

يستخدم الجوال قدرة منخفضة تصل ما بين 0.6 إلى 3 وات فقط وهذا أقل بما هو مستخدم في CB radio حيث كانت القدرة 4 وات. كما أن محطات الارسال تعمل بطاقة منخفضة ايضا، مما يعني أن:

أن منطقة التغطية للترددات بين محطة الارسال والجوال لن تزيد عن مساحة الخلية السداسية الشكل وهذا يجعل اعادة استخدام نفس الترددات في خلايا اخرى ممكن. أي 56 شخص لكل خلية يمكنهم التحدث مع بعضهم البعض في نفس الوقت باستخدام نفس الترددات.

قلة الطاقة التي يعمل بها جهاز الجوال يضيف ميزة أخرى لاجهزة الجوال وهي استهلاكه للطاقة الكهربية فكما نعلم أن هذه الأجهزة تعمل بواسطة البطارية، وقلة استهلاك الجوال للطاقة يجعل البطارية المصاحبة للجوال أصغر مما سهل في تصنيع جوالات بأحجام صغيرة للغاية.

في النهاية فإن عدد كبير من محطات الارسال توجد في كل مدينة تستخدم هواتف الجوال وقد يصل عدد هذه المحطات بالمئات ويتحكم بها محطة مركزية للتحويلات تعرف باسم Mobile Telephone Switching Office (MTSO). تعمل هذه المحطة على الحكم في المحطات المنتشرة في المدينة (الخلايا) وتعمل ايضا على ربط كل الاتصالات من الهواتف الجوالة مع الهواتف الأرضية التي تعمل بنظام الاتصال التقليدي.

هذا فقط اذا افترضنا أن شركة واحدة موجودة في المدينة أما اذا كان هناك أكثر من شركة فإن هذا يتطلب محطات ارسال خاصة بها وبالتالي عدد أكبر من محطات الارسال في نفس المدينة. وبالطبع هذه المحطات لها تكاليف انشاء وصيانة باهظة مما يجعل استخدام الجوال مكلف عن التلفون العادي، ولكن لأن الاشخاص الذين يستخدموا الهواتف الجوالة في تزاديد مستمر فإن تكلفة الاتصال تكون قليلة، لأنه في النهاية تقسم على عدد أكبر من المشتركين.  لهذا تحرص الشركات المتنافسة على استقطاب أكبر عدد ممكن من الزبائن لتستطيع المنافسة في تقليل تكلفة الاتصال للدقيقة الذي هو في النهاية العامل الأهم بالنسبة للمستخدم للاشتراك مع شركة دون غيرها.

إلى اللقاء مع الجزء الثاني في

الوسوم

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

تعليقك على المقال:

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

إغلاق
إغلاق