تصميم جهاز استقبال الراديو

يشمل تصميم أجهزة استقبال الراديو التصميم الإلكتروني لمختلف مكونات جهاز الاستقبال الذي يعالج إشارة الترددات الراديوية من الهوائي لإنتاج معلومات قابلة للاستخدام، مثل الصوت. وتُغطى تعقيدات أجهزة الاستقبال الحديثة ونطاق الدوائر والأساليب المستخدمة فيها بشكل عام في هندسة الإلكترونيات والاتصالات . ويُقصد بمصطلح " جهاز استقبال الراديو" في هذه المقالة أي جهاز مُصمم لاستقبال إشارة راديوية بهدف توليد معلومات مفيدة منها، ولا سيما إعادة إنتاج ما يُسمى بإشارة النطاق الأساسي (مثل الصوت) التي تُعدّل الإشارة الراديوية أثناء الإرسال في نظام اتصالات أو بث.

يجب أن يراعي تصميم جهاز استقبال الراديو عدة معايير أساسية لتحقيق نتيجة عملية. أهم هذه المعايير هي الكسب ، والانتقائية ، والحساسية ، والاستقرار. يجب أن يحتوي جهاز الاستقبال على كاشف لاستعادة المعلومات المطبوعة مبدئيًا على إشارة الموجة الحاملة ، وهي عملية تُسمى التضمين . ^{[ 1 ]}

يُعدّ التضخيم ضروريًا لأن الإشارة التي يستقبلها الهوائي تكون ذات مستوى طاقة منخفض جدًا، في حدود البيكوواط أو الفيمتوواط . ولإنتاج إشارة مسموعة في سماعات الرأس، يجب تضخيم هذه الإشارة تريليون مرة أو أكثر. ونظرًا لضخامة مقدار التضخيم المطلوب، يُفضّل استخدام وحدة الديسيبل اللوغاريتمية - حيث يُعادل تضخيم تريليون مرة من الطاقة 120 ديسيبل، وهي قيمة تحققها العديد من أجهزة الاستقبال الشائعة. ويتم توفير التضخيم بواسطة مرحلة تضخيم واحدة أو أكثر في تصميم جهاز الاستقبال؛ حيث يُطبّق جزء من التضخيم على جزء الترددات الراديوية من النظام، والجزء المتبقي على الترددات التي تستخدمها المعلومات المستعادة (إشارات الصوت أو الفيديو أو البيانات).

الانتقائية هي القدرة على ضبط جهاز الاستقبال على محطة واحدة فقط من بين العديد من المحطات التي قد تبث في أي وقت. يُعد مرشح تمرير النطاق القابل للتعديل مرحلة نموذجية في جهاز الاستقبال. قد يتضمن جهاز الاستقبال عدة مراحل من مرشحات تمرير النطاق لتوفير انتقائية كافية. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يوفر تصميم جهاز الاستقبال مناعة ضد الإشارات الطفيلية التي قد تتولد داخله والتي قد تتداخل مع الإشارة المطلوبة. تُخصص ترددات لمحطات البث في أي منطقة معينة حتى تتمكن أجهزة الاستقبال من اختيار البث المطلوب بدقة؛ وهذا عامل أساسي يحد من عدد محطات البث التي يمكنها العمل في منطقة معينة.

الحساسية هي القدرة على استخلاص الإشارة من الضوضاء الخلفية. تتولد الضوضاء في المسار بين المرسل والمستقبل، ولكنها تتولد أيضًا بشكل ملحوظ في دوائر المستقبل نفسه. بطبيعة الحال، أي دائرة فوق الصفر المطلق تولد بعض الضوضاء العشوائية التي تُضاف إلى الإشارات المطلوبة. في بعض الحالات، تكون الضوضاء الجوية أكبر بكثير من تلك المتولدة في دوائر المستقبل، ولكن في بعض التصاميم، تُطبق إجراءات مثل التبريد المبرد على بعض مراحل المستقبل، لمنع حجب الإشارات بالضوضاء الحرارية. قد يتميز تصميم مستقبل عالي الجودة بمعامل ضوضاء لا يتجاوز بضعة أضعاف الحد الأدنى النظري لدرجة حرارة التشغيل وعرض نطاق الإشارة المطلوب. الهدف هو إنتاج نسبة إشارة إلى ضوضاء للإشارة المستخلصة كافية للغرض المقصود. غالبًا ما تُعبر هذه النسبة بالديسيبل. قد تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء البالغة 10 ديسيبل (إشارة أقوى 10 مرات من الضوضاء) قابلة للاستخدام في الاتصالات الصوتية من قبل المشغلين ذوي الخبرة، ولكن جهاز الاستقبال المخصص لإعادة إنتاج الموسيقى عالية الدقة قد يتطلب نسبة إشارة إلى ضوضاء تبلغ 50 ديسيبل أو أعلى.

يُشترط الاستقرار من ناحيتين على الأقل. استقرار التردد ؛ إذ يجب أن يظل جهاز الاستقبال مضبوطًا على إشارة الراديو الواردة، وألا يتغير تردده مع مرور الوقت أو تغير درجة الحرارة. إضافةً إلى ذلك، يجب التحكم بدقة في مقدار التضخيم الكبير المُولّد لتجنب انبعاث إشارات دخيلة داخل جهاز الاستقبال، والتي قد تؤدي إلى تشويه المعلومات المُستعادة، أو في أسوأ الأحوال، قد تُشع إشارات تتداخل مع أجهزة استقبال أخرى.

تستخلص مرحلة الكشف المعلومات من إشارة الترددات الراديوية، وتُنتج الصوت أو الفيديو أو البيانات التي تم تسجيلها على الموجة الحاملة في البداية. قد تكون الكواشف بسيطة مثل كاشف "الغلاف" لتعديل السعة ، أو قد تكون دوائر أكثر تعقيدًا للتقنيات الحديثة مثل طيف الانتشار بالقفز الترددي .

على الرغم من أنها ليست أساسية لجهاز الاستقبال، إلا أن التحكم التلقائي في الكسب يمثل راحة كبيرة للمستخدم، لأنه يعوض تلقائيًا عن تغير مستويات الإشارة المستقبلة أو المستويات المختلفة التي تنتجها أجهزة الإرسال المختلفة.

لقد طُورت العديد من المناهج المختلفة و"المخططات الأساسية" لأجهزة الاستقبال لمعالجة هذه العوامل المتعددة، والتي قد تكون متناقضة أحيانًا. وبعد تحقيق هذه الأهداف التقنية، تظل عملية التصميم المتبقية معقدة بسبب اعتبارات اقتصادية، وحقوق براءات اختراع، وحتى الموضة.

لا يستخدم الراديو البلوري أي أجزاء فعّالة، فهو يعمل فقط بإشارة الراديو نفسها، التي تُغذّي سماعات الرأس بالطاقة المُستَقبَلة لكي يُسمع الصوت. ولتحقيق أدنى حساسية، يقتصر الراديو البلوري على الترددات المنخفضة باستخدام هوائي كبير (عادةً ما يكون سلكًا طويلًا). ويعتمد على الكشف باستخدام نوع من ثنائيات أشباه الموصلات ، مثل ثنائي "شعيرات القط" الأصلي الذي اكتُشف قبل وقت طويل من تطوير أشباه الموصلات الحديثة.

جهاز استقبال الكريستال بسيط للغاية، ويمكن صنعه بسهولة أو حتى ابتكاره، كما في راديو الخندق مثلاً . مع ذلك، يحتاج راديو الكريستال إلى إشارة تردد لاسلكي قوية وهوائي طويل ليعمل. كما أنه يتميز بانتقائية ضعيفة لاحتوائه على دائرة رنين واحدة فقط.

يتكون جهاز استقبال الترددات الراديوية المضبوط (TRF) من مُضخِّم ترددات راديوية ذي مرحلة واحدة أو أكثر، جميعها مضبوطة على تردد الاستقبال المطلوب. يليه كاشف، عادةً ما يكون كاشف غلاف يستخدم ثنائيًا، ثم تضخيم صوتي. طُوِّر هذا الجهاز بعد اختراع الصمام الثلاثي المفرغ، مما حسَّن بشكل كبير استقبال الإشارات الراديوية باستخدام التضخيم الإلكتروني الذي لم يكن متاحًا سابقًا. تفوقت انتقائية جهاز الاستقبال الفائق التغاير المحسَّنة بشكل كبير على تصميم TRF في جميع التطبيقات تقريبًا، ومع ذلك، ظل تصميم TRF مستخدمًا حتى ستينيات القرن الماضي في أجهزة الراديو الترانزستورية الأرخص ثمنًا في تلك الحقبة.

كان جهاز الاستقبال الانعكاسي تصميمًا من أوائل القرن العشرين، يتألف من مستقبل TRF أحادي المرحلة، ولكنه كان يستخدم نفس أنبوب التضخيم لتضخيم الإشارة الصوتية بعد استقبالها. في ذلك الوقت، كان كل أنبوب يمثل تكلفة باهظة (ويستهلك طاقة كهربائية كبيرة)، لذا كان يُفضّل زيادة عدد العناصر السلبية بشكل كبير على إضافة أنبوب إضافي. يتسم هذا التصميم بعدم الاستقرار، وقد أصبح الآن قديمًا.

شهد جهاز الاستقبال التجديدي ذروة ازدهاره في وقتٍ كان فيه إضافة عنصر نشط (صمام مفرغ) مكلفًا. ولزيادة كسب جهاز الاستقبال، استُخدمت تغذية راجعة موجبة في مرحلة تضخيم الترددات الراديوية الوحيدة؛ مما زاد من انتقائية جهاز الاستقبال إلى ما يفوق بكثير ما يُتوقع من دائرة رنانة واحدة. وكان مقدار التغذية الراجعة بالغ الأهمية في تحديد الكسب الناتج، وكان على مشغل الراديو ضبطه بدقة. فزيادة التغذية الراجعة عن حدٍ معين كانت تتسبب في تذبذب المرحلة عند التردد المضبوط عليه.

أدى التذبذب الذاتي إلى انخفاض جودة استقبال إشارة الراديو AM (الصوت)، ولكنه جعله مفيدًا كمستقبل CW (شفرة مورس). وكانت إشارة الخفقان بين التذبذب وإشارة الراديو تُصدر صوت "صفير". كما كان تذبذب جهاز الاستقبال التجديدي مصدرًا للتداخل المحلي. وقد حسّن تصميم مُطوّر يُعرف باسم جهاز الاستقبال التجديدي الفائق الأداء من خلال السماح بتراكم التذبذب ثم "إخماده"، مع تكرار هذه الدورة بسرعة (فوق صوتية). ومن خلال المخطط المرفق لجهاز استقبال تجديدي عملي، يُمكن ملاحظة بساطته مقارنةً بجهاز استقبال TRF متعدد المراحل، مع قدرته على تحقيق نفس مستوى التضخيم باستخدام التغذية الراجعة الموجبة.

في جهاز الاستقبال ذي التحويل المباشر ، تُضبط إشارات الهوائي بواسطة دائرة رنين واحدة فقط قبل دخولها إلى الخلاط، حيث تُخلط مع إشارة من مذبذب محلي مضبوط على تردد الموجة الحاملة للإشارة المرسلة. وهذا يختلف عن تصميم التغاير الفائق، حيث يكون تردد المذبذب المحلي مختلفًا. وبالتالي، يكون خرج هذا الخلاط بتردد صوتي، يُمرر عبر مرشح تمرير منخفض إلى مضخم صوت ، والذي بدوره قد يُشغل مكبر صوت.

لاستقبال إشارات مورس ( CW )، يتم ضبط المذبذب المحلي على تردد يختلف قليلاً عن تردد جهاز الإرسال من أجل تحويل الإشارة المستلمة إلى "صفير" مسموع.

• المزايا
  • أبسط من جهاز استقبال سوبر هيتروداين
• العيوب
  • ضعف رفض الإشارات القوية عند الترددات المجاورة مقارنة بجهاز استقبال سوبر هيتروداين.
  • زيادة الضوضاء أو التداخل عند استقبال إشارة SSB نظرًا لعدم وجود انتقائية ضد النطاق الجانبي غير المرغوب فيه.

تعتمد جميع أجهزة الاستقبال الحديثة تقريبًا على تصميم التغاير الفائق. قد تخضع إشارة التردد اللاسلكي القادمة من الهوائي لمرحلة تضخيم واحدة لتحسين نسبة الضوضاء في جهاز الاستقبال ، مع أن هذه المرحلة تُهمل عادةً عند الترددات المنخفضة. تدخل إشارة التردد اللاسلكي إلى خلاط ، جنبًا إلى جنب مع خرج المذبذب المحلي ، لإنتاج ما يُسمى بإشارة التردد المتوسط ​​(IF). تمثلت إحدى التحسينات المبكرة للتغاير الفائق في دمج المذبذب المحلي والخلاط في مرحلة واحدة تُسمى "المحول". يُضبط المذبذب المحلي على تردد أعلى (أو أقل) بقليل من تردد الاستقبال المطلوب، بحيث تكون إشارة التردد المتوسط ​​عند تردد معين، حيث تُضخّم لاحقًا في مُضخّم متعدد المراحل ضيق النطاق. يتضمن ضبط جهاز الاستقبال تغيير تردد المذبذب المحلي، مع إجراء معالجة إضافية للإشارة (خاصةً فيما يتعلق بزيادة تردد جهاز الاستقبال) عند تردد واحد (تردد التردد المتوسط)، مما يُغني عن الحاجة إلى مزيد من الضبط لمحطات مختلفة.

نعرض هنا مخططات هيكلية لأجهزة استقبال سوبر هيتروداين النموذجية لبث AM وFM على التوالي. يستخدم تصميم FM هذا كاشف حلقة قفل الطور الحديث، على عكس كاشف تمييز التردد أو كاشف النسبة المستخدم في أجهزة استقبال FM السابقة.

في أجهزة استقبال AM أحادية التحويل بتقنية التغاير الفائق المصممة للموجات المتوسطة (بث AM)، يكون التردد الوسيط (IF) عادةً 455  كيلوهرتز. أما معظم أجهزة الاستقبال بتقنية التغاير الفائق المصممة لبث FM (88-108  ميجاهرتز) فتستخدم ترددًا وسيطًا قدره 10.7  ميجاهرتز. غالبًا ما تستخدم أجهزة استقبال التلفزيون ترددات وسيطة تبلغ حوالي 40  ميجاهرتز. في الواقع، تقوم بعض أجهزة الاستقبال الحديثة متعددة النطاقات بتحويل نطاقات التردد المنخفضة أولًا إلى تردد أعلى بكثير (VHF)، ثم يقوم خلاط ثانٍ مزود بمذبذب محلي قابل للضبط ومرحلة تردد وسيط ثانية بمعالجة الإشارة كما سبق.

منذ العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، استبدلت نسبة متزايدة من أجهزة الراديو المصممة لاستقبال البث التناظري التقليدي للموجات القصيرة والمتوسطة FM و AM الكثير من دوائر الضبط التناظرية في التصميمات القديمة بدوائر متكاملة رقمية تعتمد على معالج الإشارات الرقمية (DSP) والتي تقوم بمعظم عمليات المعالجة وفك التشفير في المجال الرقمي.

الراديو المعرف بالبرمجيات (SDR) هو نظام اتصالات لاسلكية تُنفذ فيه المكونات التي كانت تُنفذ تقليديًا في الأجهزة (مثل الخلاطات ، والمرشحات ، والمضخمات ، والمعدلات / مزيلات التعديل ، وأجهزة الكشف ، وما إلى ذلك) بواسطة برمجيات على جهاز كمبيوتر شخصي أو نظام مضمن . ^{[ 2 ]} ورغم أن مفهوم الراديو المعرف بالبرمجيات ليس جديدًا، إلا أن القدرات المتطورة بسرعة للإلكترونيات الرقمية تجعل العديد من العمليات التي كانت ممكنة نظريًا فقط قابلة للتطبيق عمليًا.

• تاريخ الراديو
• كاتم الضوضاء

الكتب

• دليل الاتصالات اللاسلكية (RSGB)، رقم ISBN 0-900612-58-4

براءات الاختراع

• براءة اختراع أمريكية رقم 1,748,435 لجهاز راديو الكريستال. هـ. آدامز