كاشف ذو حلقة مغلقة - Phase Lock Loop FM Demodulation

يمكن تصنيع كاشفات (PLL FM) بسهولة من مجموعة متنوعة من الدوائر المتكاملة ذات الحلقة المقفلة الطور المتوفرة، ونتيجة لذلك توجد أجهزة إزالة التضمين (PLL FM) في العديد من أنواع معدات الراديو التي تتراوح من أجهزة استقبال البث إلى معدات الاتصالات عالية الأداء.

ما هي حلقة قفل الطور – phase locked loop؟

حلقة قفل الطور (phase – locked loop): هي نظام تحكم يولد إشارة ناتج ترتبط طورها بمرحلة إشارة الإدخال حيث هناك عدة أنواع مختلفة أبسطها دائرة إلكترونية تتكون من مذبذب تردد متغير وكاشف طور في حلقة تغذية مرتدة حيث يولد المذبذب إشارة دورية ويقارن كاشف الطور مرحلة تلك الإشارة بمرحلة إشارة الإدخال الدورية مع ضبط المذبذب للحفاظ على تطابق المراحل.

بدأ استخدام تقنية (PLL) عندما تولت الدوائر المتكاملة العديد من الوظائف الراديوية حيث يمكن بسهولة دمج (PLL) في راديو (IC) ببساطة عن طريق إضافة القليل من الدوائر الإضافية إلى (IC) حيث أضاف هذا تكلفة قليلة جداً ولم يتطلب سوى عدد قليل من المكونات الخارجية أي عادةً ما تكون المقاومات اولمكثفات رخيصة الثمن.

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

أساسيات إزالة التضمين PLL FM:

الطريقة التي تعمل بها حلقة مغلقة الطورأي مزيل التضمين (PLL FM) بسيطة نسبياً حيث لا يتطلب أي تغييرات على الحلقة المقفلة الأساسية وذلك باستخدام التشغيل الأساسي للحلقة لتوفير الإنتاج المطلوب، فمثلاً عند تشغيل مزيل التضمين (PLL FM) في حالة التي لا يتم فيها تطبيق أي تعديل ويكون الناقل في الموضع المركزي لنطاق المرور حيث يتم ضبط الجهد على خط التوليف إلى (V_CO) على الوضع الأوسط.

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

على الرغم من عدم الحاجة إلى إجراء تغييرات أساسية على الحلقة المغلقة للطور حتى تتمكن من إزالة تضمين (FM) حيث يتم توفير مكبر للصوت المؤقت عادةً من خط التوليف لمنع تحميل خط التوليف بواسطة أقسام أخرى من جهاز الاستقبال، كما 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 دارة (565) التي كانت موجودة منذ سنوات عديدة في مجموعة متنوعة من الأشكال، وعلى الرغم من أنّ الدائرة قديمة جداً إلّا أنّها تعمل جيداً وغالباً ما يتم ربح القليل من خلال الذهاب إلى شرائح أخرى.

أداء مزيل التضمين PLL FM:

يعتبر مزيل التضمين (PLL FM) عادةً شكلاً عالي الأداء نسبياً لمزيل أو كاشف (FM)، وفقاً لذلك يتم استخدامها في العديد من تطبيقات مستقبلات (FM) حيث يتميز مزيل التضمين (PLL FM) بعدد من المزايا الرئيسية:

1. الخطية:

إحدى مزايا مزيل التضمين (PLL FM) هي درجة الخطية العالية حيث يتم التحكم في ذلك من خلال خاصية الجهد إلى التردد لـ (V_CO) داخل حلقة قفل الطور، وعادةً ما تكون الحلقة المغلقة للطور قادرة على العمل عبر عرض نطاق عريض أي عادةً ما يكون هذا أوسع بكثير من عرض النطاق الترددي لإشارة (FM) أو حتى مراحل (IF) في مُستقبل (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 (V_CO) هو العامل المحدد الرئيسي ويمكن جعل هذا خطياً جداً 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 جداً 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) حيث إنّه يمكن أن يساعد إذا تم تشغيل مكبر (IF) للراديو في التشبع بحيث يكون مستوى الإشارة محدوداً ويتم إزالة الضوضاء، ولكن حتى من تلقاء نفسه حيث يوفر مزيل التضمين (PLL FM) مناعة جيدة للضوضاء.

3. سهولة الدمج في الدوائر المتكاملة:

من السهل جداً تنفيذ الحلقات المقفلة الطور في دائرة متكاملة حيث لطالما كانت (PLLs) متاحة على شكل دوائر متكاملة وهذا يعني أنّ التكنولوجيا سهلة التنفيذ حيث تتوفر أيضاً كتل مزيل التضمين (PLL FM) لمصممي (IC) وبالتالي فإنّ العديد من الدوائر المتكاملة لمكبرات الراديو (IF) يوجد بداخلها مزيلات تضمين لـ (AM وFM) حيث تكون مضمنة بداخلها، وغالباً ما يكون مزيل التضمين (FM) عبارة عن مزيل تضمين الحلقة مغلق الطور.

4. تكاليف التصنيع:

إنّ مزيل التضمين (FM) ذو الحلقة المغلقة الطور يفسح المجال لتقنية الدائرة المتكاملة، فلا 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 (V_CO).

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

نظام تصميم مزيل التضمين PLL FM:

عند تصميم نظام حلقي مغلق الطور لاستخدامه كمزيل تضمين (FM)، فإنّ أحد الاعتبارات الرئيسية هو مرشح الحلقة حيث يجب اختيار هذا ليكون واسعاً بدرجة كافية بحيث يمكنه متابعة التغييرات المتوقعة للإشارة المشكلة بالتردد، وفقاً لذلك يجب أن يكون وقت استجابة الحلقة قصيراً عند مقارنته بأقصر مقياس زمني متوقع لتغيرات الإشارة التي يتم إزالة تضمينها.

يعتبر خطي (V_CO) أحد الاعتبارات الأخرى في التصميم، كما يجب تصميم ذلك بحيث يكون منحنى الجهد إلى التردد خطياً قدر الإمكان عبر نطاق الإشارة الذي سيتم مواجهته أي التردد المركزي زائد وناقص الحد الأقصى للانحراف المتوقع حيث لا يمثل الخطي (PLL V_CO) مشكلة رئيسية للأنظمة المتوسطة، ولكن قد يتطلب الأمر بعض الاهتمام لضمان أنّ الخطية جيدة بما فيه الكفاية لأنظمة (hi-fi).

تُستخدم مزيلات التضمين (FM) ذات الحلقة المغلقة الطور في العديد من أجهزة استقبال الراديو المحلية والمهنية على حد سواء لإزالة تضمين إشارات (FM) حيث يوفر مزيل التضمين (PLL FM) خياراً جذاباً للغاية في كثير من الحالات، كما يوفر مستويات منخفضة للغاية من التشويه والقدرة على الاندماج في تقنية الدوائر المتكاملة.

يتم محاكاة اختبار واسع النطاق لمزيل تضمين (FM) ذو الحلقة المغلقة الطور (PLL) تحت تعديل غاوسي باستخدام طريقة (Monte Carlo) حيث يتم تقديم تحليلات أداء موحدة خالية من الضوضاء والضوضاء لمزيل التضمين (PLL FM)، كما تم الإبلاغ عن انخفاض كبير في حد التضمين بواسطة مرشاح ممر نطاق الإدخال في منطقة عرض نطاق الإدخال ذي الأهمية العملية، كما تم عرض مرشحات ممر النطاق (Bessel) ذات الترتيب الأكبر من اثنين للمقارنة بشكل إيجابي مع مرشحات (Butterworth) أمام مزيل التضمين (PLL FM).

بالنسبة إلى تشوّه التضمين البيني (IM) حيث تم العثور على حد أدنى على النطاق الترددي لضوضاء الحلقة عن طريق تقليل معدل نقر النواتج لمواصفات تشوه (IM) معينة، كما تم الإبلاغ عن عتبة (FM) بمقدار (dB4 و7dB) لنسبة انحراف التردد (RMS) إلى عرض نطاق الرسالة (0.1 إلى 1) عن أسوأ حالة تشوّه (IM) بمقدار (45dB).

مستخرج التربيع – FM quadrature demodulator:

مستخرج التضمين التربيعي (FM) يوفر كاشف الصدفة أو مزيل التضمين شكلاً آخر من دارة كاشف (FM) التي يتم استخدامها في العديد من المناطق، حيث يتم دمجها بسهولة في الدوائر المتكاملة، كما يتطلب الكاشف التربيعي استخدام عدد قليل جداً من المكونات، ولكنّه يتطلب ملفاً، ونظراً لأنّ المحث ليس سوى ملف وليس محولاً حيث يمكن استيعاب تأثير التكلفة للعديد من تصميمات مستقبلات الراديو.

أساسيات مزيل التضمين التربيعي FM:

إنّ دارة مزيل التضمين التربيعي واضحة تماماً تتكون من خلاط ومقاوم ومكثفين ومحث حيث يوجد مرشح تمرير منخفض لمتابعة الخلاط حيث يتم تقسيم الإشارة الواردة إلى مكونين، الأول يدخل الخلاط مباشرة لكن الثاني يتم إزاحته حيث يكون تغيير الطور (90 درجة) للناقل،و لكن الانحراف على الحامل سيؤدي إلى تغيير طفيف في تحول الطور، كما يعتمد على مقدار الانحراف، ويتم بعد ذلك تمرير الإشارة الأصلية والإشارة المنقولة بالطور إلى مضاعف أو جهاز مزج.

مزايا FM quadrature demodulator:

• يقدم مستوى جيد من الأداء بما في ذلك الخطية.
  
• يمكن دمجه في دائرة متكاملة.
  
• دائرة بسيطة للغاية أي من السهل التأكد من أنّها تعمل بشكل صحيح.
  

عيوب FM quadrature demodulator:

• يتطلب استخدام ملف أي هذه ليست مشكلة كبيرة حيث يتم استخدام ملف بسيط وليس هناك حاجة لمحول (RF) كما في حالة النسبة ودوائر (Foster Seeley).
  
• قد تتطلب بعض التصاميم الإعداد أثناء التصنيع.