ما هو مركب التردد اللاسلكي – RF Frequency Synthesizer؟
أنواع مركب الترددات الراديوية:
ما هو التوليف الرقمي المباشر DDS؟
آلية عمل DDS:
عيوب DDS:

يُعد استخدم تقنية مُركب التردد اللاسلكي على نطاق واسع التي يتوفر فيها العديد من الأنواع والتقنيات المختلفة بحيث يمكن استخدامها في تصميمها، كما تُستخدم أجهزة توليف التردد في مجموعة من معدات الترددات اللاسلكية المختلفة أي تقريباً في أي مكان يتطلب مصدر تردد لاسلكي ثابت.

 

ما هو مركب التردد اللاسلكي – RF Frequency Synthesizer؟

 

مُركب التردد: هو دائرة إلكترونية تولد نطاقاً من الترددات من تردد مرجعي واحد حيث تُستخدم أجهزة توليف التردد في العديد من الأجهزة الحديثة مثل أجهزة استقبال الراديو  وأجهزة التلفاز والهواتف المحمولة والهواتف اللاسلكية وأجهزة الاتصال اللاسلكي وأجهزة الراديو (CB) وصناديق محول تلفاز الكابل وأجهزة استقبال الأقمار الصناعية وأنظمة (GPS).

 

قد يستخدم مُصنِّع التردد تقنيات مضاعفة التردد وتقسيم التردد والتوليف الرقمي المباشر وخلط التردد والحلقات المغلقة الطورية (PLL) لتوليد تردداتها، كما يرتبط استقرار ودقة ناتج جهاز توليف التردد باستقرار ودقة إدخال التردد المرجعي، وبالتالي فإنّ المُركِّبات تستخدم ترددات مرجعية مستقرة ودقيقة، مثل تلك التي توفرها المذبذبات البلورية.

 

تتقوم أجهزة توليف الترددات اللاسلكية على توفير مستويات عالية من الأداء من حيث الاستقرار وقابلية البرمجة والراحة العامة، ونظراً لأنّ معظم المعدات التي تتطلب استخدام مُركِّب الترددات الراديوية تحتوي أيضاً على دوائر رقمية لعناصر أخرى بالجهاز، فإنّ مُركِّبات الترددات الراديوية مناسبة للاستخدام بشكل خاص.

 

تُستخدم أجهزة توليف التردد اللاسلكي في المعدات من أجهزة إرسال واستقبال (Bluetooth) البسيطة إلى أجهزة توجيه (Wi-Fi) والهواتف المحمولة وصولاً إلى أنظمة الاتصالات عالية الأداء والروابط الفضائية، ومن المحتمل أن يستخدم أي شيء يستخدم اتصالات الترددات اللاسلكية بأي شكل تقريباً مُركِّب ترددات الراديو.

 

أنواع مركب الترددات الراديوية:

 

1. مركب الترددات الراديوية المباشر – Direct:

 

يُعد تنفيذ الأشكال المباشرة لمركب التردد اللاسلكي ذلك بواسطة إنشاء شكل موجة مباشرة دون أي شكل من أشكال عنصر تحويل التردد، كما يتم استخدام تقنيات مباشرة بما في ذلك أشكال المذبذب والخلاط.

 

1. توليف التردد التماثلي المباشر:

 

يُطلق على هذا الشكل من مُركِّب تردد الترددات الراديوية أحياناً اسم بنية تقسيم مرشح مزيج حيث اكتسب مُركب التردد التماثلية المباشر هذا الاسم لأنّه يحدد بدقة واحدة من أكثر البنى شعبية لهذا الشكل من التوليف.

 

عيوب مركب التردد التماثلي:

 

تُعد إحدى عيوب مُركب الترددات التماثلية أنّها تتطلب قدراً كبيراً من الدوائر الحرجة التي لا تصلح اليوم للتكامل حيث قدمت عمليات الخلط المتتالية أعداداً كبيرة من الإشارات الزائفة، وتتطلب الإشارات الزائفة مستويات كبيرة من الترشيح ممّا يزيد التكلفة، ونتيجة لذلك لم يتم استخدام هذا النوع من مُركِّب الترددات الراديوية إلّا كملاذ أخير قبل التوفر الواسع النطاق لـ (RF ICs) وإمكانية استخدام أشكال أخرى من توليف التردد.

 

2. توليف التردد الرقمي المباشر:

 

يُعد استخدم أجهزة توليف رقمية مباشرة (DDS) على نطاق واسع عن طريق إنشاء الإشارة وذلك من خلال الحصول على نسخة مخزنة من شكل الموجة المطلوبة في تنسيق رقمي ثم تقدم المرحلة بزيادات ثابت عند كل زيادة، ويتم البحث عن قيمة الجهد اللحظي لشكل الموجة في الذاكرة وتحويلها إلى تنسيق تماثلي، ومن خلال تطوير المرحلة وبالتالي أخذ عينات متتالية.

 

يُعد بناء شكل الموجة وتحدد زيادات تقدم الطور لتردد الإشارة الذي يتم إنشاؤه حيث يحدد هذا مدى سرعة تقدم الزيادات على طول شكل الموجة وبالتالي مدى سرعة تكرار شكل الموجة.

 

2. مركب الترددات الراديوية غير المباشر:

 

يعتمد تركيب التردد غير المباشر على تقنية الحلقة المغلقة الطورية حيث يتم إنشاء إشارة الناتج بشكل غير مباشر أي يتم إنشاء الإشارة النهائية بواسطة مذبذب يتم التحكم فيه بواسطة إشارات أخرى، وبهذه الطريقة يتم تكرار الإشارات المستخدمة في إنشاء النواتج بشكل غير مباشر بواسطة مذبذب النواتج وبالتالي إعطاء اسم لهذه التقنية.

 

1. توليف التردد التماثلي غير المباشر:

 

يستخدم منتج التردد التماثلي غير المباشر تقنية الحلقة المغلقة بالطور مع خلاط يوضع بين مذبذب متحكم فيه الجهد وكاشف الطور حيث يتيح ذلك إدخال التردد وإزاحته في الحلقة.

 

2. توليف التردد الرقمي غير المباشر:

 

تقدم تقنيات توليف التردد الرقمي غير المباشر مقسماً رقمياً في الحلقة المقفلة في طور التردد اللاسلكي بين مذبذب التحكم في الجهد وكاشف الطور حيث يعمل (Vco) بتردد يساوي تردد مقارنة الطور مضروباً في نسبة الانقسام، ومن خلال تغيير نسبة القسمة فإنّه من الممكن تغيير تردد إشارة النواتج.

 

يُستخدم عادةً تردد المقارنة بحيث يكون مساوياً لتباعد القنوات المطلوب حيث يمكن أن يكون هذا (100 من 50 كيلو هرتز) لموالف (FM) ويمكن أن يكون (25 أو 12.5 كيلو هرتز) لأنظمة الاتصالات المتنقلة المهنية، وقد يكون أصغر بكثير لتطبيقات الراديو العامة.

 

مع استخدام أجهزة توليف الترددات اللاسلكية على نطاق واسع في جميع أشكال المعدات الإلكترونية، فإنّ استخدامها منتشر للغاية، ومع وجود العديد من أجهزة الاستشعار عن بُعد الجديدة لإنترنت الأشياء باستخدام روابط الترددات الراديوية، فإنّ استخدام مُركِّبات الترددات الراديوية بجميع أشكالها سيزداد فقط، كما تتوفر العديد من شرائح مُركِّب الترددات الراديوية، وهذا يجعل القدرة على توليد إشارات تردد لاسلكي دقيقة ويمكن التحكم فيها أمراً سهلاً للغاية.

 

ما هو التوليف الرقمي المباشر DDS؟

 

التوليف الرقمي المباشر (Direct Digital Synthesis): هي تقنية توليف تردد تستخدم شكل موجة مخزنة في ذاكرة القراءة فقط حيث يأخذ نهجاً مختلفاً عن تلك الخاصة بتقنيات توليف التردد غير المباشر الأكثر شيوعاً باستخدام (PLLs) عن طريق توليف شكل الموجة مباشرة من خريطة رقمية لشكل الموجة المخزنة في الذاكرة.

 

باستخدام التقنيات الرقمية جنباً إلى جنب مع منطق السرعة العالية، يوفر التوليف الرقمي المباشر تقنية قوية لإنشاء إشارات دقيقة يمكن تصعيد ترددها بزيادات صغيرة جداً، ممّا يوفر ضبطاً تماثلياً أو مستمراً إذا لزم الأمر، ولسنوات عديدة كانت المُركِّبات الرقمية المباشرة محدودة التردد بسبب سرعة المنطق ومع تحسن السرعات تتزايد حدود التردد القصوى لأجهزة المزج الرقمية المباشرة.

 

آلية عمل DDS:

 

إنّ هذا الشكل من التوليف يولد شكل الموجة مباشرة باستخدام التقنيات الرقمية، وهو يختلف عن الطريقة التي تستخدم بها أجهزة التوليف غير المباشرة الأكثر شيوعاً والتي تستخدم حلقة مغلقة طور كأساس لعملياتها، حيث يعمل المركب الرقمي المباشر عن طريق تخزين نقاط شكل موجة في تنسيق رقمي ثم استدعائها لتوليد شكل الموجة، والمعدل الذي يكمل فيه المركب شكل موجة واحد يتحكم في التردد.

 

يمكن تصور العملية بسهولة أكبر من خلال النظر في الطريقة التي تتقدم بها هذه المرحلة على مدار دورة واحدة من شكل الموجة، كما يمكن تصوره على أنّه تقدم المرحلة حول الدائرة ومع تقدم المرحلة حول الدائرة فإنّه يتوافق مع التقدم في شكل الموجة.

 

يعمل المركب عن طريق تخزين نقاط مختلفة في شكل الموجة في شكل رقمي ثم استدعائها لتوليد شكل الموجة حيث يمكن تفسير عملها بمزيد من التفصيل من خلال النظر في تقدم الطور حول دائرة وكلما تقدم الطور حول الدائرة يتوافق مع التقدم في شكل الموجة أي كلما زاد الرقم المقابل للطور زاد النقطة على طول الموجي، ومن خلال التقدم المتتالي للرقم المقابل للمرحلة يمكن المضي قدماً على طول دورة شكل الموجة.

 

يتم الاحتفاظ بالرقم الرقمي الذي يمثل المرحلة في مجمع الطور، والعدد المحتفظ به يتوافق مع المرحلة ويزداد على فترات منتظمة، وبهذه الطريقة يمكن إرسالها إلى أن يتراكم الطور وهو في الأساس شكل من أشكال العداد، وعندما يتم تسجيله فإنّه يضيف رقماً مضبوطاً مسبقاً إلى الرقم الموجود بالفعل وعندما تمتلئ يتم إعادة تعيينها ويبدأ العد من الصفر مرة أخرى أي يتوافق مع الوصول إلى دائرة واحدة كاملة في مخطط الطور وإعادة التشغيل مرة أخرى.

 

بمجرد تحديد المرحلة فيصبح من الضروري تحويلها إلى تمثيل رقمي لشكل الموجة، كما يتم تحقيق ذلك باستخدام خريطة شكل الموجة، وهي ذاكرة تخزن رقماً يتوافق مع الجهد المطلوب لكل قيمة طور على شكل الموجة، أمّا في حالة المركب من هذا النوع يكون جدول بحث جيبياً حيث يلزم وجود موجة جيبية أمّا في معظم الحالات تكون الذاكرة إما ذاكرة للقراءة فقط (ROM) أو ذاكرة للقراءة فقط قابلة للبرمجة (PROM).

 

يحتوي هذا على عدد كبير من النقاط على شكل الموجة، أكثر بكثير ممّا يتم الوصول إليه في كل دورة، ومطلوب عدد كبير جداً من النقاط بحيث يمكن لمراكم الطور أن يزيد بعدد معين من النقاط لضبط التردد المطلوب، كما تتمثل المرحلة التالية في العملية في تحويل الأرقام الرقمية القادمة من جدول بحث الجيب إلى جهد تماثلي حيث يتم تحقيق ذلك باستخدام محول رقمي إلى تماثلي (DAC)، كما يتم ترشيح هذه الإشارة لإزالة أي إشارات غير مرغوب فيها وتضخيمها لإعطاء المستوى المطلوب حسب الضرورة.

 

يتم إجراء الضبط عن طريق زيادة أو تقليل حجم زيادة الخطوة أو المرحلة بين نقاط العينة المختلفة، والزيادة الأكبر في كل تحديث لمراكم الطور تعني أنّ المرحلة تصل إلى قيمة الدورة الكاملة بشكل أسرع وأنّ التردد مرتفع بالمقابل، والزيادات الأصغر لقيمة تراكم الطور تعني أنّ الأمر يستغرق وقتاً أطول لزيادة قيمة الدورة الكاملة وقيمة التردد المنخفضة المقابلة، وبهذه الطريقة يمكن التحكم في التردد كما أنّه يمكن إجراء تغييرات التردد على الفور بمجرد تغيير قيمة الزيادة، وليست هناك حاجة لوقت الاستقرار كما هو الحال في حالة المزج المعتمد على الحلقة المغلقة الطور.

 

يمكن ملاحظة وجود فرقاً محدوداً بين تردد واحد والتردد التالي، وأنّ فرق التردد الأدنى أو استبانة التردد يتم تحديده من خلال العدد الإجمالي للنقاط المتاحة في مجمع الطور حيث يوفر تراكم الطور (24 بت) ما يزيد قليلاً عن (16 مليون) نقطة ويعطي دقة تردد تبلغ حوالي (0.25 هرتز) عند استخدامه مع ساعة (5 ميجا هرتز).

 

عيوب DDS:

 

هناك عدد من الإشارات الهامشية التي يتم إنشاؤها بواسطة مُركب رقمي مباشر، والأهم من ذلك هو واحد يسمى إشارة الاسم المستعار حيث يتم إنشاء صور للإشارة على جانبي تردد الساعة ومضاعفاتها، فعلى سبيل المثال إذا كان تردد الإشارة المطلوبة (3 ميجاهرتز) وكانت الساعة (10 ميجاهرتز) فستظهر إشارات الاسم المستعار عند (7 ميجاهرتز و13 ميجاهرتز) بالإضافة إلى (17 ميجاهرتز و23 ميجاهرتز)، كما يمكن إزالتها باستخدام مرشح تمرير منخفض ويتم إنتاج بعض الإشارات الهامشية منخفضة المستوى بالقرب من الإشارة المطلوبة، وعادة ما تكون مقبولة في المستوى على الرغم من أنّها قد تسبب مشاكل لبعض التطبيقات.