انواع گیرنده الکتریکی و کاربردها

ارتباطات بخش مهمی از فناوری مدرن است و امکان تبادل اطلاعات را در فواصل دور فراهم می کند. در حوزه الکترونیک، گیرنده الکتریکی به هر دستگاهی گفته می شود که سیگنال الکتریکی را دریافت می کند و آن را، اغلب همراه با تقویت، به شکلی قابل استفاده تبدیل می کند.

برای مثال، گیرنده تلفن پالس های الکتریکی را به صدا تبدیل می کند و گیرنده رادیو یا تلویزیون، امواج الکترومغناطیسی را دریافت کرده و به صدا یا تصویر تبدیل می کند. بدون گیرنده، ارسال اطلاعات بی معنی بود، چون راهی برای استخراج و درک اطلاعات ارسال شده وجود نداشت.

در قلب هر سیستم ارتباطی، فرستنده و گیرنده قرار دارند که با هم برای ارسال و دریافت سیگنال کار می کنند. در این مقاله با تمرکز بر سیستم های رادیویی و مخابراتی، اصول عملکرد، ویژگی های کلیدی و انواع گیرنده الکتریکی را بررسی می کنیم.

گیرنده الکتریکی چیست؟

گیرنده الکتریکی جزء حیاتی هر سیستم ارتباطی است که سیگنال ها را از یک محیط انتقال، چه با سیم و چه بی سیم، دریافت می کند و اطلاعات موجود در آنها را به شکل قابل استفاده بازیابی می کند.

این فرایند می تواند شامل تبدیل سیگنال از یک شکل انرژی به شکل دیگر باشد؛ برای مثال تبدیل سیگنال الکتریکی به صدا در بلندگو.

گیرنده الکتریکی چگونه کار می کند؟

هر سیستم ارتباطی از یک فرستنده و یک گیرنده تشکیل شده است. فرستنده یک سیگنال حامل را که اطلاعات روی آن مدوله شده، از طریق آنتن ارسال می کند و گیرنده اطلاعات را از سیگنال دریافتی بازیابی می کند.

گیرنده باید سیگنال ورودی را با کمترین اعوجاج به اطلاعات مفید تبدیل کند. عملکرد گیرنده به طراحی سیستم، طراحی مدار و محیط کار آن بستگی دارد.

نسبت سیگنال به نویز در گیرنده

نویز و تداخل سیگنال های ناخواسته ای هستند که در خروجی گیرنده ظاهر می شوند و حداقل سطح سیگنال قابل استفاده را تعیین می کنند. برای اینکه خروجی گیرنده مفید باشد، توان سیگنال باید به اندازه کافی از توان نویز بیشتر باشد. این مقدار با نسبت سیگنال به نویز (SNR) بیان می شود و به کاربرد گیرنده بستگی دارد. برای مثال:

• خط تلفن: حدود 30 دسی بل

• سیستم تلویزیون: حدود 40 دسی بل

• سیستم پخش موسیقی: حدود 60 دسی بل

مراحل عملکرد گیرنده الکتریکی

عملکرد هر گیرنده بر سه مرحله اصلی استوار است:

1. دریافت سیگنال: سیگنال ارسالی از محیط انتقال، معمولا توسط آنتن، دریافت می شود.

2. دمدولاسیون (آشکارسازی): اطلاعات اصلی از موج حامل استخراج می شود. مداری که این کار را انجام می دهد دمدولاتور نام دارد و می تواند یک مدار الکترونیکی یا یک برنامه نرم افزاری باشد.

3. تبدیل به شکل قابل استفاده: سیگنال استخراج شده تقویت می شود و در مرحله نهایی به صدا، تصویر یا داده تبدیل می شود.

ویژگی های کلیدی گیرنده الکتریکی

حساسیت

حساسیت یعنی کمترین قدرت سیگنالی که گیرنده می تواند دریافت و با موفقیت دمدوله کند. به زبان ساده، حساسیت توانایی گیرنده در دریافت سیگنال های ضعیف است.

هرچه عدد حساسیت کوچک تر باشد، گیرنده سیگنال های ضعیف تر را بهتر دریافت می کند. برای مثال، حساسیت حدود 150 میکروولت برای رادیوهای کوچک خانگی معمول است، در حالی که گیرنده های ارتباطی با کیفیت بالا حساسیت 1 میکروولت یا بهتر دارند.

گزینش پذیری

گزینش پذیری توانایی گیرنده در جدا کردن سیگنال مورد نظر از سیگنال های ناخواسته، مانند کانال های مجاور و نویز است. گزینش پذیری بالا کیفیت سیگنال دریافتی را افزایش می دهد.

در گیرنده های ساده، با افزایش فرکانس، گزینش پذیری ضعیف تر می شود و در فرکانس های پایین تر، گزینش پذیری بهتری به دست می آید. یکی از دلایل اصلی استفاده از فرکانس میانی در گیرنده های سوپرهترودین همین موضوع است.

وفاداری

وفاداری (Fidelity) توانایی گیرنده در بازتولید دقیق سیگنال اصلی بدون اعوجاج است. گیرنده ای با وفاداری بالا، خروجی ای تولید می کند که تا حد ممکن به سیگنال ارسال شده شبیه باشد.

پایداری

پایداری توانایی گیرنده در حفظ تنظیم خود روی فرکانس مورد نظر در طول زمان است. عواملی مانند تغییر دما یا ولتاژ تغذیه می توانند باعث جابه جایی فرکانس نوسان ساز شوند و گیرنده پایدار این تغییرات را به حداقل می رساند.

انواع گیرنده الکتریکی

گیرنده ها از نظر معماری انواع مختلفی دارند. دو معماری رایج در سیستم های رادیویی و مخابراتی عبارت اند از:

• گیرنده سوپرهترودین (Superheterodyne)

• گیرنده تبدیل مستقیم (Direct Conversion)

معماری های دیگری مانند گیرنده فرکانس رادیویی تنظیم شده (TRF) و گیرنده های رادیویی نرم افزاری (SDR) نیز وجود دارند.

گیرنده سوپرهترودین

گیرنده سوپرهترودین بر اساس اصل هترودین، یعنی مخلوط کردن فرکانس ها، کار می کند. در این گیرنده، سیگنال دریافتی با سیگنال یک نوسان ساز محلی در یک مدار میکسر ترکیب می شود و به یک فرکانس ثابت و معمولا پایین تر به نام فرکانس میانی (IF) تبدیل می شود. برای مثال، فرکانس میانی رایج در رادیوهای AM حدود 455 کیلوهرتز و در رادیوهای FM حدود 10.7 مگاهرتز است.

این نوع گیرنده در بسیاری از سیستم ها، از جمله رادیو و تلویزیون، رایج است.

چرا از فرکانس میانی استفاده می شود؟

میکسر در خروجی خود هم مجموع و هم تفاضل دو فرکانس ورودی را تولید می کند. معمولا فرکانس تفاضل به عنوان فرکانس میانی انتخاب می شود، چون تقویت و فیلتر کردن یک فرکانس ثابت و پایین تر بسیار ساده تر است و گزینش پذیری و حساسیت بسیار بهتری فراهم می کند.

برای اینکه فرکانس میانی با تغییر ایستگاه ثابت بماند، مدار تنظیم ورودی و نوسان ساز محلی با هم تنظیم می شوند. در رادیوهای قدیمی این کار با یک خازن متغیر چندبخشی انجام می شد که با یک پیچ تنظیم می چرخید. به این ترتیب، هر ایستگاهی که انتخاب شود، اختلاف فرکانس نوسان ساز محلی و سیگنال ورودی همیشه برابر فرکانس میانی باقی می ماند.

فرکانس تصویر در گیرنده سوپرهترودین

یکی از مشکلات گیرنده سوپرهترودین، فرکانس تصویر (Image Frequency) است. فرکانس تصویر، فرکانس ناخواسته دیگری است که آن هم پس از مخلوط شدن با نوسان ساز محلی، همان فرکانس میانی را تولید می کند. اگر نوسان ساز محلی بالاتر از سیگنال تنظیم شده باشد، فرکانس تصویر به اندازه دو برابر فرکانس میانی بالاتر از فرکانس مورد نظر قرار دارد. به همین دلیل پیش از میکسر، از فیلتر و تقویت کننده RF برای حذف این فرکانس استفاده می شود.

اجزای گیرنده سوپرهترودین

• آنتن: سیگنال ارسال شده توسط فرستنده را دریافت می کند.

• تقویت کننده RF: سیگنال دریافتی را که در طول مسیر ضعیف شده تقویت می کند و فرکانس تصویر را تضعیف می کند.

• نوسان ساز محلی: سیگنالی با فرکانس قابل تنظیم تولید می کند که همراه با تنظیم گیرنده تغییر می کند و به میکسر ارسال می شود.

• میکسر: سیگنال ورودی را با سیگنال نوسان ساز محلی ترکیب کرده و فرکانس میانی را تولید می کند.

• تقویت کننده IF: سیگنال فرکانس میانی را تقویت و فیلتر می کند و بخش اصلی گزینش پذیری گیرنده را تامین می کند.

• دمدولاتور: بعد از تقویت کننده IF قرار دارد و سیگنال اطلاعات را از فرکانس میانی استخراج می کند.

• تقویت کننده صوتی: سیگنال صوتی استخراج شده را تقویت می کند.

• تقویت کننده توان: سیگنال را به سطح توان لازم برای به کار انداختن بلندگو می رساند.

گیرنده تبدیل مستقیم

گیرنده تبدیل مستقیم که با نام های هومودین (Homodyne)، سینکرودین (Synchrodyne) یا Zero-IF نیز شناخته می شود، سیگنال رادیویی ورودی را بدون تبدیل به فرکانس میانی، مستقیما به باند پایه (Baseband) تبدیل می کند.

در این گیرنده نیز سیگنال دریافتی وارد یک میکسر می شود، اما برخلاف سوپرهترودین، فرکانس نوسان ساز محلی برابر یا بسیار نزدیک به فرکانس حامل سیگنال است. این روش که آشکارسازی همزمان (Synchronous Detection) نام دارد، مستقیما خروجی دمدوله شده تولید می کند.

مزایا و محدودیت های گیرنده تبدیل مستقیم

چون در این معماری فقط یک مرحله تبدیل فرکانس وجود دارد و به طبقات IF نیازی نیست، ساختار گیرنده ساده تر و کم حجم تر از گیرنده سوپرهترودین است و مشکل فرکانس تصویر به شکل سوپرهترودین در آن وجود ندارد. به همین دلیل در تراشه های مخابراتی امروزی، مانند گوشی های همراه، کاربرد زیادی دارد.

با این حال، این ساده سازی چالش های دیگری ایجاد می کند؛ از جمله نیاز به دقت بیشتر در تنظیم و فیلتر کردن، نشت سیگنال نوسان ساز محلی، ایجاد ولتاژ آفست DC در خروجی و محدودیت در محدوده دینامیکی گیرنده.

سوالات متداول درباره گیرنده الکتریکی

گیرنده الکتریکی چه کاری انجام می دهد؟

سیگنال الکتریکی یا امواج الکترومغناطیسی را دریافت کرده و اطلاعات موجود در آن را به شکل قابل استفاده مانند صدا، تصویر یا داده تبدیل می کند.

فرکانس میانی (IF) چیست؟

فرکانس ثابتی است که گیرنده سوپرهترودین سیگنال ورودی را به آن تبدیل می کند تا تقویت و فیلتر کردن آن ساده تر و دقیق تر شود.

تفاوت گیرنده سوپرهترودین و تبدیل مستقیم چیست؟

گیرنده سوپرهترودین سیگنال را ابتدا به فرکانس میانی تبدیل می کند، اما گیرنده تبدیل مستقیم سیگنال را بدون مرحله میانی مستقیما به باند پایه می برد.

حساسیت گیرنده به چه معناست؟

کمترین قدرت سیگنالی که گیرنده می تواند دریافت و به درستی دمدوله کند؛ هرچه این عدد کمتر باشد، گیرنده حساس تر است.

فرکانس تصویر چیست؟

فرکانس ناخواسته ای که در گیرنده سوپرهترودین پس از مخلوط شدن با نوسان ساز محلی، همان فرکانس میانی را تولید می کند و باید پیش از میکسر فیلتر شود.

جمع بندی

گیرنده الکتریکی بخش جدایی ناپذیر هر سیستم ارتباطی است و با دریافت، دمدولاسیون و تبدیل سیگنال، اطلاعات را به شکل قابل استفاده در می آورد. کیفیت هر گیرنده با پارامترهایی مانند حساسیت، گزینش پذیری، وفاداری و پایداری سنجیده می شود.

گیرنده های سوپرهترودین با استفاده از فرکانس میانی، گزینش پذیری و حساسیت بالایی دارند و گیرنده های تبدیل مستقیم با ساختار ساده تر، در تجهیزات مخابراتی مدرن پرکاربرد هستند. از رادیو و تلویزیون گرفته تا رادار و GPS، گیرنده ها نقش محوری در ارتباطات و تبادل داده دارند.

منابع

• SpringerOpen