وحدة الترددات اللاسلكية

الموسوعة الحرة
وحدة الترددات اللاسلكية (مع مسطرة للمقارنة بالحجم)

وحدة الترددات الراديوية ( RF ) هي جهاز إلكتروني صغير (عادةً) يُستخدم لإرسال واستقبال الإشارات اللاسلكية بين جهازين. في الأنظمة المدمجة، يُفضّل غالبًا التواصل لاسلكيًا مع جهاز آخر . يُمكن تحقيق هذا التواصل اللاسلكي عبر الاتصالات الضوئية أو عبر اتصالات الترددات الراديوية (RF). في العديد من التطبيقات، تُعدّ الترددات الراديوية الوسيلة المُفضّلة لأنها لا تتطلب خط رؤية مباشر. تتكون اتصالات الترددات الراديوية من مُرسِل ومُستقبِل ، وهي مُتنوعة الأنواع والمدى، حيث يصل مدى بعضها إلى 150 مترًا (500 قدم). تُصنّع وحدات الترددات الراديوية عادةً باستخدام تقنية CMOS للترددات الراديوية .

تُستخدم وحدات الترددات الراديوية على نطاق واسع في التصميم الإلكتروني نظرًا لصعوبة تصميم الدوائر اللاسلكية. يُعرف التصميم الإلكتروني الجيد للراديو بتعقيده الشديد نظرًا لحساسية الدوائر اللاسلكية ودقة المكونات والتخطيطات اللازمة للتشغيل على تردد محدد. إضافةً إلى ذلك، تتطلب دائرة اتصال لاسلكي موثوقة مراقبة دقيقة لعملية التصنيع لضمان عدم تأثر أداء الترددات الراديوية سلبًا. أخيرًا، تخضع الدوائر اللاسلكية عادةً لقيود على الانبعاثات المشعة، وتتطلب اختبارات المطابقة والحصول على شهادة من منظمة توحيد المعايير مثل المعهد الأوروبي لمعايير الاتصالات (ETSI) أو لجنة الاتصالات الفيدرالية الأمريكية (FCC). لهذه الأسباب، غالبًا ما يصمم مهندسو التصميم دائرة لتطبيق يتطلب اتصالًا لاسلكيًا، ثم يستخدمون وحدة راديو جاهزة بدلًا من محاولة تصميم منفصل ، مما يوفر الوقت والمال في التطوير.

تُستخدم وحدات الترددات اللاسلكية في الغالب في المنتجات متوسطة ومنخفضة الإنتاج لتطبيقات المستهلكين، مثل أجهزة فتح أبواب المرآب، وأنظمة الإنذار أو المراقبة اللاسلكية، وأجهزة التحكم عن بُعد الصناعية ، وتطبيقات أجهزة الاستشعار الذكية، وأنظمة التشغيل الآلي للمنازل اللاسلكية . وتُستخدم أحيانًا كبديل لتصاميم الاتصالات بالأشعة تحت الحمراء القديمة ، نظرًا لميزتها في عدم اشتراط وجود خط رؤية مباشر.

تُستخدم عدة ترددات حاملة بشكل شائع في وحدات الترددات اللاسلكية المتوفرة تجاريًا، بما في ذلك تلك الموجودة في نطاقات الترددات اللاسلكية الصناعية والعلمية والطبية (ISM) مثل 433.92  ميجاهرتز و915  ميجاهرتز و2400  ميجاهرتز. ويُستخدم هذا التردد نظرًا للوائح الوطنية والدولية التي تُنظم استخدام الراديو في الاتصالات. كما قد تستخدم الأجهزة قصيرة المدى ترددات متاحة للاستخدام غير المرخص، مثل 315  ميجاهرتز و868  ميجاهرتز.

قد تتوافق وحدات الترددات اللاسلكية مع بروتوكول محدد لاتصالات الترددات اللاسلكية مثل Zigbee أو Bluetooth Low Energy أو Wi-Fi ، أو قد تقوم بتنفيذ بروتوكول خاص بها .

أنواع وحدات الترددات اللاسلكية

يُمكن تطبيق مصطلح وحدة الترددات اللاسلكية على أنواع وأشكال وأحجام مختلفة من لوحات الدوائر الإلكترونية الفرعية الصغيرة . كما يُمكن تطبيقه على وحدات ذات وظائف وقدرات متنوعة للغاية. تتضمن وحدات الترددات اللاسلكية عادةً لوحة دوائر مطبوعة ، ودائرة إرسال أو استقبال، وهوائي ، وواجهة تسلسلية للتواصل مع المعالج الرئيسي.

معظم الأنواع القياسية والمعروفة مشمولة هنا:

وحدات الإرسال

وحدة إرسال الترددات الراديوية عبارة عن وحدة فرعية صغيرة على لوحة الدوائر المطبوعة، قادرة على إرسال موجات الراديو وتعديلها لنقل البيانات. عادةً ما تُدمج وحدات الإرسال مع وحدة تحكم دقيقة تُزوّد ​​الوحدة بالبيانات اللازمة للإرسال. تخضع أجهزة إرسال الترددات الراديوية عادةً لمتطلبات تنظيمية تحدد الحد الأقصى المسموح به لطاقة خرج الإرسال ، والتوافقيات ، ومتطلبات حافة النطاق.

وحدات الاستقبال

تستقبل وحدة استقبال الترددات الراديوية إشارة الترددات الراديوية المُعدّلة، ثم تُزيل تعديلها . يوجد نوعان من وحدات استقبال الترددات الراديوية: مستقبلات التغاير الفائق ومستقبلات التجديد الفائق . تتميز وحدات التجديد الفائق عادةً بانخفاض تكلفتها واستهلاكها للطاقة، حيث تستخدم سلسلة من المُضخّمات لاستخلاص البيانات المُعدّلة من الموجة الحاملة. إلا أن دقة هذه الوحدات تكون أقل عمومًا، نظرًا لتغير تردد تشغيلها بشكل كبير مع درجة الحرارة وجهد مصدر الطاقة. تتمتع مستقبلات التغاير الفائق بأداء أفضل من مستقبلات التجديد الفائق؛ إذ توفر دقة واستقرارًا مُحسّنين ضمن نطاق واسع من الجهد ودرجة الحرارة. يأتي هذا الاستقرار من تصميم بلوري ثابت، والذي كان في السابق يعني منتجًا أغلى نسبيًا. مع ذلك، فإن التطورات في تصميم رقائق الاستقبال تعني الآن وجود فرق طفيف في السعر بين مستقبلات التغاير الفائق ومستقبلات التجديد الفائق.

وحدات الإرسال والاستقبال

تتضمن وحدة الإرسال والاستقبال اللاسلكية جهاز إرسال وجهاز استقبال. عادةً ما تُصمم الدائرة للعمل بنظام نصف مزدوج ، على الرغم من توفر وحدات بنظام مزدوج كامل ، إلا أنها عادةً ما تكون أغلى ثمناً نظراً لتعقيدها الإضافي.

وحدة النظام على شريحة (SoC)

وحدة النظام على شريحة (SoC) تُشبه وحدة الإرسال والاستقبال، ولكنها غالبًا ما تُصنع باستخدام متحكم دقيق مُدمج. يُستخدم المتحكم الدقيق عادةً لمعالجة تغليف بيانات الراديو (تقسيمها إلى حزم) أو إدارة بروتوكول مثل وحدة متوافقة مع معيار IEEE 802.15.4 . يُستخدم هذا النوع من الوحدات عادةً في التصاميم التي تتطلب معالجة إضافية للامتثال لبروتوكول معين، عندما لا يرغب المصمم في دمج هذه المعالجة في المتحكم الدقيق الرئيسي.

واجهة وحدة التحكم الدقيقة المضيفة

تتواصل وحدات الترددات اللاسلكية عادةً مع نظام مُدمج، مثل وحدة تحكم دقيقة أو معالج دقيق. تشمل بروتوكولات الاتصال UART ، المستخدمة في وحدات X-Bee من Digi International ، و Serial Peripheral Interface Bus المستخدمة في وحدات AIR من Anaren ، و Universal Serial Bus المستخدمة في وحدات Roving Networks. على الرغم من أن الوحدة قد تستخدم بروتوكولًا قياسيًا للاتصال اللاسلكي، إلا أن الأوامر المُرسلة عبر واجهة وحدة التحكم الدقيقة عادةً ما تكون غير قياسية، حيث يمتلك كل مُصنِّع تنسيق اتصالات خاص به. تعتمد سرعة واجهة وحدة التحكم الدقيقة على سرعة بروتوكول الترددات اللاسلكية المُستخدم: تتطلب بروتوكولات الترددات اللاسلكية عالية السرعة، مثل Wi-Fi، واجهة تسلسلية عالية السرعة مثل USB، بينما قد تستخدم البروتوكولات ذات معدل نقل البيانات الأبطأ، مثل Bluetooth Low Energy، واجهة UART.

تعديل إشارة الترددات الراديوية

توجد عدة أنواع من طرق تعديل الإشارة الرقمية شائعة الاستخدام في وحدات الإرسال والاستقبال اللاسلكية:

العوامل الرئيسية المؤثرة على أداء وحدة الترددات اللاسلكية

كما هو الحال مع أي جهاز ترددات لاسلكية آخر، يعتمد أداء وحدة الترددات اللاسلكية على عدد من العوامل. فعلى سبيل المثال، بزيادة طاقة الإرسال، يمكن تحقيق مسافة اتصال أكبر. إلا أن ذلك سيؤدي أيضًا إلى زيادة استهلاك الطاقة الكهربائية لجهاز الإرسال، مما يُقصر عمر تشغيل الأجهزة التي تعمل بالبطاريات. كذلك، فإن استخدام طاقة إرسال أعلى يجعل النظام أكثر عرضة للتداخل مع أجهزة الترددات اللاسلكية الأخرى، وقد يُصبح الجهاز غير قانوني في بعض الحالات، وذلك بحسب القوانين المحلية. وبالمثل، فإن زيادة حساسية جهاز الاستقبال ستزيد من نطاق الاتصال الفعال، ولكنها قد تُسبب أيضًا أعطالًا نتيجةً للتداخل من أجهزة الترددات اللاسلكية الأخرى.

يمكن تحسين أداء النظام ككل باستخدام هوائيات متطابقة في كل طرف من أطراف وصلة الاتصال، مثل تلك الموصوفة سابقًا.

وأخيرًا، يتم قياس المسافة البعيدة المحددة لأي نظام معين عادةً في تكوين خط رؤية مفتوح في الهواء الطلق دون أي تداخل، ولكن غالبًا ما تكون هناك عوائق مثل الجدران أو الأرضيات أو البناء الكثيف لامتصاص إشارات الموجات الراديوية، لذلك ستكون مسافة التشغيل الفعالة في معظم الحالات العملية أقل من المسافة المحددة.

التوصيل المادي للوحدة

الاتصال المادي للوحدة: مصفوفة شبكة أرضية، وفتحة نافذة، ولوحة مسننة (من اليسار إلى اليمين)

تُستخدم طرق متنوعة لتثبيت وحدة الترددات اللاسلكية على لوحة الدوائر المطبوعة ، إما بتقنية التثبيت عبر الثقوب أو بتقنية التثبيت السطحي . تتيح تقنية التثبيت عبر الثقوب إدخال الوحدة أو إزالتها دون لحام. أما تقنية التثبيت السطحي فتتيح تثبيت الوحدة على لوحة الدوائر المطبوعة دون الحاجة إلى خطوة تجميع إضافية. تشمل وصلات التثبيت السطحي المستخدمة في وحدات الترددات اللاسلكية مصفوفة الشبكة الأرضية (LGA) والوسادات المسننة. تسمح حزمة LGA بأحجام صغيرة للوحدات لأن جميع الوسادات تقع أسفل الوحدة، ولكن يجب فحص الوصلات بالأشعة السينية للتحقق من الاتصال. تُمكّن الثقوب المسننة من الفحص البصري للوصلة، ولكنها تزيد من حجم الوحدة لاستيعاب الوسادات.

البروتوكولات اللاسلكية المستخدمة في وحدات الترددات اللاسلكية

تُستخدم وحدات الترددات اللاسلكية، وخاصة وحدات النظام على رقاقة (SoC)، بشكل متكرر للتواصل وفقًا لمعيار لاسلكي محدد مسبقًا، بما في ذلك:

ومع ذلك، فإن وحدات الترددات اللاسلكية تتواصل في كثير من الأحيان باستخدام بروتوكولات خاصة، مثل تلك المستخدمة في أجهزة فتح أبواب المرآب.

التطبيقات النموذجية

شهادة وحدة الترددات اللاسلكية في حالة دمج المنتج النهائي

يُعدّ ضمان الامتثال التنظيمي النهائي للمنتج بناءً على وحدة ترددات لاسلكية متكاملة ومتوافقة (كما هو الحال في معظم أجهزة إنترنت الأشياء هذه الأيام) مفهومًا خاطئًا شائعًا. فنادرًا ما تُغطي الوحدة المتوافقة مع المتطلبات الأساسية للوائح الدول (مثل FCC وCE و ICES و ANATEL وغيرها) المنتج النهائي. ومع ذلك، لا يعني هذا بالضرورة إجراء اختبارات امتثال كاملة عند دمج وحدة ترددات لاسلكية متوافقة. يُوفّر دمج وحدة متوافقة العديد من المزايا.

تُعدّ وحدة الترددات اللاسلكية عنصرًا أساسيًا في المنتجات الاستهلاكية الحديثة، ولكنها في الوقت نفسه ليست سوى جزء من المنتج النهائي. وقد شهدت وحدات الراديو تطورًا ملحوظًا على مرّ السنين. وتسعى منظمات الجهد المدمجة والهوائيات المتكاملة عمومًا إلى ضمان ثبات خصائص الراديو بغض النظر عن الجهاز المضيف. ويمكنكم الرجوع إلى معظم قياسات طيف الترددات اللاسلكية على مستوى الوحدة لضمان الامتثال عند اختبار منتجكم واعتماده في مختبر معتمد وفقًا لمعيار ISO 17025 في مجال التوافق الكهرومغناطيسي والترددات اللاسلكية.

في النهاية، المنتج النهائي هو الذي يجب أن يلتزم باللوائح. ولا يمكن تغطية جوانب مثل الصحة والسلامة والحساسية للإشعاع على مستوى الوحدات النمطية.