گزینندگی کانال مجاور یا ACS در مخابرات چیست؟ — از صفر تا صد

در مطلب قبلی فرادرس به بررسی انواع مختلف کانال‌های مخابراتی پرداختیم و ویژگی‌های مهم هر کانال را بررسی کردیم. در این مطلب قصد داریم به بررسی یک مفهوم در کانال‌های مخابراتی بپردازیم که «گزینندگی کانال مجاور» (Adjacent Channel Selectivity) نام دارد. گزینندگی کانال مجاور یا به اختصار ACS معیاری است که مشخص می‌کند یک گیرنده رادیویی تا چه میزان سیگنال‌های نامطلوب با فرکانس‌های نزدیک به فرکانس اصلی را حذف می‌کند.

گزینندگی کانال مجاور

گزینندگی کانال مجاور در واقع یک معیار سنجش مربوط به گیرنده‌های رادیویی است که در شرایطی که یک سیگنال در فرکانس یا کانال مجاور حضور داشته باشد، توانایی گیرنده‌ها در دریافت یک سیگنال از کانال یا فرکانس مطلوب را اندازه می‌گیرد.

فیلم آموزش مخابرات ۱ – مقدماتی در فرادرس

کلیک کنید

در تصویر زیر لزوم گزینندگی کانال مجاور با توجه به تداخل فرکانسی دو کانال نشان داده شده است.

گزینندگی کانال مجاور را به صورت نسبت «تضعیف فیلتر گیرنده» (Receiver Filter Attenuation) در کانال یا فرکانس مورد نظر به تضعیف فیلتر گیرنده در کانال یا فرکانس مجاور تعریف می‌کنند. بنابراین می‌توان گفت که عملکرد فیلتر گیرنده یک فاکتور بسیار کلیدی در تعریف گزینندگی کانال مجاور به شمار می‌آید. به همین دلیل در ادامه به بررسی مشخصه‌های فیلتر گیرنده رادیویی می‌پردازیم.

مشخصه‌های فیلتر گیرنده رادیویی

مشخصه‌های فیلتر متعددی وجود دارند که می‌توانند در تعریف عملکرد یک فیلتر (و در نتیجه عملکرد گزینندگی کانال مجاور) مورد استفاده قرار گیرند که به عنوان مثال می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

فیلم آموزش مخابرات ۱ – مقدماتی

کلیک کنید

• باند توقف فیلتر
• باند عبور فیلتر
• ریپل باند عبور
• ریپل باند توقف
• «فاکتور شکل» (Shape Factor)
• «ماسک پاسخ» (Response Fask)
• امپدانس ورودی و خروجی
• «تلفیق» (Intermodulation)

همان طور که گفتیم، عملکرد گزینندگی کانال مجاور در درجه اول به عملکرد فیلتر وابسته است و در مورد هر فیلتر، دو پارامتر بسیار مهم وجود دارند که باید آن‌ها را بررسی کرد. این دو پارامتر عبارتند از:

• باند عبور: باند عبور بازه‌ای از فرکانس‌ها است که فیلتر آن‌ها را به راحتی از خود عبور می‌دهد و کمترین میزان تضعیف را روی آن‌ها دارد.
• باند توقف: این باند فرکانسی در واقع بازه فرکانسی است که فیلتر گیرنده باید آن‌ها را متوقف کند و از رسیدن سیگنال به خروجی جلوگیری کند. باند توقف، «سطح عدم پذیرش» (Level of Rejection) برای عملکرد گزینندگی کانال مجاور را تعیین می‌کند.

دیاگرامی که در تصویر زیر نشان داده شده است، پاسخ ایده‌آل برای یک فیلتر را نشان می‌دهد.

همان طور که در تصویر بالا دیده می‌شود، در یک فیلتر ایده‌آل زمان گذار بین باند عبور و باند توقف باید بسیار سریع است. همچنین در باند عبور، فیلتر به هیچ وجه سیگنال را تضعیف نمی‌کند، در حالی که در باند عبور سیگنال به صورت کامل حذف می‌شود. پاسخ فرکانسی فیلتر ایده‌آلی که در تصویر نشان داده شده است، باعث می‌شود عملکرد گزینندگی کانال مجاور نیز ایده‌آل شود و هیچ سیگنالی از کانال مجاور دریافت نشود. البته باید توجه کرد که این حالت در کاربردهای عملی غیرممکن است و قابلیت پیاده‌سازی ندارد.

پاسخ فیلتر واقعی

همان طور که گفتیم در عمل پیاده‌سازی یک فیلتر ایده‌آل با مشخصه‌های فوق امکان‌پذیر نیست، بلکه پاسخ فیلتر در واقعیت بیشتر به شکل زیر است.

با توجه به دیاگرام شکل فوق کاملا واضح است که بین پاسخ ایده‌آل یک فیلتر و پاسخ واقعی آن تفاوت‌هایی وجود دارد. اولین تفاوت که می‌توان به آن اشاره کرد این است که در باند عبور مقداری اتلاف یا تضعیف وجود دارد. ثانیا، زمان گذار بین باند عبور و باند توقف در پاسخ فرکانسی بسیار سریع نیست. ثالثا، تضعیف باند توقف اگرچه مقدار بسیار بزرگی است، اما بی‌نهایت نیست و در نهایت تفاوت دیگری که وجود دارد این است که در باند توقف و نیز در باند عبور فیلترهای واقعی مقداری ریپل وجود دارد. در درجه اول اختلاف بین پاسخ باند عبور و باند توقف و سپس سرعت تغییرات بین باند عبور و باند توقف، گزینندگی کانال مجاور را تعیین می‌کنند.

معمولا در اکثر فیلترها تضعیف در باند عبور در حالت عادی مقدار بسیار کمی است. برای یک فیلتر کریستالی معمولی، مقدار تضعیف برابر با ۲ تا ۳ دسیبل بسیار عادی و متداول در نظر گرفته می‌شود. با این حال، در فیلترهای با باند توقف بسیار باریک که مثلا در «گیرنده‌های مورس» (Morse Reception) مورد استفاده قرار می‌گیرند، مقدار تضعیف در باند عبور ممکن است از این مقدار بالاتر باشد. خوشبختانه نحوه مقابله با این تضعیف‌ها بسیار ساده است و می‌توان به راحتی در طبقات فرکانسی میانی مقدار بیشتری تقویت‌کنندگی انجام داد و این فاکتور به عنوان بخشی از مشخصه‌های گیرنده شناخته نمی‌شود.

در نمودار پاسخ یک فیلتر واقعی می‌توان دید که پاسخ فرکانسی فیلتر با سرعت بی‌نهایت تغییر نمی‌کند. در نتیجه تعریف کردن نقاطی که باند عبور بین آن‌ها قرار دارد، امری ضروری است. در مورد یک گیرنده، باند عبور برابر با پهنای باند بین دو نقطه فرض می‌شود که اندازه پاسخ در آن‌ها به اندازه ۶ دسیبل کاهش یافته است یا به عبارت دیگر دامنه 6 دسیبل پایین‌تر از مقدار باند عبور (در 6- دسیل) قرار دارد.

باند توقف نیز در یک فیلتر باید مشخص شود. در مورد اکثر فیلترهای گیرنده‌های رادیویی باند توقف از نقطه‌ای شروع می‌شود که پاسخ فرکانسی فیلتر 60 دسیبل افت کند یا به عبارتی دیگر، پاسخ در 60- دسیبل قرار گیرد. این مشخصه باید برای فیلترهای مختلف چک شود؛ زیرا در برخی از فیلترها ممکن است باند توقف به این صورت تعریف نشود. گاهی ممکن است یک فیلتر دارای باند توقفی باشد که به جای ۶۰ دسیبل، برای تضعیف ۵۰ دسیبل تعریف شده باشد.

فاکتور شکل فیلتر گیرنده رادیویی

همان طور که گفتیم، در یک فیلتر بسیار مهم است که پس از خروج از باند عبور، پاسخ در سریع‌ترین زمان ممکن به سطح نهایی تضعیف خود برسد. این عامل می‌تواند یک پارامتر بسیار مهم در تعیین گزینندگی کانال مجاور به حساب آید. اگر پاسخ فرکانسی با سرعت بالایی افت نکند، آن‌گاه سیگنال‌های کانال مجاور ممکن است به اندازه کافی و به صورت مناسب تضعیف نشوند. در حالت ایده‌آل، پاسخ باید در سریع‌ترین زمان ممکن افت کند. برای اندازه‌گیری این مولفه، در برخی از فیلترها پارامتری به نام فاکتور شکل مورد استفاده قرار می‌گیرد.

فاکتور شکل را می‌توان به سادگی برابر با نسبت پهنای باند مربوط به باند عبور فیلتر به باند توقف آن در نظر گرفت. بنابراین یک فیلتر با پهنای باند ۳ کیلو هرتز در باند عبور (در 6- دسیبل) و پهنای باند ۶ کیلو هرتز در باند توقف (در 60- دسیبل)، دارای فاکتور شکل ۲:۱ خواهد بود. در این حالت، برای معنی‌دار بودن عبارت، مقدار تضعیف نیز باید بیان شود. در نتیجه مشخصه کامل فاکتور شکل به صورت 2:۱ در 6/60 دسیبل بیان می شود.

انواع فیلتر در گیرنده‌های رادیویی

انواع مختلفی از فیلترها وجود دارند که می‌توان از آن‌ها در یک گیرنده استفاده کرد. در گیرنده‌های قدیمی معمولا از فیلترهای LC استفاده می‌شد. در این فیلترها، ترانسفورمرهای IF در گیرنده تنظیم می‌شدند و این امکان به وجود می‌آمد که فرکانس رزونانس هر ترانسفورمر با استفاده از یک هسته «فریت» (Ferrite) تطبیق داده شود. اما امروزه فیلترهای سرامیکی به صورت گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. عملکرد این نوع از فیلترها بر پایه اثر پیزوالکتریک است. این ارتعاشات سپس توسط رزونانس مکانیکی کریستال سرامیکی تحت تاثیر قرار داده می‌شوند. به دلیل اینکه ارتعاشات مکانیکی به سیگنال الکتریکی لینک داده می‌شوند، در نتیجه تاثیر کلی این است که ارتعاشات مکانیکی کریستال سرامیک، سیگنال الکتریکی را تحت تاثیر قرار خواهد داد.

فیلم آموزش تجزیه و تحلیل سیگنال ها و سیستم ها‎ در فرادرس

کلیک کنید

رزونانس مکانیکی سرامیک سطح Q بالایی را نشان می‌دهد و این نتیجه در عملکرد آن به عنوان یک فیلتر الکتریکی منعکس می‌شود. به این طریق، یک فیلتر با Q بالا را می‌توان به سادگی تولید کرد. فیلترهای سرامیکی معمولا قیمت بسیار پایینی دارند. البته انواع با عملکرد بسیار بالا از این فیلترها نیز وجود دارند. برای سطوح عملکرد بسیار بالای فیلتر، معمولا از فیلترهای کریستالی استفاده می‌شود. کریستال‌ها از «کوارتز» (Quartz) ساخته می‌شوند که فرم طبیعی سیلیکون به شمار می‌آیند.

البته امروزه قطعات را با استفاده از کوارتز مصنوعی می‌سازند. کریستال‌ها همچنین در اثر پیزوالکتریک نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند و دقیقا به طریق مشابه با فیلترهای سرامیکی عمل می‌کنند، اما سطح Q بالاتری دارند و نیز درجه گزینندگی آن‌ها بسیار بهتر است. به عنوان یک المان‌ رزونانس، کریستال‌ها در حوزه‌های مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند که یک المان رزونانس LC ممکن است یافت شود. این قطعات در اسیلاتورها نیز کاربرد دارند و بسیاری از کامپیوترها در ساختار خود اسیلاتور کریستالی دارند، اما این المان‌ها معمولا در فیلترهای با عملکرد بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند.

فیلترهای کریستالی معمولا از تعدادی کریستال تکی ساخته می‌شوند. همان طور که می‌دانیم، یک فیلتر همواره با داشتن تعداد معینی قطب توصیف می‌شود. به ازای هر کریستال یک قطب وجود دارد، بنابراین یک فیلتر کریستال شش قطبی، شامل شش کریستال در ساختار خود است. بسیاری از فیلترهایی که در گیرنده‌های مخابراتی آماتور مورد استفاده قرار می‌گیرند، یا شش و یا هشت قطب دارند.

انتخاب صحیح پهنای باند فیلتر گیرنده رادیویی

انتخاب صحیح پهنای باند فیلتر برای یک سیگنال داده شده امری مهم است. واضح است که باید اطمینان حاصل شود که پهنای باند فیلتر بیش از حد لازم پهن نباشد؛ چون در غیر این صورت سیگنال‌های نامطلوب خارج از کانال می‌توانند از فیلتر عبور کنند. عکس این قضیه نیز صادق است، یعنی اگر پهنای باند فیلتر بسیار نازک باشد، در آن صورت برخی از سیگنال‌های مطلوب ما حذف می‌شوند و پدیده «اعوجاج» (Distortion) اتفاق خواهد افتاد.

به دلیل اینکه انواع مختلف روش‌های مخابره، مقادیر مختلفی از پهنای باند طیف را اشغال می‌کنند، در نتیجه تطبیق پهنای باند فیلتر با نوع روش مخابره سیگنال دریافت شده در گیرنده امری ضروری است. به همین دلیل بسیاری از گیرنده‌ها به ازای سیگنال‌های مختلف مخابره شده، بین فیلترهای مختلف سوئیچ می‌کنند. این عمل می‌تواند یا به روش اتوماتیک به عنوان بخشی از یک مود سوئیچ و یا با استفاده از یک سوئیچ فیلتر جداگانه انجام گیرد.

معمولا یک فیلتر برای دریافت سیگنال AM روی باند موج متوسط و بلند، پهنای باند حول ۹ یا ۱۰ کیلو هرتز قرار دارد و روی باند موج کوتاه دارای پهنای باند تقریبا ۶ کیلو هرتز است. برای دریافت سیگنال نوع SSB این مقدار حدودا ۲٫۵ کیلو هرتز در نظر گرفته می‌شود. برای گیرنده‌های مورس، معمولا از فیلترهای ۵۰۰ و ۲۵۰ هرتز استفاده می‌شود. گزینندگی کانال مجاور یک فاکتور بسیار مهم برای انواع مختلف گیرنده‌ها اعم از مخابرات HF، مخابرات موبایل یا سلولی، WIFI و یا هر فرم دیگر مخابرات رادیویی و بی‌سیم به شمار می‌آید. گزینندگی کانال مجاور رادیو در یک سیستم، بسیاری ابعاد عملکرد آن را تعیین می‌کند و این عمل مخصوصا هنگامی که کانال یا فرکانسی در مجاورت آن وجود داشته باشد، از اهمیت فوق‌العاده‌ای برخوردار است.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌‌های مهندسی مخابرات
• آموزش مخابرات ۱
• مجموعه آموزش‌‌های مهندسی الکترونیک
• آموزش مبانی ​الکترونیک – مفاهیم تئوریک به همراه شبیه سازی عملی و کاربردی
• نسبت سیگنال به نویز چیست؟ — از صفر تا صد
• دیود خازنی (واراکتور) چیست؟ — از صفر تا صد
• مدولاسیون DSBSC — از صفر تا صد

^^