على الرغم من أن التقنيات الأكثر شيوعاً لأجهزة توليف التردد تستلزم وضع فاصل رقمي في حلقة مغلقة بالطور، فمن الممكن استخدام التقنيات التماثلية، حيث يستلزم مُركب التردد التماثلي استخدام خالط يتم وضعه داخل الحلقة المغلقة بالطور لإدخال تخالف التردد، وقد لا يستخدم المركب التماثلي على نطاق واسع في كثير من النواحي، ولكنّه يوفر تقنية قوية للغاية وما يستخدم داخل أجهزة توليف التردد متعددة الحلقات.
ما هو مركب تردد PLL؟
مُركب PLL: هو توليد مجموعة متنوعة من ترددات النواتج كمضاعفات تردد مرجعي واحد، والتطبيق الرئيسي في توليد إشارات مذبذب محلي (LO) للتحويل لأعلى ولأسفل لإشارات التردد اللاسلكي حيث لا يتم استخدام المركب التماثلي على نطاق، ولكنّه يوفر تردداً لاسلكياً بنفس القوة وهو تقنية تصميم (RF).
أساسيات PLL:
يعتمد الشكل الأكثر شيوعاً لمُركِّب التردد اللاسلكي على الحلقة المغلقة الطورية أو تقنية (PLL) حيث أصبح النهج راسخاً ويوفر أداءً ممتازاً ومرونة في الاستخدام، حيث يستخدم (PLL) فكرة مقارنة المرحلة كأساس لعملها، كما تتكون من كتل دارة أساسية ومقارنة طور ومذبذب متحكم فيه بالجهد ومرشح حلقي، كما يتم تضمين مذبذب مرجعي في مخطط الكتلة على الرغم من أنّه ليس جزءاً من الحلقة نفسها إلّا أنّ الإشارة المرجعية مطلوبة لتشغيلها.
تعمل الحلقة المقفلة للطور (PLL) من خلال مقارنة طور إشارتين، كما تدخل الإشارات من مذبذبالجهد المتحكم فيه والمرجع إلى مقارنة الطور ويتم إنتاج إشارة ثالثة تساوي فرق الطور بين إشاري الدخل ثم يتم تمرير إشارة فرق الطور من خلال مرشح الحلقة، كما يؤدي هذا عدداً من الوظائف بما في ذلك إزالة أي منتجات غير مرغوب فيها موجودة في هذه الإشارة.
يتم تطبيقه على طرف التحكم في مذبذب التحكم في الجهد، حيث أنّ جهد التوليف أو جهد الخطأ يحاول تقليل الخطأ بين الإشارتين اللتين تدخلان في مقارنة الطور، وهذا يعني أنّ المذبذب المتحكم فيه بالجهد سوف يتم سحبه باتجاه تردد المرجع، وعندما يكون هناك جهد خطأ ثابت في حالة القفل فإنّه يتناسب مع خطأ الطور بين الإشارتين وهو ثابت فقط عندما تتغير المرحلة بين إشارتين يكون هناك اختلاف في التردد، ونظراً لأنّ فرق الطور يظل ثابتاً عندما تكون الحلقة في حالة قفل فهذا يعني أنّ تردد مذبذب الجهد المتحكم فيه هو بالضبط نفس المرجع.
طرق صنع مركبات التردد من الحلقات المغلقة الطورية:
1. المركب التماثلي – Analogue PLL Synthesizer:
يقدم هذا النوع من مُصنِّع التردد خلاطاً في (PLL) بين مذبذب التحكم في الجهد وكاشف الطور، ومن خلال إدخال إشارة خارجية في الطرف الآخر للخلاط يتم إدخال إزاحة ثابتة مساوية لتلك الخاصة بالتردد الخارجي في الحلقة.
أساسيات مركب التردد التماثلي – Analogue PLL Synthesizer:
تعمل الحلقة المقفلة للطور التماثلي عن طريق وضع خلاط داخل حلقة مغلقة الطور بين مذبذب التحكم في الجهد وكاشف الطور، وبالتالي فإنّ المركب التماثلي لديه إزاحة تردد موضوعة في الحلقة، وهذا يعني أنّ (Vco) سيعمل بتردد مختلف عن تردد المقارنة للحلقة، كما يمكن تحليل الطريقة التي تعمل بها الحلقة المغلقة للطور (PLL) مع الخلاط المدمج بنفس الطريقة التي تم استخدامها للحلقة ذات الحاجز.
عندما تكون الحلقة مغلقة، فإنّ الإشارات التي تدخل كاشف الطور تكون بنفس الترددات بالضبط حيث يضيف الخلاط إزاحة مساوية لتردد الإشارة التي تدخل المنفذ الآخر للخلاط، فمثلاً إذا كان المذبذب المرجعي يعمل بتردد (10 ميجاهرتز) وكانت الإشارة الخارجية عند (15 ميجاهرتز)، فيجب أن يعمل (Vco) إمّا عند (5 ميجاهرتز) أو (25 ميجاهرتز)، وعادةً يتم إعداد الحلقة بحيث يغير الخلاط التردد إلى أسفل وإذا كان هذا في هذه الحالة، سيعمل المذبذب بسرعة (25 ميجا هرتز).
آلية تصور المركب التماثلية:
يمكن ملاحظة أنّه قد تكون هناك مشاكل مع إمكانية أن يكون منتجان مختلطان قادرين على إعطاء تردد مقارنة المرحلة الصحيح، كما يحدث أنّه نتيجة للتقسيم التدريجي في الحلقة سيتمكن واحد فقط من قفلها، ومع ذلك لمنع الحلقة من الدخول في حالة غير مرغوب فيها يكون نطاق (Vco) محدوداً.
بالنسبة للحلقات المغلقة بالطور (PLLs) التي تحتاج إلى العمل على نطاق واسع يتم إضافة جهد التوجيه إلى جهد التوليف الرئيسي بحيث يتم توجيه تردد الحلقة إلى المنطقة الصحيحة للظروف المطلوبة، ومن السهل نسبياً توليد جهد توجيه باستخدام المعلومات الرقمية من معالج دقيق وتحويله إلى جهد تماثلي باستخدام محول رقمي إلى تماثلي (DAC) حيث يتم توفير الجهد الدقيق المطلوب لسحب الحلقة إلى القفل بواسطة الحلقة بالطريقة العادية.
توفر تقنيات مُركِّب التردد التماثلي أداة قوية لمن يصممون دارات الترددات الراديوية ولا سيما المشاركين في تطوير دارات المذبذب، كما يُمكِّن المركب التماثلي من ترجمة الترددات وخلط المنتجات لتخفيفها داخل الحلقة، وعلى هذا النحو يُعتبر المركب التماثلي مفيداً للغاية في العديد من تطبيقات الترددات اللاسلكية.
2. مركب التردد الرقمي – Digital PLL Synthesizer:
يعمل مُركب التردد الرقمي (PLL RF) عن طريق وضع مقسم تردد رقمي في (PLL) بين (Vco) وكاشف الطور، وعن طريق تغيير نسبة التقسيم للمقسم يتغير تردد النواتج حيث يكتسب مُركب التردد الرقمي اسمه من حقيقة أنّه يستخدم تقنيات رقمية للتحكم في تردد النواتج، ونظراً لأنّ المقسم يستخدم تقنيات رقمية، فمن الممكن تغيير نسبة تقسيم الحاجز وبالتالي تغيير النواتج من جهاز المزج ذو الحلقة المغلقة الطور.
يُعد جهاز المزج الرقمي (PLL) مفيداً بشكل خاص لأنّه يمكن التحكم فيه بواسطة مجموعة من الخطوط الرقمية ويمكن أن تأتي من معالج دقيق أو وحدة تحكم، وبهذه الطريقة يمكن إضافة درجات كبيرة من الوظائف إلى أي نظام يستخدم المركب الرقمي (PLL).
أساسيات مركب التردد الرقمي:
تُستخدم الفواصل أو العدادات القابلة للبرمجة في العديد من مجالات الإلكترونيات، بما في ذلك العديد من تطبيقات التردد اللاسلكي، حيث يأخذ قطار نبضي ويعطى قطاراً أبطأ، وفي القسمة على دائرتين يتم إعطاء نبضة واحدة فقط لكل دائرتين حيث يتم تغذيتهما، ويكون بعضها ثابت بنسبة تقسيم واحدة فقط أمّا البعض الآخر قابل للبرمجة ويمكن تغذية المعلومات الرقمية أو المنطقية بها لتعيين نسبة القسمة.
عند إضافة الحاجز إلى الدائرة، لا تزال حلقة القفل الطور (PLL) تحاول تقليل فرق الطور بين الإشارتين اللتين تدخلان في مقارنة الطور، ومرة أخرى عندما تكون الدائرة في وضع القفل تكون كلتا الإشارتين اللتين تدخلان إلى المقارنة متماثلة تماماً في التردد، ولكي يكون هذا صحيحاً يجب تشغيل مذبذب الجهد الذي يتم التحكم فيه بتردد يساوي تردد مقارنة الطور مضروباً في نسبة الانقسام.
كما يمكن ملاحظة أنّه إذا تم تغيير نسبة القسمة بواحد، فسيتعين على مذبذب التحكم في الجهد أن يتغير إلى المضاعف التالي للتردد المرجعي، وهذا يعني أنّ تردد خطوة المركب يساوي التردد الذي يدخل المقارنة.
زيادة خطوة التردد في مركب التردد الرقمي:
يمكن أن يُلاحظ من تشغيل مُركب التردد الرقمي الأساسي، أنّ تردد النواتج هو (n) أضعاف تردد مقارنة الطور حيث (n) هي حصة القسمة، كما يُعد تغيير نسبة القسمة بمقدار واحد هو أصغر تغيير يمكن إجراؤه في التردد، ونتيجة لذلك يمكن ملاحظة أنّ أصغر تغيير يمكن إجراؤه في التردد يساوي تردد المقارنة أي تردد كاشف الطور، وفي التنسيق الأساسي لمركب التردد الرقمي فإنه يساوي التردد المرجعي.
تحتاج معظم أجهزة المزج إلى أن تكون قادرة على التقدم بزيادات أصغر بكثير إذا كان لها أي فائدة، وغالباً ما تكون أحجام الخطوات من (10 كيلو هرتز) أو (25 كيلو هرتز) مطلوبة، حيث يعمل الراديو ضمن قنوات مجموعة مختلفة، وبالنسبة لأجهزة الراديو التي تتطلب ضبطاً مستمراً فقد تكون أحجام الخطوات (100 هرتز) أو أقل مطلوبة.
لتحقيق ذلك يجب تقليل تردد المقارنة حيث يتم تحقيق ذلك عادةً عن طريق تشغيل المذبذب المرجعي بتردد مبجا هيرتز أو نحو ذلك ثم تقسيم هذه الإشارة إلى التردد المطلوب باستخدام مقسم ثابت، وبهذه الطريقة يمكن تحقيق تردد مقارنة منخفض، كما تعمل المذبذبات المرجعية عادةً على ترددات تبلغ بضعة ميجاهرتز، وغالباً ما تكون (5 ميجاهرتز أو 10 ميجاهرتز) لأنّ الأداء في هذه الترددات يكون أفضل ويمكن تحقيق حجم البلورة.
يتيح استخدام مقسم التردد بعد المولد المرجعي تردد مقارنة الطور المنخفض مع السماح للمذبذب المرجعي بالعمل بتردد مناسب وغالباً حوالي (10 ميجا هرتز)، وعند تطوير مُركب رقمي بتردد مرجعي منخفض، فهذا يعني أنّ المقسم القابل للبرمجة له نسبة تقسيم أعلى بكثير لأنّه يحتاج إلى الانقسام من تردد الناتج إلى تردد المقارنة الأقل، كما يمكن أن يؤدي هذا إلى حدوث مشكلات في التأخير من خلال الحاجز بالإضافة إلى ضوضاء المرحلة العالية وما شابه.
توضح المخططات التنسيقات الأساسية لأجهزة توليف التردد الرقمية، ففي العديد من التطبيقات الحقيقية قد تكون دائرة مُركِّب التردد الراديوي أكثر تعقيداً وتتكون أحياناً من حلقات متعددة لتمكين تحقيق مستويات الأداء المطلوبة.
