أداء التحميل الزائد لجهاز الاستقبال - Receiver Overload Performance

تُستخدم إشارات الراديو في مجموعة كبيرة من المهام حيث تُستخدم الإشارات لنقل البث الإذاعي وتُستخدم لإرسال إشارات إلى رواد الفضاء وإنشاء اتصالات (wi-fi) للاتصالات الخلوية والعديد من التطبيقات الأخرى حيث أنّ إشارات الراديو ضرورية لتمكين التكنولوجيا من العمل.

ما هي إشارات الراديو؟

إشارات الراديو (Radio signals): هي شكل من أشكال الموجات الكهرومغناطيسية، وعلى الرغم من أنّها قد تبدو معقدةً، إلّا أنّها ربما موجات تحتوي على مكونات كهربائية ومغناطيسية وهي نفس الأشعة الضوئية والأشعة فوق البنفسجيةوالأشعة تحت الحمراء، أمّا الفرق الوحيد هو الطول الموجي للأمواج.

للحصول على فكرة أكثر عن كيفية انتقال الموجة، يمكن تشبيهها بسطح البركة عند سقوط حجر في الماء، فتنتشر التموجات في كل مكان وتتناقص اتساعها أثناء انتقالها للخارج وهذا هو الحال مع الموجة الكهرومغناطيسية على الرغم من أنّ عملها أكثر تعقيداً إلى حد ما.

خصائص إشارات الراديو:

1. التردد والطول الموجي لإشارات الراديو:

الطول الموجي للموجة الراديوية: هو المسافة بين نقطة على موجة واحدة ونقطة مماثلة في الموجة التالية، وهي واحدة من أكثر النقاط وضوحاً للاختيار كمرجع هي القمة حيث يمكن تحديدها بسهولة على الرغم من أنّ أي نقطة صالحة على قدم المساواة، وبشرط أخذ نفس النقطة في كل موجة.

هناك عدد من خصائص الموجات الراديوية التي يمكن قياسها، كان الطول الموجي من أول ما تم قياسه حيث كانت محطات الراديو تُستخدم في الأصل لتحديد مواقعها على قرص لاسلكي من خلال الطول الموجي، فعلى سبيل المثال اعتادت هيئة الإذاعة البريطانية (BBC) أن تبث أحد أجهزة الإرسال الخاصة بها على طول موجة (1500 متر).

يمكن تفسير التردد باستخدام تشبيه البركة، وهو عدد المرات التي ترتفع فيها الموجة وتنخفض في وقت معين وفي نقطة معينة في البركة، والوحدة المستخدمة للتردد هي هيرتز وهذا يتوافق مع دورة واحدة أو موجة في الثانية، ونظراً لأنّ الترددات التي يتم العثور عليها يمكن أن تكون عالية جداً فإنّ البادئات القياسية هي الكيلو هيرتز أي ألف هيرتز وميجا هرتز أي مليون هيرتز جيجا هرتز حيث تستخدم بشكل شائع.

2. سرعة إشارة الراديو:

ميزة أخرى يمكن ملاحظتها حول الموجة الكهرومغناطيسية هي سرعتها، ونظراً لأنّها تشبه الموجة الضوئية، فإنّ لها نفس السرعة وعادةً ما يتم أخذ هذا على أنّه (3 × 10ˆ8 أمتار في الثانية) ولكن الرقم الأكثر دقة هو (299792500 متر في الثانية) في الفراغ.

3. الطول الموجي وتحويل التردد:

ترتبط سرعة الموجة الراديوية وترددها وطولها الموجي ببعضها البعض، ونظراً لأن السرعة هي نفسها تقريباً سواء كانت الإشارة تنتقل في مساحة خالية أو في الغلاف الجوي، فمن السهل جداً حساب الطول الموجي للإشارة إذا كان ترددها معروفاً، وعلى العكس من ذلك يمكن حساب التردد إذا كان الطول الموجي معروفاً.

إنّ أداء معالجة الإشارات القوي لجهاز الاستقبال لا يقل أهمية عن الحساسية، يتمثل أحد مجالات التحدي في تصميم مستقبل الراديو في تحقيق إشارة قوية جيدة وأداء زائد مع الحفاظ على مستوى عالٍ من الحساسية حيث يُعتبر أداء التحميل الزائد أمراً مهماً لأنّ الراديو يحتاج إلى أن يكون حساساً بدرجة كافية لاستقبال إشارات ضعيفة جداً، ولكن يجب أن يكون قادراً على إدارة الإشارات القوية دون زيادة التحميل.

وغالباً ما يكون التعامل القوي مع الإشارات وأداء الحمل الزائد بمستقبل الراديو لا يقل أهمية عن الحساسية وبعض المعلمات الأخرى حيث تتطلب تلبية جميع المتطلبات تصميماً دقيقاً لدائرة التردد اللاسلكي، وأحد المجالات الصعبة لتصميم الترددات الراديوية للمستقبلات الراديوية هو أنّه في حالة تحقيق إشارة قوية جيدة وأداء زائد مع الحفاظ على مستوى عالٍ من الحساسية.

يُعتبر أداء التحميل الزائد مهماً لأنّ الراديو يحتاج إلى أن يكون حساساً بدرجة كافية لاستقبال إشارات ضعيفة جداً، ولكن يجب أن يكون قادراً على إدارة الإشارات القوية دون زيادة التحميل حيث يُعد هذا مطلباً أساسياً للعديد من الاتصالات اللاسلكية والمتنقلة وغيرها من التطبيقات المماثلة.

نظراً لأنّ نطاق الإشارات التي يحتاج أي جهاز استقبال للتعامل معها قد يمتد إلى أكثر من (100 ديسيبل) أو أكثر، فإنّ أداء الإشارة القوي أمر مهم كما يمكن أن يؤدي التحميل الزائد إلى تأثيرات يمكنها إخفاء الإشارة المطلوبة وتقليل الحساسية فعلياً، هناك العديد من الجوانب والمعلمات الرئيسية التي توضح بالتفصيل أداء الراديو في وجود إشارات قوية، كل منها هو مفتاح الأداء في منطقة معينة.

مع انتشار الهواتف المحمولة وأجهزة (Bluetooth وWi-Fi وNFC) بالإضافة إلى أنظمة الاتصالات اللاسلكية الأكثر تقليدية، ومن الضروري أن تعمل كل هذه الأجهزة في وجود الآخرين الذين قد يكونون على مقربة شديدة ويشعون إشارات على القنوات المجاورة أو الترددات القريبة، وبناءً عليه فإنّ الحمل الزائد للمستقبل والقدرة القوية على معالجة الإشارة مهمان للغاية.

الحمل الزائد الرئيسي ومعلمات أداء الإشارة القوية:

يخضع الحمل الزائد الإجمالي للراديو والأداء القوي لمعالجة الإشارة لعدد من المواصفات والمعلمات المنفصلة حيث تحدد هذه المعلمات المختلفة أداء الراديو بطرق مختلفة، بالنظر إلى كيفية تعامله مع الإشارات القوية، وهذه المعلمات المختلفة مهمة لأنّها يمكن أن تصف كيفية أداء الراديو في تطبيقات الاتصالات الراديوية الحقيقية.

• حجب المستقبل: يحدث حجب مستقبل الراديو عندما تقلل إشارة قوية قريبة من تلك التي يتم استقبالها من حساسية جهاز الاستقبال حيث إنّه أمر مهم للغاية وخاصةً في هذه الأيام حيث يوجد العديد من أجهزة الاتصالات اللاسلكية الخلوية قصيرة المدى وغيرها من أجهزة الاتصالات اللاسلكية بعيدة المدى.

من المحتمل جداً أن تقوم الأجهزة الأخرى بإرسال إشارة مادياً بالقرب منها وغالباً على قناة قريبة نسبياً وإذا كان جهاز الاستقبال غير حساس، فقد يؤدي ذلك إلى تدهور أداء نظام الاتصالات الراديوية المعين قيد الاستخدام.

• أداء التشكيل البيني: يُعد تشوه التشكيل البيني وأداء التشكيل البيني معلمتين هامتين لأداء المستقبل حيث يؤدي وجود نواتج التشكيل البيني إلى توليد إشارات غير مرغوب فيها والتي قد تحجب الإشارة المطلوبة، كما يقدم هذا التشكيل البيني نفسه كإشارة وقد يظهر كإشارات حقيقية، ممّا يؤدي إلى إنشاء قناة أو نطاق قد يكون له نشاط قليل وأكثر انشغالاً ومليء بالإشارات، كما يُعد اختيار المكونات الإلكترونية المناسبة أثناء مرحلة تصميم التردد اللاسلكي للمشروع أمراً ضرورياً لتحقيق أداء جيد.

• نقطة الاعتراض: تعطي نقطة اعتراض الرتبة الثالثة مؤشراً على قدرة معالجة الإشارة القوية لمضخم أو جهاز مزج أو جهاز استقبال لاسلكي حيث إنّه المستوى الموجود على الرسم البياني حيث يساوي مستوى منتجات الرتبة الثالثة المنتجات المطلوبة أي حيث تتقاطع خطوط المستويات.

وعلى الرغم من أنّ نقطة اعتراض الدرجة الثالثة هي رقم وهمي ولا يمكن قياسها بشكل مباشر، إلّا أنّها توفر رقماً ممتازاً من الجدارة للتعامل مع الإشارات القوية.

• تعديل متقاطع: يتجلى التعديل المتقاطع عن طريق نقل التعديل على إشارة واحدة قوية جداً إلى إشارات أخرى يتم استقبالها حيث لا يُعد التعديل المتقاطع من المواصفات التي لها أهمية كبيرة هذه الأيام حيث يتم ملاحظته بشكل أساسي حيث توجد إشارات تعديل السعة القوية.

مضخم الترددات اللاسلكية والاستقبال الزائد:

يُعد مضخم التردد الراديوي أحد العناصر الأساسية لأي جهاز استقبال يتحكم في قدرته على التعامل مع الإشارات القوية أو الزائدة حيث يكون أدائها هو مفتاح أداء جهاز الاستقبال بأكمله، ويجب أن يبقى مضخم التردد الراديوي لجهاز استقبال الراديو خطياً مع بقاء الناتج متناسباً مع الداخل، ومع ذلك حتى أفضل مضخمات التردد اللاسلكي لها حدود لقدرتها على الانتاج.

لا يمكن أن يرتفع الناتج بما يتناسب مع المدخلات حيث يدخل مكبر الصوت إلى منطقة يبدأ فيها الضغط، وعندما يحدث هذا يبدأ الانتاج في الحد ويكون أقل من المتوقع من مكبر صوت مثالي، والضغط في حد ذاته ليس مشكلة لأداء التحميل الزائد للمستقبل والقيم المطلقة للإشارة قليلة القيمة حيث إنّ التحكم التلقائي في الكسب (AGC) المستخدم في العديد من أجهزة استقبال الراديو يعني أنّ الكسب ينخفض عند استقبال إشارات قوية.

ومن الآثار الجانبية للضغط تسبب مشاكل كبيرة حيث تأثيرات مثل تشويه التشكيل البيني والتشكيل المتقاطع والحجب وغيرها تعني أنّ تشغيل جهاز الاستقبال الراديوي يمكن أن يضعف بشكل خطير وهذه هي الجوانب التي لها أهمية كبيرة لأداء التحميل الزائد في تصميم مستقبل الراديو حيث من الضروري النظر في التأثيرات الأساسية وكيفية ظهورها، وكيف يمكن أن يؤثر تصميم (RF) والمكونات الإلكترونية المختارة على الأداء.

خلاط RF والاستقبال الزائد:

أحد المكونات الإلكترونية داخل جهاز الاستقبال اللاسلكي له تأثير كبير على أداء معالجة الإشارة القوي هو الخلاط، وربما يكون أداء هذا المكون الإلكتروني أكثر أهمية من العديد من المكونات الأخرى حيث يُعد اختيار تقنية الخلاط المناسبة والمكونات الإلكترونية المناسبة أمراً مهماً للغاية، وللحصول على أفضل أداء للحمل الزائد للراديو يجب استخدام خلاط عالي المستوى في تصميم التردد اللاسلكي حيث يحتوي الخلاط عالي المستوى على مستوى إدخال مذبذب محلي عالي المستوى، ويمكّنها من التعامل مع الإشارات عالية المستوى التي قد تؤدي إلى مشاكل الحمل الزائد.

التحكم التلقائي في الكسب – AGC:

تحتوي العديد من أجهزة الاستقبال على مخطط يُعرف باسم التحكم التلقائي في الكسب المدمج في تصميم التردد اللاسلكي الخاص بهم حيث تأخذ هذه الدائرة عينة من الإشارة، وعادةً عند ناتج مرحلة (IF) إذا كان راديو متغايراً فائقاً ثم تقوم بالتصفية لإعطاء جهد تحكم يتم تطبيقه على المراحل السابقة من الراديو، وبالتالي الحد من نطاق الإشارة في المراحل مثل إذا تحتاج إلى استيعاب.

تعمل تصميمات الدوائر (AGC) بشكل جيد في معظم المواقف، ولكنّها قد لا تكون قادرة على منع مستقبل الراديو من التحميل الزائد في جميع الحالات وعندما تكون الإشارات خارج القناة المستقبلة، لأنّ هذه الإشارات لن تؤثر على (AGC)، ولكنّها ستبقى تقدم إلى المراحل الأولى من المستقبل قبل ترشيحها حيث يجب أن يأخذ تصميم دارة التردد الراديوي في الحسبان الأنواع المختلفة من التضمين التي يمكن مواجهتها؛ لأنّها قد تتطلب ثوابت زمنية مختلفة في دارة (AGC) كما يتم تحقيق ذلك من خلال وجود شبكات تصفية مختلفة باستخدام مكونات إلكترونية مختلفة داخل دوائر (AGC).

مخفف الإدخال RF:

قد تتضمن بعض أجهزة استقبال الراديو المتخصصة موهناً للترددات الراديوية داخل تصميم التردد اللاسلكي حيث يمكن استخدامه لتقليل مستوى إدخال التردد اللاسلكي عند الإدخال عند وجود إشارات قوية، والمخفف عادةً ما يكون مخففاً بتبديلاً له وضع إدخال وإخراج وقد يوفر تخفيفاً بمقدار (20 ديسيبل) وفقاً للمتطلبات.

يحتاج أي تصميم لمستقبل الراديو إلى الموازنة بين متطلبات المعالجة القوية للإشارة وأداء التحميل الزائد الراديوي مع متطلبات الجوانب الأخرى من التصميم مثل الحساسية والمعلمات الأخرى، كما سيكون تحقيق أداء قوي وممتاز للإشارة والحمل الزائد بمثابة توازن بين العديد من العوامل بما في ذلك التكلفة.