شرح تعديل التردد
2024-09-03 3492

تعديل التردد (FM) هو تقنية حولت المشهد من الاتصالات الراديوية ، مما يوفر وضوحًا صوتيًا لا مثيل له ومرونة ضد التداخل.من تبنيه المبكر في البث إلى دورها الرئيسي في أنظمة الاتصالات الحديثة ، أصبحت FM حجر الزاوية في كيفية نقل المعلومات وتلقيها.تتحول هذه المقالة إلى الأعمال المعقدة لتعديل التردد ، واستكشاف مبادئها الأساسية ، والتطبيقات العملية ، والتطورات التكنولوجية التي تستمر في تحسين تقنية الاتصال هذه.سواء في البث الصوتي عالي الدقة أو الاتصالات الطارئة الموثوقة ، تظل أهمية FM لا مثيل لها في تقديم إشارات متسقة عبر مختلف المجالات.

كتالوج

الشكل 1: تعديل التردد وراديو FM

ما هو تعديل التردد (FM)؟

تعديل التردد (FM) هو تقنية أساسية في الاتصالات الراديوية ، حيث يتم ضبط تواتر موجة الناقل وفقًا لسعة الإشارة الواردة ، والتي يمكن أن تكون صوتية أو بيانات.تنشئ هذه العملية علاقة مباشرة بين سعة إشارة التعديل وتغيرات التردد في موجة الناقل.يتم قياس هذه التغييرات ، التي تسمى الانحرافات ، بالكيلوهيرتز (KHz).على سبيل المثال ، يعني انحراف ± 3 كيلو هرتز أن تردد الناقل يتحرك 3 كيلو هرتز أعلى وتحت نقطته المركزية ، وترميز المعلومات داخل هذه التحولات.إن فهم الانحراف هو حل لاستخدام FM بفعالية ، وخاصة في بث التردد العالي جدًا (VHF) ، حيث تتراوح الترددات من 88.5 إلى 108 ميغاهيرتز.هنا ، يتم استخدام الانحرافات الكبيرة ، مثل ± 75 كيلو هرتز ، لإنشاء FM على نطاق واسع (WBFM).هذه الطريقة هي نقل الصوت عالي الدقة ، والتي تتطلب عرض نطاق واسع ، عادة حوالي 200 كيلو هرتز لكل قناة.في المناطق الحضرية المزدحمة ، مطلوب إدارة هذا النطاق الترددي لتجنب التداخل بين القنوات.

في المقابل ، يتم استخدام FM (NBFM) الضيقة (NBFM) عندما يكون عرض النطاق الترددي محدودًا ، كما هو الحال في الاتصالات الراديوية المتنقلة.يعمل NBFM مع انحرافات أصغر ، حوالي 3 كيلو هرتز ، ويمكن أن تعمل داخل النطاق الترددي الأضيق ، وأحيانًا صغيرة تصل إلى 10 كيلو هرتز.هذا النهج مثالي عندما تكون الأولوية مستقرة وموثوقة بدلاً من الإخلاص الصوتي العالي.على سبيل المثال ، في تطبيق القانون أو خدمات الطوارئ ، يضمن NBFM الاستقرار ، حتى في الإعدادات الحضرية مع العديد من الحواجز المادية مثل المباني والأنفاق.يسمح النطاق الترددي الأضيق أيضًا لمزيد من القنوات بالتعايش ضمن طيف محدود ، مما يتطلب إدارة دقيقة لمهمة القناة واستخدام الطيف للحفاظ على وضوح الاتصال.

عملية إزالة التشكيل التردد

الشكل 2: إزالة التردد

يتم تنفيذ إزالة التشكيل التردد في الاتصالات الراديوية ، مما يضمن استرداد الإشارة الأصلية بدقة من موجة الناقل المعدلة بالترددات.تقوم هذه العملية بتحويل أيونات التردد V ariat للإشارة الواردة إلى أيونات السعة المقابلة V ariat ، مما يعكس الإشارة الأصلية ، سواء كان الصوت أو البيانات ، لمزيد من التضخيم.تم تصميم الأجهزة المستخدمة في هذه المهمة ، مثل إزالة التشكيل ، أو الكشف ، أو التمييز ، لتحويل نوبات التردد إلى تغييرات السعة مع الحفاظ على دقة الإشارة.يعتمد اختيار Demodulator على الحاجة إلى الدقة ، وكفاءة النطاق الترددي ، وبيئة التشغيل المحددة.من الناحية الفنية ، يبدأ إزالة التشكيل عند استلام الإشارة بواسطة الهوائي وعزلها عن الضوضاء المحيطة أو الإشارات القريبة باستخدام موالف.هذه الخطوة مطلوبة لأن أي ضوضاء متبقية يمكن أن تحلل دقة إزالة التشكيل.ثم تمر الإشارة المعزولة عبر demodulator ، حيث يتم ترجمة أيونات التردد V ariat إلى أيونات الجهد V ariat والتي تتوافق مباشرة مع سعة الإشارة الأصلية.

في اتصال البيانات ، حيث يمكن أن تؤدي الأخطاء البسيطة إلى فقدان البيانات أو الفساد ، تكون المخاطر أعلى.عادةً ما تتغذى الإشارة المزعجة في واجهة رقمية ، حيث تتم معالجتها بواسطة متحكم أو أجهزة الكمبيوتر.تعتمد البيئات التي تتطلب تكامل بيانات عالية ، مثل المعاملات المالية أو التحكم في الحركة الجوية ، على عمليات إزالة التشكيل القادرة على التعامل مع تغييرات التردد السريع مع الحد الأدنى من التشويه.غالبًا ما يتم استخدام بروتوكولات فحص الأخطاء المتقدمة وأنظمة المراقبة في الوقت الفعلي لاكتشاف وتصحيح المشكلات المحتملة على الفور ، مما يجعل تقنية إزالة التشكيل القوية ضمان نقل البيانات في الوقت المناسب.

المعدلات FM

تتضمن إشارات توليد التردد (FM) تقنيات مختلفة ، كل منها مصمم خصيصًا لتلبية الاحتياجات التشغيلية المحددة.يؤثر اختيار تقنية التعديل على أداء وموثوقية أنظمة الاتصالات.

مذبذب الصمام الثنائي Varactor:

الشكل 3: مذبذب ديود Varactor لإنشاء إشارات FM

طريقة شائعة لإنشاء إشارات FM هي استخدام الصمام الثنائي varactor داخل دائرة مذبذب.تتغير سعة الصمام الثنائي varactor مع الجهد المطبق ، مما يغير مباشرة تردد المذبذب.هذه الطريقة فعالة لتوليد إشارات FM (NBFM) الضيقة.إنه مثالي لأجهزة الاتصال المحمولة حيث تكون المساحة والطاقة محدودة.ومع ذلك ، فإن هذه البساطة لها مقايضات ، بما في ذلك الاستقرار المحدود للتردد والدقة.لذلك ، فإن هذا أقل ملاءمة للتطبيقات التي تتطلب الإخلاص العالي أو FM على نطاق واسع (WBFM).

الحلقات المقفلة للمرحلة:

الشكل 4: نظام الحلقات المحفوظة الطور

بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب تعديلًا أكثر دقة للتردد ، غالبًا ما يتم تفضيل الحلقات المقفلة للمرحلة (PLLS).توفر PLLs تحكمًا دقيقًا للتردد ، مما يجعلها مثالية للبيئات التي تكون فيها سلامة الإشارة مطلوبة.يقوم PLL بإغلاق تردد المذبذب إلى إشارة إدخال ، مما يضمن الاستقرار بمرور الوقت ، وهو مثالي في البث العالي في البث حيث يمكن حتى انحرافات التردد البسيطة تحطيم جودة الصوت.يتم استخدام المعدلات المستندة إلى PLL في الأنظمة التي تتطلب الالتزام الصارم بمعايير التردد ، مثل محطات البث المهنية أو أنظمة مراقبة الحركة الجوية.ومع ذلك ، فإن تنفيذ PLLS يطرح التحديات.يجب إدارة معلمات حلقة PLL بعناية لضمان الأداء الأمثل.على سبيل المثال ، يجب أن تكون عرض النطاق الترددي الحلقة واسعة بما يكفي لتتبع إشارة الإدخال V ariat بدقة ولكن ضيقة بما يكفي لتصفية الضوضاء والترددات غير المرغوب فيها.غالبًا ما يتطلب تحقيق هذا التوازن ضبطًا واختبارًا تكراريًا ، حيث يستخدم المشغلون معدات متخصصة لقياس وضبط معلمات الحلقة في الوقت الفعلي.

مزايا وعيوب

مزايا FM

يوفر تعديل التردد (FM) العديد من المزايا ، لا سيما في الحفاظ على وضوح الإشارة وموثوقيتها.تتمثل إحدى الفوائد الرئيسية في مرونة FM في أيونات الضوضاء والإشارة V ariat.على عكس تعديل السعة (AM) ، حيث تؤثر الضوضاء على جودة الإشارة عن طريق تغيير السعة ، يقوم FM بتشفير المعلومات من خلال تغييرات التردد.هذا النهج يجعل FM أقل عرضة للاضطرابات المتعلقة بالسعة ، شريطة أن تظل قوة الإشارة أعلى من عتبة معينة.هذه المتانة مفيدة بشكل خاص في الاتصالات المتنقلة ، حيث يمكن أن تختلف قوة الإشارة مع انتقال المتلقي عبر بيئات مختلفة ، مثل المناطق الحضرية أو الغابات.قدرة FM على الحفاظ على التواصل الواضح على الرغم من تغيير الظروف مثالية في هذه الإعدادات.على سبيل المثال ، في أنظمة الاتصالات المركبات ، يضمن FM التواصل دون انقطاع بين السائقين ومراكز الإرسال ، حتى عند الانتقال عبر المناطق ذات قوة إشارة متفاوتة.كما أن مناعة FM للضوضاء تجعلها مثالية للبث عالي الجودة ، مما يؤدي إلى تصفية الضوضاء البيئية التي تؤثر غالبًا على السعة.

ميزة أخرى من FM هي توافقها مع مضخمات التردد الراديوي غير الخطية (RF).يسمح FM بالتعديل في مرحلة طاقة أقل ، مما يتيح استخدام مكبرات الصوت غير الخطية الفعالة التي تعزز الإشارة دون تشويه كبير.هذه الكفاءة مفيدة بشكل خاص في التطبيقات المحمولة.على سبيل المثال ، في أجهزة الراديو المحمولة التي يستخدمها موظفو المجال ، يمكن أن يؤدي استخدام مضخمات أقل متعطشة للطاقة إلى تمديد وقت التشغيل ، وهو مثالي خلال العمليات الممتدة في المواقع البعيدة.

عيوب FM

على الرغم من مزاياه ، فإن تعديل التردد (FM) له قيود.أحد العيوب الأولية هو انخفاض كفاءتها الطيفية مقارنة بتقنيات التعديل الأخرى ، مثل تعديل الطور (PM) وتعديل سعة التربيع (QAM).يتطلب FM عادةً المزيد من النطاق الترددي لتحقيق نفس معدلات البيانات ، مما يجعلها أقل ملاءمة للتطبيقات كثيفة البيانات ، وخاصة في البيئات ذات النطاق الترددي المحدود.

عيب آخر هو التعقيد والتكلفة المرتبطة بنسخ FM ، والتي يجب أن تحول بدقة أيونات التردد V ariat إلى تغييرات السعة.تتطلب هذه العملية مكونات دوائر ودقة متطورة ، مما يجعل أنظمة FM أكثر تكلفة لتنفيذها وصيانتها من أنظمة AM.والأكثر من ذلك ، أن إشارات FM تولد النطاقات الجانبية التي تمتد نظريًا إلى حد ما ، وتحتل النطاق الترددي الرئيسي ، وخاصة في تطبيقات FM على نطاق واسع (WBFM).تتطلب إدارة هذا النطاق الترددي تصفية دقيقة لمنع تدهور الإشارة.يمكن أن تؤدي المرشحات المصممة بشكل سيئ إلى مشكلات جودة الإشارة ، وخاصة في البيئات التي يتم فيها نقل إشارات FM متعددة عن قرب معًا.

تاريخ FM والتنمية

يمثل إدخال تعديل التردد (FM) تحولًا رائعًا في تكنولوجيا الراديو ، يهدف إلى تقليل التداخل الثابت وتحسين وضوح الإشارة.في الأيام الأولى من الراديو ، كان ثابت مشكلة كبيرة ، خاصة مع تعديل السعة (AM).كانت أنظمة AM عرضة للغاية للضوضاء ، حيث قامت بتشفير المعلومات من خلال أيونات V ariat بسعة.يمكن للعوامل البيئية مثل العواصف الكهربائية وخطوط الطاقة تشويه هذه الإشارات بسهولة.

في عام 1928 ، بدأ المهندس الأمريكي إدوين أرمسترونغ في استكشاف FM كوسيلة للحد من ثابت دون التضحية بعرض النطاق الترددي.على عكس AM ، يقوم FM بتشفير المعلومات من خلال تغييرات التردد ، مما يجعلها أقل عرضة للضوضاء والضوضاء.كان نهج أرمسترونغ ثوريًا ، حيث يتحدى الاعتقاد بأن الحد من النطاق الترددي كان الطريقة الوحيدة لتحسين جودة الإشارة.لقد أثبت أنه من خلال زيادة النطاق الترددي ، يمكن لـ FM تقديم جودة صوتية فائقة مع ضوضاء أقل ، حتى في البيئات الصعبة.على الرغم من الشكوك من خبراء الصناعة ، كان Armstrong مصممًا على إثبات فعالية FM.في عام 1939 ، أطلق محطة إذاعة FM الخاصة به لعرض مزايا التكنولوجيا.تعمل المحطة على نطاق تردد تتراوح بين 42 و 50 ميجا هرتز ، مما يدل على جودة الصوت المتفوقة من FM ومقاومة ثابتة.

أدى نجاح محطة Armstrong إلى قبول أوسع لـ FM ، وسعت لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) في نهاية المطاف فرقة FM إلى 88-108 MHz ، مما سهل التبني على نطاق واسع.لم يكن هذا الانتقال بدون تحديات ، حيث أصبحت مستقبلات FM الحالية عفا عليها الزمن ، مما يتطلب من الشركات المصنعة إعادة تصميم المستهلكين وترقية معداتهم.في نهاية المطاف ، تفوقت مزايا FM في جودة الصوت ومقاومة التداخل والموثوقية الصعوبات الأولية ، مما أدى إلى تأسيسها كمعيار للبث عالي الجودة والاتصالات المحمولة.

فهرس التعديل ونسبة الانحراف

في تعديل التردد (FM) ، تكون فهرس التعديل ونسبة الانحراف معلمات قيمة تؤثر بشكل مباشر على أداء النظام ، من وضوح الإشارة إلى كفاءة الطيف.

يقيس مؤشر التعديل التردد V ariat بالنسبة لتردد إشارة التعديل ، وتحديد ما إذا كانت الإشارة ضيقة النطاق FM (NBFM) أو FM على نطاق واسع (WBFM).في البث المهني ، حيث يكون WBFM قياسيًا ، يجب على المهندسين حساب مؤشر التعديل بعناية لضمان بقاء الإشارة داخل النطاق الترددي المعين.تتضمن هذه العملية المراقبة المستمرة والتعديل ، وغالبًا ما تستخدم محللات الطيف في الوقت الحقيقي للحفاظ على التوازن الصحيح بين الدقة الصوتية وحدود النطاق الترددي التنظيمي.

تلعب نسبة الانحراف ، والتي هي نسبة الحد الأقصى لتردد التردد إلى أعلى تردد إشارة تعديل ، دورًا رئيسيًا.في أنظمة WBFM ، مطلوب نسبة الانحراف العالية لجودة الصوت المتفوقة ، ولكن تتطلب عرض النطاق الترددي الأوسع نطاقًا وتصفية متقدمة لمنع التشويه.على العكس من ذلك ، في تطبيقات NBFM ، تسمح نسبة الانحراف المنخفضة بتباعد القنوات أكثر إحكاما ، مما يؤدي إلى استخدام أكثر كفاءة للطيف - في أنظمة الاتصالات مثل خدمات الطوارئ.يعد إعداد مؤشر التعديل الصحيح ونسبة الانحراف والحفاظ عليه مهمة حساسة.في البيئات عالية المخاطر مثل التحكم في الحركة الجوية ، يجب على الفنيين ضمان ضبط هذه المعلمات تمامًا لتجنب التداخل وضمان اتصال واضح.

عرض التردد النطاق الترددي

الشكل 5: عرض النطاق الترددي FM

عرض النطاق الترددي FM هو عامل أساسي يؤثر على جودة وكفاءة أنظمة الاتصالات.يتم تحديده في المقام الأول من خلال انحراف التردد وتردد إشارة التعديل ، مما يخلق النطاقات الجانبية على جانبي الناقل.في حين أن هذه النطاق الجانبي تمتد بشكل لا نهائي من الناحية النظرية ، فإن شدتها تنخفض أبعد من الناقل ، مما يسمح للمهندسين بتقييد النطاق الترددي دون المساس بالجودة.في البث الصوتي عالي الدقة ، يدعم عرض النطاق الترددي الواسع من FM جودة صوت فائقة ، حيث يلتقط تمييز الموسيقى والكلام.يجب على مهندسي البث موازنة جودة الصوت مع تخصيص الطيف ، مع التأكد من أن كل قناة تعمل ضمن عرض النطاق الترددي دون التدخل في الترددات المجاورة.

وعلى العكس ، يتم استخدام FM الضيقة (NBFM) في الاتصالات الإذاعية ثنائية الاتجاه للحفاظ على النطاق الترددي.هنا ، الهدف هو التواصل الواضح عبر قنوات متعددة في طيف محدود.يتيح عرض النطاق الترددي المخفض لـ NBFM تباعد قناة أكثر إحكاما لتطبيقات خدمات الطوارئ.تعتبر إدارة النطاق الترددي الفعال FM مثاليًا ، لا سيما في المناطق المكتظة بالسكان مع العديد من محطات الراديو.يجب على المهندسين التحكم بدقة في عرض النطاق الترددي لمنع تداخل الإشارة والحفاظ على عمليات نقل واضحة ، وغالبًا ما باستخدام التصفية المتقدمة وإدارة الطيف الديناميكي.

تطبيق تعديل التردد

يستخدم تعديل التردد (FM) على نطاق واسع عبر مختلف الحقول بسبب مناعة الضوضاء ووضوح الإشارة.فيما يلي بعض التطبيقات الرئيسية:

• البث الإذاعي: FM هو المعيار لبث الموسيقى والكلام ، حيث يقدم صوتًا عالي الدقة مع الحد الأدنى من التداخل.يجب على مهندسي البث معايرة أجهزة إرسال FM بشكل مستمر لتحقيق التوازن بين جودة الصوت وكفاءة النطاق الترددي ، وخاصة في المناطق الحضرية مع استخدام الطيف الثقيل.

• أنظمة الرادار: FM يعزز وضوح الإشارة في الرادار ، وهو مثالي للكشف الدقيق والتتبع.يجب على المشغلين ضبط معلمات انحراف التردد لتحسين دقة ونطاق الرادار ، وهو مثالي في تطبيقات مثل مراقبة الحركة الجوية والمراقبة العسكرية.

• التنقيب الزلزالي: يتم استخدام FM لاستكشاف التكوينات الجيولوجية تحت الأرض ، وتوفير بيانات مفصلة لصناعات مثل النفط والغاز.مطلوب وضوح الإشارات المعدلة FM لرسم الخرائط الدقيقة للهياكل الجوفية ، مما يقلل من مخاطر أخطاء الحفر المكلفة.

• تخطيط كهربية الدماغ (EEG): في التشخيص الطبي ، يضمن FM انتقالًا دقيقًا لإشارات نشاط الدماغ في اختبارات EEG.يجب على الفنيين إدارة معلمات FM بعناية لتجنب التشويه ، وضمان قراءات دقيقة لظروف مثل الصرع وإصابات الدماغ.

الفرق بين FM و AM

وجه	تعديل التردد (FM)	تعديل السعة (AM)
جودة الصوت	جودة صوت متفوقة مع أقل قابلية للضوضاء.	عمومًا انخفاض جودة الصوت بسبب القابلية للضوضاء والتدخل.
تكلفة النظام	أكثر تكلفة بسبب تعقيد عملية التعديل وإزالة التشكيل.	عادة أقل تكلفة للتنفيذ بسبب تعديل أبسط ودوائر إزالة التشكيل.
نطاق الإرسال	قد يتم حظرها بسبب العقبات الجسدية ، الحد من المدى الفعال.	يمكن أن تنتقل على مسافات أطول ، مما يجعلها مثالية للتواصل بعيد المدى.
كفاءة الطاقة	أكثر كفاءة في الطاقة ، مثالية للمحمول والأجهزة التي تعمل بالبطارية.	أقل كفاءة في الطاقة ، ويتطلب المزيد الطاقة لنقل الإشارة الفعال ، وخاصة على مسافات طويلة.
نطاق البث	نطاق بث فعال أطول ل الحفاظ على الصوت عالي الدقة ، وخاصة في ظروف خط الرؤية.	نطاق بث أقصر لجودة عالية صوتي؛في كثير من الأحيان يتطلب رابح أو مرحلات للتغطية الموسعة.
تقنية التعديل	يعدل تواتر الناقل إشارة ، وتوفير مناعة ضوضاء أفضل.	يعدل سعة الناقل إشارة ، مما يجعلها أكثر عرضة للضوضاء المتعلقة بالسعة و تدخل.
تعقيد إزالة التشكيل	أكثر تعقيدًا ، تتطلب متطورة التكنولوجيا لاستنساخ إشارة دقيقة.	واضحة نسبيا ، مع بسيط الدوائر كافية لإزالة الإشارة.

خاتمة

في المشهد المتطور لتكنولوجيا الاتصالات ، يبرز تعديل التردد كطريقة مرنة ، مما يضمن الوضوح والموثوقية عبر منصات مختلفة.من الدقة المطلوبة في إزالة التشكيل FM إلى الخيارات الاستراتيجية المشاركة في اختيار تقنيات التعديل ، يلزم دور FM في تقديم الصوت عالي الجودة ، ونقل بيانات آمن ، واستخدام فعال لطيف الراديو.مع استمرارنا في الاعتماد على FM في كل شيء بدءًا من البث الإذاعي إلى خدمات الطوارئ ، فإن فهم تعقيداتها لا يعزز تقديرنا لهذه التكنولوجيا فحسب ، بل يزودنا أيضًا بتحسين استخدامها في عالم متصل بشكل متزايد.