مقدمه:
در سیتم های مخابراتی، اطلاعات بصورت سیگنال های الکتریکی مخابره می‌شوند. این سیگنالها می توانند: گفتار، موسیقی، تصویر تلویزیونی، داده های علمی و تجاری و غیره باشند. شکل موج این سیگنال ها پیچیده و دائماً در حال تغییر است، ولی طیف فرکانسی آنها معمولاً به پهنای باند مشخصی محدود می شود، این محدودیت یا از طبیعت منبع سیگنال ناشی میشود و یا از فیلترهای موجود در فرستنده سرچشمه می گیرد.
حد پایین باند فرکانس بسیاری از این سیگنالها تا چند مدثر هم می‌رسند، به همین علت نمی توان آنها را بر روی یک مسیر انتقال مشترک به صورت اصلیشان مخابره کرد، زیرا جداسازی آنها در گیرنده میسر نیست. داشتن یک خط انتقال یا یک مسر رادیویی مجزا برای هرسیگنال هم از نظر اقتصادی و هم از نظر علمی ممکن نیست، به این خاطر باید در سیستم مخابراتی راهی برای ارسال همزمان چند سیگنال اندیشیده شود. این کار یا با قراردادن سبیگنالها در بخش های متفاوت طیف فرکانسی صورت می گیرد یا با فرستادن نمونه هایی از هر سیگنال بر اساس یک تقسیم بندی زمانی.
طول موج () یک موج رادیویی بر حسب متر از رابطه c/f بدست می‌آید که در آن c سرعت نور و f فرکانس بر حسب هرتز است.
برای محاسبه RF به یاد داشته باشید که F بر حسب مگاهرتز بر حسب متر (300=). برای داشتن یا بازده معقول طول نیز یکی آنتن باید باید حدود نصف طول موج باشد. بنابراین با افزایش فرکانس انتقال ابعاد نیز یکی و هزینه آنتن کاهش و بازده آن افزایش می یابد.
اجزای یک سیستم رادیویی
فرآیندی که طی آن پیام اصلی به شکل مناسب برای انتقال تبدیل میشود، مدولاسیون نام دارد. در فرآیند مدولاسیون مشخصه ای – مانند دامنه فرکانس یا فاز از یک حامل فرکانس بالا متناسب با مقدار لحظه ای سیگنال مدوله کننده (پیام) تغییر می کند. به این ترتیب محتویات پیام اصلی به بخشی از طیف فرکانس در حوالی فرکانس حامل منتقل می شود. در گیرنده فرآیند معکوس صورت گرفته، آشاکارساز سیگنال اصلی را بازیابی میکند.
عمل مد قسمت از یک فرستنده و گیرنده رادیویی:
منبع سیگنال پیام میتواند میکروفون، سوزن گرام، در بین تلویزیون و یا دیگر وسایل تبدیل کننده اطلاعات مطلوب به سیگنال الکتریکی باشد.
سیگنال تقویت شده معمولاًً برای محدودشدن پهنای باند از یک فیلتر پائین‌گذر عبور داده میشود.
نوسان ساز RF فرکانس حامل یا کسر صحیحی از آن را ایجاد می کند چون برای ماندن گیرنده در فرکانس اختصاص یافته به آن پایداری نوسان ساز باید خوب باشد. این نوسان ساز معمولاً توسط کریستال کوارتز کنترل می شود.
یک یا چند طبقه تقویت کننده سطح توان سیگنال نوسان ساز را به حد لازم در ورودی مدولاتور می رساند. برای دستیابی به یک بازده خوب در صورت امکان از تقویت کننده های کلاس C استفاده می شود. مدار خروجی در یک هارمونیک فرکانس ورودی تنظیم می شود و به این ترتیب عمل چند برابرکردن فرکانس صورت می گیرد تا فرکانس حامل مضرب صحیحی از فرکانس نوسان ساز باشد.
مدولاتور سیگنال و مولفه های فرکانس حامل را ترکیب کرده یکی از انواع موجهای مدوله شده ایجاد می کند. در سیستم ساده شده طیف سیگنال خروجی در حاوی فرکانس حامل RF مطلوب قرار دارد. در بسیاری از فرستنده ها یک نوسان ساز و --- کننده دیگر بین بلوک های 5و6 قرار می گیرد تا موج مدوله شده به گستره فرکانسی بالاتر برود.
پس از مدولاسیون تقویت کننده‌های دیگری لازم است تا توان سیگنال به مقدار مطلوب برای تحول شدن به آنتن برسد.
آنتن فرستنده انرژی RF را به یک موج الکترومغناطیسی با پلاریزاسیون مطلوب تبدیل می کند اگر تنها یک گیرنده ثابت مورد نظر باشدآنتن طوری طرح می شود که انرژی تشعشعی تا حد ممکن در جهت آنتن گیرنده منتشر شود.
آنتن گیرنده ممکن است همه جهته و یا در مورد مخاربرات نقطه به نقطه جهت دارد باشد. موج منتشر شده ولتاژ کوچکی در آنتن گیرنده القا می کند. ولتاژ القایی بسته به شرایط، متفاوت بین چند ده میلی ولت تا کمتر از 1 میکرو ولت است.
طبقه تقویت کننده RF توان سیگنال را به مقدار مناسب برای ورودی مخلوط کننده می‌رساند و به جداسازی نوسان ساز محلی از آنتن نیز کمک می کند. این طبقه فرکانس گزینی چندانی ندارد و تنها سیگنالهای خیلی دور از فرکانس های کانال مورد نظر را حذف می کند. داشتن یک تقویت کننده قبل از مخلوط کننده به خاطر نویز غیرقابل اجتناب مخلوط کننده نیز مطلوب است.
نوسان ساز محلی گیرنده طوری تنظیم می شود که فرکانس آن flo به اندازه فرکانس میانی fif با فرکانس ورودی RRF تفاوت داشته باشد یعنی flo می تواند مقادیر fRf+fif و RRf-Rif را داشته باشد.
مخلوط کننده یک عنصر غیر خطی است که فرکانس دریافتی fRf را به فرکانس میانی fif می برد موج مدوله شده سوار به حامل را نیز به فرکانس میانی برده می شود.
تقویت کننده IF توان سیگنال را به حد مناسب برای آشکارسازی می‌رساند و فرکانس گزینی آن در حدی است که سیگنال مطلوب را گذرانده و سیگنالهای نامطلوب موجود در خروجی مخلوط کننده را حذف می کند. چون مدارهای تنظیم شده موجود در بلوکهای 11-12 همیشه در فرکانس ثابت fif کار می کند می توان آن را طوری طراحی کرد که فرکانس گزینی بالایی داشته باشد. در این بلوکها غالباً از فیلترهای سرامیکی با کریستال استفاده می شود.
آشکارساز سیگنال پیام را از ورودی مدوله شده IF جدا میکند.
تقویت کننده صوتی یا تصویری توان خروجی آشکارساز را به حد مطلوب برای دادن به بلندگو صفحه تلویزیون با دیگر دستگاه های خروجی می رساند.
دستگاه های خروجی اطلاعات را به شکل اصلی (موج صوتی، تصویر و ... ) تبدیل می کند. علاوه بر اینکه سیگنال مطلوب توسط گیرنده پردازش می شود نویز الکتریکی در مسیر انتشار به سیگنال اضافه میشود. همچنین در تقویت کننده RF نوسان ساز محلی مخلوط کننده و دیگر طبقه ها نیز نویز تولید می شود. سیستم های فرستنده و گیرنده در عمل آنقدر می توانند تغییر کنند که هیچ بلوکی را نمی توان به عنوان یک قسمت اصلی در نظر گرفت.
مدولاسیون
فرض کنید ولتاژ موج حامل مدوله نشده به این صورت باشد:
که در آن Wc فرکانس رادیانی حامل Vc دامنه و یک زاویه فاز دلخواه است.
مدولاسیون دامنه ای
در موج دامنه‌ای مدوله شده (AM ) انحراف دامنه VCاز مقدار غیرمدوله شده است با مقدار لحظه ای سیگنال مدوله کننده متناسب است. به عبارت دیگر اگر سیگنال مدوله کننده F(t)باشد دامنه حامل باید به صورت زیر با زمان تغییر کند:
vc(t) = vc [1+maF(t)]
که در آن ma ضریب مدولاسیون نامیده می شود. مقدار maF(t) نمیتواند بزرگتر از یک باشد وگرنه اعوجاج پیش می آید. در شکل 1-2 یک سیگنال مدوله کننده F(t) و در شکل1-2 موج دامنه ای مدوله شده متناظر با آن نشان داده شده است. دقت کنید که شکل پوشش موج AM [معادله
(1-2)] با شکل سیگنال مدوله کننده یکسان است.
مدولاسیون زاویه ای
در مدولاسیون زاویه ای به جای دامنه زاویه ای معادله متناسب با سیگنال مدوله کننده از مقدار غیر مدوله شده‌اش منجرف می شود. مدولاسیون فاز و مدولاسیون فرکانسی شکلهای خاص مدولاسیون زاویه هستند. در مدولاسیون فاز (PM) زاویه معادله متناسب با سیگنال مدوله کننده F(t) تغییر می کند. در مدولاسیون فرکانسی F(M) مقدار لحظه‌ای فرکانس متناسب با مقدار لحظه ای (F(t تغییر می کند. در هر دو مورد دامنه موج ثابت می ماند. شکل 1-2 موجهای AM-PM و FM حاصل از یک سیگنال مدوله کننده را نشان می دهد.
الف: یک موج مدوله کننده مثلثی
ب: موج های AM
ج: موج های FM
د: PM حاصل از آن
مدولاسیون پالسی
در سیستمهای مدولاسیون پالسی (حامل) یک قطار پالس است که میتوان دامنه، فرکانس تکرار یا فاصله بین پالس‌هایش را درست به صورت موج های AM-PM-FM متناسب با سیگنال مدوله کننده تغییر داد.
قضیه نمونه برداری نشان می دهد که ارسال پیوسته یک پیام لازم نیست. پیام را می توان بطور کامل از روی نمونه هایی از آن که حداقل با آهنگی معادل دو برابر بزرگترین فرکانس موجود در سیگنال نمونه برداری شده باشد، بازسازی کرد. پس برای مدوله کردن سیگنالی که پهنای باند آن 4KHZ است، پالس با فرکانس تکرار 8KHZ کافی است و پهنای پالس ها میتواند تا حد دلخواه کوچک باشد.
در مدولاسیون کدهای پالس هر نمونه به صورت یک مجموعه هفت‌تایی پالس که معادل کد باینری دامنه نمونه است، نشان داده می شود. مصونیت در مقابل نویز این سیستم از سیستم های دیگر بیشتر است. این مزیت به آهنگ تکرار پالس و پهنای باند بزرگتر به دست آمده است.
مقایسه سیستم های مدولاسیون
هر سیستم مدولاسیون معایب و مزایای خاص خود را دارد. در مدولاسیون دامنه آشکارساز بسیار ساده است و پهنای باند لازم حداقل مقدار ممکن را دارد، ولی مصونیت در مقابل نویز آن از بقیه سیستمها کمتر است و برای انتقال یک کنار باند، هم فرستنده و هم گیرنده بسیار پیچیده‌ای لازم است.
در مدولاسیون پهنای باند بیشتر و مدار فرستنده ساده تر است و مصونیت در مقابل نویز از مدولاسیون دامنه بسیار بهتر است، اما پهنای باند لازم برای ارسال FM تقریباً پنج برابر پهنای باند لازم برای AM است. مصونیت در مقابل نویز مدولاسیون کدهای پالسی (PCM) از FM هم بهتر است، ولی پهنای باند بیشتر و مدارهای پیچیده تری می خواهد.
انتخاب یک روش خاص به انتظاری که از سیستم مخابراتی داریم، بستگی دارد.
مقدمه:
در سیتم های مخابراتی، اطلاعات بصورت سیگنالهای الکتریکی مخابره می‌شوند. این سیگنالها می توانند: گفتار، موسیقی، تصویر تلویزیونی، داده‌های علمی و تجاری و غیره باشند. شکل موج این سیگنال ها پیچیده و دائماً در حال تغییر است، ولی طیف فرکانسی آنها معمولاً به پهنای باند مشخصی محدود می شود، این محدودیت یا از طبیعت منبع سیگنال ناشی میشود و یا از فیلترهای موجود در فرستنده سرچشمه می گیرد.
حد پایین باند فرکانس بسیاری از این سیگنالها تا چند مدثر هم می‌رسند، به همین علت نمی توان آنها را بر روی یک مسیر انتقال مشترک به صورت اصلیشان مخابره کرد، زیرا جداسازی آنها در گیرنده میسر نیست. داشتن یک خط انتقال یا یک مسر رادیویی مجزا برای هرسیگنال هم از نظر اقتصادی و هم از نظر علمی ممکن نیست، به این خاطر باید در سیستم مخابراتی راهی برای ارسال همزمان چند سیگنال اندیشیده شود. این کار یا با قراردادن سبیگنالها در بخش های متفاوت طیف فرکانسی صورت می گیرد یا با فرستادن نمونه هایی از هر سیگنال بر اساس یک تقسیم بندی زمانی.
طول موج () یک موج رادیویی بر حسب متر از رابطه c/f بدست می‌آید که در آن c سرعت نور و f فرکانس بر حسب هرتز است.
برای محاسبه RF به یاد داشته باشید که F بر حسب مگاهرتز بر حسب متر (300=). برای داشتن یا بازده معقول طول نیز یکی آنتن باید باید حدود نصف طول موج باشد. بنابراین با افزایش فرکانس انتقال ابعاد نیز یکی و هزینه آنتن کاهش و بازده آن افزایش می یابد.
اجزای یک سیستم رادیویی
فرآیندی که طی آن پیام اصلی به شکل مناسب برای انتقال تبدیل میشود، مدولاسیون نام دارد. در فرآیند مدولاسیون مشخصه ای – مانند دامنه فرکانس یا فاز از یک حامل فرکانس بالا متناسب با مقدار لحظه ای سیگنال مدوله کننده (پیام) تغییر می کند. به این ترتیب محتویات پیام اصلی به بخشی از طیف فرکانس در حوالی فرکانس حامل منتقل می شود. در گیرنده فرآیند معکوس صورت گرفته، آشاکارساز سیگنال اصلی را بازیابی میکند.
عمل مد قسمت از یک فرستنده و گیرنده رادیویی:
منبع سیگنال پیام میتواند میکروفون، سوزن گرام، در بین تلویزیون و یا دیگر وسایل تبدیل کننده اطلاعات مطلوب به سیگنال الکتریکی باشد.
سیگنال تقویت شده معمولاًً برای محدودشدن پهنای باند از یک فیلتر پائین‌گذر عبور داده میشود.
نوسان ساز RF فرکانس حامل یا کسر صحیحی از آن را ایجاد می کند چون برای ماندن گیرنده در فرکانس اختصاص یافته به آن پایداری نوسان ساز باید خوب باشد. این نوسان ساز معمولاً توسط کریستال کوارتز کنترل می شود.
یک یا چند طبقه تقویت کننده سطح توان سیگنال نوسان ساز را به حد لازم در ورودی مدولاتور می رساند. برای دستیابی به یک بازده خوب در صورت امکان از تقویت کننده های کلاس C استفاده می شود. مدار خروجی در یک هارمونیک فرکانس ورودی تنظیم می شود و به این ترتیب عمل چند برابرکردن فرکانس صورت می گیرد تا فرکانس حامل مضرب صحیحی از فرکانس نوسان ساز باشد.
مدولاتور سیگنال و مولفه های فرکانس حامل را ترکیب کرده یکی از انواع موجهای مدوله شده ایجاد می کند. در سیستم ساده شده طیف سیگنال خروجی در حاوی فرکانس حامل RF مطلوب قرار دارد. در بسیاری از فرستنده ها یک نوسان ساز و --- کننده دیگر بین بلوک های 5و6 قرار می گیرد تا موج مدوله شده به گستره فرکانسی بالاتر برود.
پس از مدولاسیون تقویت کننده‌های دیگری لازم است تا توان سیگنال به مقدار مطلوب برای تحول شدن به آنتن برسد.
آنتن فرستنده انرژی RF را به یک موج الکترومغناطیسی با پلاریزاسیون مطلوب تبدیل می کند اگر تنها یک گیرنده ثابت مورد نظر باشدآنتن طوری طرح می شود که انرژی تشعشعی تا حد ممکن در جهت آنتن گیرنده منتشر شود.
آنتن گیرنده ممکن است همه جهته و یا در مورد مخاربرات نقطه به نقطه جهت دارد باشد. موج منتشر شده ولتاژ کوچکی در آنتن گیرنده القا می کند. ولتاژ القایی بسته به شرایط، متفاوت بین چند ده میلی ولت تا کمتر از 1 میکرو ولت است.
طبقه تقویت کننده RF توان سیگنال را به مقدار مناسب برای ورودی مخلوط کننده می‌رساند و به جداسازی نوسان ساز محلی از آنتن نیز کمک می کند. این طبقه فرکانس گزینی چندانی ندارد و تنها سیگنالهای خیلی دور از فرکانس های کانال مورد نظر را حذف می کند. داشتن یک تقویت کننده قبل از مخلوط کننده به خاطر نویز غیرقابل اجتناب مخلوط کننده نیز مطلوب است.
نوسان ساز محلی گیرنده طوری تنظیم می شود که فرکانس آن flo به اندازه فرکانس میانی fif با فرکانس ورودی RRF تفاوت داشته باشد یعنی flo می تواند مقادیر fRf+fif و RRf-Rif را داشته باشد.
مخلوط کننده یک عنصر غیر خطی است که فرکانس دریافتی fRf را به فرکانس میانی fif می برد موج مدوله شده سوار به حامل را نیز به فرکانس میانی برده می شود.
تقویت کننده IF توان سیگنال را به حد مناسب برای آشکارسازی می‌رساند و فرکانس گزینی آن در حدی است که سیگنال مطلوب را گذرانده و سیگنالهای نامطلوب موجود در خروجی مخلوط کننده را حذف می کند. چون مدارهای تنظیم شده موجود در بلوکهای 11-12 همیشه در فرکانس ثابت fif کار می کند می توان آن را طوری طراحی کرد که فرکانس گزینی بالایی داشته باشد. در این بلوکها غالباً از فیلترهای سرامیکی با کریستال استفاده می شود.
آشکارساز سیگنال پیام را از ورودی مدوله شده IF جدا میکند.
تقویت کننده صوتی یا تصویری توان خروجی آشکارساز را به حد مطلوب برای دادن به بلندگو صفحه تلویزیون با دیگر دستگاه های خروجی می رساند.
دستگاه های خروجی اطلاعات را به شکل اصلی (موج صوتی، تصویر و ... ) تبدیل می کند. علاوه بر اینکه سیگنال مطلوب توسط گیرنده پردازش می شود نویز الکتریکی در مسیر انتشار به سیگنال اضافه میشود. همچنین در تقویت کننده RF نوسان ساز محلی مخلوط کننده و دیگر طبقه ها نیز نویز تولید می شود. سیستم های فرستنده و گیرنده در عمل آنقدر می توانند تغییر کنند که هیچ بلوکی را نمی توان به عنوان یک قسمت اصلی در نظر گرفت.
مدولاسیون
فرض کنید ولتاژ موج حامل مدوله نشده به این صورت باشد:
که در آن Wc فرکانس رادیانی حامل Vc دامنه و یک زاویه فاز دلخواه است.
مدولاسیون دامنه ای
در موج دامنه‌ای مدوله شده (AM ) انحراف دامنه VCاز مقدار غیرمدوله شده است با مقدار لحظه ای سیگنال مدوله کننده متناسب است. به عبارت دیگر اگر سیگنال مدوله کننده F(t)باشد دامنه حامل باید به صورت زیر با زمان تغییر کند:
vc(t) = vc [1+maF(t)]
که در آن ma ضریب مدولاسیون نامیده می شود. مقدار maF(t) نمیتواند بزرگتر از یک باشد وگرنه اعوجاج پیش می آید. در شکل 1-2 یک سیگنال مدوله کننده F(t) و در شکل1-2 موج دامنه ای مدوله شده متناظر با آن نشان داده شده است. دقت کنید که شکل پوشش موج AM [معادله
(1-2)] با شکل سیگنال مدوله کننده یکسان است.
مدولاسیون زاویه ای
در مدولاسیون زاویه ای به جای دامنه زاویه ای معادله متناسب با سیگنال مدوله کننده از مقدار غیر مدوله شده‌اش منجرف می شود. مدولاسیون فاز و مدولاسیون فرکانسی شکلهای خاص مدولاسیون زاویه هستند. در مدولاسیون فاز (PM) زاویه معادله متناسب با سیگنال مدوله کننده F(t) تغییر می کند. در مدولاسیون فرکانسی F(M) مقدار لحظه‌ای فرکانس متناسب با مقدار لحظه ای (F(t تغییر می کند. در هر دو مورد دامنه موج ثابت می ماند. شکل 1-2 موجهای AM-PM و FM حاصل از یک سیگنال مدوله کننده را نشان می دهد.
الف: یک موج مدوله کننده مثلثی
ب: موج های AM
ج: موج های FM
د: PM حاصل از آن
مدولاسیون پالسی
در سیستمهای مدولاسیون پالسی (حامل) یک قطار پالس است که میتوان دامنه، فرکانس تکرار یا فاصله بین پالس‌هایش را درست به صورت موج های AM-PM-FM متناسب با سیگنال مدوله کننده تغییر داد.
قضیه نمونه برداری نشان می دهد که ارسال پیوسته یک پیام لازم نیست. پیام را می توان بطور کامل از روی نمونه هایی از آن که حداقل با آهنگی معادل دو برابر بزرگترین فرکانس موجود در سیگنال نمونه برداری شده باشد، بازسازی کرد. پس برای مدوله کردن سیگنالی که پهنای باند آن 4KHZ است، پالس با فرکانس تکرار 8KHZ کافی است و پهنای پالس ها میتواند تا حد دلخواه کوچک باشد.
در مدولاسیون کدهای پالس هر نمونه به صورت یک مجموعه هفت‌تایی پالس که معادل کد باینری دامنه نمونه است، نشان داده می شود. مصونیت در مقابل نویز این سیستم از سیستم های دیگر بیشتر است. این مزیت به آهنگ تکرار پالس و پهنای باند بزرگتر به دست آمده است.
مقایسه سیستم های مدولاسیون
هر سیستم مدولاسیون معایب و مزایای خاص خود را دارد. در مدولاسیون دامنه آشکارساز بسیار ساده است و پهنای باند لازم حداقل مقدار ممکن را دارد، ولی مصونیت در مقابل نویز آن از بقیه سیستمها کمتر است و برای انتقال یک کنار باند، هم فرستنده و هم گیرنده بسیار پیچیده‌ای لازم است.
در مدولاسیون پهنای باند بیشتر و مدار فرستنده ساده تر است و مصونیت در مقابل نویز از مدولاسیون دامنه بسیار بهتر است، اما پهنای باند لازم برای ارسال FM تقریباً پنج برابر پهنای باند لازم برای AM است. مصونیت در مقابل نویز مدولاسیون کدهای پالسی (PCM) از FM هم بهتر است، ولی پهنای باند بیشتر و مدارهای پیچیده تری می خواهد.
انتخاب یک روش خاص به انتظاری که از سیستم مخابراتی داریم، بستگی دارد.