‫پروژه مخابرات

مقدمه

زمان زیادی از اولین پیامی که مارکونی مخترع رادیو مخابره کرد نمی گذرد. اما در همین زمان کم ارتباطات توسعه فراوانی داشته است. با توجه به پیشرفت های اخیر در زمینه ارتباطات نام عصر ارتباطات برای قرن حاضر بسیار مناسب است عمده ارتباطات و ارسال امواج مخابراتی توسط دو موج FM و AM صورت می گیرد.

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[1] فرکانس بالا متناسب با مقدار لحظه ای سیگنال مدوله کننده (پیام) تغییر می کند. به این ترتیب محتویات پیام اصلی به بخشی از طیف فرکانسی در حوالی فرکانس حامل منتقل می شود. در گیرنده فرآیند معکوس صورت گرفته، آشکارساز سیگنال اصلی را بازیابی می کند.

در شکل  1  نمودار بلوکی ساده ای از یک فرستنده و یک گیرنده رادیویی نشان داده شده تا پردازشهای انجام گرفته بر روی سیگنالها نشان داده شود. عمل هر بلوک در زیر تشریح شده است.

1. منبع سیگنال پیام می تواند میکروفون، سوزن گرام، دوربین تلویزیون و یا دیگر وسایل تبدیل کننده اطلاعات مطلوب به سیگنال الکتریکی باشد.

2. سیگنال تقویت شده معمولاً برای محدود شدن پهنای باند از یک فیلتر پایین گذر عبور داده می شود.

3. نوسانساز RF فرکانس حامل یا کسر صحیحی از آن را ایجاد می‌کند. چون برای ماندن گیرنده در فرکانس اختصاص یافته به آن، پایداری نوسانساز باید خوب باشد این نوسانساز معمولاً توسط کریستال کوارتز کنترل می شود.

4. یک یا چند طبقه تقویت کننده سطح توان سیگنال نوسانساز 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 برابر کردن فرکانس» صورت می گیرد تا فرکانس حامل مضرب صحیحی از فرکانس نوسانساز باشد.

5. مدولاتور سیگنال و مولفه های فرکانسی حامل را ترکیب کرده، یکی از انواع موجهای مدوله شده بخش   را ایجاد می کند. در سیستم ساده شده شکل  1  طیف سیگنال خروجی در حوالی فرکانس حامل RF مطلوب قرار دارد. در بسیاری از فرستنده ها یک نوسانساز و مخلوط کننده دیگر (شبیه بلوکهای 10 و 11) بین بلوکهای 5 و 6 قرار می گیرد تا موج مدوله شده به گستره فرکانسی بالاتری برود.

6. پس از مدولاسیون تقویت کننده های دیگری لازم است تا توان سیگنال به مقدار مطلوب برای تحویل شدن به آنتن برسید.

7. آنتن فرستنده انرژی RF را به یک موج الکترومغناطیسی با پلاریزاسیون مطلوب تبدیل می کند. اگر تنها یک گیرنده (ثابت) مورد نظر باشد، آنتن طوری طرح می شود که انرژی تشعشعی تا حد ممکن در جهت آنتن گیرنده  منتشر شود.

8 . آنتن گیرنده ممکن است همه جهته و یا در مورد مخابرات فقط به نقطه جهتدار 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.

9 . طبقه تقویت کننده RF توان سیگنال را به مقدار مناسب برای ورودی مخلوط کننده می رساند و به جداسازی نوسانساز محلی از آنتن نیز کمک می کند. این طبقه فرکانس گزینی چندانی ندارد و تنها سیگنالهای خیلی دور از فرکانسهای کانال مورد نظر را حذف می کند. داشتن یک تقویت کننده قبل از مخلوط کننده به خاطر نویز غیر قابل اجتناب مخلوط کننده نیز مطلوب است.

10 . نوسانساز محلی گیرنده طوری تنظیم می شود که فرکانس آن،  ، به اندازه فرکانس میانی،  ، با فرکانس ورودی،  ،‌ داشته باشد؛ یعنی  می تواند مقادیر  و  را داشته باشد.

11 . مخلوط کننده یک عنصر غیر خطی است که فرکانس دریافتی  را به فرکانس میانی  می برد. موج مدوله شده سوار بر حامل نیز به فرکانس میانی برده می شود.

12. تقویت کننده IF توان سیگنال را به حد مناسب برای آشکارسازی می رساند 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 و 12 همیشه در فرکانس ثابت  کار می کنند می توان آنها را طوری طراحی کرد که فرکانس گزینی بالایی داشته باشند. در این بلوکها غالباً از فیلترهای سرامیکی یا کریستالی استفاده می شود.

13 . آشکار ساز سیگنال پیام را از ورودی مدوله شده IF جدا می‌کند.

14. تقویت کننده صوتی یا تصویری توان خروجی آشکارساز را به حد مطلوب برای دادن به بلندگو، صفحه تلویزیون، یا دیگر دستگاههای خروجی می رساند.

15. دستگاه خروجی سیگنال اطلاعات را به شکل اصلی (موج صوتی، تصویر و غیره) تبدیل می کند. علاوه بر اینکه سیگنال مطلوب توسط گیرنده پردازش می شود، نویز الکتریکی در مسیر انتشار به سیگنال مطلوب اضافه می شود. همچنین در تقویت کننده RF ، نوسانساز محلی، مخلوط کننده و دیگر طبقه ها نیز نویز تولید می شود. نمودار بلوکی شکل 1   تنها برای نشان دادن کل سیستم آورده شده است. سیستمهای فرستنده و گیرنده در عمل آنقدر می توانند تغییر کنند که هیچ بلوکی را نمی توان به عنوان یک بلوک اصلی در نظر گرفت. در فصلهای بعد آرایش عمومی فرستنده ها و گیرنده های کاربردهای خاص مورد بحث قرار خواهد گرفت.

1-1- مدولاسیون

فرض می کنیم ولتاژ موج حامل مدوله نشده به این صورت باشد:

(1)                ر

که در آن،  فرکانس (رادیانی) حامل،  دامنه و  یک زاویه فاز دلخواه است.

در موج دامنه ای مدوله شده (AM) انحراف دامنه،  از مقدار غیر مدوله شده اش با مقدار لحظه ای سیگنال مدوله کننده متناسب است. به عبارت دیگر اگر سیگنال مدوله کننده  باشد، دامنه حامل باید به صورت زیر با زمان تغییر کند:

(2)                

که در آن  ضریب مدولاسیون نامیده می شود.

1-2- مدولاسیون زاویه ای

در مدولاسیون زاویه ای به جای دامنه زاویه  معادله (1) متناسب با سیگنال مدوله کننده از مقدار غیر مدوله شده اش منحرف می شود. مدولاسیون فاز و مدولاسیون فر کانسی شکلهای خاص مدولاسیون زاویه هستند. در  مدولاسیون فاز (PM) زاویه  معادله (1) متناسب با سیگنال مدوله کننده  تغییر می کند. در مدولاسیون فرکانسی (FM) مقدار لحظه ای فرکانس

شکل (الف) یک موج مدوله کننده مثلثی؛ و موجهای (ب) AM ، (ج) FM و (د) RM حاصل از آن.

متناسب با مقدار لحظه ای  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 مثلثی را نشان می دهد.

1-3-مدولاسیون پالسی

در سیستمهای مدولاسیون پالسی «حامل» یک قطار پالس است که می توان دامنه، فرکانس تکرار، یا فاصله بین پالسهایش را درست به صورت موجهای AM ، FM و PM متناسب با سیگنال مدوله کننده تغییر داد. قضیه نمونه‌برداری نشان می دهد که ارسال پیوسته یک پیام لازم نیست، پیام را می‌توان به طور 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 kHz 4 است،‌پالسی با فرکانس تکرار kHz 8 کافی است و پهنای پالسها می تواند تا حد دلخواه کوچک باشد.

در مدولاسیون کدهای پالسی هر نمونه به صورت یک مجموعه هفت تایی (یا بیشتر) پالس، که معادل کد باینری دامنه نمونه است، نشان داده می‌شود. مصونیت در مقابل نویز این سیستم از سیستمهای دیگر بیشتر است، این مزیت به قیمت آهنگ تکرار پالس و پهنای باند بزرگتر به دست آمده است.

1-4-مقایسه سیستم های مدولاسیون

هر سیستم مدولاسیون معایب و مزایای خاص خود را دارد. در مدولاسیون دامنه آشکار ساز بسیار ساده است و پهنای باند لازم حداقل مقدار ممکن را دارد (مخصوصاً هنگامی که تنها یک کنار باند ارسال می شود.)‌ ولی مصونیت در مقابل نویز آن از بقیه سیستمها کمتر است و برای انتقال یک کنار باند هم فرستنده و هم گیرنده بسیار پیچیده ای لازم است.

1-5-در مدولاسیون فرکانس 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.

نویز الکتریکی

نویز همیشه در سیستمهای مخابراتی وجود دارد، ولی در شرایط عادی، به علت اینکه سطح سیگنالها از سطح نویز خیلی بزرگتر است، جلب توجه نمی کند.

سیگنال ضعیف همراه با نویز را در صورتی می توان تقویت کرد که سطح نویز آن در مقابل سطح سیگنال پایین باشد. در غیر این صورت تقویت فایده ای ندارد زیرا سیگنال و نویز ورودی با هم تقویت می شوند، و علاوه بر این نویز تقویت کننده هم به سیگنال اضافه می شود. این پدیده درگیرنده ها هنگام محو شدن سیگنال در نویز، یا افزایش نویز به حدی که سیگنال را بپوشاند، مشاهده می شود.

در طراحی سیستمهای مخابراتی یکی از هدفها بالا نگه داشتن هر چه بیشتر نسبت توان متوسط (یا ماکزیمم) سیگنال به توان متوسط نویز است، به نحوی که نویز نتواند به عملکرد مطلوب سیستم ضرری برساند. روشهای انجام این کار عبارتند از: (1) به کار بردن فرستنده های قوی و آنتنهای با بهره بالا، تا توانی که به گیرنده می رسد زیاد باشد، (2) طراحی تقویت کننده و مخلوط کننده به نحوی که هنگام پردازش سیگنال حداقل نویز به آن افزوده شود، و (3) استفاده از روشهای مدولاسیون و کدگذاری خاصی که جداسازی سیگنال از نویز را آسان کند.

تعیین دقیق مشخصات نویز الکتریکی تا حد ممکن امری مطلوب است. ولی یک مشخصه اغلب نویزها طبیعت غیر جبری آنهاست؛ یعنی شکل موج دقیق نویز را نمی توان پیش بینی کرد. برای به دست آوردن مقادیر کمی نویز می‌توان دستگاه اندازه گیری را به منبع نویز متصل کرد و مقدار متوسط، مقدار ماکزیمم، متوسط نویز یکسو شده یا مقدار rms واقعی ولتاژ (یا جریان) آن را اندازه گرفت. رابطه بین کمیات فوق در نویزهای مختلف متفاوت است. مثلاً مقدار متوسط یک نویز می تواند صفر و پارامترهای دیگر آن غیر صفر باشد. برای محاسبه توان متوسط نویز داده شده به یک بار مقاومتی می توان مقدار rms واقعی نویز را به کار برد. نشان خواهیم داد که مقادیر اندازه گیری شده به طیف منبع نویز و پاسخ فرکانسی اندازه گیر بستگی دارد.

نویز حرارتی ناشی از حرکت براونی الکترونها در یک هادی نمونه ای از یک نویز با طیف صاف است.

[1] - حامل می تواند یک موج سینوسی یا یک قطار پالس باشد.