تحدد حساسية مستقبل الراديو أضعف الإشارات التي يمكن استقبالها بنجاح، سواء كان الأمر يتعلق باستقبال إشارات الراديو التي تحمل صوتاً تتدهور جودة الاستماع عند سقوط الإشارة في الضوضاء أو إشارة بيانات حيث يرتفع معدل خطأ البت وينخفض معدل النقل، فإنّ نسبة الإشارة إلى الضوضاء مهمة في أي تصميم لدائرة (RF)، وبهذه الطريقة تعتبر حساسية مستقبل الراديو معلمة رئيسية لها تأثير على أداء أي اتصالات راديوية أو بث أو أي نظام آخر.
ما هي حساسية جهاز الاستقبال؟
حساسية جهاز الاستقبال: هي مقياس لقدرة جهاز الاستقبال على إزالة التضمين والحصول على المعلومات من إشارة ضعيفة حيث نحدد الحساسية على أنّها أقل مستوى طاقة إشارة يمكن من خلاله الحصول على معلومات مفيدة، وفي نظام (FM) التماثلي، يكون الرقم القياسي لجدارة المعلومات القابلة للاستخدام هو (SINAD)، وهي نسبة الإشارة الصوتية المزالة تشكيلها إلى الضوضاء.
في الأنظمة الرقمية، تُقاس جودة إشارة الاستقبال عن طريق حساب نسبة البتات المستلمة غير الصحيحة إلى العدد الإجمالي للبتات المستقبلة، وهذا ما يسمى معدل الخطأ في البت (BER) حيث تستخدم معظم الأنظمة الراديوية المتنقلة البرية أحد أرقام الجدارة هذه لتحديد الحساسية، ولقياس الحساسية نطبق الإشارة المطلوبة ونخفض قوة الإشارة حتى يتم استيفاء حد الجودة.
يكون المطلبين الرئيسيين لأي مستقبل راديوي هما أنّه ينبغي أن يكون قادراً على فصل محطة عن أخرى أي الانتقائية والحساسية بحيث يمكن إحضار الإشارات إلى مستوى كافٍ أعلى من الضوضاء حتى تتمكن من استخدام التعديل المطبق إلى الناقل الذي تم إرساله، ونتيجة لذلك أثناء تصميم دائرة التردد اللاسلكي يتصارع مصممو المستقبل مع العديد من المعلومات للتأكد من تلبية هذه المتطلبات والعديد من المتطلبات الأخرى.
يتطلب تصميم التردد اللاسلكي لأي راديو أن يوفر التصميم العام للدائرة وكذلك المكونات الإلكترونية الأداء الأمثل ضمن قيود التصميم الأخرى.
طرق تحديد أداء الحساسية:
نظرًا لأنّ أداء حساسية التردد الراديوي لأي مستقبل له أهمية قصوى، فمن الضروري أن تكون قادراً على تحديده بطريقة مفيدة حيث يتم استخدام عدد من الأساليب وأرقام الجدارة بناءً على التطبيق المستخدم:
1. نسبة الإشارة إلى الضوضاء – SNR:
نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR): هي نسبة مقارنة مباشرة بين مستوى إشارة معين والضوضاء داخل النظام وهي مقياس مفيد لحساسية مستقبل راديوي، على الرغم من أنّ نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) تميل إلى استخدامها في أجهزة الراديو عالية التردد، وعادةً ما يُعطى المستقبل الراديوي لمواصفات الحساسية بدلالة جهد دخل محدد لإعطاء إشارة إلى نسبة ضوضاء تبلغ (10 ديسيبل)، وعلى الرغم من أنّ (10 ديسيبل) هي النسبة القياسية المستخدمة حيث يمكن أحياناً استخدام (15 ديسيبل) أو أرقام أخرى.
2. إشارة إلى الضوضاء والتشويه – SINAD:
يعتبر قياس حساسية المستقبل هذا أكثر رسمية قليلاً من الإشارة البسيطة إلى نسبة الضوضاء (SNR)، كما أنّه يتضمن التشوه وكذلك الضوضاء في القياس، وغالباً ما يتم استخدام (SINAD) مع أجهزة الراديو( VHF FM) والأجهزة المحمولة أو أجهزة الاتصال اللاسلكي مثل تلك المستخدمة في الاتصالات اللاسلكية قصيرة المدى، وعلى الرغم من أنّه يميل إلى استخدامه على نطاق واسع لأجهزة الراديو (VHF أو UHF FM)، وكلا من أجهزة الاتصال اللاسلكي والأشكال الأخرى من المجموعات التي تميل إلى استخدامها لتطبيقات الاتصالات الراديوية، إلّا أنّه يمكن استخدامها أيضاً مع (AM وSSB).
3. عامل الضوضاء – Noise factor:
يقارن قياس مستقبل التردد اللاسلكي هذا الضوضاء المضافة بواسطة وحدة أي يمكن أن يكون هذا مضخماً أو وحدة أخرى داخل النظام أو يمكن أن يكون مستقبلاً كاملاً، كما يُرى عامل الضوضاء عادةً في شكل ديسيبل يستخدم لمقارنة المستويات، وبالتالي عامل الضوضاء هو رقم الضوضاء أو (NF) لوحدة أو نظام هو الإصدار اللوغاريتمي لعامل الضوضاء حيث يستخدم على نطاق واسع لمواصفات الحساسية وأداء الضوضاء لمستقبل أو عنصر داخل نظام أو النظام بأكمله.
4. نسبة الموجة الحاملة إلى الضوضاء – CNR:
نسبة الموجة الحاملة إلى الضوضاء (CNR): هي نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) للإشارة المشكلة، وهذا المصطلح أقل استخداماً من (SNR)، ولكن يمكن استخدامه عندما تكون هناك حاجة للتمييز بين الأداء فيما يتعلق بإشارة تمرير نطاق التردد الراديوي وإشارة رسالة النطاق التماثلية الأساسية بعد إزالة التضمين.
5. الحد الأدنى للإشارة القابلة للتمييز – MDS:
الإشارة الدنيا القابلة للاكتشاف أو الحد الأدنى للإشارة (MDS): هي أصغر مستوى إشارة يمكن اكتشافه بواسطة مستقبل الراديو أي تلك التي يمكن معالجتها من خلال سلسلة الإشارات التماثلية والرقمية الخاصة به وإزالة تمثيلها بواسطة جهاز الاستقبال لتوفير معلومات قابلة للاستخدام في الإنتاج.
6. مقدار متجه الخطأ – EVM:
مقدار متجه الخطأ (EVM): هو مقياس يمكن استخدامه لتحديد أداء جهاز إرسال أو مستقبل راديو رقمي، وذلك من خلال رسم مواضع عناصر الطور والتربيع للإشارة حيث من الممكن إنشاء ما يسمى بمخطط الكوكبة.
هناك نقاط مختلفة في مخطط الكوكبة تم تعيينها لتحديد الحالات الرقمية المختلفة، أمّا في الارتباط المثالي يجب أن يولد جهاز الإرسال البيانات الرقمية بحيث تقع بالقرب من هذه النقاط قدر الإمكان أي يجب ألّا يؤدي الارتباط إلى تدهور الإشارة بحيث لا تقع البيانات الفعلية المستلمة في هذه النقاط، ولا ينبغي للمستقبل أيضاً أن يقلل من قدر هذه البيانات.
في الواقع، تدخل الضوضاء إلى النظام ولا تقع البيانات المستلمة بالضبط في هذه المواضع ويكون حجم متجه الخطأ هو مقياس لمدى البعد عن المواضع المثالية لعناصر البيانات الفعلية المستلمة، في بعض الأحيان قد يُعرف (EVM) أيضًا باسم (Receive Constellation Error – RCE) حيث يستخدم مقدار متجه الخطأ على نطاق واسع في اتصالات البيانات الحديثة بما في ذلك شبكة (Wi-Fi) والأجهزة المحمولة أو الخلوية والعديد من أنظمة إنترنت الأشياء.
7. معدل خطأ البتات – BER:
معدل خطأ البتات (BER): هو أحد أشكال القياس المستخدمة للأنظمة الرقمية، مع انخفاض مستوى الإشارة أو انخفاض جودة الارتباط حيث يزداد عدد الأخطاء في الإرسال أي أخطاء البتات، كما يعطي قياس معدل الخطأ في البتات مؤشراً على نسبة الإشارة إلى الضوضاء، ولكن بتنسيق يكون غالباً أكثر فائدة للمجال الرقمي.
تستخدم جميع طرق تحديد حساسية المستقبل حقيقة أنّ العامل المحدد لحساسية مستقبل راديوي ليس مستوى التضخيم المتاح، ولكن مستويات الضوضاء الموجودة سواء تم إنشاؤها داخل مستقبل الراديو أو خارجه.
مؤشرات تصميم RF الرئيسية لضوضاء منخفضة:
في أي جهاز استقبال، من الضروري أن يؤخذ أداء الضوضاء وبالتالي الحساسية في الاعتبار في بداية تصميم دارة التردد الراديوي حيث ستحكم مفاهيم تصميم الترددات الراديوية الأساسية أفضل أداء حساسية يمكن تحقيقه، كما يمكن أن تحد القرارات التي يتم اتخاذها في بداية التصميم من الأداء العام الذي يمكن تحقيقه.
من حيث أداء الضوضاء لأي جهاز استقبال فإنّ المراحل الأولى أو الواجهة الأمامية هي الأكثر أهمية، وفي النهاية الأمامية تكون مستويات الإشارة في أدنى مستوياتها ويمكن حتى أن تكون الكميات الصغيرة جداً من الضوضاء قابلة للمقارنة مع الإشارة الواردة حيث في مراحل لاحقة في المستقبل الراديوي تكون الإشارة قد تضخمت وستكون أكبر بكثير وبالتالي سيكون للضوضاء تأثير أقل، ومن المهم أن يتم تحسين أداء الضوضاء للواجهة الأمامية لأداء الضوضاء.
ولهذا السبب، فإنّ أداء ضوضاء مكبر التردد الراديوي الأول داخل مستقبل الراديو له أهمية كبيرة حيث يُعد أداء هذه الدائرة أمراً حاسماً في تحديد أداء جهاز استقبال الراديو بالكامل، لتحقيق الأداء الأمثل للمرحلة الأولى من مستقبل الراديو فهناك عدد من الخطوات التي يمكن اتخاذها أثناء تصميم دائرة التردد اللاسلكي، وتشمل هذه:
1. تحديد طوبولوجيا الدائرة:
تتمثل الخطوة الأولى في أي تصميم في تحديد نوع الدائرة المراد استخدامها، ما إذا كان سيتم استخدام دارة نمطية تقليدية مشتركة أو حتى ما إذا كان ينبغي استخدام قاعدة مشتركة حيث يعتمد القرار على عوامل بما في ذلك مطابقة المدخلات والمخرجات ومستوى الكسب المطلوب وترتيبات المطابقة التي سيتم استخدامها، ولتحديد الكسب المطلوب في حين أنّه قد يبدو أنّ المستوى الأقصى للكسب.
قد يكون مطلوباً من هذه المرحلة لتقليل مستويات التضخيم المطلوبة لاحقاً وبهذه الطريقة يتم ضمان تحسين أداء الضوضاء، فإنّ هذا ليس هو الحال دائماً، وهناك نوعان من الأسباب الرئيسية لذلك:
- إنّ أداء ضوضاء الدائرة قد يضعف بسبب طلب مستوى مرتفع للغاية من الكسب.
- قد يؤدي ذلك إلى زيادة التحميل في مراحل لاحقة من المستقبل الراديوي وقد يؤدي ذلك إلى تدهور الأداء الكلي، وبالتالي يجب تحديد مستوى الكسب المطلوب من حقيقة أنّه من الضروري تحسين أداء الضوضاء في هذه المرحلة، وثانياً لضمان عدم تحميل المراحل اللاحقة من المستقبل بشكل زائد.
2. اختيار الجهاز النشط:
يُعد نوع الجهاز النشط والمكونات الإلكترونية الأخرى التي سيتم استخدامها في تصميم دائرة التردد اللاسلكي مهماً، فهناك قراران بشكل عام ما إذا كان يجب أن يعتمد تصميم الدائرة على استخدام ترانزستور الوصل ثنائي القطب أو ما إذا كان يجب استخدام ترانزستور تأثير المجال.
بعد اتخاذ قرار تصميم التردد اللاسلكي الأساسي، من الواضح أنّه من الضروري تحديد الجهاز الفعلي والذي يجب تحديده على أنّه جهاز منخفض الضوضاء، وعادةً ما يتم تحديد أداء الضوضاء للترانزستورات ثنائية القطب و(FETs) في أوراق البيانات وتتوفر أجهزة خاصة منخفضة الضوضاء عالية الأداء لتطبيقات تصميم الدوائر (RF).
3. تحديد التيار من خلال الجهاز النشط:
يجب توخي الحذر عند تصميم دائرة التردد الراديوي للمرحلة الأولى من مستقبل الراديو، وللحصول على أداء التردد اللاسلكي المطلوب من حيث النطاق الترددي والكسب، قد يكون من الضروري تشغيل الجهاز بمستوى تيار مرتفع نسبياً حيث لن يؤدي ذلك دائماً إلى الحصول على الأداء الأمثل للضوضاء، كما يجب تحسين تصميم دائرة التردد اللاسلكي بعناية لضمان أفضل أداء لجهاز استقبال الراديو بالكامل.
4. تحسين مطابقة الممانعة:
من أجل الحصول على أفضل أداء ضوضاء لمستقبل الراديو بأكمله فمن الضروري تحسين مطابقة الممانعة، وقد يُعتقد أنّه من الضروري الحصول على مطابقة مقاومة مثالية إلّا أنّه لا يتطابق أفضل أداء للضوضاء عادةً مع مطابقة المعاوقة المثلى، وذلك أثناء تصميم دائرة مضخم التردد الراديوي ومن الضروري إجراء بعض التحسين لضمان تحقيق أفضل أداء عام لمستقبل الراديو.
5. استخدام مقاومات منخفضة الضوضاء:
يجب مراعاة المكونات الإلكترونية الأخرى في الدائرة حيث أنّ مقاومات الأغشية المعدنية المستخدمة هذه الأيام، بما في ذلك معظم المقاومات المثبتة على السطح حيث تقدم عادةً أداءً جيداً في هذا الصدد ويمكن استخدامها حسب الحاجة، وتأكد من إزالة ضوضاء مصدر الطاقة التي تدخل الدائرة حيث يمكن أن تولد مصادر الطاقة ضوضاء ومن الضروري التأكد من أن أي ضوضاء ناتجة عن مصدر طاقة مستقبل الراديو لا تدخل مرحلة التردد اللاسلكي حيث يمكن تحقيق ذلك من خلال ضمان وجود ترشيح جيد على خط الإمداد لمضخم التردد اللاسلكي.
