مُركِّب التردد

📅 آخر تحديث: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة

مُركِّب التردد هو دائرة إلكترونية تُولِّد نطاقًا واسعًا من الترددات انطلاقًا من تردد مرجعي واحد. تُستخدم مُركِّبات التردد في أجهزة مثل أجهزة استقبال الراديو ، وأجهزة التلفاز ، والهواتف المحمولة ، وأجهزة الاتصال اللاسلكي ، وأجهزة راديو CB ، وأجهزة تحويل قنوات التلفزيون الكبلي ، وأجهزة استقبال الأقمار الصناعية، وأنظمة تحديد المواقع العالمية (GPS) . قد يستخدم مُركِّب التردد تقنيات مضاعفة التردد ، وتقسيم التردد ، والتوليف الرقمي المباشر ، ومزج التردد ، وحلقات التزامن الطوري لتوليد تردداته. يرتبط استقرار ودقة خرج مُركِّب التردد باستقرار ودقة تردد الإدخال المرجعي. لذا، تستخدم مُركِّبات التردد ترددات مرجعية مستقرة ودقيقة، مثل تلك التي يُوفِّرها مُذبذب بلوري .

الأنواع

يمكن تمييز ثلاثة أنواع من أجهزة توليف الإشارات. النوعان الأول والثاني يُستخدمان عادةً كبنى مستقلة: التوليف التناظري المباشر (يُسمى أيضًا بنية المزج والتصفية والتقسيم [ 1 ] كما في ستينيات القرن الماضي، مثل HP 5100A [ 2 ]) ، ومولد الإشارات الرقمي المباشر (DDS) الأكثر حداثة ( انظر الجدول ). أما النوع الثالث فيُستخدم عادةً كوحدات بناء لدوائر متكاملة لأنظمة الاتصالات : أجهزة توليف الإشارات الرقمية غير المباشرة ( PLL )، بما في ذلك أجهزة التوليف الصحيحة N والكسور N. [ 3 ] يُعد TAF-DPS، الذي ظهر مؤخرًا، نهجًا مباشرًا أيضًا، حيث يقوم بإنشاء شكل الموجة لكل نبضة في سلسلة نبضات الساعة بشكل مباشر.

مُركِّب ديجي فايز

يُشبه مُركِّب الإشارات الرقمية ثنائية الطور مُركِّب الإشارات الرقمية المباشرة (DDS) من بعض النواحي، ولكنه يختلف عنه في بنيته. ومن مزاياه أنه يُتيح دقةً أعلى بكثير من أنواع مُركِّبات الإشارات الأخرى عند تردد مرجعي مُحدد. [ 4 ] [ 5 ]

توليف الفترة المباشرة بمتوسط ​​التردد الزمني (TAF-DPS)

تركز تقنية توليف التردد المباشر بمتوسط ​​التردد الزمني (TAF-DPS) على توليد التردد لإشارات الساعة التي تُشغّل الدوائر المتكاملة . وبخلاف جميع التقنيات الأخرى، تستخدم هذه التقنية مفهومًا جديدًا لمتوسط ​​التردد الزمني. [ 6 ] وتهدف إلى معالجة مشكلتين عريقتين في مجال توليد إشارات الساعة على الرقاقة: توليد تردد عشوائي، والتبديل الفوري للتردد.

انطلاقًا من وحدة زمنية أساسية، يقوم نظام TAF-DPS أولًا بإنشاء نوعين من الدورات TA و TB . ثم يُستخدم هذان النوعان من الدورات بشكل متداخل لإنتاج سلسلة نبضات الساعة. ونتيجةً لذلك، يستطيع نظام TAF-DPS معالجة مشكلتي توليد الترددات العشوائية والتبديل الفوري للترددات بكفاءة. وكانت أول تقنية دوائر تستخدم مفهوم TAF هي دائرة الجامع الطائر [ 7 ] أو دائرة PLL للجامع الطائر [ 8 ] ، والتي طُوّرت في أواخر التسعينيات.

تاريخ

قبل انتشار استخدام أجهزة توليف الترددات، كانت أجهزة استقبال الراديو والتلفزيون ذات التغاير الفائق تعتمد على الضبط اليدوي لمذبذب محلي ، يستخدم دائرة رنانة لتوليد التردد، وذلك لالتقاط المحطات على ترددات مختلفة . وكان يتم ضبط جهاز الاستقبال على ترددات مختلفة إما بواسطة مكثف متغير أو مفتاح يختار الدائرة المضبوطة المناسبة للقناة المطلوبة، كما هو الحال في موالف البرج المستخدم عادةً في أجهزة استقبال التلفزيون قبل ثمانينيات القرن الماضي. إلا أن تردد الرنين في الدائرة المضبوطة ليس مستقرًا تمامًا؛ إذ تتسبب تغيرات درجة الحرارة وتقادم المكونات في انحراف التردد ، ما يؤدي إلى انحراف جهاز الاستقبال عن تردد المحطة. ويحل التحكم التلقائي في التردد (AFC) جزءًا من مشكلة الانحراف، لكن إعادة الضبط اليدوي كانت ضرورية في كثير من الأحيان. ونظرًا لاستقرار ترددات الإرسال، يُفضّل وجود مصدر دقيق لترددات ثابتة ومستقرة في جهاز الاستقبال.

تتميز رنانات بلورات الكوارتز بثبات يفوق دوائر LC بعدة مراتب ، وعند استخدامها للتحكم في تردد المذبذب المحلي ، توفر ثباتًا كافيًا للحفاظ على ضبط جهاز الاستقبال. مع ذلك، يتحدد تردد الرنين للبلورة بأبعادها، ولا يمكن تغييره لضبط جهاز الاستقبال على ترددات مختلفة. يتمثل أحد الحلول في استخدام بلورات متعددة، واحدة لكل تردد مطلوب، وتوصيل البلورة المناسبة بالدائرة. تُعد هذه التقنية عملية عند الحاجة إلى عدد قليل من الترددات، لكنها سرعان ما تصبح مكلفة وغير عملية في العديد من التطبيقات. على سبيل المثال، يدعم نطاق راديو FM في العديد من البلدان 100 تردد قناة فردي يتراوح بين 88 و108 ميجاهرتز تقريبًا ؛ ويتطلب ضبط كل قناة 100 بلورة. يمكن لتلفزيون الكابل دعم عدد أكبر من القنوات عبر نطاق أوسع بكثير. يؤدي العدد الكبير من البلورات إلى زيادة التكلفة ويتطلب مساحة إضافية. 

كان الحل لهذه المشكلة هو تطوير دوائر قادرة على توليد ترددات متعددة انطلاقاً من تردد مرجعي ينتجه مذبذب بلوري. يُطلق على هذا الجهاز اسم مُركِّب التردد. تتمتع الترددات المُركَّبة الجديدة بنفس استقرار تردد المذبذب البلوري الرئيسي لأنها مُشتقة منه.

تُنتج التقنيات المتماسكة ترددات مُستمدة من مُذبذب رئيسي واحد مستقر. في معظم التطبيقات، يُستخدم مُذبذب بلوري ، ولكن يُمكن استخدام مُرنانات ومصادر تردد أخرى. أما التقنيات غير المتماسكة فتستمد تردداتها من مجموعة من المُذبذبات المستقرة. [ 9 ] وتستخدم الغالبية العظمى من أجهزة توليف الصوت في التطبيقات التجارية التقنيات المتماسكة نظرًا لبساطتها وانخفاض تكلفتها.

تتوفر تقنيات متعددة لتوليد الترددات بشكل متماسك، بما في ذلك مقسم التردد ، وحلقة الطور المقفلة (PLL)، والتوليف الرقمي المباشر (DDS). يعتمد اختيار الطريقة على عدة عوامل، مثل التكلفة، والتعقيد، وحجم خطوة التردد، ومعدل التبديل، والضوضاء الطورية ، والخرج الطفيلي. تتوفر أنواع عديدة من مولدات التردد كدوائر متكاملة ، مما يقلل التكلفة والحجم.

تحليل وتصميم النظام

تشمل الكتب المبكرة المؤثرة في تقنيات توليف الترددات كتابات فلويد إم. غاردنر (كتابه "تقنيات قفل الطور " عام 1966 ) [ 10 ] وكتاب فينسيسلاف إف. كروبا (كتابه "توليف التردد" عام 1973 ). [ 11 ]

يُعتبر إجراء التصميم المدروس جيدًا الخطوة الأولى المهمة نحو مشروع ناجح لمُركِّب الترددات. [ 12 ] ويذكر ماناسيفيتش أن تصميم نظام مُركِّب الترددات يتضمن عددًا من أفضل إجراءات التصميم يُضاهي عدد مُصممي مُركِّبات الترددات ذوي الخبرة. [ 12 ] ويشمل تحليل نظام مُركِّب الترددات نطاق تردد الخرج، وزيادات ضبط التردد، واستقرار التردد، وأداء ضوضاء الطور، وزمن التبديل ، والحجم، واستهلاك الطاقة، والتكلفة. [ 13 ] ويقول كروفورد إن هذه المتطلبات متناقضة. [ 14 ]

يمكن استخدام تقنيات رياضية مماثلة لعلاقات نسب التروس الميكانيكية في توليف التردد عندما يكون عامل توليف التردد نسبةً بين عددين صحيحين. [ 11 ] تتيح هذه الطريقة تخطيطًا فعالًا لتوزيع وكبح التشويش الطيفي. تُصمَّم مُولِّفات التردد المتغير، بما في ذلك مُولِّدات الإشارات الرقمية المباشرة (DDS)، بشكل روتيني باستخدام الحساب النمطي لتمثيل الطور.

مبدأ عمل مُركِّبات PLL

مخطط كتلي لنوع شائع من مُركِّب PLL.

حلقة الطور المقفلة هي نظام تحكم تغذية راجعة. تقارن هذه الحلقة أطوار إشارتي دخل، وتنتج إشارة خطأ تتناسب مع الفرق بين طوريهما. [ أ ] تُصفّى إشارة الخطأ بعد ذلك باستخدام مرشح تمرير منخفض، وتُستخدم لتشغيل مذبذب مُتحكم فيه بالجهد (VCO)، الذي يُنتج تردد خرج. يُعاد تردد الخرج عبر مُقسّم تردد إلى مدخل النظام، مما يُنتج حلقة تغذية راجعة سالبة . إذا انحرف تردد الخرج، ستزداد إشارة خطأ الطور، مما يدفع التردد في الاتجاه المعاكس لتقليل الخطأ. وهكذا، يُقفل الخرج على التردد عند المدخل الآخر. يُسمى هذا المدخل الآخر بالمرجع ، ويُستمد عادةً من مذبذب بلوري مستقر.

يكمن سر قدرة مُركِّب التردد على توليد ترددات متعددة في مُقسِّم التردد الموجود بين الخرج ومدخل التغذية الراجعة. عادةً ما يكون هذا المُقسِّم على شكل عداد رقمي ، حيث تعمل إشارة الخرج كإشارة ساعة . يُضبط العداد مسبقًا على قيمة عد ابتدائية، ويبدأ العد التنازلي مع كل دورة من إشارة الساعة. عندما يصل إلى الصفر، يتغير خرج العداد وتُعاد قيمة العد. هذه الدائرة سهلة التنفيذ باستخدام القلابات ، ولأنها رقمية بطبيعتها، يسهل ربطها بمكونات رقمية أخرى أو بمعالج دقيق . هذا يسمح بالتحكم بسهولة في خرج التردد من المُركِّب واستخدامه بواسطة نظام رقمي.

مثال

لنفترض أن إشارة المرجع هي 100  كيلوهرتز، ويمكن ضبط المُقسِّم مسبقًا على أي قيمة بين 1 و100. ستكون إشارة الخطأ الناتجة عن المُقارِن صفرًا فقط عندما يكون خرج المُقسِّم أيضًا 100  كيلوهرتز. ولتحقيق ذلك، يجب أن يعمل مُذبذب الجهد المُتحكم به (VCO) بتردد يساوي 100  كيلوهرتز مضروبًا في قيمة عدّ المُقسِّم. وبالتالي، سيُنتج خرجًا بتردد 100  كيلوهرتز عند العدّ 1، و200  كيلوهرتز عند العدّ 2، و1  ميجاهرتز عند العدّ 10، وهكذا. تجدر الإشارة إلى أنه لا يُمكن الحصول إلا على مُضاعفات صحيحة لتردد المرجع باستخدام أبسط مُقسِّمات ذات عدد صحيح N. أما مُقسِّمات ذات عدد كسري N، والتي تتغلب على هذا القيد، فهي متوفرة بسهولة. [ 15 ]

الاعتبارات العملية

خلاط/مذبذب Philips TDA6651TT بجهد 5 فولت ومُركِّب PLL منخفض الضوضاء لموالف أرضي هجين

عمليًا، لا يمكن لمُركِّب الترددات القائم على حلقة قفل الطور (PLL) العمل ضمن نطاق ترددي واسع جدًا، لأن نطاق تردد المُقارن سيكون محدودًا وقد يُعاني من مشاكل التداخل . وهذا بدوره سيؤدي إلى حالات قفل خاطئة أو عدم القدرة على القفل نهائيًا. إضافةً إلى ذلك، يصعب تصميم مُذبذب مُتحكم بالجهد (VCO) عالي التردد يعمل ضمن نطاق واسع جدًا.

تتطلب العديد من تطبيقات الراديو ترددات أعلى من تلك التي يمكن إدخالها مباشرةً إلى العداد الرقمي. يمكن استخدام مرحلة تقسيم أولية سريعة تُسمى مُقسِّم التردد لخفض التردد إلى مستوى يمكن التحكم فيه. ولأن مُقسِّم التردد جزء من نسبة التقسيم الكلية، فإن استخدام مُقسِّم تردد ثابت قد يُسبب مشاكل في تصميم نظام يدعم تباعد القنوات الضيق الذي يُصادف عادةً في تطبيقات الراديو. ويمكن التغلب على هذه المشكلة باستخدام مُقسِّم تردد ثنائي المعامل . [ 15 ]

تشمل الجوانب العملية الأخرى الوقت اللازم للتبديل بين الترددات، ووقت التثبيت عند التشغيل الأولي، ومستوى التشويش في الخرج. كل هذه العوامل تعتمد على مرشح الحلقة في النظام، وهو مرشح تمرير منخفض يوضع بين خرج مُقارن التردد ومدخل مُذبذب التحكم بالجهد (VCO). عادةً ما يكون خرج مُقارن التردد على شكل نبضات خطأ قصيرة، بينما يجب أن يكون مدخل مُذبذب التحكم بالجهد (VCO) جهدًا مستمرًا سلسًا وخاليًا من التشويش. يؤدي الترشيح المكثف إلى إبطاء استجابة مُذبذب التحكم بالجهد (VCO) للتغيرات، مما يُسبب انحرافًا وبطءًا في زمن الاستجابة، بينما قد يُؤدي الترشيح الخفيف إلى تشويش وعدم استقرار. لذا، يُعد تصميم المرشح بالغ الأهمية لأداء النظام، وهو محور التركيز الرئيسي عند تصميم نظام توليف موسيقي. [ 15 ]

يُستخدم كمعدِّل للتردد

يمكن للعديد من مُركِّبات التردد PLL إنتاج تعديل التردد (FM). تُضاف إشارة التعديل إلى خرج مُرشِّح الحلقة، مما يُغيِّر تردد مُذبذب الجهد المُتحكَّم به (VCO) وخرج المُركِّب مباشرةً. يظهر التعديل أيضًا عند خرج مُقارن الطور، مُخفَّضًا في السعة بفعل أي تقسيم للتردد. أي مُكوِّنات طيفية في إشارة التعديل ذات تردد منخفض جدًا بحيث لا يُمكن حجبها بواسطة مُرشِّح الحلقة، تعود إلى مدخل مُذبذب الجهد المُتحكَّم به بقطبية مُعاكسة لإشارة التعديل، وبالتالي يتم إلغاؤها. (تعتبر الحلقة هذه المُكوِّنات بمثابة ضوضاء مُذبذب الجهد المُتحكَّم به التي يجب إزالتها). لا يُمكن لمُكوِّنات التعديل التي تزيد عن تردد قطع مُرشِّح الحلقة العودة إلى مدخل مُذبذب الجهد المُتحكَّم به، لذلك تبقى في خرج مُذبذب الجهد المُتحكَّم به. [ 16 ] لذلك، لا يُمكن لهذا المخطط البسيط التعامل مُباشرةً مع إشارات التعديل منخفضة التردد أو إشارات التيار المُستمر، ولكن هذه ليست مُشكلة في العديد من مُرسِلات الفيديو والصوت FM المُقترنة بالتيار المُتردد التي تستخدم هذه الطريقة. يُمكن تعديل مُركِّبات التردد PLL عند الترددات المنخفضة والتيار المُستمر باستخدام تعديل ثنائي النقاط للتغلب على القيد المذكور أعلاه. [ 17 ] يتم تطبيق التعديل على VCO كما كان من قبل، ولكن يتم الآن تطبيقه رقميًا أيضًا على جهاز المزج بالتوافق مع إشارة FM التناظرية باستخدام محول تناظري رقمي سريع دلتا سيجما.

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ↑ الطور هو تكامل التردد. التحكم في الطور سيؤدي أيضاً إلى التحكم في التردد.

مراجع

  1. ^ بوبيل جورسكي (1975 ، ص. 25) 
  2. ↑ HP 5100A - مشروع ذاكرة HP ( مُركِّب تردد مباشر قابل للضبط بدقة 0.01 هرتزتم تقديمه في عام 1964؛ بالنسبة لشركة HP، كان التوليف المباشر يعني عدم استخدام PLL ، بينما كان التوليف غير المباشر يعني استخدام PLL)
  3. ↑ إيغان (2000 ، ص 14-27) 
  4. ^ إيجان (2000 ، ص 372–376) 
  5. ↑ جيليت، جي سي (1969). "مُركِّب ديجي فيز". الندوة السنوية الثالثة والعشرون حول التحكم في التردد . الصفحات 201-210 . doi : 10.1109/FREQ.1969.199763 . 
  6. ↑ شيو، ليمينغ (2008). "مفهوم متوسط ​​التردد الزمني والتحليل الرياضي لبنية توليف التردد باستخدام جامع طائر" . مجلة IEEE للدوائر والأنظمة . 8 (3): 27-51 . doi : 10.1109/mcas.2008.928421 . ISSN 1531-636X . S2CID 21809964 .  
  7. ↑ ""بنى توليف التردد والطور باستخدام "الجامع الطائر" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 يناير 2024 .
  8. ↑ شيو، ليمينغ؛ كلاينز، ستيف؛ غورابو، سريكانث؛ حيدر، توفيق؛ يينغ، فينغ؛ محمد، واحد (2007). "آلية مزامنة تعتمد على حلقة قفل الطور (PLL) باستخدام "الجامع الطائر" لنقل حزم البيانات. ورشة عمل IEEE السادسة للدوائر والأنظمة في دالاس حول الأنظمة المتكاملة على رقاقة، 2007. الصفحات 1-5 . doi : 10.1109/DCAS.2007.4433203 . ISBN  978-1-4244-1679-0.
  9. ↑ ماناسيفيتش (1987 ، ص 7) 
  10. ↑ غاردنر (1966)
  11. 1 2 كروبا (1999 ، ص 3) 
  12. 1 2 ماناسيفيتش (1987 ، ص 151) 
  13. ↑ ماناسيفيتش (1987 ، ص 51) 
  14. ↑ كروفورد (1994 ، ص 4) 
  15. 1 2 3 بانيرجي (2006)
  16. ↑ غاردنر 1966
  17. ↑ أوين (2001)

للمزيد من القراءة

  • أولريش ل. رود، "مُركِّبات التردد الرقمية PLL - النظرية والتصميم"، برنتيس هول، إنك، إنجلوود كليفس، نيوجيرسي، يناير 1983
  • أولريش ل. رود، "أجهزة توليف الصوت بالميكروويف واللاسلكية: النظرية والتصميم"، جون وايلي وأولاده، أغسطس 1997، رقم ISBN 0-471-52019-5
  • جهاز توليف الترددات، براءة اختراع أمريكية رقم 3,555,446، برايمر، نبراسكا، (12 يناير 1971)
  • أوليفر، برنارد م. (مايو 1964). "توليف التردد الرقمي" (ملف PDF) . مجلة هيوليت-باكارد . 15 (9): 1. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 9 ديسمبر 2022. تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 مايو 2017 .
  • فان دوزر، فيكتور إي. (مايو 1964). "مُركِّب ترددات من 0 إلى 50 ميجاهرتز يتميز بثبات ممتاز، وسرعة تبديل عالية، ودقة فائقة" (ملف PDF) . مجلة هيوليت-باكارد . 15 (9): 1-6 . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 9 ديسمبر 2022. تاريخ الاسترجاع: 14 مايو 2017 .مُركِّب الترددات المباشر HP 5100A: مُولِّد ترددات مشطية؛ ترشيح، مزج، تقسيم. عند إعطاء تردد 3.0bcd  ميجاهرتز، يتم مزجه مع 24  ميجاهرتز وترشيحه للحصول على 27.0bcd  ميجاهرتز، ثم مزجه مع 3.a  ميجاهرتز وترشيحه للحصول على 30.abcd  ميجاهرتز؛ ثم تقسيمه على 10 وترشيحه للحصول على 3.0abcd  ميجاهرتز؛ ثم إدخاله إلى المرحلة التالية للحصول على رقم آخر أو مزجه حتى 360.abcd  ميجاهرتز، ثم البدء في المزج والترشيح مع ترددات أخرى بخطوات 1  ميجاهرتز (30-39 ميجاهرتز )  و10  ميجاهرتز ( 350-390 ميجاهرتز  ). الإشارات الطفيلية هي -90  ديسيبل (صفحة  2).
  • فان دوزر، فيكتور إي. (مايو 1964). "ملاحظات حول تطبيق مُركِّبات التردد" (ملف PDF) . مجلة هيوليت-باكارد . 15 (9): 7-8 . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 9 ديسمبر 2022. تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 مايو 2017 .
  • كاتلر، ليونارد س. (ديسمبر 1963). "دراسة خطوط الطيف الذري لأنبوب شعاع السيزيوم باستخدام مُركِّب الترددات HP" (ملف PDF) . مجلة هيوليت-باكارد . 15 (4). مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 9 ديسمبر 2022. تاريخ الاسترجاع: 17 مايو 2017 .
  • شاناهان، جون سي. (ديسمبر 1971). "دمج توليد الإشارات وتوليفها: ابتكار حل متزامن لمشكلتي توليد الإشارات واستخدامها، مع تحسين كليهما للاستخدام العملي والآلي" (ملف PDF) . مجلة هيوليت-باكارد . 23 (4): 2-13 . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 14 أغسطس 2022. تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 مايو 2017 .. جهاز توليف الصوت HP 8660A/B متعدد الحلقات PLL.