تؤثر رقاقات الترددات اللاسلكية، باعتبارها المكون الأساسي لأنظمة الاتصالات اللاسلكية والملاحة الحديثة، تأثيراً مباشراً على دقة النظام بأكمله واستقراره ومستوى تكامله. في الواجهات الأمامية للترددات اللاسلكية في النظام العالمي للملاحة عبر الأقمار الصناعية (GNSS)، تعد مركبات الترددات اللاسلكية وحدات رئيسية مسؤولة عن توليد إشارات المذبذب المحلي، وتعد تقنية تقسيم التردد الجزئي ضرورية لتحقيق تركيب تردد عالي الدقة ومنخفض الترددات الزائفة. تركز هذه الورقة البحثية على مشكلة تقسيم التردد الجزئي في رقائق الترددات اللاسلكية، وتحليل هيكلين رئيسيين للمُعدِّل واستكشاف مزايا تطبيقهما وآفاق تطويرهما في أنظمة الملاحة متعددة الأوضاع.

1. خلفية رقائق الترددات اللاسلكية وتقنية تقسيم التردد الجزئي

في أجهزة استقبال GNSS، تقوم رقاقات الترددات اللاسلكية بتضخيم إشارات الأقمار الصناعية الضعيفة التي يستقبلها الهوائي وترشيحها وتحويلها إلى أسفل. يتم توليد إشارة المذبذب المحلي اللازمة للتحويل السفلي بواسطة مُركِّب التردد الحلقي المغلق الطور (PLL)، حيث يتوافق تردد الخرج fof_ofo والتردد المرجعي freff_{ref}fref:

fo=N.F×freff_o = N.F \times f_{ref}fo=N.F×fref

حيث N.FN.FN.F.F هي نسبة القسمة الإجمالية، وعادةً ما تكون غير عددية. لا يمكن لتقسيم الترددات الصحيحة التقليدية أن تلبي احتياجات المذبذبات المحلية متعددة الترددات وعالية الدقة، مما أدى إلى ظهور تقنية تقسيم التردد الجزئي. ومع ذلك، يؤدي تقسيم التردد الجزئي إلى “زيف كسري”، وإذا كانت الترددات الزائفة تقع ضمن عرض نطاق الحلقة الترددي، فلا يمكن تصفيتها، مما يؤثر بشكل خطير على نقاء طيف خرج شريحة التردد اللاسلكي وأداء النظام.

2. بنيتان نموذجيتان لمُعدِّلات تقسيم التردد الجزئي

مُعدِّل بنية المجمّع

هيكل المركم هو طريقة شائعة الاستخدام في وقت مبكر لتقسيم التردد الكسري. من خلال المراكمات المتتالية متعددة المراحل، يمكن أن تتحول نسبة القسمة بين NNN وN+1N+1N+1N+1، مما يحقق متوسط إحصائي لتقسيم التردد الجزئي. هذا الهيكل بسيط وسهل التنفيذ ولكنه يولد زيفًا مركّزًا منخفض التردد، مما يحد من تطبيقه في رقائق الترددات اللاسلكية المتطورة بسبب ارتفاع الطاقة الزائفة.

مُعدِّل البنية MASH1-1-1-1 Δ- Δ- Σ- مُعدِّل البنية

يستخدم هيكل MASH (تشكيل الضوضاء متعدد المراحل) عدة مُعدِّلات Δ-Σ من الدرجة الأولى في سلسلة تعاقبية لتحقيق تشكيل عالي التمرير لضوضاء التكميم. بالنسبة إلى MASH1-1-1-1، تكون دالة النقل الخاصة به هي:

y(z)= \z-3⋅x(z)+(1-z-3)⋅e3(z)y(z)= z^{-3} \cdot x(z) + (1 - z^{-3}) \cdot e_3(z)y(z)=z-3⋅x(z)+(1-z-3)⋅e3(z)

تدفع هذه البنية إشارة الخطأ e3(z)e3(z)e3(z) e3(z) إلى ترددات أعلى، مما يؤدي إلى طيف خرج أنظف عند الترددات المنخفضة. وعلاوةً على ذلك، يحتوي على نطاق أوسع لكلمة التحكم في الخرج (على سبيل المثال، من -7 إلى 7)، مما يسمح لنسبة القسمة بالقفز عشوائيًا بين قيم متعددة، مما يؤدي إلى زيادة تشتيت الطاقة الزائفة وتحسين ضوضاء الطور داخل النطاق والأداء الزائف بشكل كبير.

3. محاكاة الأداء والتحليل المقارن

بالنسبة لسيناريوهات نظام GNSS النموذجي مع ترددات GPS L1 وBD-2 B1، باستخدام تردد وسيط يبلغ 3.996 ميغاهيرتز وتردد مرجعي يبلغ 16.368 ميغاهيرتز، تمت محاكاة البنيتين باستخدام نظام ADS. وتظهر النتائج:

تحتوي بنية المركم على قمم زائفة كبيرة في نطاق 0-2 ميجاهرتز، مما يؤثر على أداء PLL داخل النطاق.

تعمل بنية MASH1-1-1-1، من خلال تشكيل الضوضاء، على دفع الطاقة الزائفة إلى ترددات أعلى (على سبيل المثال، > 2 ميجاهرتز)، مما يحسن بشكل كبير من كبح الزائف في نطاق التردد المنخفض الحرج.

نظرًا لأن عرض نطاق حلقة PLL عادةً ما يكون 1/10 من التردد المرجعي (حوالي 1.6 ميجاهرتز)، يمكن تصفية الزيف عالي التردد بشكل فعال بواسطة مرشح الحلقة. ولذلك، فإن بنية MASH مناسبة بشكل أفضل لرقائق الترددات اللاسلكية عالية الدقة لنظام GNSS في مركبات الترددات.

4. اتجاهات تطوير تكنولوجيا تقسيم التردد الجزئي في رقائق الترددات اللاسلكية

مع تطور أنظمة الملاحة نحو التطبيقات متعددة الأنماط (BeiDou/Galileo/Galileo/GLONASS)، والتطبيقات متعددة الترددات وعالية الدقة، يزداد الطلب على أداء مركبات التردد في رقائق الترددات اللاسلكية. سيركز التطوير المستقبلي لتكنولوجيا تقسيم التردد الجزئي على:

مُعدِّلات Δ- Σ عالية الترتيب: زيادة تعزيز كفاءة تشكيل الضوضاء وتقليل الضوضاء الطورية داخل النطاق.

تكامل PLLL الرقمي بالكامل (ADPLL): تحقيق هياكل مغير أكثر مرونة وآليات معايرة أكثر مرونة في رقائق الترددات اللاسلكية.

تصميم مضاد لتذبذب العمليات: ضمان اتساق أداء المغير في ظل عمليات النانومتر.

تبديل سريع متعدد الترددات متعدد الترددات: دعم تكوينات نسبة التقسيم الديناميكية لتلبية متطلبات الملاحة الإدراكية ومكافحة التشويش.

5. خاتمة

تُعد تقنية تقسيم التردد الجزئي حلقة رئيسية في تعزيز أداء الطيف وتكامل النظام لرقائق التردد اللاسلكي. في حين أن هيكل المجمع بسيط وسهل الاستخدام، إلا أن أداءه الزائف محدود. وعلى النقيض من ذلك، فإن بنية MASH1-1-1 Δ- Σ، بقدراتها الممتازة في تشكيل الضوضاء، أكثر ملاءمة لمركبات الترددات في رقائق الترددات اللاسلكية عالية الأداء في أنظمة GNSS. مع التقدم في التكنولوجيا وتحسين الخوارزمية، ستستمر تقنية تقسيم التردد الجزئي في دفع رقائق التردد اللاسلكي نحو استهلاك أقل للطاقة، ودقة أعلى، وقدرات أقوى لمكافحة التشويش، مما يوفر دعمًا قويًا لأنظمة الملاحة والاتصالات من الجيل التالي.