التردد المتوسط

في هندسة الاتصالات والإلكترونيات ، يُعرف التردد الوسيط ( IF ) بأنه التردد الذي تُزاح إليه الموجة الحاملة كخطوة وسيطة في الإرسال أو الاستقبال. ^{[ 1 ]} يُنشأ التردد الوسيط عن طريق مزج الإشارة الحاملة مع إشارة مذبذب محلي في عملية تُسمى التغاير ، مما ينتج عنه إشارة بتردد الفرق أو تردد الخفقان . تُستخدم الترددات الوسيطة في أجهزة استقبال الراديو فائقة التغاير ، حيث تُزاح الإشارة الواردة إلى تردد وسيط لتضخيمها قبل الكشف النهائي .

يُعدّ التحويل إلى تردد وسيط مفيدًا لعدة أسباب. فعند استخدام عدة مراحل من المرشحات، يمكن ضبطها جميعًا على تردد ثابت، مما يُسهّل بناءها وضبطها. تتميز الترانزستورات ذات التردد المنخفض عمومًا بكسب أعلى، لذا فهي تتطلب عددًا أقل من المراحل. كما يُسهّل ذلك تصميم مرشحات انتقائية دقيقة عند الترددات الثابتة المنخفضة.

قد يكون هناك عدة مراحل من التردد المتوسط ​​في جهاز استقبال سوبر هيتروداين؛ وتسمى مرحلتان أو ثلاث مراحل بالتحويل المزدوج (أو الثنائي ) أو التحويل الثلاثي ، على التوالي.

تُستخدم الترددات المتوسطة لثلاثة أسباب رئيسية. ^{[ 2 ] [ 3 ]} عند الترددات العالية جدًا ( جيجاهرتز )، يكون أداء دوائر معالجة الإشارات ضعيفًا. لا تستطيع الأجهزة النشطة، مثل الترانزستورات، توفير تضخيم ( كسب ) كبير. ^{[ 1 ]} يجب استبدال الدوائر العادية التي تستخدم المكثفات والمحاثات بتقنيات الترددات العالية المعقدة، مثل الخطوط الشريطية والموجات الدليلية . لذلك، يتم تحويل إشارة التردد العالي إلى تردد وسيط أقل لتسهيل معالجتها. على سبيل المثال، في أطباق استقبال الأقمار الصناعية ، يتم تحويل إشارة الميكروويف الهابطة التي يستقبلها الطبق إلى تردد وسيط أقل بكثير عند الطبق، بحيث يمكن لكابل محوري رخيص نسبيًا نقل الإشارة إلى جهاز الاستقبال داخل المبنى. يتطلب إدخال الإشارة بتردد الميكروويف الأصلي استخدام موجة دليلية باهظة الثمن .

في أجهزة الاستقبال القابلة للضبط على ترددات مختلفة، يتمثل السبب الثاني في تحويل ترددات المحطات المختلفة إلى تردد موحد للمعالجة. من الصعب بناء مضخمات ومرشحات وكواشف متعددة المراحل بحيث تتتبع جميع مراحلها ضبط الترددات المختلفة، ولكن من السهل نسبيًا بناء مذبذبات قابلة للضبط . تضبط أجهزة الاستقبال فائقة التغاير الترددات المختلفة عن طريق تعديل تردد المذبذب المحلي في مرحلة الإدخال، وتُجرى جميع عمليات المعالجة اللاحقة على نفس التردد الثابت: التردد المتوسط ​​(IF). بدون استخدام التردد المتوسط، سيتعين ضبط جميع المرشحات والكواشف المعقدة في الراديو أو التلفزيون بشكل متزامن في كل مرة يتغير فيها التردد، كما كان ضروريًا في أجهزة استقبال الترددات الراديوية المضبوطة (TRF) القديمة. ومن المزايا الأكثر أهمية أنها تمنح جهاز الاستقبال نطاقًا تردديًا ثابتًا على مدى نطاق ضبطه. يتناسب عرض نطاق المرشح طرديًا مع تردده المركزي. في أجهزة الاستقبال مثل TRF التي يتم فيها الترشيح عند تردد RF الوارد، ومع ضبط جهاز الاستقبال على ترددات أعلى، يزداد عرض النطاق الترددي الخاص به.

السبب الرئيسي لاستخدام تردد وسيط هو تحسين انتقائية التردد . ^{[ 1 ]} في دوائر الاتصالات، تتمثل إحدى المهام الشائعة في فصل أو استخلاص الإشارات أو مكونات الإشارة المتقاربة في التردد. يُطلق على هذه العملية اسم الترشيح . ومن الأمثلة على ذلك: التقاط محطة إذاعية من بين عدة محطات متقاربة في التردد، أو استخلاص الموجة الحاملة اللونية من إشارة تلفزيونية. في جميع تقنيات الترشيح المعروفة، يزداد عرض نطاق المرشح تناسبياً مع التردد. لذا، يمكن الحصول على عرض نطاق أضيق وانتقائية أكبر عن طريق تحويل الإشارة إلى تردد وسيط أقل وإجراء الترشيح عند هذا التردد. إن بث FM والتلفزيون بعرض قنواتهما الضيق، بالإضافة إلى خدمات الاتصالات الحديثة مثل الهواتف المحمولة والتلفزيون الكبلي ، سيكون مستحيلاً بدون استخدام تحويل التردد. ^{[ 4 ]}

لعلّ أكثر الترددات الوسيطة استخدامًا في أجهزة استقبال البث هي حوالي 455  كيلوهرتز لأجهزة استقبال AM و10.7  ميجاهرتز لأجهزة استقبال FM. ويمكن استخدام ترددات أخرى في أجهزة الاستقبال ذات الأغراض الخاصة. قد يحتوي جهاز الاستقبال ثنائي التحويل على ترددين وسيطين، أحدهما أعلى لتحسين رفض التداخل، والآخر أقل لتحقيق الانتقائية المطلوبة. بل قد يكون التردد الوسيط الأول أعلى من إشارة الدخل، بحيث يمكن ترشيح جميع الاستجابات غير المرغوب فيها بسهولة بواسطة مرحلة ترددات لاسلكية مضبوطة. ^{[ 5 ]}

في جهاز الاستقبال الرقمي، يعمل محول الإشارة التناظرية إلى الرقمية (ADC) بمعدلات أخذ عينات منخفضة، لذا يجب مزج إشارة التردد اللاسلكي الداخلة إلى تردد وسيط (IF) لمعالجتها. يميل التردد الوسيط إلى أن يكون ضمن نطاق ترددات أقل مقارنةً بتردد التردد اللاسلكي المُرسَل. مع ذلك، فإن اختيار التردد الوسيط يعتمد بشكل كبير على المكونات المتاحة، مثل الخلاطات والمرشحات والمضخمات وغيرها من المكونات التي يمكنها العمل بترددات منخفضة. هناك عوامل أخرى تؤثر في تحديد التردد الوسيط، لأن الترددات المنخفضة منه أكثر عرضة للتشويش، بينما قد تتسبب الترددات العالية في حدوث خلل في إشارة الساعة.

تستخدم أجهزة استقبال التلفزيون الفضائي الحديثة عدة ترددات وسيطة. ^{[ 6 ]} تُبث قنوات التلفزيون الـ 500 لنظام نموذجي من القمر الصناعي إلى المشتركين في نطاق الموجات الميكروية Ku ، ضمن نطاقين فرعيين بتردد 10.7-11.7 و11.7-12.75  جيجاهرتز. يستقبل طبق استقبال الأقمار الصناعية إشارة الوصلة الهابطة . في الصندوق الموجود في بؤرة الطبق، والذي يُسمى مُحوِّل الترددات المنخفضة (LNB)، يتم تحويل كل نطاق من الترددات إلى نطاق التردد المتوسط ​​(IF) من 950 إلى 2150  ميجاهرتز بواسطة مُذبذبين محليين بتردد ثابت عند 9.75 و10.6  جيجاهرتز. يتم اختيار أحد النطاقين بواسطة إشارة تحكم من جهاز الاستقبال الموجود داخله، والتي تُشغِّل أحد المُذبذبين المحليين. يُنقل هذا التردد المتوسط ​​إلى داخل المبنى إلى جهاز استقبال التلفزيون عبر كابل محوري. في جهاز الاستقبال الخاص بشركة الكابلات ، تُحوّل الإشارة إلى تردد وسيط منخفض يبلغ 480  ميجاهرتز لتصفيتها، وذلك بواسطة مذبذب متغير التردد. ^{[ 6 ]} ثم تُرسل هذه الإشارة عبر  مرشح تمرير نطاقي بتردد 30 ميجاهرتز، والذي ينتقي الإشارة من أحد أجهزة الإرسال والاستقبال على القمر الصناعي، الذي يحمل عدة قنوات. بعد ذلك، تُجرى معالجة إضافية لاختيار القناة المطلوبة، وفك تشفيرها، ثم إرسال الإشارة إلى جهاز التلفزيون.

استُخدم تردد وسيط لأول مرة في جهاز استقبال الراديو فائق التغاير، الذي اخترعه العالم الأمريكي الرائد إدوين أرمسترونغ عام 1918، خلال الحرب العالمية الأولى . ^{[ 7 ] [ 8 ]} كان أرمسترونغ، وهو عضو في سلاح الإشارة ، يعمل على بناء معدات تحديد اتجاه الراديو لتتبع الإشارات العسكرية الألمانية بترددات عالية جدًا آنذاك تتراوح بين 500 و3500  كيلوهرتز. لم تكن مضخمات الصمامات المفرغة ثلاثية الأقطاب  في ذلك الوقت قادرة على التضخيم بثبات فوق 500 كيلوهرتز؛ ومع ذلك، كان من السهل جعلها تتذبذب فوق هذا التردد. تمثل حل أرمسترونغ في إعداد أنبوب مذبذب يُولّد ترددًا قريبًا من تردد الإشارة الواردة، ثم يمزجه مع الإشارة الواردة في أنبوب خلط، مما يُنتج إشارة متغايرة التردد عند تردد الفرق المنخفض حيث يمكن تضخيمها بسهولة. على سبيل المثال، لالتقاط إشارة بتردد 1500  كيلوهرتز، يتم ضبط المذبذب المحلي على 1450  كيلوهرتز. أدى مزج الإشارتين إلى توليد تردد وسيط قدره 50  كيلوهرتز، وهو ما كان ضمن قدرة الصمامات الإلكترونية. اسم "سوبرهيتروداين" هو اختصار لـ "هيتروداين فوق صوتي" ، وذلك لتمييزه عن أجهزة الاستقبال التي يكون فيها تردد الهيتروداين منخفضًا بما يكفي ليكون مسموعًا مباشرةً، والتي كانت تُستخدم لاستقبال إشارات شفرة مورس ذات الموجة المستمرة (وليس الكلام أو الموسيقى).

بعد الحرب، في عام 1920، باع أرمسترونغ براءة اختراع دائرة التغاير الفائق لشركة وستنغهاوس ، التي بدورها باعتها لشركة آر سي إيه . أدى تعقيد دائرة التغاير الفائق، مقارنةً بتصاميم أجهزة استقبال الترددات الراديوية التجديدية أو المضبوطة السابقة ، إلى إبطاء استخدامها، لكن مزايا التردد المتوسط ​​في الانتقائية ورفض التشويش حسمت الأمر في النهاية؛ وبحلول عام 1930، كانت معظم أجهزة الراديو المباعة من نوع التغاير الفائق. خلال تطوير الرادار في الحرب العالمية الثانية ، كان مبدأ التغاير الفائق أساسيًا لتحويل ترددات الرادار العالية جدًا إلى ترددات متوسطة. ومنذ ذلك الحين، تُستخدم دائرة التغاير الفائق، بترددها المتوسط، في جميع أجهزة استقبال الراديو تقريبًا.

• وصولاً إلى حوالي 20  كيلوهرتز ، 30 كيلوهرتز (ALM Sowerby و HB Dent)، ^{[ 10 ]} 45 كيلوهرتز (أول جهاز استقبال سوبر هيتروداين تجاري: RCA Radiola AR-812 لعام 1923/1924)، ^{[ 9 ]} حوالي 50 كيلوهرتز، ^{[ 10 ]} حوالي 100 كيلوهرتز، ^{[ 10 ]} حوالي 120 كيلوهرتز ^{[ 10 ]}     
•  استُخدم تردد 110 كيلوهرتز في أجهزة استقبال البث الإذاعي الأوروبي ذي الموجة الطويلة بتقنية AM . ^{[ 1 ] [ 11 ]}
• 175  كيلو هرتز (أجهزة استقبال النطاق العريض والاتصالات المبكرة قبل إدخال النوى الحديدية المسحوقة) ^{[ 1 ] [ 11 ] [ 10 ]}
• 260  كيلو هرتز (أجهزة استقبال البث القياسية المبكرة)، ^{[ 11 ]} 250-270  كيلو هرتز ^{[ 1 ]}
• تخصيصات تردد كوبنهاغن: 415-490  كيلو هرتز، 510-525  كيلو هرتز ^{[ 11 ]}
• أجهزة استقبال راديو AM : 450  كيلوهرتز، 455  كيلوهرتز (الأكثر شيوعًا)، ^{[ 11 ]} 460  كيلوهرتز، 465  كيلوهرتز، ^{[ 10 ]} 467  كيلوهرتز، 470  كيلوهرتز، 475  كيلوهرتز، و480  كيلوهرتز. ^{[ 12 ]}
• أجهزة استقبال راديو FM : 262  كيلوهرتز (أجهزة راديو السيارات القديمة)، ^{[ 8 ]} 455  كيلوهرتز، 1.6  ميجاهرتز، 5.5  ميجاهرتز، 10.7  ميجاهرتز (الأكثر شيوعًا)، ^{[ 11 ]} 10.8  ميجاهرتز، ^{[ 13 ]} 11.2  ميجاهرتز، 11.7  ميجاهرتز  ، 11.8 ميجاهرتز، 13.45  ميجاهرتز، ^{[ 14 ]} 21.4  ميجاهرتز، 75  ميجاهرتز و98  ميجاهرتز. في أجهزة استقبال سوبر هيتروداين ذات التحويل المزدوج،  يُستخدم غالبًا تردد وسيط أول يبلغ 10.7 ميجاهرتز، يليه تردد وسيط ثانٍ يبلغ 470  كيلوهرتز (أو 700  كيلوهرتز مع نظام DYNAS ^{[ 15 ]} ). توجد تصميمات تحويل ثلاثي تُستخدم في أجهزة استقبال أجهزة مسح الشرطة، وأجهزة استقبال الاتصالات المتطورة، والعديد من أنظمة الميكروويف من نقطة إلى نقطة. تستخدم أجهزة الراديو الاستهلاكية الحديثة المزودة بشريحة معالجة الإشارات الرقمية (DSP) غالبًا ترددًا وسيطًا منخفضًا يبلغ 128  كيلو هرتز لتقنية FM.
• أجهزة استقبال FM ذات النطاق الضيق : 455  كيلو هرتز (الأكثر شيوعًا)، ^{[ 11 ] [ 16 ]} 470  كيلو هرتز ^{[ 16 ]}
• أجهزة استقبال الموجات القصيرة: 1.6  ميجاهرتز، ^{[ 11 ]} 1.6-3.0  ميجاهرتز، ^{[ 1 ]} 4.3  ميجاهرتز (لأجهزة الاستقبال التي تعمل بتردد 40-50 ميجاهرتز فقط). ^{[ 11 ]}  في أجهزة الاستقبال ذات التحويل المزدوج بتقنية التغاير الفائق، يُدمج أحيانًا تردد وسيط أول يبلغ 3.0 ميجاهرتز مع تردد وسيط ثانٍ يبلغ 465  كيلوهرتز. ^{[ 1 ]}
• أجهزة استقبال التلفزيون التناظري التي تستخدم النظام M: 41.25  ميجاهرتز (صوت) و45.75  ميجاهرتز (فيديو). لاحظ أنه في نظام التحويل بين الموجات الحاملة ، يتم عكس القناة، لذا فإن تردد الصوت المتوسط ​​أقل من تردد الفيديو المتوسط. كما لا يوجد مذبذب محلي للصوت؛ إذ تقوم موجة الفيديو الحاملة المُدخلة بهذا الغرض.
• أجهزة استقبال التلفزيون التناظري التي تستخدم النظام B والأنظمة المشابهة: 33.4  ميجاهرتز للإشارة الصوتية و38.9  ميجاهرتز للإشارة المرئية. (مناقشة تحويل التردد هي نفسها كما في النظام M).
• معدات وصلة الإرسال - وصلة الاستقبال عبر الأقمار الصناعية : 70  ميجاهرتز، 950-1450  ميجاهرتز (النطاق L) وصلة الاستقبال الأولى IF.
• معدات الميكروويف الأرضية : 250  ميجاهرتز، 70  ميجاهرتز أو 75  ميجاهرتز.
• الرادار : 30  ميجاهرتز.
• معدات اختبار الترددات اللاسلكية : 310.7  ميجاهرتز، 160  ميجاهرتز، و21.4  ميجاهرتز.

• مستقبل التردد المتوسط ​​المنخفض
• مرشح ميكانيكي
• مستقبل التردد المتوسط ​​الصفري