جهاز إستقبال

تتناقص قوة إشارة الموجات الراديوية كلما ابتعدت عن جهاز الإرسال، لذا لا يمكن استقبال محطة إذاعية إلا ضمن نطاق محدود من جهاز الإرسال. يعتمد هذا النطاق على قوة جهاز الإرسال، وحساسية جهاز الاستقبال، والضوضاء الجوية والداخلية ، بالإضافة إلى أي عوائق جغرافية كالتلال بين جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال. تنتقل موجات الراديو في نطاق AM كموجات أرضية تتبع تضاريس الأرض، لذا يمكن استقبال محطات راديو AM بشكل موثوق على مسافة مئات الأميال. أما إشارات راديو FM، فبسبب ترددها الأعلى، لا يمكنها الانتقال بعيدًا عن الأفق المرئي، مما يحد من مسافة الاستقبال إلى حوالي 64 كيلومترًا  ، وقد تحجبها التلال بين جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال. مع ذلك، فإن راديو FM أقل عرضة للتداخل من الضوضاء الراديوية ( التداخل الكهرومغناطيسي ، والتشويش ، والضوضاء الثابتة) ويتميز بجودة صوت أعلى؛ استجابة ترددية أفضل وتشويش صوتي أقل من راديو AM. لذلك، في الدول التي لا تزال تبث راديو AM، عادةً ما تبث محطات FM الموسيقى الجادة فقط، بينما تتخصص محطات AM في الأخبار الإذاعية ، والبرامج الحوارية ، والبرامج الرياضية . مثل إشارات FM، تنتقل إشارات DAB عن طريق خط البصر، لذا فإن مسافات الاستقبال محدودة بالأفق المرئي إلى حوالي 30-40  ميلاً (48-64  كم).

تمر الموجات الراديوية الصادرة من عدة أجهزة إرسال عبر الهواء في آنٍ واحد دون تداخل، وتستقبلها الهوائيات. ويمكن فصل هذه الموجات في جهاز الاستقبال لاختلاف تردداتها ؛ أي أن الموجة الراديوية الصادرة من كل جهاز إرسال تتذبذب بمعدل مختلف. ولعزل الإشارة الراديوية المطلوبة، يسمح مرشح تمرير النطاق بمرور تردد الإرسال الراديوي المطلوب، ويحجب الإشارات عند جميع الترددات الأخرى.

يتكون مرشح تمرير النطاق من دائرة رنين واحدة أو أكثر (دوائر مضبوطة). تُوصل دائرة الرنين بين مدخل الهوائي والأرض. عندما تكون إشارة الراديو الواردة عند تردد الرنين، تكون مقاومة دائرة الرنين عالية، فتُمرر إشارة الراديو من المحطة المطلوبة إلى المراحل التالية من جهاز الاستقبال. أما عند جميع الترددات الأخرى، فتكون مقاومة دائرة الرنين منخفضة، لذا تُنقل الإشارات عند هذه الترددات إلى الأرض.

• عرض النطاق والانتقائية : انظر الرسوم البيانية. تُخزَّن المعلومات ( التضمين ) في الإرسال اللاسلكي ضمن نطاقين ضيقين من الترددات يُطلق عليهما النطاقان الجانبيان (SB) على جانبيتردد الموجة الحاملة (C) ، لذا يجب أن يمرر المرشح نطاقًا من الترددات، وليس ترددًا واحدًا فقط. يُسمى نطاق الترددات الذي يستقبله جهاز الاستقبال بنطاق التمرير (PB) ، ويُسمىعرض نطاق التمرير بالكيلوهرتز بعرض النطاق (BW) . يجب أن يكون عرض نطاق المرشح واسعًا بما يكفي للسماح بمرور النطاقين الجانبيين دون تشويه، ولكنه ضيق بما يكفي لحجب أي إرسالات متداخلة على الترددات المجاورة (مثل S2 في الرسم التوضيحي). تُعد قدرة جهاز الاستقبال على رفض محطات الراديو غير المرغوب فيها القريبة في التردد من المحطة المطلوبة معيارًا مهمًا يُسمى الانتقائية ، ويُحدده المرشح. في أجهزة الاستقبال الحديثة، غالباً ما يتم استخدام بلورات الكوارتز أو الرنان الخزفي أو مرشحات الموجات الصوتية السطحية (SAW) التي تتمتع بانتقائية أكثر حدة مقارنة بشبكات الدوائر المضبوطة بالمكثفات والمحاثات.
• الضبط : لاختيار محطة معينة، يتم ضبط الراديو على تردد جهاز الإرسال المطلوب. يحتوي الراديو على قرص أو شاشة رقمية تُظهر التردد المضبوط عليه. الضبط هو عملية تعديل تردد نطاق تمرير جهاز الاستقبال ليتوافق مع تردد جهاز الإرسال المطلوب. يؤدي تدوير مقبض الضبط إلى تغيير تردد الرنين للدائرة المضبوطة . عندما يتساوى تردد الرنين مع تردد جهاز الإرسال، تتذبذب الدائرة المضبوطة بتناغم، ناقلةً الإشارة إلى باقي أجزاء جهاز الاستقبال.

الطيف الترددي لإشارة راديو نموذجية من جهاز إرسال راديو AM أو FM. يتكون من مكون (C) عند تردد الموجة الحاملة f _C ، مع تضمين التعديل في نطاقات تردد ضيقة تسمى النطاقات الجانبية (SB) أعلى وأسفل الموجة الحاملة مباشرة.

كيف يقوم مرشح تمرير النطاق بانتقاء إشارة راديوية واحدة S1 من بين جميع الإشارات الراديوية S2، S3، ... التي يستقبلها الهوائي؟ من الأعلى، تُظهر الرسوم البيانية الجهد الكهربائي المُطبق على المرشح من الهوائي V_{_in} ، ودالة نقل المرشح T _out، والجهد الكهربائي عند مخرج المرشح V _{_out} كدالة للتردد f . دالة النقل T_out هي مقدار الإشارة التي تمر عبر المرشح عند كل تردد.${\displaystyle V_{\text{out}}(f)={\text{T}}(f)V_{\text{in}}(f)}$

تتناقص قوة الموجات الراديوية التي يلتقطها هوائي الاستقبال مع مربع المسافة بينه وبين هوائي الإرسال. حتى مع أجهزة الإرسال القوية المستخدمة في محطات البث الإذاعي، إذا كان جهاز الاستقبال على بُعد أكثر من بضعة أميال من جهاز الإرسال، فإن الطاقة التي يستقبلها هوائي الاستقبال تكون ضئيلة للغاية، ربما تصل إلى بيكوواط أو فيمتوواط . لزيادة قوة الإشارة المستعادة، تستخدم دائرة التضخيم الطاقة الكهربائية من البطاريات أو مقبس الحائط لزيادة سعة الإشارة (الجهد أو التيار). في معظم أجهزة الاستقبال الحديثة، تكون المكونات الإلكترونية التي تقوم بالتضخيم الفعلي هي الترانزستورات .

عادةً ما تحتوي أجهزة الاستقبال على عدة مراحل تضخيم: تُضخّم إشارة الراديو القادمة من مرشح تمرير النطاق لتصبح قوية بما يكفي لتشغيل وحدة فك التشفير، ثم تُضخّم إشارة الصوت القادمة من وحدة فك التشفير لتصبح قوية بما يكفي لتشغيل مكبر الصوت. تُقاس درجة تضخيم جهاز استقبال الراديو بمعامل يُسمى حساسيته ، وهو الحد الأدنى لقوة إشارة المحطة عند الهوائي، ويُقاس بالميكروفولت ، اللازمة لاستقبال الإشارة بوضوح، بنسبة إشارة إلى ضوضاء معينة . ولأنه من السهل تضخيم الإشارة إلى أي درجة مطلوبة، فإن الحد الأقصى لحساسية العديد من أجهزة الاستقبال الحديثة ليس درجة التضخيم، بل الضوضاء الإلكترونية العشوائية الموجودة في الدائرة، والتي قد تُخفي إشارة الراديو الضعيفة.

بعد ترشيح إشارة الراديو وتضخيمها، يجب على جهاز الاستقبال استخلاص إشارة التضمين الحاملة للمعلومات من موجة حاملة التردد الراديوي المضمنة . ويتم ذلك بواسطة دائرة تسمى مُزيل التضمين ( الكاشف ). ويتطلب كل نوع من أنواع التضمين نوعًا مختلفًا من مُزيل التضمين.

• يستخدم جهاز استقبال AM الذي يستقبل إشارة راديو ( معدلة السعة ) جهاز فك تشفير AM
• يستخدم جهاز استقبال FM الذي يستقبل إشارة معدلة التردد جهاز فك تشفير FM
• يستخدم جهاز استقبال FSK الذي يستقبل إشارات إزاحة التردد (المستخدمة لنقل البيانات الرقمية في الأجهزة اللاسلكية) جهاز فك تشفير FSK

تُستخدم أنواع أخرى كثيرة من التعديل لأغراض متخصصة.

عادةً ما يتم تضخيم إشارة التضمين الخارجة من جهاز فك التضمين لزيادة قوتها، ثم تُحوّل المعلومات مرة أخرى إلى شكل قابل للاستخدام البشري بواسطة نوع من المحولات . تُحوّل الإشارة الصوتية ، التي تمثل الصوت كما في البث الإذاعي، إلى موجات صوتية بواسطة سماعة أذن أو مكبر صوت . تُحوّل إشارة الفيديو ، التي تمثل الصور المتحركة كما في جهاز استقبال التلفزيون ، إلى ضوء بواسطة شاشة عرض . تُستخدم البيانات الرقمية ، كما في المودم اللاسلكي ، كمدخلات إلى جهاز كمبيوتر أو معالج دقيق ، والذي يتفاعل مع المستخدمين.

إزالة التضمين AM

أسهل أنواع فك التضمين فهمًا هو فك تضمين السعة (AM)، المستخدم في أجهزة راديو AM لاستعادة إشارة التضمين الصوتية ، التي تمثل الصوت ويتم تحويلها إلى موجات صوتية بواسطة مكبر صوت الراديو . ويتم ذلك بواسطة دائرة تسمى كاشف الغلاف (انظر الدائرة) ، تتكون من ثنائي (D) مع مكثف جانبي (C) موصول عبر مخرجه.

انظر إلى الرسوم البيانية. تُظهر (أ) إشارة الراديو المُعدَّلة السعة من الدائرة المُضَبَّطة . تمثل التذبذبات السريعة الموجة الحاملة لتردد الراديو . أما الإشارة الصوتية (الصوت) فتتضمنها التغيرات البطيئة ( التعديل ) في سعة (حجم) الموجات. إذا طُبِّقت هذه الإشارة مباشرةً على مكبر الصوت، فلن يُمكن تحويلها إلى صوت، لأن تذبذبات الصوت متساوية على جانبي المحور، مما يؤدي إلى متوسط ​​يساوي صفرًا، وبالتالي لن يكون هناك حركة صافية لغشاء مكبر الصوت. (ب) عند تطبيق هذه الإشارة كمدخل V _I على الكاشف، يقوم الصمام الثنائي (د) بتوصيل التيار في اتجاه واحد فقط، وليس في الاتجاه المعاكس، مما يسمح بمرور نبضات التيار على جانب واحد فقط من الإشارة. بعبارة أخرى، يقوم بتقويم التيار المتردد إلى تيار مستمر نابض. لم يعد متوسط ​​الجهد الناتج V _O المُطبَّق على الحمل R _L يساوي صفرًا؛ بل تتناسب قيمته القصوى مع الإشارة الصوتية. (ج) يتم شحن مكثف التجاوز (ج) بواسطة نبضات التيار من الصمام الثنائي، ويتبع جهده قمم هذه النبضات، أي غلاف الموجة الصوتية. يقوم المكثف بوظيفة تنعيم ( ترشيح تمرير منخفض )، حيث يزيل نبضات الموجة الحاملة للترددات الراديوية، تاركًا إشارة الصوت منخفضة التردد تمر عبر الحمل RL . يتم تضخيم إشارة الصوت وتوجيهها إلى سماعات الأذن أو مكبر الصوت _.

تتفاوت قوة إشارة الراديو ( سعتها ) الصادرة من هوائي جهاز الاستقبال بشكل كبير، وبمقادير هائلة، تبعًا لبُعد جهاز الإرسال، وقوته، وظروف انتشار الموجات الراديوية على طول مسارها. ^{[ 3 ]} وتتغير قوة الإشارة المستقبلة من جهاز إرسال معين مع مرور الوقت نتيجة لتغير ظروف انتشار الموجات الراديوية على طول المسار، مثل التداخل متعدد المسارات ؛ ويُسمى هذا التلاشي . ^{[ 3 ] [ 4 ]} في جهاز استقبال AM، تتناسب سعة الإشارة الصوتية الصادرة من الكاشف، وبالتالي مستوى الصوت، طرديًا مع سعة إشارة الراديو، لذا يُسبب التلاشي تغيرات في مستوى الصوت. إضافةً إلى ذلك، عند ضبط جهاز الاستقبال بين محطات قوية وأخرى ضعيفة، يتغير مستوى الصوت الصادر من السماعة بشكل كبير. وبدون نظام آلي للتحكم في مستوى الصوت، سيتطلب الأمر في جهاز استقبال AM ضبطًا مستمرًا لمستوى الصوت.

في أنواع التضمين الأخرى مثل FM أو FSK، لا تتغير سعة التضمين بتغير قوة إشارة الراديو، ولكن في جميع الأنواع، يتطلب جهاز فك التضمين نطاقًا معينًا من سعة الإشارة ليعمل بشكل صحيح. ^{[ 4 ] [ 5 ]} تؤدي سعة الإشارة غير الكافية إلى زيادة التشويش في جهاز فك التضمين، بينما تؤدي سعة الإشارة المفرطة إلى تحميل زائد (تشبع) مراحل التضخيم، مما يتسبب في تشويه (قص) الإشارة.

لذا، تتضمن جميع أجهزة الاستقبال الحديثة تقريبًا نظام تحكم تغذية راجعة يراقب متوسط ​​مستوى إشارة الراديو عند الكاشف، ويضبط كسب المضخمات للحصول على مستوى الإشارة الأمثل لعملية فك التضمين. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 3 ]} يُسمى هذا التحكم التلقائي في الكسب (AGC). يمكن تشبيه AGC بآلية التكيف مع الظلام في العين البشرية ؛ فعند دخول غرفة مظلمة، يزداد كسب العين نتيجةً لفتح القزحية. ^{[ 3 ]} في أبسط صوره، يتكون نظام AGC من مقوم يحول إشارة الترددات الراديوية إلى مستوى تيار مستمر متغير، ومرشح تمرير منخفض لتنعيم التغيرات وإنتاج مستوى متوسط. ^{[ 5 ]} يُطبق هذا كإشارة تحكم على مرحلة تضخيم سابقة، للتحكم في كسبها. في جهاز استقبال سوبر هيتروداين، يُطبق AGC عادةً على مضخم التردد المتوسط ، وقد توجد حلقة AGC ثانية للتحكم في كسب مضخم الترددات الراديوية لمنعه من التحميل الزائد.

في بعض تصميمات أجهزة الاستقبال، مثل أجهزة الاستقبال الرقمية الحديثة، توجد مشكلة مشابهة تتمثل في انحراف التيار المستمر للإشارة. ويتم تصحيح هذه المشكلة بواسطة نظام تغذية راجعة مماثل.

في أبسط أنواع أجهزة استقبال الراديو، والتي تسمى جهاز استقبال التردد الراديوي المضبوط (TRF) ، يتم تنفيذ الوظائف الثلاث المذكورة أعلاه بالتتابع: ^{[ 4 ]} (1) يتم ترشيح مزيج الإشارات الراديوية من الهوائي لاستخراج إشارة جهاز الإرسال المطلوب؛ (2) يتم إرسال هذا الجهد المتذبذب عبر مضخم تردد راديوي (RF) لزيادة قوته إلى مستوى كافٍ لتشغيل جهاز فك التشفير؛ (3) يستعيد جهاز فك التشفير إشارة التضمين (والتي في أجهزة استقبال البث هي إشارة صوتية ، جهد يتذبذب بمعدل تردد صوتي يمثل الموجات الصوتية) من موجة حاملة الراديو المضمنة ؛ (4) يتم تضخيم إشارة التضمين بشكل أكبر في مضخم صوتي ، ثم يتم تطبيقها على مكبر صوت أو سماعة أذن لتحويلها إلى موجات صوتية.

على الرغم من استخدام مستقبل TRF في تطبيقات قليلة، إلا أنه يعاني من عيوب عملية تجعله أقل كفاءة من مستقبل السوبرهيتروداين المذكور أدناه، والذي يُستخدم في معظم التطبيقات. ^{[ 4 ]} تنبع هذه العيوب من حقيقة أن عمليات الترشيح والتضخيم وإزالة التضمين في مستقبل TRF تتم عند التردد العالي لإشارة الراديو الواردة. يزداد عرض نطاق المرشح مع تردده المركزي، لذا يتغير عرض نطاق مستقبل TRF عند ضبطه على ترددات مختلفة. والأهم من ذلك، أن ازدياد ازدحام طيف الراديو يتطلب تقاربًا شديدًا بين قنوات الراديو في التردد. من الصعب للغاية تصميم مرشحات تعمل بترددات راديوية ذات عرض نطاق ضيق بما يكفي لفصل محطات الراديو المتقاربة. عادةً ما تتطلب مستقبلات TRF العديد من مراحل الضبط المتتالية لتحقيق انتقائية كافية.

جهاز الاستقبال الفائق التغاير ، الذي اخترعه إدوين أرمسترونج في عام 1918 ^{[ 6 ]} هو التصميم المستخدم في جميع أجهزة الاستقبال الحديثة تقريبًا ^{[ 7 ] [ 4 ] [ 8 ] [ 9 ]} باستثناء بعض التطبيقات المتخصصة.

في تقنية التغاير الفائق، يتم تحويل إشارة التردد الراديوي القادمة من الهوائي إلى تردد وسيط (IF) أقل قبل معالجتها. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} تُخلط إشارة التردد الراديوي الواردة من الهوائي مع إشارة غير مُعدَّلة مُولَّدة بواسطة مذبذب محلي (LO) في جهاز الاستقبال. يتم الخلط في دائرة غير خطية تُسمى " الخلاط ". ينتج عن خرج الخلاط تردد تغاير أو تردد خفقان، وهو الفرق بين هذين الترددين. تشبه هذه العملية طريقة عزف نغمتين موسيقيتين بترددين مختلفين معًا لإنتاج نغمة خفقان . يُسمى هذا التردد المنخفض بالتردد الوسيط (IF). تحتوي إشارة التردد الوسيط أيضًا على نطاقات جانبية للتعديل تحمل المعلومات الموجودة في إشارة التردد الراديوي الأصلية. تمر إشارة التردد الوسيط عبر مراحل الترشيح والتضخيم، ^{[ 8 ]} ثم تُزال منها التعديل في كاشف، لاستعادة التعديل الأصلي.

يسهل ضبط جهاز الاستقبال؛ فلكي يستقبل ترددًا مختلفًا، يكفي تغيير تردد المذبذب المحلي. تعمل مراحل جهاز الاستقبال بعد الخلاط بتردد وسيط ثابت، لذا لا يلزم ضبط مرشح تمرير النطاق الوسيط على ترددات مختلفة. يتيح التردد الثابت لأجهزة الاستقبال الحديثة استخدام مرشحات وسيط متطورة من بلورات الكوارتز ، أو رنانات السيراميك ، أو موجات الصوت السطحية (SAW) ذات عوامل جودة عالية جدًا ، لتحسين الانتقائية.

يُعدّ مرشح الترددات الراديوية في مقدمة جهاز الاستقبال ضروريًا لمنع التداخل من أي إشارات راديوية عند تردد الصورة . وبدون مرشح إدخال، يمكن لجهاز الاستقبال استقبال إشارات الترددات الراديوية الواردة بترددين مختلفين. ^{[ 14 ] [ 9 ] [ 13 ] [ 15 ]} يمكن تصميم جهاز الاستقبال للاستقبال على أي من هذين الترددين؛ فإذا صُمم للاستقبال على أحدهما، فقد تمر أي محطة راديوية أخرى أو ضوضاء راديوية على التردد الآخر وتتداخل مع الإشارة المطلوبة. تقوم مرحلة مرشح ترددات راديوية واحدة قابلة للضبط برفض تردد الصورة؛ ونظرًا لبُعد هذه الترددات نسبيًا عن التردد المطلوب، فإن مرشحًا بسيطًا يوفر رفضًا كافيًا. أما رفض الإشارات المتداخلة الأقرب ترددًا إلى الإشارة المطلوبة، فيتم التعامل معه بواسطة مراحل متعددة مضبوطة بدقة لمضخمات التردد المتوسط، والتي لا تحتاج إلى تغيير ضبطها. ^{[ 9 ]} لا يحتاج هذا المرشح إلى انتقائية عالية، ولكن بما أن جهاز الاستقبال مضبوط على ترددات مختلفة، فيجب أن "يتتبع" بالتزامن مع المذبذب المحلي. كما يعمل مرشح الترددات الراديوية على الحد من عرض النطاق الترددي المطبق على مضخم الترددات الراديوية، مما يمنعه من التحميل الزائد بواسطة إشارات قوية خارج النطاق.

لتحقيق كلٍ من رفض الصورة وانتقائية عالية، تستخدم العديد من أجهزة استقبال السوبرهيتروداين الحديثة ترددين وسيطين؛ ويُطلق على هذا النوع اسم السوبرهيتروداين ثنائي التحويل . ^{[ 4 ]} تُخلط إشارة التردد اللاسلكي الواردة أولًا مع إشارة مذبذب محلي في الخلاط الأول لتحويلها إلى تردد وسيط عالٍ، مما يسمح بترشيح فعال لتردد الصورة، ثم يُخلط هذا التردد الوسيط الأول مع إشارة مذبذب محلي ثانٍ في الخلاط الثاني لتحويله إلى تردد وسيط منخفض لترشيح نطاق تمرير جيد. بل إن بعض أجهزة الاستقبال تستخدم التحويل الثلاثي .

على الرغم من الحاجة إلى مراحل إضافية، يوفر مستقبل التغاير الفائق ميزة انتقائية أعلى من تلك التي يمكن تحقيقها بتصميم مستقبل الترددات الراديوية (TRF). عند استخدام ترددات عالية جدًا، لا تحتاج سوى المرحلة الأولى من المستقبل للعمل عند أعلى الترددات؛ بينما يمكن للمراحل المتبقية توفير جزء كبير من كسب المستقبل عند ترددات أقل، مما قد يسهل التحكم بها. يُبسط الضبط مقارنةً بتصميم مستقبل الترددات الراديوية متعدد المراحل، ولا تحتاج سوى مرحلتين للتتبع ضمن نطاق الضبط. يتم توزيع التضخيم الكلي للمستقبل بين ثلاثة مضخمات بترددات مختلفة: مضخم الترددات الراديوية (RF)، ومضخم الترددات المتوسطة (IF)، ومضخم الصوت. يقلل هذا من مشاكل التغذية الراجعة والتذبذبات الطفيلية التي تُصادف في المستقبلات التي تعمل فيها معظم مراحل التضخيم عند نفس التردد، كما هو الحال في مستقبل الترددات الراديوية. ^{[ 10 ]}

تتمثل الميزة الأهم في إمكانية تحقيق انتقائية أفضل من خلال إجراء الترشيح عند التردد المتوسط ​​الأدنى. ^{[ 4 ] [ 8 ] [ 10 ]} يُعد عرض النطاق الترددي ، أي نطاق الترددات التي يستقبلها جهاز الاستقبال، أحد أهم معاييره . ولرفض المحطات المتداخلة أو الضوضاء القريبة، يلزم عرض نطاق ترددي ضيق. في جميع تقنيات الترشيح المعروفة، يزداد عرض نطاق المرشح طرديًا مع التردد، لذا فإن إجراء الترشيح عند التردد المتوسط ​​الأدنى يُحسّن من الانتقائية.${\displaystyle f_{\text{IF}}}$، بدلاً من تردد إشارة الراديو الأصلية${\displaystyle f_{\text{RF}}}$ويمكن تحقيق نطاق ترددي أضيق. إن البث الإذاعي والتلفزيوني الحديث بتقنية FM، والهواتف المحمولة، وخدمات الاتصالات الأخرى، ذات النطاقات الترددية الضيقة، ستكون مستحيلة بدون تقنية التغاير الفائق. ^{[ 8 ]}