اقرأ في هذا المقال
- ما هو النطاق الديناميكي – Dynamic Range؟
- طرق قياس تحديد نطاق الديناميكي في مستقبل الراديو
- كيفية التصميم لأداء النطاق الديناميكي الأمثل
في بيئة الاتصالات اللاسلكية اليوم، يُعد الغضب الديناميكي للمستقبل مهماً لأنّه من الضروري استقبال كل من الإشارات القوية والإشارات الضعيفة في وجود إشارات قوية، ومع وجود أعداد هائلة من أجهزة الراديو هناك العديد من الإشارات التي يتم إرسالها طوال الوقت، فعلى سبيل المثال تحتاج الهواتف المحمولة إلى استيعاب كل من الإشارات الضعيفة والقوية في نفس الوقت حيث سيحدد تصميم دارة التردد الراديوي للراديو العوامل التي تحكم النطاق الديناميكي.
ما هو النطاق الديناميكي – Dynamic Range؟
النطاق الديناميكي (dynamic range): هو نطاق مستويات الإدخال التي يمكن للمستقبل الراديوي من خلالها استقبال الإشارات المطلوبة بنجاح، وهومفهوم بسيط وعلى الرغم من أنّه غالباً ما يكون أكثر تعقيداً من خلال التفسيرات المختلفة لما يحد من أكبر وأصغر الإشارات التي يمكن للمستقبل معالجتها.
في حين أنّ النطاق الديناميكي مهم جداً لأجهزة استقبال الراديو وتطبيقات الاتصالات اللاسلكية، إلّا أنّه مهم أيضاً في العديد من المجالات الأخرى من كاميرات التصوير إلى أجهزة مزج الصوت والعديد من العناصر الأخرى حيث يوجد العديد من مستويات الإدخال المختلفة التي يجب استيعابها، وعلى الرغم من أنّ بعض المعلومات ستتغير وفقاً للجهاز إلّا أنّ المفهوم الأساسي للنطاق الديناميكي هو النطاق الذي يمكن للجهاز من خلاله التعامل بنجاح مع الإشارات الواردة.
هناك العديد من المعلومات المرتبطة بالمدى الديناميكي للمستقبل والتي تعتبر مهمة لتطبيقات الاتصالات الراديوية بجميع أشكالها حيث يتم التحكم في النهاية المنخفضة من النطاق من خلال حساسيتها بينما في النهاية العالية تحكمها زيادة الحمولة أو أداء معالجة الإشارة القوي، كما تستخدم المواصفات عموماً أرقاماً تستند إلى أداء التضمين البيني أو أداء الحجب، ولكن ليس من الممكن دائماً مقارنة مجموعة بأخرى لأنّ النطاق الديناميكي مثل العديد من المعلومات الأخرى يمكن اقتباسه بعدة طرق.
طرق قياس تحديد نطاق الديناميكي في مستقبل الراديو:
1. حساسية – Sensitivity:
المواصفة الأولى التي يجب فحصها هي حساسية المستقبل، والعامل المحدد الرئيسي في أي جهاز استقبال لاسلكي هو الضوضاء الداخلية الناتجة أمّا بالنسبة للعديد من تطبيقات الاتصالات الراديوية، يتم استخدام نسبة الإشارة إلى الضوضاء أو عامل الضوضاء، ومع ذلك بالنسبة لمواصفات النطاق الديناميكي غالباً ما يتم استخدام رقم يسمى الحد الأدنى للإشارة المميزة (MDS) حيث يؤخذ هذا عادة كإشارة مساوية في القوة لمستوى الضوضاء.
نظراً لأنّ مستوى الضوضاء يعتمد على عرض النطاق الترددي المستخدم فيجب ذكر ذلك أيضاً في المواصفات، وعادةً ما يُعطى مستوى (MDS بالديسيبل) أي ديسيبل بالنسبة إلى ملي واط والقيم النموذجية حوالي(-135 ديسيبل ميلي واط في عرض نطاق 3 كيلوهرتز).
2. معالجة قوية للإشارة:
على الرغم من أنّ الحساسية مهمة، فإن الطريقة التي يتعامل بها مستقبل الراديو مع الإشارات القوية مهمة جداً حيث هناك العديد من المواصفات التي قد تكون مهمة في مواصفات النطاق الديناميكي:
1. منتجات الرتبة الثالثة – Third order products:
تحدث المشكلات عندما تختلط توافقات الإشارات داخل النطاق معاُ ولقد وجد أنّه يمكن إنتاج مجموعة من الإشارات وقد تقع هذه الإشارات على نفس التردد مثل محطة ضعيفة ومثيرة للاهتمام، وبالتالي تخفيها بحيث لا يمكن سماعها حيث من السهل حساب الترددات حيث تنخفض الإشارات الهامشية، وإذا كانت ترددات الإدخال هي (f1 وf2) فإنّ الترددات الجديدة المنتجة ستكون (2f1 – f2 ،3f1 – 2f2 ،4f1 – 3f2) أمّا على الجانب الآخر من نواتج الإشارات الرئيسية أو الأصلية يتم إنتاجها في (2f2 – f1 ،3f2 – 2f2 ،4f2 – 3f1).
تُعرف هذه بمنتجات التضمين البيني بترتيب فردي حيث مرتين في إشارة واحدة زائد واحد في آخر ينتج منتجاً من الدرجة الثالثة، وثلاثة في واحد زائد اثنين في آخر هو منتج من الدرجة الخامسة وهكذا حيث أن الإشارات على جانبي الإشارات الرئيسية هي أولاً حاصل الضرب الثالث ثم الخامس ثم السابع، ولنأخذ مثالا مع بعض الإشارات الحقيقية أي إذا ظهرت إشارات كبيرة بترددات (30.0 ميجاهرتز و30.01 ميجاهرتز) فستظهر منتجات التعديل البيني عند (30.02 و30.03 و30.4 ميجاهرتز و29.99 و 29.98 و29.97 ميجاهرتز).
2. الحجب – Blocking:
هناك مشكلة أخرى يمكن أن تحدث عند وجود إشارة قوية تُعرف بالحجب، كما من الممكن أن تحجب الإشارة القوية أو على الأقل تقلل حساسية مستقبل الراديو حيث يمكن ملاحظة التأثير عند الاستماع إلى محطة ضعيفة نسبياً ويبدأ جهاز إرسال قريب في الإشعاع وتقل قوة الإشارة المطلوبة، كما يحدث التأثير عندما يبدأ مضخم التردد اللاسلكي الأمامي في الانضغاط، وعندما يحدث هذا تميل أقوى إشارة إلى التقاط مضخم التردد اللاسلكي ممّا يقلل من قوة الإشارات الأخرى، ويكون التأثير هو نفسه تأثير الالتقاط المرتبط بإشارات (FM).
هذا الجانب من أداء مستقبل الراديو مهم جداً في عدد كبير من تطبيقات الاتصالات الراديوية من الهواتف المحمولة إلى أنظمة الراديو الإستراتيجية، من الواضح أنّ مقدار الحجب يعتمد على مستوى الإشارة حيث يعتمد أيضاً على مدى بُعد القناة عن الإشارة القوية، كلما ابتعدت كلما تم تقليله من خلال ضبط الواجهة الأمامية وقل التأثير إذ يُشار إلى الحجب عادةً على أنّه مستوى الإشارة غير المطلوبة عند تخالف معين (عادةً 20 كيلو هرتز) لإعطاء خفض في الكسب بمقدار (3 ديسيبل).
3. نقطة الاعتراض – Intercept point:
في العالم المثالي، يكون ناتج مضخم التردد اللاسلكي متناسباً مع المدخلات لجميع مستويات الإشارة، ومع ذلك فإنّ مكبرات الصوت (RF) لها قدرة إنتاج محدودة فقط، ووجد أنّه بعد مستوى معين ينخفض الناتج إلى أقل من المستوى المطلوب لأنّه لا يمكنه التعامل مع المستويات الكبيرة المطلوبة منه، كما يمكن ملاحظة أنّ مكبرات الصوت (RF) خطية للجزء السفلي من الخاصية، ولكن لأنّ مراحل الإنتاج غير قادرة على التعامل مع مستويات الطاقة الأعلى تبدأ الإشارات في الانضغاط.
3. مواصفات النطاق الديناميكي:
عند النظر إلى مواصفات النطاق الديناميكي، يجب توخي الحذر عند تفسيرها حيث يجب عرض (MDS) في نهاية الإشارة المنخفضة بعناية، لكنّ العوامل المحددة في الطرف العلوي تُظهر تبايناً أكبر بكثير في طريقة تحديدها فعند استخدام الحجب، يتم عادةً تحديد تقليل الحساسية بمقدار (dB 3) ولكن في بعض الحالات قد يتم استخدام (1 dB) أمّا عندما يتم اختيار منتجات التضمين البيني كنقطة تقييد، فإنّ مستوى إشارة الإدخال بالنسبة لها يكون هو نفسه الذي يتم أخذه غالباً في (MDS).
ومهما كانت المواصفات المعطاة ينبغي الحرص على تفسير الأرقام لأنّها قد تكون مختلفة في الدقة في طريقة قياسها من جهاز استقبال إلى آخر، وللحصول على إحساس بالأرقام التي يمكن الحصول عليها حيث يكون التضمين البيني هو عامل الحد الذي يتراوح بين (80 و90 ديسيبل) بشكل نموذجي حيث يكون الحجب هو عامل التحديد، كما يتم تحقيق أرقام العامل المحدد حول (115 ديسيبل) في مستقبل راديو جيد مستخدم لتطبيقات الاتصالات اللاسلكية المهنية.
كيفية التصميم لأداء النطاق الديناميكي الأمثل:
ليس من السهل تصميم جهاز استقبال راديو شديد الحساسية وله أيضاً نطاق ديناميكي واسع حيث يتطلب تصميم دائرة التردد الراديوي التوازن الدقيق للعديد من المعلمات المختلفة للحصول على الأداء الأمثل، ومع ذلك يًعد هذا مطلباً مهماً للعديد من أنظمة الاتصالات الراديوية، خاصةً عندما تقترب وحدات الاتصالات اللاسلكية المتنقلة من بعضها البعض، ولتحقيق المستوى المطلوب من الأداء يمكن استخدام عدد من الأساليب منها:
1. أداء ضوضاء الواجهة الأمامية:
تصميم دائرة التردد الراديوي للمرحلة الأمامية لمستقبل الراديو هو الأكثر أهمية من حيث أداء الضوضاء حيث يجب تحسينها لأداء الضوضاء بدلاً من الكسب ومطابقة معاوقة الإدخال أمر بالغ الأهمية لهذا الغرض، ومن المهم ملاحظة أنّ التطابق الأمثل لا يتوافق تماماً مع أفضل أداء ضوضاء حيث يجب اختيار المكونات الإلكترونية بما في ذلك الجهاز النشط لأداء الضوضاء.
2. قدرة ناتج الواجهة الأمامية:
يجب أن يتمتع مكبر الصوت الأمامي أيضاً بقدرة إخراج عالية نسبياً لضمان عدم التحميل الزائد حيث يجب أن يوفر تصميم التردد اللاسلكي قدرة إنتاج كافية، بينما لا ينتج عنه مستويات عالية من الضوضاء.
3. خلاط عالي المستوى:
تشغيل الخلاط هو أحد المكونات الإلكترونية الرئيسية لضمان نطاق ديناميكي جيد وأداء زائد حيث يجب أن يضمن تصميم الراديو اللاسلكي عدم تحميل الخلاط بشكل زائد ولتحقيق ذلك لا ينبغي أن يكون هناك مكاسب مفرطة تسبقه، كما يجب أيضاً استخدام خلاط عالي المستوى أي أنّه مصمم لقبول إشارة مذبذب محلي عالية المستوى، وبهذه الطريقة يمكنه تحمل إشارات الإدخال العالية دون تدهور في الأداء.
4. المراحل اللاحقة للمستقبل:
يجب أن يضمن تصميم دارة التردد الراديوي أنّ المراحل اللاحقة من المستقبل يمكن أن تتسامح مع مستوى الإشارات المحتمل مواجهتها عند استقبال إشارات قوية، ومن السهل نسبياً حساب مستويات الإشارة القصوى التي تحدث في كل مرحلة من مراحل المستقبل ثم التأكد من إمكانية استيعابها بواسطة تصميم التردد اللاسلكي، وفي هذه المراحل لا يكون أداء الضوضاء بنفس الأهمية وبالتالي يمكن استخدام مستويات عالية من التدفق الحالي لضمان إمكانية استيعاب مستويات الإشارة المطلوبة.
5. التحكم التلقائي في الكسب – AGC:
يساعد دمج نظام (AGC) الجيد في تصميم (RF) أيضاً في منع التحميل الزائد وتوليد إشارات زائفة غير مرغوب فيها، ومن خلال تطبيق جهد يعتمد على مستوى الإشارة على بعض المراحل السابقة في المستقبل ومن الممكن التأكد من عدم زيادة التحميل على المراحل الأخيرة في تصميم التردد اللاسلكي، كما يمكن أن يصبح تصميم الدائرة لـ (AGC) متورطاً إلى حد ما حيث قد تكون هناك حاجة إلى ثوابت زمنية مختلفة داخل حلقة (AGC) لتوفير التحكم الأمثل لأنواع مختلفة من التشكيل: (AM ،SSB).
