جهاز الإرسال

الموسوعة الحرة
جهاز إرسال البث الإذاعي التجاري FM في محطة الراديو WDET-FM ، جامعة واين ستيت، ديترويت، الولايات المتحدة. يبث على تردد 101.9 ميجاهرتز بقدرة إشعاعية تبلغ 48 كيلوواط .

في مجال الإلكترونيات والاتصالات ، يُعد جهاز الإرسال اللاسلكي ( أو جهاز الإرسال اختصارًا بـ XMTR أو TX في الوثائق التقنية) جهازًا إلكترونيًا يُنتج موجات راديوية باستخدام هوائي ، وذلك بهدف إرسال الإشارة إلى جهاز استقبال لاسلكي . يُولّد جهاز الإرسال نفسه تيارًا متناوبًا بترددات الراديو ، يُطبّق على الهوائي . وعندما يتأثر الهوائي بهذا التيار المتناوب، فإنه يُشعّ موجات راديوية.

تُعدّ أجهزة الإرسال مكونات أساسية في جميع الأجهزة الإلكترونية التي تتواصل عبر الراديو ، مثل محطات البث الإذاعي والتلفزيوني ، والهواتف المحمولة ، وأجهزة الاتصال اللاسلكي ، وشبكات الحاسوب اللاسلكية ، والأجهزة المزودة بتقنية البلوتوث ، وأجهزة فتح أبواب المرآب ، وأجهزة الاتصال اللاسلكي ثنائية الاتجاه في الطائرات والسفن والمركبات الفضائية، وأجهزة الرادار ، ومنارات الملاحة. ويقتصر مصطلح "جهاز إرسال" عادةً على المعدات التي تُولّد موجات الراديو لأغراض الاتصال أو تحديد المواقع عبر الراديو ، مثل أجهزة إرسال الرادار والملاحة. أما مولدات موجات الراديو لأغراض التسخين أو الأغراض الصناعية، مثل أفران الميكروويف أو أجهزة العلاج الحراري ، فلا تُسمى عادةً أجهزة إرسال، على الرغم من تشابه دوائرها الكهربائية في كثير من الأحيان.

يُستخدم هذا المصطلح بشكل شائع للإشارة تحديدًا إلى جهاز إرسال البث ، وهو جهاز يُستخدم في البث الإذاعي والتلفزيوني ، مثل جهاز إرسال راديو FM أو جهاز إرسال التلفزيون . ويشمل هذا الاستخدام عادةً جهاز الإرسال نفسه، والهوائي، والمبنى الذي يوجد فيه غالبًا.

وصف

عادة ما يكون جهاز الإرسال اللاسلكي جزءًا من نظام الاتصالات اللاسلكية الذي يستخدم الموجات الكهرومغناطيسية ( موجات الراديو ) لنقل المعلومات (في هذه الحالة الصوت) عبر مسافة معينة.

يمكن أن يكون جهاز الإرسال وحدة مستقلة ضمن مجموعة من الأجهزة الإلكترونية، أو دائرة كهربائية داخل جهاز إلكتروني آخر. ويُطلق على جهاز الإرسال والاستقبال المدمج في وحدة واحدة اسم جهاز الإرسال والاستقبال . يتمثل الغرض من معظم أجهزة الإرسال في نقل المعلومات لاسلكيًا عبر مسافة معينة. تُزوَّد المعلومات لجهاز الإرسال على شكل إشارة إلكترونية تُسمى إشارة التضمين، مثل إشارة صوتية من ميكروفون، أو إشارة فيديو من كاميرا فيديو، أو في أجهزة الشبكات اللاسلكية ، إشارة رقمية من جهاز كمبيوتر. يُولِّد جهاز الإرسال إشارة تردد لاسلكي ، وعند تطبيقها على الهوائي، تُنتج موجات راديوية تُسمى الإشارة الحاملة . ثم يدمج الإشارة الحاملة مع إشارة التضمين، وهي عملية تُسمى التضمين . يمكن إضافة المعلومات إلى الإشارة الحاملة بعدة طرق مختلفة، في أنواع مختلفة من أجهزة الإرسال. في جهاز إرسال تضمين السعة (AM)، تُضاف المعلومات إلى الإشارة الراديوية عن طريق تغيير سعتها . أما في جهاز إرسال تضمين التردد (FM)، فتُضاف عن طريق تغيير تردد الإشارة الراديوية بشكل طفيف. كما تُستخدم أنواع أخرى كثيرة من التعديل.

تُرسل الإشارة اللاسلكية من جهاز الإرسال إلى الهوائي ، الذي يبث الطاقة على شكل موجات لاسلكية. قد يكون الهوائي مُغلفًا داخل غلاف جهاز الإرسال أو مُثبتًا على سطحه الخارجي، كما هو الحال في الأجهزة المحمولة مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الاتصال اللاسلكي وأجهزة فتح أبواب المرآب . في أجهزة الإرسال ذات القدرة العالية، قد يُوضع الهوائي على سطح مبنى أو على برج منفصل، ويُوصل بجهاز الإرسال عبر خط تغذية ، أي خط نقل .

أجهزة إرسال الراديو
جهاز إرسال بث AM من طراز Elcom Bauer 701B بقدرة 1100 واط
جهاز إرسال FM من طراز Continental 816R-5B بقدرة 35  كيلوواط، تابع لمحطة الراديو الأمريكية KWNR التي تبث على تردد 95.5  ميجاهرتز في لاس فيغاس
جهاز إرسال واستقبال لاسلكي حديث للهواة ، وهو ICOM IC-746PRO. يمكنه الإرسال على نطاقات الهواة من 1.8 ميجاهرتز إلى 144 ميجاهرتز بقدرة خرج تبلغ 100 واط.   
جهاز إرسال واستقبال لاسلكي ثنائي الاتجاه في شاحنة، يعمل بتردد 27  ميجاهرتز وبقوة 4  واط، ويمكن تشغيله بدون ترخيص.
رجل إطفاء يستخدم جهاز اتصال لاسلكي
المنتجات الاستهلاكية التي تحتوي على أجهزة إرسال
يحتوي الهاتف المحمول على عدة أجهزة إرسال: جهاز إرسال واستقبال خلوي مزدوج، ومودم واي فاي، ومودم بلوتوث.
يحتوي كل من سماعة الهاتف اللاسلكي وقاعدته على أجهزة إرسال لاسلكية منخفضة الطاقة بتردد 2.4  جيجاهرتز للتواصل مع بعضهما البعض.
يحتوي جهاز التحكم في فتح باب المرآب على جهاز إرسال منخفض الطاقة بتردد 2.4  جيجاهرتز يرسل أوامر مشفرة إلى آلية باب المرآب لفتحه أو إغلاقه.
جهاز كمبيوتر محمول وجهاز توجيه لاسلكي منزلي (في الخلفية) يربطه بالإنترنت، مما يُنشئ شبكة واي فاي منزلية. كلاهما مزود بمودم واي فاي ، وهو عبارة عن أجهزة إرسال واستقبال ميكروويف آلية تعمل بتردد 2.4  جيجاهرتز، وتتبادل حزم البيانات مع مزود خدمة الإنترنت .
سماعة أذن بلوتوث مزودة بميكروفون. تحتوي على مودم بلوتوث لتبادل الصوت مع الهاتف المحمول
جهاز تحديد المواقع في حالات الطوارئ الذي يحمله المتنزهون.

عملية

رسوم متحركة لهوائي ثنائي القطب نصف موجي يبث موجات راديوية ، توضح خطوط المجال الكهربائي . يتكون الهوائي في المنتصف من قضيبين معدنيين رأسيين، يُطبق عليهما تيار متردد من جهاز إرسال راديوي (غير موضح). يشحن الجهد الكهربائي جانبي الهوائي بالتناوب بشحنة موجبة (+) وسالبة (−) . تنطلق حلقات من المجال الكهربائي (الخطوط السوداء) من الهوائي وتنتشر بسرعة الضوء ؛ هذه هي الموجات الراديوية. تُظهر هذه الرسوم المتحركة الحركة مُبطأة بشكل كبير.

تُشعّ الموجات الكهرومغناطيسية بواسطة الشحنات الكهربائية عند تسارعها . [ 1 ] [ 2 ] أما موجات الراديو ، وهي موجات كهرومغناطيسية بترددات الراديو ، فتتولد بفعل تيارات كهربائية متغيرة مع الزمن ، تتكون من إلكترونات تتدفق عبر موصل معدني يُسمى الهوائي ، حيث تتغير سرعتها وبالتالي تتسارع. [ 3 ] [ 2 ] يُولّد التيار المتردد المتدفق ذهابًا وإيابًا في الهوائي مجالًا مغناطيسيًا متذبذبًا حول الموصل. كما يُشحن الجهد المتردد طرفي الموصل بشحنات موجبة وسالبة بالتناوب، مما يُولّد مجالًا كهربائيًا متذبذبًا حوله. إذا كان تردد التذبذبات عاليًا بما يكفي، في نطاق ترددات الراديو الذي يزيد عن 20 كيلوهرتز تقريبًا، فإن المجالين الكهربائي والمغناطيسي المتذبذبين سيشعّان بعيدًا عن الهوائي في الفضاء على شكل موجة كهرومغناطيسية، أي موجة راديو. 

جهاز الإرسال اللاسلكي عبارة عن دائرة إلكترونية تحوّل الطاقة الكهربائية من مصدر طاقة، كالبطارية أو التيار الكهربائي الرئيسي، إلى تيار متردد بتردد لاسلكي يُطبّق على الهوائي، الذي يشعّ الطاقة من هذا التيار على شكل موجات لاسلكية. [ 4 ] كما يقوم جهاز الإرسال بتشفير معلومات، كإشارة صوتية أو مرئية، ضمن التيار اللاسلكي الذي تحمله الموجات اللاسلكية. وعندما تصطدم هذه الموجات بهوائي جهاز الاستقبال اللاسلكي ، تُثير تيارات لاسلكية مماثلة (لكنها أقل قوة) داخله. ويستخلص جهاز الاستقبال اللاسلكي المعلومات من الموجات المستقبلة.

عناصر

يتكون جهاز الإرسال اللاسلكي العملي بشكل أساسي من الأجزاء التالية:

تُستخدم أنواع أخرى كثيرة من التضمين أيضاً. في أجهزة الإرسال الكبيرة، يُشار إلى المذبذب والمعدِّل معاً غالباً باسم المُثير . [ 5 ]
  • مضخم ترددات الراديو (RF) لزيادة قوة الإشارة، لزيادة مدى موجات الراديو.
  • دائرة مطابقة المعاوقة ( موالف الهوائي ) تُستخدم لتحويل معاوقة خرج جهاز الإرسال لتتوافق مع معاوقة الهوائي (أو خط النقل المؤدي إلى الهوائي)، وذلك لنقل الطاقة بكفاءة إلى الهوائي. في حال عدم تساوي هاتين المعاوقتين، يحدث ما يُعرف بالموجات المستقرة ، حيث تنعكس الطاقة من الهوائي باتجاه جهاز الإرسال، مما يؤدي إلى هدر الطاقة وأحيانًا إلى ارتفاع درجة حرارة جهاز الإرسال.

في أجهزة الإرسال ذات الترددات العالية، ضمن نطاق الترددات فوق العالية والميكروويف ، تكون المذبذبات الحرة غير مستقرة عند تردد الخرج. كانت التصاميم القديمة تستخدم مذبذبًا بتردد منخفض، يُضرب بمعاملات تردد للحصول على إشارة بالتردد المطلوب. أما التصاميم الحديثة ، فتستخدم عادةً مذبذبًا بتردد التشغيل، يُثبَّت طوره بمزامنة الطور مع مرجع تردد منخفض مستقر للغاية، وعادةً ما يكون مذبذبًا بلوريًا.

أنظمة

سيؤدي وجود جهازي إرسال لاسلكيين في نفس المنطقة يحاولان البث على نفس التردد إلى تداخل بينهما، مما يتسبب في تشويش الإشارة، وبالتالي قد لا تُستقبل أي من الإشارتين بوضوح. ولا يقتصر تأثير التداخل مع البث اللاسلكي على التكلفة الاقتصادية الباهظة فحسب، بل قد يُهدد الحياة أيضاً (على سبيل المثال، في حالة التداخل مع اتصالات الطوارئ أو مراقبة الحركة الجوية ).

لهذا السبب، يخضع استخدام أجهزة الإرسال في معظم البلدان لرقابة قانونية صارمة. يجب أن تحصل أجهزة الإرسال على تراخيص من الحكومات، ضمن فئات تراخيص متنوعة حسب الاستخدام، مثل البث الإذاعي ، والراديو البحري ، ونطاق الترددات الجوية ، وهواة اللاسلكي ، وتقتصر على ترددات ومستويات طاقة محددة. يقوم الاتحاد الدولي للاتصالات (ITU) بتخصيص نطاقات التردد في الطيف الراديوي لفئات مختلفة من المستخدمين. في بعض الفئات، يُمنح كل جهاز إرسال رمز نداء فريدًا يتكون من سلسلة من الأحرف والأرقام، ويجب استخدامه كمعرّف في عمليات الإرسال. عادةً ما يجب أن يحمل مشغل جهاز الإرسال ترخيصًا حكوميًا، مثل ترخيص مشغل الهاتف اللاسلكي العام ، والذي يُحصل عليه باجتياز اختبار يُثبت المعرفة التقنية والقانونية الكافية لتشغيل أجهزة الراديو بأمان.

تسمح الاستثناءات من اللوائح المذكورة أعلاه بالاستخدام غير المرخص لأجهزة الإرسال منخفضة الطاقة قصيرة المدى في المنتجات الاستهلاكية مثل الهواتف المحمولة ، والهواتف اللاسلكية ، والميكروفونات اللاسلكية ، وأجهزة الاتصال اللاسلكي ، وأجهزة الواي فاي والبلوتوث ، وأجهزة فتح أبواب المرآب ، وأجهزة مراقبة الأطفال . في الولايات المتحدة، تندرج هذه الأجهزة تحت الجزء 15 من لوائح لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC). على الرغم من إمكانية تشغيلها بدون ترخيص، إلا أنه لا يزال يتعين عمومًا الحصول على موافقة النوع قبل بيعها.

تاريخ

اكتشاف هيرتز للموجات الراديوية في عام 1887 باستخدام أول جهاز إرسال راديوي بدائي (في الخلفية).

قام الفيزيائي الألماني هاينريش هيرتز ببناء أولى أجهزة الإرسال اللاسلكي البدائية (المعروفة باسم أجهزة إرسال الشرارة ) عام 1887 خلال أبحاثه الرائدة في مجال الموجات الراديوية. كانت هذه الأجهزة تولد الموجات الراديوية عن طريق شرارة كهربائية عالية الجهد بين موصلين. ابتداءً من عام 1895، طور غولييلمو ماركوني أولى أنظمة الاتصالات اللاسلكية العملية باستخدام هذه الأجهزة، وبدأ استخدام الراديو تجاريًا حوالي عام 1900. لم تكن أجهزة إرسال الشرارة قادرة على نقل الصوت ، بل كانت تنقل المعلومات عبر التلغراف اللاسلكي : حيث كان المشغل يضغط على مفتاح التلغراف لتشغيل وإيقاف جهاز الإرسال، مما ينتج عنه نبضات موجات راديوية تشكل رسائل نصية بلغة التلغراف، وعادةً ما تكون شفرة مورس . في جهاز الاستقبال، كانت هذه النبضات تُسجل أحيانًا مباشرةً على أشرطة ورقية، ولكن كان الاستقبال الصوتي هو الأكثر شيوعًا. كانت النبضات تُسمع على شكل صفير في سماعات أذن جهاز الاستقبال، والتي كان يُترجمها مشغل مُلم بشفرة مورس إلى نص. استُخدمت هذه المُرسِلات ذات الفجوة الشرارية خلال العقود الثلاثة الأولى من عصر الراديو (1887-1917)، والتي تُعرف بعصر التلغراف اللاسلكي أو عصر "الشرارة". ونظرًا لأنها تُولّد موجات مُخمّدة ، كانت هذه المُرسِلات تُصدر ضوضاء كهربائية. إذ كانت طاقتها تتوزع على نطاق واسع من الترددات ، مما يُولّد ضوضاء لاسلكية تتداخل مع المُرسِلات الأخرى. وقد حُظرت انبعاثات الموجات المُخمّدة بموجب القانون الدولي عام 1934.

ظهرت تقنيتان متنافستان قصيرتا العمر لأجهزة الإرسال بعد مطلع القرن، وكانتا أول أجهزة إرسال الموجة المستمرة : محول القوس ( قوس بولسن ) في عام 1904 ومولد ألكسندرسون حوالي عام 1910، والتي تم استخدامها حتى عشرينيات القرن العشرين.

استُبدلت جميع هذه التقنيات المبكرة بأجهزة إرسال تعمل بالصمامات المفرغة في عشرينيات القرن العشرين، والتي استخدمت مذبذب التغذية الراجعة الذي اخترعه إدوين أرمسترونغ وألكسندر مايسنر حوالي عام 1912، والمستند إلى صمام أوديون ( الصمام الثلاثي ) المفرغ الذي اخترعه لي دي فورست عام 1906. كانت أجهزة الإرسال بالصمامات المفرغة رخيصة الثمن وتُنتج موجات مستمرة ، ويمكن تعديلها بسهولة لنقل الصوت باستخدام تعديل السعة (AM). وقد أتاح ذلك بث الراديو بتقنية تعديل السعة ، والذي بدأ حوالي عام 1920. اخترع إدوين أرمسترونغ تقنية الإرسال العملي بتعديل التردد (FM) عام 1933، وأثبت أنها أقل عرضة للتشويش والضوضاء من تقنية تعديل السعة. تم ترخيص أول محطة إذاعية بتقنية تعديل التردد عام 1937. كانت محطات الراديو تُجري تجارب بث تلفزيوني منذ أواخر عشرينيات القرن العشرين، لكن البث التلفزيوني العملي لم يبدأ إلا في أواخر ثلاثينيات القرن العشرين. لقد حفز تطوير الرادار خلال الحرب العالمية الثانية تطور أجهزة الإرسال عالية التردد في نطاقات UHF والميكروويف ، باستخدام أجهزة نشطة جديدة مثل المغنطرون ، والكليسترون ، وأنبوب الموجة المتنقلة .

أتاح اختراع الترانزستور تطوير أجهزة إرسال محمولة صغيرة في ستينيات القرن الماضي، مثل الميكروفونات اللاسلكية وأجهزة فتح أبواب المرآب وأجهزة الاتصال اللاسلكي . كما مكّن تطوير الدوائر المتكاملة في سبعينيات القرن الماضي من الانتشار الحالي للأجهزة اللاسلكية ، مثل الهواتف المحمولة وشبكات الواي فاي ، حيث تعمل أجهزة الإرسال والاستقبال الرقمية المدمجة ( أجهزة المودم اللاسلكية ) في الأجهزة المحمولة تلقائيًا في الخلفية لتبادل البيانات مع الشبكات اللاسلكية .

يدفع الاحتياج إلى ترشيد استهلاك عرض النطاق الترددي في الطيف الراديوي المتزايد الازدحام إلى تطوير أنواع جديدة من أجهزة الإرسال، مثل تقنية الطيف المنتشر ، وأنظمة الراديو الموجهة ، والراديو المعرفي . ومن الاتجاهات ذات الصلة التحول المستمر من أساليب الإرسال الراديوي التناظرية إلى الرقمية . تتميز تقنية التضمين الرقمي بكفاءة طيفية أعلى من التضمين التناظري ؛ أي أنها قادرة على نقل كمية أكبر من المعلومات ( معدل البيانات ) ضمن نطاق ترددي محدد ، وذلك باستخدام خوارزميات ضغط البيانات . ومن مزايا الإرسال الرقمي الأخرى زيادة مقاومة التشويش ، ومرونة أكبر، وقدرة معالجة أعلى لدوائر معالجة الإشارات الرقمية المتكاملة .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ سيرواي، ريموند؛ فون، جيري؛ فويل، كريس (2008). فيزياء الكلية، الطبعة الثامنة . سينجج ليرنينج. ص  714. ISBN 978-0495386933.
  2. 1 2 إلينغسون، ستيفن و. (2016). هندسة أنظمة الراديو . مطبعة جامعة كامبريدج. ص 16-17 . ISBN  978-1316785164.
  3. ↑ بالانيس ، قسطنطين أ. (2005). نظرية الهوائيات: التحليل والتصميم، الطبعة الثالثة . جون وايلي وأولاده. ص 10. ISBN  9781118585733.
  4. ↑ براين، مارشال (7 ديسمبر 2000). "كيف يعمل الراديو" . HowStuffWorks.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 سبتمبر 2009 .
  5. ↑ ويلتون، جيف (2018). كافيل، غاريسون (محرر). أجهزة إرسال راديو VHF (FM) في دليل الهندسة الصادر عن الرابطة الوطنية للمذيعين، الطبعة الحادية عشرة . نيويورك: روتليدج. الصفحات 1331-1334 . ISBN  9781138930513.

للمزيد من القراءة