كاشف الحلقة مغلقة الطور - Phase Locked Loop Demodulation

يمكن استخدام حلقة مغلقة الطور (PLL) لإنشاء دائرة معقدة ولكنّها عالية الأداء لإزالة تضمين (FM)، كما يمكن لـ(PLL) تثبيت تردد شكل موجة واردة بحيث يقوم بذلك عن طريق الجمع بين كاشف الطور ومرشح تمرير منخفض يُعرف باسم مرشح الحلقة ومذبذب يتم التحكم فيه بالجهد (VCO) في نظام ردود فعل سلبية.

ما هو الحلقة مغلقة الطور – PLL؟

الحلقات المقفلة بالطور (phase locked loop): هي عبارة عن أنظمة تغذية مرتدة ذات حلقة مغلقة تتكون من مكونات تمثيلية ورقمية بما في ذلك مذبذب يتم التحكم فيه بالجهد، وهي إحدى الكتل الحيوية في الأنظمة الخطية، وهو مفيد في أنظمة الاتصالات مثل الرادارات والأقمار الصناعية و(FM).

توجد دارات الحلقة المغلقة أي الحلقة مغلقة الطورفي مجموعة متنوعة من التطبيقات عالية التردد من دوائر تنظيف الساعة البسيطة إلى المذبذبات المحلية (LOs) لوصلات الاتصالات الراديوية عالية الأداء ومُركِّبات تردد التحويل فائقة السرعة في محللات شبكة المتجهات (VNA).

يمكن تصنيع أجهزة الكشف عن (FM PLL) بسهولة من مجموعة متنوعة من الدوائر المتكاملة ذات الحلقة مقفلة الطور المتوفرة، ونتيجة لذلك توجد أجهزة إزالة التضمين (PLL FM) في العديد من أنواع المعدات اللاسلكية التي تتراوح من أجهزة استقبال البث إلى معدات الاتصالات عالية الأداء، كما بدأ استخدام تقنية (PLL) عندما تولت الدوائر المتكاملة العديد من الوظائف الراديوية بحيث يمكن بسهولة دمج (PLL) في راديو (IC) ببساطة عن طريق إضافة القليل من الدوائر الإضافية إليه، ممّا أضاف هذا تكلفة قليلة جداً ولم يتطلب سوى عدد قليل من المكونات الخارجية عادةً ما تكون المقاومات والمكثفات رخيصة الثمن.

تقضي تقنية (PLL) على محولات التردد الراديوي المكلفة اللازمة للدوائر مثل كاشف نسبة (FM) ودائرة (Foster Seeley) نموذجياً لا يتطلب مزيل التضمين (FM) ذو الحلقة المغلقة الطور استخدام محث ووجود محول يكون تصنيعه أكثر تكلفة.

مكونات phase locked loop:

1. كاشف الطور (Phase detector): ينتج جهد تيار مستمر والذي يتناسب مع فرق الطور بين إشارة الإدخال التي لها تردد (F_in) وإشارة تغذية مرتدة ناتجة لها تردد (F_out)، هو مُضاعِف وينتج عنصري تردد عند ناتجه بحيث يكون مجموع الترددات(F_in) و(F_out) وفرق الترددات بينهم.
   
2. مرشح الترددات المنخفضة النشط (active low pass filter): ينتج عن مرشح التمرير المنخفض النشط جهد تيار مستمر عند ناتجه بعد التخلص من مكون التردد العالي الموجود في ناتج كاشف الطور، كما أنّه يضخم الإشارة.
   
3. مذبذب التحكم في الجهد (VCO): ينتج إشارة لها تردد معين عندما لا يكون هناك إدخال مطبق عليها، كما يمكن تحويل هذا التردد إلى أي من الجانبين عن طريق تطبيق جهد التيار المستمر عليه، لذلك فإنّ انحراف التردد يتناسب طردياً مع جهد التيار المستمر الموجود عند ناتج مرشح تمرير منخفض.
   

آلية عمل phase locked loop:

يعمل (PLL) عندما يتساوي تردد (VCO) مع تردد إشارة الإدخال، وبناءً على نوع التطبيق يمكننا استخدام إمّا إنتاج مرشح التمرير المنخفض النشط أو إنتاج (VCO)، كما تُستخدم (PLLs) في العديد من التطبيقات مثل مزيل تضمين (FM).

تعمل (PLL) في أحد الأوضاع التالية:

• وضع التشغيل الحر.
  
• وضع الالتقاط.
  
• وضع القفل.
  

في البداية، يعمل (PLL) في وضع التشغيل الحر عندما لا يتم تطبيق أي إدخال عليه وعندما يتم تطبيق إشارة إدخال لها بعض التردد على (PLL)، فإنّ تردد إشارة الخرج لـ (VCO) سيبدأ في التغيير، وفي هذه المرحلة يقال إنّ (PLL) يعمل في وضع الالتقاط، كما سيتغير تردد إشارة النواتج لـ (VCO) باستمرار حتى يساوي تردد إشارة الإدخال وبعدها يبدأ (PLL) بالعمل في وضع القفل.

بعد أن يتم قفل (PLL)، يمكنه إنشاء مخرج الجيب الذي يتبع تغيرات التردد في الجيب الوارد، وسوف يتم أخذ شكل الموجة الناتج هذا من ناتج مذبذبات التحكم في الجهد (VCO)، ومع ذلك في تطبيق (FM – demodulator) لا تحتاج إلى إنتاج الجيب الذي له نفس تردد إشارة الإدخال، بدلاً من ذلك يتم استخدام النواتج من مرشح الحلقة كإشارة مُزالة التضمين.

ينتج كاشف الطور إشارة تتناسب مع فرق الطور بين شكل الموجة الواردة وناتج (VCO)، كما يعمل مرشح الحلقة على تنعيم هذه الإشارة والتي تصبح بعد ذلك إشارة التحكم لـ(VCO)، وبالتالي إذا كان تردد الإشارة الواردة يتزايد ويتناقص باستمرار فيجب أن تزداد إشارة التحكم (VCO) وتنقص وفقاً لذلك لضمان بقاء تردد ناتج (VCO) مساوياً لتردد الإدخال، فإنّ ناتج مرشح الحلقة هو إشارة توافق تغيرات اتساعها مع تغيرات تردد الإدخال وهذه هي الطريقة التي ينجز بها (PLL) إزالة تضمين التردد (FM).

أساسيات إزالة التضمين PLL – FM:

الطريقة التي تعمل بها حلقة مغلقة الطور ومزيل التضمين (PLL FM) بسيطة نسبياً بحيث لا يتطلب أي تغييرات على الحلقة المقفلة الأولية باستخدام التشغيل الأساسي للحلقة لتوفير النواتج المطلوبة، وفي الحالة التي لا يتم فيها تطبيق أي تعديل ويكون الناقل في الموضع المركزي لنطاق المرور، يتم ضبط الجهد على خط التوليف إلى (VCO) على الوضع الأوسط.

ومع ذلك إذا انحرف الناقل في التردد فستحاول الحلقة إبقاء الحلقة في حالة قفل، ولكي يحدث هذا يجب أن يتبع تردد (VCO) الإشارة الواردة ولكي يحدث هذا يجب أن يتغير جهد خط التوليف بحيث توضح مراقبة خط التوليف أنّ الاختلافات في الجهد تتوافق مع التعديل المطبق على الإشارة، ومن خلال تضخيم الاختلافات في الجهد على خط التوليف فأصبح من الممكن توليد إشارة تمت إزالتها.

وعلى الرغم من عدم الحاجة إلى إجراء تغييرات أساسية على الحلقة المغلقة للطور وحتى تتمكن من إزالة تضمين (FM) يتم توفير مكبر للصوت المؤقت عادةً من خط التوليف لمنع تحميل خط التوليف بواسطة أقسام أخرى من جهاز الاستقبال، إنّه يوفر مقاومة إنتاج أقل ونتيجة لذلك يمنع هذا التحميل من مكبر الصوت من إزعاج الحلقة بأي شكل من الأشكال.

هناك العديد من الدوائر المتكاملة المختلفة التي تمكن من إزالة تضمين (FM)، وواحدة من أكثرها شعبية هي دائرة (565) التي كانت موجودة منذ سنوات عديدة في مجموعة متنوعة من الأشكال، وعلى الرغم من أنّ الدائرة قديمة جداً إلّا أنّها تعمل جيداً.

أداء مزيل التضمين PLL – FM:

يعتبر مزيل التضمين (PLL FM) شكلاً عالي الأداء نسبياً لكاشف (FM) ووفقاُ لذلك يتم استخدامها في العديد من تطبيقات مستقبلات (FM)، يتميز مزيل التضمين (PLL FM) بعدد من المزايا الرئيسية منها:

1. الخطية – Linearity:

إحدى مزايا مزيل التضمين (PLL FM) هي درجة الخطية العالية حيث يتم التحكم في ذلك من خلال خاصية الجهد إلى التردد لـ(VCO) داخل حلقة قفل الطور، وعادةً ما تكون الحلقة المغلقة للطور قادرة على العمل عبر عرض نطاق عريض أي ما يكون أوسع بكثير من عرض النطاق الترددي لإشارة (FM) أو حتى مراحل (IF) في مستقبل (FM)، ونظراً لأنّ انحراف التردد لإشارة (FM) الواردة لا يغطي سوى جزء صغير من عرض نطاق (PLL) فإنّ التحويل الكلي يكون خطياً للغاية.

منحنى الجهد إلى التردد (VCO) هو العامل المحدد الرئيسي ويمكن جعل هذا خطياً جدًا للنطاق المطلوب لإزالة تضمين (FM)، وعادةً ما تكون مستويات التشويه لمزيلات التضمين (PLL FM) منخفضة جداً وعادةً ما تكون في حدود عُشر بالمائة، وهذا يجعل جهاز إزالة التضمين (PLL FM) خياراً جيداً للموالفات عالية الدقة بالإضافة إلى العديد من التطبيقات الأخرى بما في ذلك الاتصالات اللاسلكية.

2. غير حساس لضوضاء السعة:

إنّ مزيل التضمين (FM) ذو الحلقة المغلقة الطور غير حساس للغاية لضوضاء السعة، ونظراً لأنّ الحلقة المغلقة للطور سوف تتعقب تردد الإشارة الواردة، فإنّها توفر درجة عالية نسبياً من مناعة ضوضاء (AM)، كما يمكن أن يساعد إذا تم تشغيل مكبر (IF) للراديو في التشبع بحيث يكون مستوى الإشارة محدوداً ويتم إزالة الضوضاء، ولكن حتى من تلقاء نفسه، يوفر مزيل التضمين (PLL FM) مناعة جيدة ضد الضوضاء.

3. سهولة الدمج في الدوائر المتكاملة:

من السهل تنفيذ الحلقات المقفلة الطور في دائرة متكاملة، ولطالما كانت (PLLs) متاحة على شكل دوائر متكاملة وهذا يعني أنّ التكنولوجيا سهلة التنفيذ، كما تتوفر أجهزة مزيل التضمين (PLL FM) لمصممي (IC) وبالتالي فإنّ العديد من الدوائر المتكاملة لمكبرات الراديو (IF) يوجد فيها مزيلات تضمين لـ (AM وFM) مضمنة بداخلها بحيث يكون مزيل التضمين (FM) عبارةً عن مزيل تضمين الحلقة مغلق الطور.

4. تكاليف التصنيع:

لأنّ مزيل التضمين (FM) ذو الحلقة المغلقة الطور يفسح المجال لتقنية الدائرة المتكاملة، فإنّه لا يلزم سوى عدد قليل من المكونات الخارجية لإكمال مزيل التضمين (FM)، وله ميزة واحدة خاصة هي أنّه في كثير من الأحيان لا يكون هناك حاجة إلى محث لدائرة (VCO).

وتُعد المحاثات عبارة عن مكونات باهظة الثمن نسبياً، فإنّ هذا يمكن أن يقلل بشكل كبير من تكاليف المكونات الإجمالية ويجعل هذا النهج مفيداً للغاية للتصنيع على نطاق واسع، وهذه الحقائق تجعل مزيل التضمين (PLL FM) جذاباً بشكل خاص للتطبيقات الحديثة.