طيف النطاق الترددي والنطاقات الجانبية في أنظمة Amplitude Modulation

نشأت أنظمة اتصالات تعديل السعة “AM” من الحاجة إلى إرسال إشارة صوتية أي “رسالة”، عبر موجات الهواء باستخدام هوائي بحجم معقول لإشعاعها، حيث يعتمد حجم الهوائي بشكل عكسي على أعلى تردد موجود في الرسالة، كما أنّ الصوت والموسيقى لهما ترددات منخفضة نسبياً، وعادةً ما تحتوي الإشارة الصوتية على ترددات في النطاق من “100 هرتز” إلى حوالي “5 كيلو هرتز”.

ما هو تعديل الاتساع Amplitude Modulation؟

تعديل الاتساع “AM”: هو مضاعفة إشارة مجال زمني واحدة بإشارة مجال زمني أخرى، كما قد تكون الإشارات معقدة بطبيعتها وقد لا تكون كذلك، أي قد تحتوي أي من الإشارتين أو كلتيهما على مكونات توافقي، حيث من المستحيل الحصول على تعديل اتساع ما لم يتم تضمين إشارتين مختلفتين على الأقل، حيث قد تكون الإشارات كهربائية بطبيعتها، أو يمكن أن تكون إشارات اهتزاز، كما يُعد التشكيل بطبيعته عملية غير خطية، ويؤدي دائماً إلى ظهور مكونات تردد لم تكن موجودة في أي من الإشارتين الأصليتين، كما يعد عرض النطاق لإشارة مشكلة بالاتساع ذا أهمية لأسباب عديدة.

• يعد تعديل الاتساع وعرض النطاق “AM” مهماً عند تصميم المرشحات لاستقبال الإشارات وتحديد المباعدة بين القنوات وعدد من الأسباب الأخرى.

• يتم تحديد الطيف وعرض النطاق للإشارة المشكلة بالاتساع من خلال النطاقات الجانبية التي يتم إنشاؤها عند تطبيق تشكيل الاتساع على الموجة الحاملة.

ملاحظة:“AM” هي اختصار لـ “Amplitude Modulation”. 

النطاقات الجانبية لتعديل الاتساع:

عندما يتم تشكيل الموجة الحاملة بأي نوع من الأنواع، يتم إنشاء المزيد من الإشارات على جانبي الموجة الحاملة الثابتة، حيث تحمل هذه النطاقات الجانبية معلومات التعديل الفعلية، كما يتم إنشاء النطاقات الجانبية لتشكيل الاتساع أعلى وأسفل الموجة الحاملة الرئيسية، ولمعرفة كيفية حدوث ذلك، خذ مثالاً على الناقل على تردد “1 ميجاهرتز” والذي يتم تعديله بواسطة نغمة ثابتة تبلغ “1 كيلو هرتز”.

عملية إنشاء الموجة المحملة هي نفسها تماماً خلط إشارتين معاً، ونتيجةً لذلك يتم إنتاج ترددات المجموع والفرق، لذلك عندما يتم مزج نغمة من “1 كيلو هرتز” مع موجة حاملة “1 ميجاهرتز”، يتم إنتاج تردد “مجموع” عند “1 ميجاهرتز + 1 كيلو هرتز”، ويتم إنتاج تردد فرق عند “1 ميجا هرتز – 1 كيلو هرتز”، أي 1 كيلو هرتز أعلى وأسفل الناقل.

إذا تم استبدال نغمات الحالة الثابتة بصوت مثل ذلك الذي يصادف كلام الموسيقى، فإنّ هذه النغمات تتكون من العديد من الترددات المختلفة ويتم رؤية طيف صوتي مع ترددات عبر نطاق ترددات، أمّا عندما يتم تشكيلها على الموجة الحاملة، تُرى هذه الأطياف أعلى وأسفل الموجة الحاملة.

تعديل السعة وعرض النطاق الترددي AM:

يمكن ملاحظة أنّه إذا كان التردد الأعلى الذي تم تشكيله على الموجة الحاملة هو “8 كيلو هرتز”، فإنّ الأطياف العلوية ستمتد إلى “8 كيلو هرتز” أعلى وتحت الإشارة، وبعبارة أخرى فإنّ عرض النطاق الذي تشغله إشارة “AM” هو ضعف الحد الأقصى للتردد للإشارة المستخدمة لتشكيل الموجة الحاملة، أي ضعف عرض النطاق للإشارة الصوتية التي سيتم نقلها.

يمكن ملاحظة أنّ تقييد التردد العلوي لإشارة التعديل يحد من عرض النطاق الترددي الإجمالي للإشارة المشكّلة بالسعة، أمّا بالنسبة لعمليات إرسال الصوت، مثل عمليات إرسال البث، يعتمد النطاق الترددي الإجمالي للإشارة على أعلى ترددات يتم إرسالها، حيث يختلف تباعد قنوات البث وفقاً للنطاق المستخدم وأيضاً المنطقة داخل العالم التي يأتي منها الإرسال.

بالنسبة لبث الموجة الممتدة في منطقة الاتحاد الدولي للاتصالات في أوروبا وإفريقيا وشمال ووسط آسيا، يكون تباعد القنوات ك9 كيلو هرتز”، وبالنسبة لنطاق بث الموجة المتوسطة يكون تباعد القنوات في منطقتي الاتحاد” 1 كيلو هرتز” و”3 9 كيلو هرتز”، وفي منطقة الاتحاد الدولي للاتصالات الأمريكان تبلغ “10 كيلو هرتز”.

لتحقيق مباعدة القنوات هذه يجب أن يكون الطيف الصوتي محدوداً، وإذا لم يحدث تداخل للمحطات الموجودة على القنوات المجاورة، فسيؤدي ذلك إلى الحد بشدة من التردد الصوتي الأعلى، وعلى نطاقات الموجة القصيرة سيكون نصف ك5 كيلو هيرتز”، أي 2.5 كيلو هيرتز”، كما من الواضح أنّ هذا لن يسمح بجودة كافية للبث، وبالتالي فإن عرض النطاق الترددي للإشارات أعلى قليلاً من هذا ويحدث بعض التداخل.

وبالمثل في نطاقات الموجة المتوسطة والطويلة، غالباً ما يكون عرض النطاق الترددي لإشارة “AM” أعلى من نصف تباعد القنوات، كما تتم إدارة التداخل من خلال عدم السماح للمحطات الموجودة على مقربة شديدة من شغل القنوات المجاورة.

قناة AM النموذجية وعرض نطاق الإشارة:

بعض الاستعمالات الرئيسية لتعديل الاتساع هذه الأيام هي للبث ولاتصالات الطيران، حيث يختلف تباعد القنوات وفقاً للتطبيق والتردد والمواقع، كما يبدو أنّ الحدود النظرية لعرض النطاق الترددي الصوتي لمحطات البث المشكل بالسعة محدودة أكثر بكثير ممّا يحدث في الواقع، وأرقام النطاق الترددي السمعي التي تصل إلى “6 كيلو هيرتز” ليست غير شائعة، بشكل عام لا يتم تخصيص القنوات المجاورة بحيث يمكن استيعاب الإشارات المنتشرة في القنوات المجاورة.

هذا جيد للبث على نطاقات مثل نطاق الموجة المتوسطة أثناء النهار، ولكن في الليل عندما تنتقل الإشارات أكثر نتيجة انتشار الأيونوسفير يحدث المزيد من التداخل، أمّا بالنسبة إلى نطاقات الموجة القصيرة، غالباً ما تكون مستويات التداخل عالية، كما قد جربت بعض محطات البث واستخدمت نطاقاً جانبياً مفرداً مع ناقل كامل، وهذا يقلل بشكل فعال النصف من عرض النطاق الترددي للإشارة الإجمالية لعرض نطاق صوتي معين.

من أجل توفير مكسب ضمن خطة مجال قناة، تحتاج كافة المحطات إلى اعتماد نفس الخطة، حيث غالباً ما تستخدم اتصالات الطيران تعديل السعة، عرض نطاق القناة “25 كيلو هرتز” و”8.33 كيلو هرتز” قياسي يعتمد على الطائرة والموقع، كما يمكن تصميم الصوت ليناسب تباعد القنوات، حيث يمكن اعتماد عرض نطاق صوتي للاتصالات من “300 هرتز” إلى حوالي “3 كيلو هرتز”.

يمكن رؤية عرض النطاق الترددي لتشكيل الاتساع على أنّه ضعف عرض أعلى إشارة صوتية يمكن حملها، وهذا يجعله ضعيفاً نسبياً من حيث الكفاءة الطيفية، ولكن مع ذلك لا يزال “AM” يستخدم لبعض التطبيقات نظراً لبساطته، خاصةً من حيث إزالة التشكيل.

عرض النطاق الترددي AM ومخططات الطيف الترددي:

• عرض النطاق هو “F”.

• عرض النطاق الترددي = 2 x F كحد أقصى.

• عرض النطاق الترددي لإشارة AM هو ضعف أعلى تردد صوتي تم تشكيله على الموجة الحاملة.

يتم وضع محطات الراديو “AM” بالقرب من بعضها البعض على نطاقات الموجات الطويلة والمتوسطة والقصير، لجعل هذا ممكناً يجب أن يكون النطاق الترددي محدوداً، وهذا يمنع الإرسال من محطات مختلفة متداخلة مع بعضها البعض، حيث يلزم ضبط المستقبل جيداً، أي الانتقائية لالتقاط محطة واحدة فقط في كل مرة، وهذه خاصية جودة الصوت الرديئة إلى حد ما لمحطات الراديو “AM”، وهذا يسمح بتباعد قناة “9 كيلو هرتز” بهامش أمان صغير.