ضوضاء المرحلة في أجهزة توليف التردد PLL

تُعد ضوضاء الطور عاملاً مهماً جداً في تصميم المركب “PLL”، حيث يمكن أن يكون لها تأثير كبير على الأداء العام للنظام باستخدام المركب، كما يمكن أن تؤثر ضوضاء الطور في أجهزة توليف التردد “PLL” على عوامل الأداء مثل الخلط المتبادل ومعدل خطأ البتات والنقاء الطيفي الكلي، حيث يمكن أن تنتشر الضوضاء الصادرة عن إشارة في إحدى القنوات إلى القنوات المجاورة ممّا يتسبب في حدوث تداخل مع المستخدمين الآخرين.

ما هي ضوضاء المرحلة؟

توجد ضوضاء الطور على جميع الإشارات إلى حد ما وهي ناتجة عن اضطرابات طور صغير وبالتالي تردد أو اهتزاز على الإشارة، حيث يتجلى في شكل ضوضاء تنتشر على كلا الجانبين من الناقل الرئيسي، كما تتكون ضوضاء الطور من اضطرابات عشوائية صغيرة في طور الإشارة، أي ارتعاش الطور، وهذه الاضطرابات هي عبارة عن تعديل طوري فعال، ونتيجةً لذلك يتم إنشاء نطاقات ضوضاء جانبية، كما تنتشر هذه على جانبي الإشارة الرئيسية ويمكن رسمها على محلل الطيف كضوضاء طور النطاق الجانبي الفردي.

بعض مصادر الإشارات أفضل من غيرها، والمذبذبات البلورية جيدة جداً ولها مستويات منخفضة جداً من ضوضاء الطور، كما تعمل مذبذبات التردد المتغير التي تعمل بحرية بشكل جيد، لكن لا تعمل أجهزة المزج ولا سيما تلك التي تدور حول الحلقات المغلقة الطورية، حيث دائماً بشكل جيد ما لم تكن مصممة جيداً أمّا في حالة وجود مستويات كبيرة من ضوضاء الطور على جهاز توليف يستخدم كمذبذب محلي في جهاز استقبال، ويمكن أن يؤثر ذلك سلباً على أداء الراديو من حيث الخلط المتبادل.

• “PLL” هي اختصار لـ “phase-locked loop”.

ضوضاء المرحلة في المركبات:

ينتج كل مكون في جهاز توليف التردد ضوضاء تساهم في إجمالي الضوضاء التي تظهر عند النواتج، حيث ستعتمد الطريقة الفعلية التي يساهم بها أي عنصر في الحلقة في الإنتاج على مكان إنتاجه، كما ستؤثر الضوضاء الناتجة عن “VCO” على الإنتاج بطريقة مختلفة عن تلك الناتجة في كاشف الطور على سبيل المثال، ومع زيادة الضغط على الطيف من الضروري التأكد من أنّ أداء ضوضاء الطور يلبي متطلبات النظام وعلى هذا النحو فهو عادةً معلمة تصميم رئيسية لأي مركب تردد “PLL”.

لمعرفة كيفية حدوث ذلك، فمثلاً في الضوضاء الناتجة عن مذبذب الجهد المتحكم فيه، سيمر هذا عبر سلسلة الفاصل ويظهر عند ناتج كاشف الطور، كما سيتعين بعد ذلك المرور عبر مرشح الحلقة، حيث سيسمح هذا فقط من خلال مكونات الضوضاء التي تكون أقل من تردد قطع الحلقة، كما ستظهر هذه على جهد الخطأ ولها تأثير إلغاء الضوضاء على مذبذب الجهد المتحكم فيه، ونظراً لأنّ هذا التأثير سيحدث فقط داخل النطاق الترددي للحلقة، فإنّه سيقلل من مستوى الضوضاء داخل عرض النطاق الترددي للحلقة ولن يكون له أي تأثير على الضوضاء خارج النطاق الترددي للحلقة.

تتأثر الضوضاء الناتجة عن كاشف الطور بطريقة مختلفة، كما أنّ مكونات الضوضاء الموجودة أسفل عرض النطاق الترددي للحلقة سوف تمر عبر مرشح التمرير المنخفض، وهذا يعني أنّه لن تكون هناك مكونات خارج النطاق الترددي للحلقة تظهر على جهد الضبط عند طرف التحكم في مذبذب الجهد المتحكم فيه ولن يكون هناك أي تأثير على المذبذب، كما ستظهر تلك المكونات داخل عرض النطاق الترددي للحلقة في طرف التحكم في المذبذب، وستؤثر هذه على المذبذب وتظهر كضوضاء طور على ناتج مذبذب الجهد المتحكم فيه.

تزداد الأمور سوءاً من خلال حقيقة أنّ نسبة القسمة لها تأثير على مضاعفة مستوى الضوضاء، حيث ينشأ هذا لأنّ المركب له تأثير فعال في مضاعفة تردد المرجع، وبالتالي يُضرب مستوى الضوضاء أيضاً بمعامل “20log N”، حيث “N” هي نسبة القسمة، كما تخضع الضوضاء الناتجة عن المرجع لنفس المعالجات تماماً مثل تلك الناتجة عن كاشف الطور، حيث يتم ضربها أيضاً بنسبة تقسيم الحلقة بنفس طريقة ضوضاء كاشف الطور، وهذا يعني أنّه على الرغم من أنّ المذبذب المرجعي قد يكون له أداء ضوضاء جيد جداً في الطور، إلّا أنّه يمكن أن ينخفض ​​بشكل كبير، خاصةً إذا كانت نسب الانقسام عالية.

لا تنتج المقسمات عادةً مساهمة كبيرة في الضوضاء، كما يمكن دمج أي ضوضاء تنتجها مع ضوضاء كاشف الطور، ويمكن ملاحظة أنّ الضوضاء داخل عرض النطاق الترددي للحلقة تنشأ من كاشف الطور والمرجع وناتج عرض النطاق الترددي للحلقة، كما ينشأ بشكل أساسي من مذبذب الجهد الذي يتم التحكم فيه، ومن هذا يمكن ملاحظة أنّ تحسين ملف تعريف الضوضاء يعتمد بشكل كبير على اختيار عرض النطاق الترددي للحلقة.

من الضروري أيضاً الحفاظ على نسبة القسمة في أي حلقة إلى مستويات معقولة، فعلى سبيل المثال سيتطلب مُركب “150 ميجاهرتز” مع حجم خطوة “12.5 كيلو هرتز” نسبة تقسيم تبلغ “12000”، وهذا بدوره سيقلل من كاشف الطور وأرقام ضوضاء الطور المرجعي بمقدار “81 ديسيبل” داخل عرض النطاق الترددي للحلقة، وهو تدهور كبير وفقاً لمعايير أي شخص.

• “VCO” هي اختصار لـ “voltage-controlled oscillator”.

تأثيرات ضوضاء المرحلة PLL:

يمكن أن تؤثر ضوضاء مرحلة “PLL” على أنظمة مختلفة بطرق مختلفة، ومع ذلك من المهم أن تكون ضوضاء الطور على الإشارة معروفة لجميع التطبيقات وضمن الحدود المطلوبة، ومع ذلك يمكن أن تؤدي ضوضاء الطور إلى عدد من المشكلات المختلفة:

أولاً: الضوضاء المرسلة ذات النطاق العريض:

عند استخدام أجهزة توليف التردد “PLL” داخل جهاز إرسال، يمكن إشعاع مصدر مذبذب محلي بكميات كبيرة من ضوضاء المرحلة بعيداً عن نطاق التردد المطلوب، كما ينتقل هذا كضوضاء واسعة النطاق ويمكن أن يسبب تداخلاً مع المستخدمين الآخرين القريبين.

ثانياً: زيادة معدل خطأ البتات:

بالنسبة لعمليات الإرسال التي تستخدم تعديل الطور، يمكن أن يتسبب ارتعاش الطور أو ضوضاء الطور في حدوث أخطاء في استقبال البيانات، كما يمكن أن تؤدي ضوضاء طور “PLL” في كل من المرسل والمستقبل إلى زيادة حدوث أخطاء البتات، ولذلك من الضروري إبقاء ضوضاء طور “PLL” في حدود مقبولة داخل كل من المرسل والمستقبل.

ثالثاً: الخلط المتبادل:

هذه مشكلة تحدث عندما يتم فرض ضوضاء الطور من إشارة المذبذب المحلي على إشارة قوية خارج القناة، حيث تقوم ضوضاء المرحلة هذه بإخفاء إشارة المستوى الأقل أضعف بكثير، كما تعتبر ضوضاء الطور الناتجة عن مُركب تردد قائم على “PLL” ذات أهمية خاصة، ووفقاً لذلك يجب أن يكون أداء ضوضاء الطور للمركب اعتباراً رئيسياً في بداية تصميمه نظراً لأنّ أداء ضوضاء الطور يخضع إلى حد كبير للطوبولوجيا الكلية للدائرة، وإذا تم اتباع نهج خاطئ فقد لا يكون من الممكن تحسين الأداء بالدرجة المطلوبة.

هندسة مركب تردد PLL من أجل ضوضاء منخفضة الطور وتوتنهام مرجعي:

يُولِّد مُصنِّع التردد المستخدم في جهاز الإرسال والاستقبال تردداً مرجعياً مرتفعاً نسبياً مع دقة تردد دقيقة وضوضاء طور منخفضة داخل النطاق، وذلك باستخدام معالج رقمي لتوليد إشارة مرجعية رقمية بتردد مرجعي مضبوط بدقة، كما يقوم المحول الرقمي إلى التماثلي “DAC” بتحويل الإشارة المرجعية الرقمية إلى إشارة مرجعية تمثيلية، ويقوم مرشح التمرير المنخفض بتصفية الإشارة المرجعية التماثلية لإنتاج إشارة مرجعية تناظرية مصفاة، ويشتمل مُركب التردد كذلك على حلقة طور مقفلة لتحويل الإشارة المرجعية التماثلية المصفاة من إشارة “IF” إلى إشارة “RF”.

• “DAC” هي اختصار لـ “Digital-to-analog converter”.

• “IF” هي اختصار لـ “Intermediate Frequency”.

• “RF” هي اختصار لـ “Radio frequency”.