يعد فهم مبدأ محلل الطيف أمرًا أساسيًا لمهندسي الترددات اللاسلكية ومصممي الأنظمة ومحترفي الاختبار والقياس. يقوم محلل الطيف بتحويل إشارات المجال الزمني إلى مجال التردد، مما يسمح للمهندسين بتقييم عرض نطاق الإشارة والانبعاثات الزائفة والضوضاء الطورية والتوافقيات والتداخل.
تُبنى محللات الطيف الحديثة بشكل أساسي على بنيتين متميزتين: محللات الطيف المضبوطة بالممسوح ومحللات الطيف القائمة على تحويل فورييه السريع (FFT). بينما يهدف كلاهما إلى عرض قوة الإشارة مقابل التردد، تختلف آلياتهما الداخلية ومقايضات الأداء وملاءمة التطبيقات بشكل كبير.
تحلل هذه المقالة هاتين المقاربتين من منظور مهندس البحث والتطوير، مع دمج الأسس الرياضية والاعتبارات على مستوى النظام والمراجع إلى المنشورات الدولية الموثوقة.
أساسيات مبدأ محلل الطيف
يعتمد مبدأ محلل الطيف في جوهره على تحويل الإشارة من المجال الزمني إلى مجال التردد. ويُعرَّف تحويل فورييه المستمر على النحو التالي:
X(f)= ∞- ∞x(t)e-j2πftdt
تعبر هذه المعادلة عن كيفية تحلل إشارة المجال الزمني (x(t)) إلى مكونات التردد المكونة لها. تقوم أجهزة تحليل الطيف العملية بتنفيذ هذا التحويل إما من خلال مسح التردد باستخدام أجهزة تناظرية أو من خلال أخذ عينات رقمية متبوعة بحساب FFT.
يؤثر اختيار التنفيذ بشكل مباشر على دقة التردد، والمدى الديناميكي، وسرعة القياس، والقدرة على التقاط الإشارات العابرة.
مبدأ محلل الطيف المضبوط بمقياس الطيف الترددي
بنية المتغاير الفائق
يعد محلل الطيف المضبوط بالممسوح هو التصميم التقليدي والمهيمن تاريخياً. وهو يعتمد على بنية مستقبل التغاير الفائق، المستخدم على نطاق واسع في أنظمة الاتصالات اللاسلكية. يمسح المحلل بالتتابع عبر نطاق تردد محدد باستخدام مذبذب محلي قابل للضبط (LO).
تتكون سلسلة معالجة الإشارة عادةً من:
- توهين المدخلات وتصفية الاختيار المسبق
- تحويل التردد إلى أسفل عن طريق الخلاط
- تصفية التردد المتوسط الثابت (IF)
- كشف المغلف والتضخيم اللوغاريتمي
- مسح التردد المتزامن والعرض المتزامن
نظرًا لأن LO LO يمسح عبر الترددات، يتم اكتشاف الإشارات الموجودة داخل نطاق مرشح IF فقط في كل لحظة، مما يشكل طيفًا كاملاً بمرور الوقت.
ويماثل مبدأ محلل الطيف المُمسوح المضبوط رياضيًا مبدأ محلل الطيف المُمسوح هذا رياضيًا مرشح ضيق النطاق ينزلق عبر محور التردد، ويقيس قوة الإشارة نقطة بنقطة [1].
نقاط القوة والقيود
توفر أجهزة تحليل الطيف المضبوطة بضبط الترددات الماسحة:
- تغطية ترددات واسعة (من كيلوهرتز إلى الموجة المليمترية)
- نطاق ديناميكي عالٍ وحساسية ممتازة
- بنية أجهزة ناضجة مع معايرة مستقرة
ومع ذلك، فإنها تظهر قيودًا متأصلة فيها:
- عدم القدرة على التقاط الإشارات قصيرة المدة أو العابرة
- احتمال تفويت أحداث التداخل المتقطعة
- يزداد زمن المسح مع زيادة عرض نطاق الدقة والمدى
تصبح هذه القيود حرجة في الأنظمة الحديثة التي تتضمن قفز التردد أو الإرسال المتتابع أو البيئات الطيفية الكثيفة [2].
مبدأ محلل الطيف FFT
أخذ العينات الرقمية ومعالجة التحويل الرقمي
يعتمد مبدأ محلل الطيف FFT على تحويل تناظري إلى رقمي عالي السرعة (ADC) متبوعًا بمعالجة الإشارة الرقمية. يتم أخذ عينة من إشارة الدخل بمعدل يفي بمعيار نيكويست:
fs≥2B
حيث (fs) هو تردد أخذ العينات و(B) هو عرض نطاق الإشارة.
ثم تتم معالجة كتلة من عينات المجال الزمني (N) باستخدام تحويل فورييه المتقطع (DFT)، الذي يتم حسابه بكفاءة عبر خوارزمية تحويل فورييه المتقطع:
س(ك)=ن=0 ∑ن-ن-1س(ن)هـ-ج2-ب-ن/ن
يحسب هذا النهج طيف التردد بأكمله في وقت واحد بدلاً من التسلسل [3].
التصفية والتسرب الطيفي
في أجهزة تحليل الطيف في العالم الحقيقي FFT، يتم تطبيق دوال النوافذ (على سبيل المثال، هاننج، بلاكمان-هاريس) للتخفيف من التسرب الطيفي الناجم عن السجلات الزمنية المحدودة. يؤثر اختيار النافذة بشكل مباشر على دقة السعة ودقة التردد - وهو اعتبار مهم للقياسات الدقيقة.
محلل الطيف المضبوط بمقياس Swept-Tuned مقابل محلل الطيف FFT: مقارنة هندسية
مقايضات الأداء
| المعلمة | محلل الطيف الترددي المضبوط بمقياس الطيف الترددي | محلل الطيف FFT |
| اكتساب التردد | المسح المتسلسل | المعالجة المتوازية |
| التقاط الإشارة العابرة | محدودة | ممتاز |
| النطاق الديناميكي | عالية جداً | ADC-محدود |
| سرعة القياس | معتمد على المسح | شبه فوري |
| التعقيد | الترددات اللاسلكية التناظرية المكثفة | رقمي كثيف المعالجة الرقمية DSP |
من وجهة نظر مبدأ محلل الطيف، تتفوق التصاميم المضبوطة بالممسوح في تحليل الإشارات المستقرة والمستمرة، بينما تهيمن التصاميم القائمة على FFT على التطبيقات التي تتطلب وعيًا بالطيف في الوقت الفعلي [4].
تحليل الطيف في الوقت الحقيقي والبنى الهجينة
تدمج أجهزة تحليل الطيف الحديثة في الوقت الحقيقي أجهزة تحليل الطيف في الوقت الحقيقي FFTs المتداخلة ومخازن الذاكرة العميقة والمعالجة القائمة على FPGA للتخلص من الوقت الأعمى. تضمن هذه الأدوات احتمال الاعتراض (POI) للإشارات التي تزيد عن مدة وسعة محددة.
لمعالجة قيود تغطية التردد، تستخدم العديد من الأدوات المتطورة بنيات هجينة تجمع بين الواجهات الأمامية المضبوطة بمجسات مع معالجة IF IF الرقمية القائمة على FFT. يدمج هذا التصميم نطاق التردد الواسع مع القدرة على الكشف في الوقت الحقيقي، مما يعكس اتجاهات الصناعة الحالية [5].
اعتبارات التطبيق الهندسي
من من منظور البحث والتطوير، يعتمد اختيار بنية محلل الطيف على متطلبات التطبيق:
- اختبار التوافق مع EMI/EMC غالبًا ما تفضِّل المحلِّلات المضبوطة بضبط الماسح بسبب نطاقها الديناميكي.
- تطوير البروتوكول اللاسلكي ومطاردة التداخلات اللاسلكية الاستفادة من مبادئ FFT ومبادئ محلل الطيف في الوقت الحقيقي.
- تحليل التضمين المتقدم يتطلب عادةً معالجة رقمية قائمة على FFT.
يسمح فهم مبدأ محلل الطيف الأساسي للمهندسين بتفسير القياسات بشكل صحيح وتجنب التشخيص الخاطئ الناجم عن قيود الجهاز.
الخاتمة
يتم تنفيذ مبدأ محلل الطيف من خلال منهجيتين مختلفتين بشكل أساسي: المسح الترددي المضبوط بمقياس الترددات المُمسوح وتحليل الطيف الرقمي القائم على تقنية FFT. وتعتمد أجهزة التحليل المضبوطة بمسح الترددات المكنسة على بنيات التغاير الفائق والقياس المتسلسل، بينما تستخدم أجهزة تحليل الترددات الرقمية FFT أخذ عينات عالية السرعة وحساب الترددات المتوازية.
يقدم كل نهج مزايا وقيود فريدة من نوعها. ومع تزايد تعقيد وديناميكية أنظمة الترددات اللاسلكية، تزداد أهمية أجهزة تحليل الطيف القائمة على تقنية FFT وأجهزة تحليل الطيف الهجينة. ومع ذلك، تظل أجهزة التحليل المضبوطة بالممسوح المُمسوح لا غنى عنها لقياسات النطاق العريض ذات النطاق الديناميكي العالي.
يعد الفهم المتين لهذه المبادئ أمرًا بالغ الأهمية لمهندسي الترددات اللاسلكية المشاركين في تصميم النظام وتصحيح الأخطاء والتحقق من صحته.