فرستنده و گیرنده های رادیویی

فرستنده و گیرنده های رادیویی

امروزه انواع مختلفی از سیستم­های بی­سیم در بازارهای جهانی موجود می­باشد. از انواع مختلف این سیستم­ها می­توان به سیستم­های انتقال صدا نظیر تلفن­های سلولی و بیسیم یا سیستم­های انتقال داده بی­­سیم جهت انتقال اطلاعات در سیستم­های شناسه ­گر رادیویی و یا شبکه ­های سنسوری اشاره کرد. حد پایین باند فرکانسی برخی از سیگنال­های مخابراتی تا مرز چند هرتز هم می­رسد. به دلیل پراکندگی فرکانسی زیاد سیگنال­ها نمی­توان آن­ها را بر روی یک مسیر انتقال مشترک به صورت اصلی­شان مخابره کرد، چرا که جداسازی آن­ها در گیرنده امکان پذیر نیست. داشتن یک خط انتقال یا یک مسیر رادیویی مجزا برای هر سیگنال، هم از نظر اقتصادی و هم از نظر عملی امکان پذیر نیست. به این خاطر باید در سیستم­های مخابراتی راهی برای ارسال همزمان چند سیگنال اندیشیده شود. این کار با قرار دادن سیگنال­ها در بخش­های متفاوت طیف فرکانسی و یا با فرستادن نمونه­هایی از هر سیگنال بر اساس یک تقسیم بندی زمانی صورت می­گیرد. سیستم­های مخابراتی باند باریک عموما در طیف فرکانسی MHz800 تا GHz5/2 طراحی و ساخته می­شوند. طراحی گیرنده­ها در گذر زمان دچار تغییرات گسترده­ای شده­است. این تغییرات باعث وسیع­تر شدن دامنه کاربرد و بهبود عملکرد گیرنده ­ها شده است. برای کاربردهای مختلف گیرنده استانداردهای مختلفی معرفی شده­اند که نمونه ­های مختلفی از معروف­ترین استانداردهای سیستم­های بی­سیم به همراه برخی از ویژگی­های مهم آن­ها در جدول ۱ نشان داده شده است.

جدول ۱ :استاندارد­های رایج مخابرات بی سیم

یکی از جدید­ترین استانداردهای معرفی شده برای طراحی و ساخت گیرنده­های مخابراتی برای کاربردهای با توان مصرفی پایین استانداردIEEE802.15.4   می­باشد که برای نخستین بار در سال ۲۰۰۳ معرفی شد. همان­گونه که اشاره شد این استاندارد در سیستم­های بی­سیم که توان صرفی و نرخ ارسال اطلاعات پایینی دارند کاربرد فراوانی دارد. در این­گونه کاربردها – نظیر شبکه ­های سنسوری یا سیستم­های شناسه­گر فرکانس رادیویی- منبع تغذیه برای مدت چند ماه و یا چند سال می­بایست فعال باقی بماند. از آنجایی که باند GHz4/2 باند آزاد در سراسر جهان می­باشد وسایل صنعتی، علمی و پزشکی بسیاری در این باند طراحی می­شوند لذا فرکانس کاری این استاندارد GHz4/2 انتخاب شده است. هر چند دستگاه­های مختلف مخابراتی تفاوت­های بسیاری در خصوصیات و کارکرد از قبیل فرکانس کاریر، پهنای کانال، نوع مدلاسیون و … با یکدیگر دارند اما همگی شامل یک گیرنده­ با تعدادی بلوک­های عملیاتی شبیه به همدیگر جهت دمدوله کردن سیگنال­های دریافتی از فرستنده می­ باشند.

آنتن نخستین بخش یک گیرنده مخابراتی می­باشد. موج الکترومغناطیسی که توسط آنتن گیرنده دریافت می­شود شامل تعداد زیادی سیگنال حاوی اطلاعات در فرکانس­های مختلف برای کاربرد­های متفاوت از قبیل کانال­های تلویزیونی، اطلاعات نظامی و ارتباطات دریایی می­باشد. اطلاعات مورد علاقه ما که در باند باریکی از طیف وسیع فرکانسی قرار دارند می­بایست استخراج­ شود. در نتیجه استخراج اطلاعات کار اصلی یک گیرنده می­باشد. هر چه طیف سیگنال­های دریافتی فشرده­تر باشد استخراج سیگنال سخت­تر صورت می­گیرد. جهت بهینه کردن استفاده از پهنای باند، از فرکانس کاریر بالاتر و اعمال محدودیت شدیدتر برای جلوگیری از تداخل ابزارهای بی­سیم با یکدیگر استفاده می­شود.

شاید مهمترین محدودیت سیستم­های مخابراتی بی­سیم را بتوان پهنای باند محدودی که به هر کاربر اختصاص داده می­شود نامید (برای مثال پهنای باند ۲۰۰KHz در استاندارد GSM یا MHz 1 در استاندارد IEEE802.11). این محدودیت یا از طبیعت منبع سیگنال ناشی می­شود و یا از فیلترهای موجود در دستگاه­های فرستنده سرچشمه می­گیرد. پهنای باند باریکی که به هر کاربر اختصاص داده شده روی طراحی بخش فرکانس بالا نیز تاثیر می­گذارد. یک گیرنده خوب باید بتواند کانال مطلوب را پردازش کند و تداخل­ کننده های مجاور را به اندازه کافی حذف کند.

ساختمان گیرنده

در شکل ۱ بلوک دیاگرام کلی گیرنده یک تلفن بی­سیم نشان داده شده است. در مسیر گیرنده، سیگنال فرکانس رادیویی تولید شده توسط یک فرستنده، ابتدا توسط آنتن دریافت و سپس بر روی آن پردازش­ در فرکانس بالا و تبدیل به فرکانس پایین و بعد از آن پردازش سیگنال در فرکانس پایه صورت می­گیرد. در مجموع سیگنال دریافتی تقویت، انتقال به فرکانس­های پایین، فیلتر و دیجیتالیزه می­شود. سیگنال دیجیتال خروجی  سپس توسط بلوک DSP پردازش می­­شود که این بلوک شامل فیلترینگ دیجیتال، دمدلاسیون و تصحیح خطا می­باشد.

شکل ۱: ساختار گیرنده

در انتخاب معماری برای ساخت فرستنده گیرنده­ در یک دستگاه مخابراتی پارامترهای مختلفی نظیر پیچیدگی، قیمت، توان مصرفی و تعداد عناصر خارجی تاثیرگذار هستند. اما بسته به کاربرد، اهمیت هر کدام از این پارامترها تغییر می­کند. امروزه فرستنده گیرنده­های مخابراتی معمولاً بر اساس یکی از سه ساختار متداول زیر طراحی و ساخته می­شوند:

• سوپرهترودین
• تبدیل مستقیم
• تبدیل به فرکانس میانه پایین

معماری سوپرهترودین

این ساختار به عنوان رایج­ترین ساختار برای طراحی گیرنده­های مدرن شناخته می­شود. عبارت هترودین از دو بخش هترو به معنای متفاوت و داین به معنی مخلوط تشکیل شده است. این ساختار برای نخستین بار توسط E.H Armstrong در سال ۱۹۱۷ معرفی گردید. به دلیل عملکرد بسیار خوب آن، از این ساختار در کاربردهای مختلف گیرنده­های رادیویی استفاده شده است. بلوک دیاگرام ساده از گیرنده سوپرهترودین در شکل ۲ نشان داده شده است.

شکل ۲: ساختار گیرنده سوپرهترودین

همان­گونه که در شکل بالا مشاهده می­شود، سیگنال فرکانس بالای دریافتی در آنتن ابتدا از یک فیلتر میان­گذر فرکانس بالا عبور داده می­شود. در این مرحله باند فرکانسی مورد علاقه ما توسط این فیلتر انتخاب می­شود و دامنه سیگنال­های ممانعت کننده خارج از باند کاهش می­یابد. سپس سیگنال انتخاب شده توسط یک تقویت کننده کم نویز تقویت می­شود. لازم به ذکر است که سیگنال  فرکانس بالا می­بایست در طبقات اولیه گیرنده تقویت شود چرا که این کار اولاً باعث افزایش دامنه سیگنال و تفاوت سیگنال اصلی از سیگنال سایر کانال­ها و ثانیاً باعث کاهش اثر نویز در طبقات بعدی می­شود. در طراحی یک تقویت کننده کم­نویز بهینه هر قدر هم دقت شود هیچ­گاه نمی­توان اثرات غیر خطی آن را نادیده گرفت. سیگنال با عبور از این تقویت­کننده دچار مقداری اثر غیر خطی می­شود که این اثر باید از بین برود. اثر غیر خطی باعث می­شود تا سیگنال­هایی که در باندهای خارج از کانال مطلوب قرار دارند پس از عبور از سایر اجزای گیرنده به درون کانال وارد شوند. برای این منظور سیگنال­های خارج از باند علی الخصوص باند تصویر می­بایست تا آن­جا که امکان دارد تضعیف شوند لذا سیگنال خروجی تقویت­کننده کم نویز از یک فیلتر خارجی به نام فیلتر حذف تصویر عبور می­کند. اهمیت حذف سیگنال فرکانس تصویر به این دلیل است که سیگنال این باند می­تواند دقیقاً بر روی سیگنال کانال مطلوب قرار بگیرد و بر آن اثر نامطلوب بگذارد. طیف سیگنال­های مطلوب و تصویر پس از عبور از فیلتر حذف تصویر در شکل۳ نشان داده شده است:

شکل ۳: طیف مطلوب پس از عبور از فیلتر در مجاورت سیگنال های نامطلوب

فیلتر حذف تصویر به گونه­ای طراحی می­شود که کمترین تلفات را بر روی سیگنال در باند مورد علاقه داشته باشد. خصوصیات این فیلتر معمولاً همانند فیلتر میان­گذر فرکانس بالایی که در اولین  بخش گیرنده قرار داشت، می­باشد. می­دانیم که یکی از معیارهای طراحی فیلتر ضریب کیفیت آن می­باشد. ضریب کیفیت یک فیلتر بر اساس رابطه ۱ محاسبه می­شود:

(۱)           

لازم به ذکر است که در رابطه بالا  فرکانس مرکزی فیلتر و  پهنای کانال مورد علاقه می­باشد. همان­گونه که از رابطه بالا می­توان فهمید فیلتر کردن یک کانال باریک که حول یک فرکانس بزرگ قرار گرفته و تداخل­ کننده­های بزرگ هم اطراف آن است نیاز به فیلتری با ضریب کیفیت بسیار بالایی دارد که در عمل ساخت این­گونه فیلترها بسیار مشکل می­باشد. برای پرهیز از ساخت چنین فیلترهایی در معماری سوپرهترودین فرکانس کاری با استفاده از دو میکسر به سیگنال با فرکانس بسیار پایین­تری منتقل می­شود تا به فیلتر انتخاب کانال با ضریب کیفیت پایین­تری نیاز داشته باشد. نخستین اسیلاتور محلی به همراه اولین میکسر فرکانس رادیویی دریافتی از آنتن را تا فرکانس میانه پایین می­آورد.

باید توجه داشت که میکسر یک عنصر بسیار غیرخطی می­باشد و تداخل­های ناخواسته زیادی را در خروجی ایجاد می­کند. این تداخل­ها بر روی عملکرد گیرنده اثرات نامطلوب زیادی می­گذارند و می­بایست تا آنجا که امکان دارد این اثرات را کاهش داد. در معماری سوپرهترودین سیگنال پس از انتقال به باند میانه، از یک فیلتر خارجی میان­گذری با ضریب کیفیت به مراتب پایین­تر از فیلترهای قبلی عبور داده می­شود. این فیلتر بخش زیادی از انرژی کانال تصویر را حذف می­کند و پس از آن سیگنال در فرکانس میانه توسط یک تقویت­کننده، تقویت می­شود. در اسیلاتور محلی دوم یک فرکانس میانه ثابت تولید می­شود. اندازه این فرکانس در حدود اختلاف فرکانس رادیویی و فرکانس تولیدی در اسیلاتور اول می­باشد. با استفاده از میکسر دوم کانال مورد علاقه را از باند میانی به باند پایه منتقل می­شود و از این مرحله به بعد پردازش باند پایه بر روی سیگنال صورت می­گیرد. در سیستم­های FM آنالوگ دمودلاسیون معمولاً در این فرکانس میانه صورت می­گیرد و در سیستم­های دیجیتال معمولاً مولفه­های هم­فاز و متعامدI/Q   سیگنال را همزمان با آوردن طیف آن حول فرکانس صفر، تولید می­کنند. در باند پایه بر روی کانال مورد علاقه پردازش­های­ آنالوگ و دیجیتال صورت می­گیرد. این پردازش­ها شامل فیلتر کردن، جبران سازی فاز، یکسان سازی و دیجیتالیزه کردن سیگنال می­باشد. فرآیند پردازش سیگنال فرکانس بالا تا انتقال به باند پایه در شکل ۴ نشان داده شده است:

شکل ۴ : مراحل انتقال سیگنال فرکانس رادیویی به باند پایه در معماری سوپرهترودین

از مزیت های ساختار سوپرهترودین می­توان به حساسیت و انتخاب­گری بسیار خوب آن اشاره کرد، چرا که در آن از فیلترهای گسسته با ضریب کیفیت بالا استفاده شده است. همچنین فیلتر­های حذف تصویر و انتخاب کانال سیگنال­های ناخواسته را به خوبی از باند تصویر و سایر طیف­های فرکانسی حذف می­کنند. حضور سیگنال­های ناخواسته می­تواند بر روی حساسیت و انتخاب­گری بسیار تاثیر منفی گذارد. فیلتر میان­گذر با ضریب کیفیت بالا انرژی سیگنال­های ناخواسته در باند تصویر را حذف می­کند و ویژگی انتخاب­گری سیستم را به صورت چشمگیری افزایش می­دهد اما از طرفی استفاده از این فیلترهای خارجی بسیار گران و حجیم هستند و این مانع مجتمع سازی کامل گیرنده می­شود.

معماری تبدیل مستقیم

همانطور که قبلاً اشاره شد استفاده از عناصر خارجی مانع از مجتمع سازی کامل یک گیرنده می­شود. یکی از راه­حل­ها برای مجتمع سازی بیشتر سیستم­های گیرنده­ تلاش برای یافتن روش­هایی برای حذف فیلتر­های با ضریب کیفیت بالای خارجی که در گیرنده­های سوپرهترودین استفاده شده است، می­باشد. از طرفی دیگر در مطالعه ساختار سوپرهترودین، ممکن است این سوال مطرح شود که چرا سیگنال فرکانس بالای دریافتی از آنتن در همان اولین مرحله پایین آوردن مستقیماً به باند پایه منتقل نمی­شود؟  برای حل مشکلات مطرح شده در بالا ساختار گیرنده دیگری به نام “تبدیل مستقیم” یا ” هومودین” معرفی شده است. بلوک دیاگرام این ساختار گیرنده در شکل ۵ نشان داده شده است. این ساختار گیرنده نسبت به توپولوژی سوپرهترودین مسائل بسیار متفاوتی را بدنبال دارد. همانطور که مشاهده می­شود در این ساختار تنها از یک فیلتر خارجی فرکانس بالا در مسیر گیرنده استفاده شده است. این ساختار گیرنده معمولاً در پیجر­ها و تلفن­های رادیویی که دارای ساختار ساده­ای هستند، مورد استفاده قرار می­گیرد. در تحقیقات جدید­تر از این ساختار گیرنده در تلفن­های بی­سیم نیز مورد استفاده شده است.

شکل ۵ : دیاگرام معماری تبدیل مستقیم

در این ساختار فرکانس اسیلاتور محلی با فرکانس حامل ورودی یکسان می­باشد. توجه کنید که جهت انتخاب کانال فقط به یک فیلتر پایین گذر نیاز می­باشد که مشخصه قطع آن باید نسبتاً تیز باشد. سادگی معماری تبدیل مستقیم دو مزیت را برای آن نسبت به سوپرهترودین ایجاد می­کند. نخست آنکه مساله تصویر به طور کلی برطرف می­شود، چرا که انتقال در یک مرحله و  مستقیماً به باند پایه صورت می­گیرد. در نتیجه در این ساختار از یک طرف دیگر نیازی به استفاده از فیلتر خارجی حذف تصویر نیست و از طرفی دیگر نیازی به اتصال تقویت کننده کم نویز به بار ۵۰ اهمی جهت تطبیق امپدانس نمی­باشد. دوم آنکه اگر فیلتر  موج آکوستیک سطحی و طبقات پایین آورنده بعد از آن با فیلتر­های پایین گذر و تقویت ­کننده ­های باند پایه جایگزین بشوند، امکان مجتمع سازی آن­ها فراهم می­شود.

در این ساختار نیز همانند ساختار سوپرهترودین سیگنال فرکانس رادیویی دریافت شده از آنتن ابتدا از فیلتر میان گذر عبور داده می­شود. این فیلتر دامنه سیگنال­های مزاحم خارج از باند مطلوب را کاهش می­دهد و پس از آن سیگنال با استفاده از یک تقویت­کننده کم نویز تقویت می­شود. اسیلاتور محلی یک تقسیم کننده فرکانس متغیر است که خروجی آن در فرکانس مرکزی کانال مورد علاقه قرار دارد. همان­گونه که اشاره شد فرکانس اسیلاتور محلی در حدود فرکانس حامل ورودی می­باشد. این اسیلاتور محلی همراه با میکسر سیگنال تقویت شده در فرکانس بالا که از تقویت کننده کم نویز خارج شده است را به فرکانس باند پایه انتقال می­دهد و کانال مورد علاقه ما نیز در فرکانس پایه قرار می­گیرد. به دلیل تبدیل مستقیم سیگنال فرکانس رادیویی به باند پایه دیگر هیچ باند تصویری وجود نخواهد داشت و در نتیجه در این ساختار نیازی به استفاده از فیلتر حذف تصویر – که در ساختار سوپرهترودین استفاده می­شد-، نمی­باشد. همچنین این ساختار نیازی به فیلتر میان­گذر فرکانس میانه نیز ندارد، چرا که در این ساختار سیگنال در باند میانه نداریم. در باند پایه سیگنال، ابتدا تقویت و سپس توسط فیلترهای پایین­گذر فیلتر می­شود. در نهایت جهت پردازش­ دیجیتال بر روی سیگنال باند پایه، سیگنال توسط مبدل­های داده از آنالوگ به دیجیتال تبدیل می­شود. در این ساختار پیش از رسیدن به بخش پردازش باند پایه تنها از یک فیلتر استفاده شده است که می­توان از آن به عنوان یک مزیت عمده نام برد. وظیفه این فیلتر کاهش انرژی سیگنال­های ناخواسته خارج از باند مطلوب می­باشد. در این ساختار از آنجایی که فیلتر انتخاب­کننده کانال باند میانی جهت مجتمع ­سازی از مسیر گیرنده حذف شده است، فیلتر پایین­گذر در باند پایه و مبدل داده  باید تا حد ممکن خطی باشند تا انرژی کانال­های مجاور بر روی سیگنال اصلی تاثیر چندانی نگذارد. لذا حساسیت و انتخاب­گری ساختار تبدیل مستقیم بستگی زیادی به چگونگی طراحی مدارات هر دو  بلوک­ فرکانس بالا و باند پایه دارد.

معماری انتقال به فرکانس میانی پایین

 بلوک دیاگرام این ساختار در شکل۶ نشان داده شده است. بخش فرکانس رادیویی آن کاملاً شبیه ساختار گیرنده تبدیل مستقیم می­باشد. همانند ساختار پیشین در این ساختار نیز تنها از یک فیلتر گسسته­ در مسیر گیرنده استفاده شده است.

شکل ۶: دیاگرام معماری انتقال به باند فرکانس میانه پایین

در این ساختار فرکانس اسیلاتور محلی میکسر به گونه­ای انتخاب می­شود که با فرکانس سیگنال حامل رادیویی ورودی مقداری تفاوت داشته باشد. در نتیجه فرکانس مطلوب ما که از تفاضل فرکانس رادیویی و فرکانس اسیلاتور محلی بدست می­آید از فرکانس DC مقداری فاصله خواهد داشت. سیگنال مطلوب پس از عبور از یک فیلتر میان­گذر مجتمع استخراج می­شود و پردازش­های باند پایه بر روی آن صورت می­گیرد.

با فاصله گرفتن فرکانس کاری از فرکانس صفر در ساختار انتقال به فرکانس میانه پایین، دیگر مشکلاتی نظیر آفست DC  نخواهیم داشت و همچنین اثر نویز فلیکر نیز در آن کاهش می­یابد. در این ساختار انرژی باند­های نزدیک مجاور باند مطلوب تا آن­جا که امکان دارد می­بایست حذف شود. همان­گونه که اشاره شد در این ساختار کانال مطلوب معمولاً مقداری از فرکانس صفر بالاتر می­باشد اما باید توجه کرد این فاصله نباید زیاد در نظر گرفته شود چرا که هر چه این فاصله افزایش یابد، ساخت فیلتر میان­گذر برای انتخاب کانال در عمل مشکل­تر می­شود. از طرفی حذف انرژی باندهای تصویر در این ساختار مشکل­تر از معماری سوپرهترودین است چرا که در این ساختار باید سیگنال­های انرژی تصویر در حدود چند صد کیلوهرتزی باند مورد علاقه حذف شوند در صورتی که در ساختار سوپرهترودین فرکانس تصویر در فاصله چند مگاهرتزی فرکانس مطلوب  قرار داشت. این فاصله کمتر طراحی را در معماری انتقال به فرکانس میانه پایین سخت­تر می­کند. همچنین انرژی باند فرکانسی تصویر در ساختار سوپرهترودین توسط فیلترهای میان­گذر فرکانس بالا و حذف تصویر کاهش میافت و اثر آن در بخش باند پایه گیرنده کمتر می­شد در صورتی در این معماری به دلیل عدم وجود فیلتر خارجی حذف تصویر انرژی باند تصویر بیشتر می­باشد. از آنجایی که باند انرژی تصویر در ساختار انتقال به فرکانس میانه پایین بسیار نزدیک به کانال مورد علاقه می­باشد و فیلتر کردن آن به راحتی امکان پذیر نیست، استفاده از میکسر­هایی که قابلیت حذف انرژی فرکانس تصویر را داشته باشند در این ساختار الزامی است. استفاده از این گونه میکسرها در معماری باعث پیچیدگی بیشتر طراحی فیلتر انتخاب­گر فرکانس می­شود. به دلیل پیچیده شدن فیلتر طراحی انتخاب­گر فرکانس، عرض باند کانال نیز افزایش میابد چرا درجه فیلتر بالا می­رود و تعداد صفر و قطب­های بیشتری جهت طراحی فیلتر انتخاب­گر فرکانس لازم می­باشد. همچنین افزایش عرض باند باعث افزایش تلفات و همچنین مانع از مجتمع سازی کامل مدار می­شود. با توجه به مشکلات مطرح شده برای  این ساختار استفاده از آن چندان رایج نمی­باشد و تنها در سیستم­های مخابراتی با باند انرژی کم مورد استفاده قرار می­گیرد.

انتشار مقاله فوق با ذکر منبع بلامانع است.

 

خوشحال می‌شویم نظرات خود را در رابطه با مقاله فوق در زیر این پست ارسال نمایید.