ITanalyze

اشاره: آن‌چه که در پی می‌آید، ویرایش نخست دومین بخش از مقاله‌ی «آشنایی با مخابرات سلولی» از مجموعه‌ی متون آموزشی «مفاهیم مهندسی مخابرات»، ویژه‌ی خبرنگاران سیاستی و سیاست‌پژوهان صنعت مخابرات است که در سرویس مسائل راهبردی دفتر مطالعات خبرگزاری دانشجویان ایران، تدوین شده است.

این مقاله سعی می‌کند مروری اجمالی بر مفاهیم اساسی فناوری مخابرات سلولی که در واقع همان فناوری مخابرات سیار یا مخابرات بی‌سیم است، داشته باشد. در شماره‌های بعدی به بررسی نسل‌های گوناگون فناوری شبکه‌های تلفن سیار (موبایل)، ‌فناوری‌های بکاررفته در آن‌ها و سیستم‌های مخابرات خصوصی و هم‌چنین سرویس‌های MMS ،GPS ،Bluetooth و بهینه‌سازی شبکه‌های سلولی و سیستم‌های رادار پرداخته می‌شود.

مقالات «مفاهیم مهندسی مخابرات» با ادبیاتی ساده مفاهیمی تخصصی را برای خواننده توضیح می‌دهند که با استفاده از آن‌ها تا حدودی می‌توان به ارزیابی سیاست‌گذاری توسعه‌ی صنعتی و سیاست‌گذاری توسعه‌ی علم و فناوری در این رشته پرداخت.

سرویس مسائل راهبردی ایران، آشنایی با مفاهیم تخصصی و فنی در هر حوزه را مقدمه‌ی ایجاد یک عرصه‌ عمومی برای گفت وگوی دانشگاهیان و حرفه‌مندان با مدیران و سیاست‌گذاران درباره‌ی سیاست‌ها و استراتژی‌ها و برنامه‌ها در آن حوزه می‌داند و اظهار امیدواری می‌کند تحقق این هدف، ضمن مستند سازی تاریخ فرآیند سیاست‌گذاری عمومی و افزایش نظارت عمومی بر این فرآیند، موجب طرح دید‌گاه‌های جدید و ارتقای کیفیت آن در حوزه‌های مختلف شود.

سریس مسائل راهبردی ایران ضمن اعلام آمادگی برای بررسی دقیق‌تر نیاز‌های خبرنگاران و سیاست‌پژوهان محترم، علاقه‌مندی خود را برای دریافت (rahbord.isna@gmail.com) مقالات دانشجویان، پژوهشگران، حرفه‌مندان، مدیران و سیاست‌گذاران محترم در ارائه‌ی عناوین جدید مقالات و یا تکمیل یا ویرایش آن‌ها اعلام می‌کند.
*عناصر و محدودیت‌های سیستم‌های مخابراتی*

سیستم مخابراتی اطلاعات را از مبدا به مقصدی دور منتقل می‌کند؛ سیستم‌های مخابراتی کاربردهای بسیار متنوعی دارند. یک سیستم اجزای بی‌شماری دارد که کل رشته‌ی برق را در برمی‌گیرد، به‌طوری‌که مدار، الکترونیک، مغناطیس، پردازش سیگنال، میکروپروسسور و شبکه‌های مخابراتی تنها تعدادی از حوزه‌های مربوط می‌باشند. علاوه بر این ارائه‌ی جز به جز، نکته‌ای اساسی را از نظر دور می‌کند و آن این‌که سیستم مخابراتی، در حالت کلی پیوسته است که در واقع فراتر از مجموع اجزای آن می‌باشد.

با توجه به آن‌که تمام سیستم‌های مخابراتی تابعی بنیادین از انتقال اطلاعات در بردارند تلاش خواهیم کرد که اصول و مشکلات ارسال اطلاعات به صورت الکتریکی را کنار بگذاریم؛ گفتنی‌ست مطالب ارائه شده برای پیشرفت روش‌های طراحی و تحلیل که برای حوزه وسیعی از کاربردها مناسب است با عمق کافی مورد بررسی قرار گرفته است.
*اطلاعات، پیام و سیگنال*

مفهوم اطلاعات در مخابرات به‌صورتی روشن نقشی اساسی دارد، اما این اصطلاح دربردارند‌ه‌ی نکاتی معنا شناختی و فلسفی است که تعریف دقیق آن را دشوار می‌سازد. برای اجتناب از این مشکلات به جای استفاده از اصطلاح اطلاعات، از پیام استفاده می‌شود.

پیام به‌عنوان ظهور فیزیکی اطلاعات از منبع، تعریف می‌شود؛ در اینجا اصطلاح سیگنال و پیام به صورت قابل تبدیل به‌هم به کار می‌رود زیرا سیگنال همانند پیام نوعی تجسم فیزیکی از اطلاعات است.

هدف یک سیستم مخابراتی آن است که پیام با هر شکلی که در مبدا دارد، در مقصد به صورت مقبولی بازسازی شود. انواع مختلفی از منابع خبر شامل دستگاه‌ها و انسان وجود دارد، و پیام‌ها به شکل‌های متنوعی ظاهر می شوند؛ با این وجود ما می‌توانیم دو نوع پیام مشخص یعنی آنالوگ و دیجیتال را تشخیص دهیم. این تمایز به نوبه‌ی خود معیاری است برای مخابرات موفق.
پیام‌های آنالوگ:

پیام آنالوگ کمیتی فیزیکی(سیگنال) است که معمولاً به‌صورت پیوسته در طول زمان تغییر می‌کند. یک سیستم آنالوگ در مخابرات، پیام صوتی را تبدیل به سیگنال‌های پیوسته‌ می‌کند. از آنجائی‌که پیام‌ها در یک تناوب متغیر در زمان تولید شده‌اند، یک سیستم مخابراتی آنالوگ این تناوب متغیر را با دقت مشخصی در سیگنال‌هایی که بر مبنای آن پیام می‌سازد نشان می‌دهد.
پیام‌های دیجیتال:

پیام دیجیتال فیزیکی نیست سیستم مخابراتی دیجیتال، پیام را به‌صورت مستقیم ارسال نمی‌کند، بلکه ابتدا آن را به نماد‌های صفر و یک تبدیل می‌کند. تفاوت دیگر این سیستم با سیستم آنالوگ این است که در سیستم آنالوگ یک پیام تبدیل به سیگنال‌های پیوسته‌ای می‌شود، در حالی‌که در سیستم دیجیتال از پیام نمونه برداری می‌شود برای نمونه در هر 10 میلی ثانیه یک نمونه از پیام برداشته می‌شود. نمونه‌برداری کردن از پیام و پیوسته نبودن سیگنال‌ها باعث می‌شود که حجم پیام در سیستم دیجیتال کاهش یابد. برای ارسال و سپس خوانش این نمونه‌برداری‌ها الگوریتم‌های پیچیده‌ای طراحی می‌شود که در اصطلاح به آن‌ها الگوریتم کد گذاری یا رمزگذاری گفته می‌شود.

در واقع پیام دیجیتال توالی منظمی از نمادهایی است که‌ از دسته محدودی از عناصر گسسته (هم‌چون صفر و یک) انتخاب شده است؛ حروف چاپ شده روی این صفحه، لیستی از درجه حرارت در هر ساعت و کلیدهای فشاری ترمینال کامپیوتر نمونه‌های دیگری از این عناصر گسسته هستند.

از آنجائی‌که اطلاعات در نمادهای گسسته قرار دارد، یک سیستم مخابراتی دیجیتالی باید این نمادها را با درجه‌ی دقت مشخصی در یک واحد زمانی معین، بازسازی کند.
*مبدل‌ها*
پیام‌ها چه آنالوگ باشند چه دیجیتالی تعداد اندکی از منابع پیام ذاتاً الکتریکی هستند؛ در نتیجه اکثر سیستم‌های مخابراتی دارای مبدل‌های ورودی و خروجی می‌باشند. مبدل‌های ورودی پیام را به یک سیگنال الکتریکی، برای نمونه یک ولتاژ یا جریان تبدیل می‌کند و مبدل دیگر در مقصد سیگنال خروجی را به شکل دلخواه پیام در می‌آورد. برای نمونه مبدل در یک سیستم مخابراتی صوتی می‌تواند در نقطه‌ی خروجی یک بلندگو باشد؛ ما فرض می‌کنیم که مبدل مناسبی وجود دارد و بیشتر تمرکز متخصصان مخابرات روی کیفیت و چگونگی انتقال سیگنالی است.

*عناصر یک سیستم مخابراتی*

شکل 2 اجزای یک سیستم مخابراتی را با حذف مبدل‌ها و در نظر گرفتن آلودگی‌های ناخواسته نشان می‌دهد؛ هر سیستم مخابراتی سه بخش اساسی دارد: فرستنده، کانال ارسال و گیرنده؛ هر قسمت نقش خاصی را در انتقال سیگنال به صورت زیر ایفا می‌کند:
فرستنده، سیگنال ورودی را به جریان می اندازد تا سیگنال ارسالی مناسبی، متناسب با مشخصات خط ارسال تولید کند؛ تولید سیگنال برای ارسال تقریبا همیشه مدولاسیون را در بردارد و ممکن است شامل کدگذاری نیز باشد.

کانال ارسال، محیطی الکتریکی است که پلی میان مبدا و مقصد پدید می‌آورد. این پل ممکن است یک جفت سیم، یک کابل هم محور یا یک موج رادیوئی یا پرتوی لیرزی باشد. هر کانال مقداری تلفات انتقال یا تضعیف دارد. بنابراین قدرت سیگنال با افزوده شدن فاصله کاهش می‌یابد.

گیرنده، روی سیگنال خروجی از کانال ارسال عمل می‌کند تا آن را در مقصد به مبدل برساند. عملیات گیرنده شامل تقویت، جهت جبران تلفات انتقال و دمدولاسیون و دکدینگ برای معکوس کردن پردازش سیگنالی انجام شده در فرستنده می‌باشد. فیلتر کردن اطلاعات زائد عامل مهم دیگری در گیرنده است.

تاثیرات مزاحم مختلفی در مسیر ارسال سیگنال انباشته می‌شوند. تضعیف بدین جهت مزاحم است که قدرت سیگنال را در گیرنده کاهش می‌دهد. مسائل مهم‌تر در این زمینه عبارتند از: اعوجاج، تداخل و نویز که باعث تغییر شکل سیگنال می‌شوند. اگر چه ممکن است که این مزاحمت‌ها در هر نقطه بروز کنند، روش استاندارد آن است که آن‌ها را در خط انتقال به طور کامل از بین ببریم تا فرستنده و گیرنده ایده آل باشند.

اعوجاج، تغییر شکل موج است که به خاطر پاسخ ناقص سیستم به سیگنال مورد نظر پدید می‌آید. اعوجاج هنگام قطع سیگنال ناپدید می‌شود در حالی که نویز و تداخل چنین نیست. اگر کانال یک پاسخ خطی ولی اعوجاجی داشته باشد، در این موقع می‌توان اعوجاج را تصحیح نمود یا حداقل به کمک فیلترهای مخصوص به نام همسان ساز(Equalizers) آن را کاهش داد.

تداخل، به معنی تاثیر ناخواسته سیگنال‌های بیگانه‌ای‌ است که از منابع انسانی، فرستنده‌های دیگر، خطوط نیرو، دستگاه‌ها، مدارهای سوئیچینگ و غیره تولید می‌شود. تداخل غالباً در سیستم‌های رادیویی که آنتن‌هایشان معمولاً در یک زمان چندین سیگنال را دریافت می‌کنند، صورت می‌گیرد. اگر کانال انتقال یا مدارهای سیستم گیرنده‌ی سیگنال‌های تابشی از منابع نزدیک را دریافت کند، تداخل فرکانس رادیویی (RF) در سیستم‌های خطی ظاهر می‌شود. فیلتر کردن مناسب، در از بین بردن سیگنال‌های تداخلی در فرکانس‌های غیر از فرکانس‌های مورد نظر موثر است.

نویز، به سیگنال‌های الکتریکی تصادفی و غیرقابل پیش بینی اطلاق می‌شود که توسط فرآیندهای طبیعی چه داخل و چه خارج آن تولید می‌شود. هنگامی‌که چنین متغیرهای تصادفی روی یک سیگنال حاوی اطلاعات تحمیل می‌شود، ممکن است که قسمتی از پیام مختل شود یا اینکه کل پیام از بین برود. فیلتر کردن، نویز مزاحم را از بین می‌برد، اما مقداری نویز به صورت اجتناب ناپذیر باقی می‌ماند که نمی‌توان آن را از بین برد. این نویز یکی از محدودیت‌های اساسی سیستم است.

باید توجه کرد که شکل 2 یک انتقال یک طرفه (Simplex) را نشان می‌دهد. برای مخابره‌ی دو‌ طرفه باید در هر دو طرف هم فرستنده و هم گیرنده وجود داشته باشد، علاوه بر آن سیستم دو طرفه (Full-Duplex) کانالی دارد که مخابره‌ی همزمان در دو جهت را ممکن می‌کند. سیستم نیمه‌ی دو طرفه (Half-Duplex) انتقال در هر دو جهت را اجازه می‌دهد ولی نه بطور همزمان.
*محدودیت‌های اساسی*

هنگامی که مهندسی یک سیستم مخابراتی را طراحی می‌کند با دو مشکل کلی روبروست. از یک طرف مشکلات فنی شامل مسائل مختلفی چون دردسترس نبودن سخت افزار، عوامل اقتصادی، مقررات کشوری و غیره. این مسائل مربوط به امکان ساخت است که از لحاظ نظری قابل حل هستند، هر چند که راه‌حل‌های ایده‌آل ممکن است عملی نباشد. از طرف دیگر محدودیت‌های فیزیکی بنیادی وجود دارند که از قوانین طبیعی ناشی می‌شوند. محدودیت‌های بنیادی انتقال اطلاعات، پهنای باند و نویز است.
پهنای باند(B):

مفهوم پهنای باند هم برای سیگنال‌ها و هم برای سیستم‌ها به عنوان سنجش سرعت بکار می‌رود. هنگامی‌که یک سیگنال تغییرات سریعی نسبت به زمان دارد، گفته می‌شود که سیگنال پهنای باند بزرگی دارد.

چنان‌که در بخش‌های پیشین توضیح داده شد، فرکانس اندازه گیری تعداد تکرار اتفاقی در واحد زمان است. برای محاسبه‌ی فرکانس بر روی یک بازه‌ی زمانی ثابت، تعداد دفعات وقوع یک حادثه را در آن بازه می شماریم و سپس این تعداد را بر طول بازه زمانی تقسیم می کنیم. محدوده‌ی فرکانسی هر چه بزرگ‌تر باشد، اطلاعات بیشتری را دربر می‌گیرد. بنابراین می‌توان گفت هنگامی‌که یک سیگنال تغییرات سریعی نسبت به زمان دارد، در واقع محتوای فرکانسی یا طیف آن گستره وسیعی را می‌پوشاند.

هر سیستمی پهنای باند مختص خودش را دارد و اگر تغییرات سیگنال در طول زمان، بیشتر از پاسخ فرکانسی آن سیستم باشد، آن سیستم قادر به دنبال کردن تغییرات سیگنال نیست. بنابراین توانایی یک سیستم در دنبال کردن تغییرات سیگنال در پهنای باند انتقال آن سیستم، یا پاسخ فرکانسی قابل استفاده‌ی آن سیستم، نهفته است.

هنگامی‌که یک سیستم از تغییرات یک سیگنال نمونه برداری می‌کند، اصطلاحاً‌ گفته می‌شود، تغییرات سیگنال را دنبال می‌کند، مداری که این کار را انجام می‌دهد از مجموعه‌ای از عناصر از جمله عناصر ذخیره ‌کننده انرژی (سلف و خازن) ساخته شده است. در واقع در درون مدار باید متناسب با سرعت تغییر سیگنال، سلف و خازن شارژ و دشارژ شوند. اما از آن‌جایی‌که انرژی ذخیره شده در این عناصر را نمی‌توان به‌طور سریع تغییر داد و به تعبیر دیگر نمی‌توان به سرعت آن‌ها را شارژ و د‌شارژ کرد، در نتیجه هر سیستم مخابراتی یک پهنای باند محدود(B) دارد که آهنگ تغییرات سیگنال را محدود می‌کند.

هنگامی‌که در یک سیستم مخابراتی گفته می‌شود ارسال در زمان واقعی (Real Time) صورت می‌گیرد، به این معناست که اطلاعات میان تولید، ارسال اطلاعات تقریباً فاصله‌ای وجود ندارد. مخابرات در شرایط زمان واقعی (Real Time) به پهنای باند انتقال مناسب برای عبور طیف سیگنال نیاز دارد، در غیر این صورت اعوجاج نامطلوب پدید خواهد آمد. برای نمونه برای سیگنال تلویزیونی به یک پهنای باند چندین مگا هرتزی نیاز داریم، در حالی‌که برای تغییرات بسیار آهسته‌تر یک سیگنال صوتی، 3 کیلوهرتز هم مناسب می‌باشد. برای یک سیگنال دیجیتال با X نمونه (symbol) در ثانیه، پهنای باند باید بزرگ تر از نصف X باشد. در مورد انتقال اطلاعات بدون محدودیت زمانی واقعی، پهنای باند قابل استفاده، حداکثر سرعت ارسال سیگنال را تعیین می‌کند. بنابراین زمان لازم برای انتقال با B (پهنای باند) نسبت عکس دارد.

نویز:

نویز محدودیت دیگری برای انتقال اطلاعات بوجود می آورد. علت این‌که نویز غیرقابل اجتناب است، از طریق نظریه‌ی جنبشی قابل توجیه است. در هر درجه‌ی حرارتی که بالای صفر مطلق باشد، انرژی حرارتی باعث حرکت تصادفی ذرات میکروسکوپی می‌گردد. حرکت تصادفی ذرات شارژ شده هم‌چون الکترون‌ها، ولتاژ یا جریان‌های تصادفی به نام نویز حرارتی تولید می‌کند. انواع دیگری از نویز هم وجود دارد اما نویز حرارتی در هر سیستم مخابراتی ظاهر می‌شود.

میزان نویز را نسبت به دامنه سیگنال اندازه می‌گیرند. در واقع میزان نویز بر حسب نسبت توان سیگنال به نویز (S/N) اندازه گرفته می‌شود. توان نویز حرارتی معمولا کوچک است و S/N می‌تواند آنقدر بزرگ باشد که نویز اهمیتی نداشته باشد. به هر حال اندازه‌های پائین تر S/N ، دقت در مخابرات آنالوگ را کاهش می‌دهد و خطاهایی در مخابرات دیجیتالی تولید می‌کند. این مشکلات در مخابرات راه دور هنگامی که تلفات انتقال، قدرت سیگنال دریافتی را به زیر سطح نویز می‌رساند، بسیار دشوار می‌گردد. در این شرایط تقویت در گیرنده فایده‌ای ندارد زیرا همراه با سیگنال، نویز نیز تقویت خواهد شد. شانون در سال 1948 با در نظر گرفتن این دو محدودیت (نویز و پهنای باند) نتیجه گرفت که میزان انتقال اطلاعات نمی‌تواند از ظرفیت کانال انتقال تجاوز کند. از قانون هارتلی-شانون دریافت می شود که حد عملکرد یک سیستم مخابراتی را می‌توان با پهنای باند بعلاوه‌ نسبت سیگنال به نویز مفروض آن مشخص کرد.

*مدولاسیون و کدگذاری*

مدولاسیون و کدگذاری عملیاتی هستند که در فرستنده برای دستیابی به انتقال موثر و قابل اعتماد انجام می‌شوند. به‌دلیل اهمیت این مباحث در اینجا به بررسی آنها می‌پردازیم.
روش‌های مدولاسیون:

در مدولاسیون دو شکل موج دخیل‌اند: سیگنال مدوله‌ کننده که پیام را نشان می‌دهد، و موج حامل که باید برای آن کاربرد خاص مناسب باشد. مدولاتور موج حامل را به صورتی متناظر با تغییرات سیگنال مدوله‌کننده تغییر می‌دهد. پس موج مدوله شده حاصل اطلاعات پیام را حمل می‌کند. مدولاسیون باید عملی برگشت پذیر باشد تا بتوان عمل مکمل دمدولاسیون را انجام داد.

شکل 1.a بخشی از یک سیگنال مدوله کننده و شکل 1.b موج مدوله شده حاصل از تغییر دامنه‌ی موج حامل سینوسی را نشان می‌دهد. این همان مدولاسیون دامنه‌ی متداول AM در پخش رادیو و کاربردهای دیگرست. پیام را می‌توان با مدولاسیون فرکانسی FM یا مدولاسیون فاز PM نیز بر حامل سینوسی سوارکرد. تمام روش‌های مدولاسیون حامل سینوسی تحت نام مدولاسیون موج پیوسته (CW(Continous Wave قرار می‌گیرند.

انسان هنگام حرف زدن به صورت مدولاتور CW عمل می‌کند. انتقال صوت از طریق هوا با ایجاد تونل‌های حامل در تارهای صوتی و مدوله کردن آنها با زبان و لب‌ها انجام می‌شود. پس آنچه گوش می‌شنود یک موج اکوستیکی مدوله شده، شبیه سیگنال AM است. در اکثر سیستم‌های انتقال دوربرد از مدولاسیون CW با حاملی که فرکانس آن بسیار بزرگتر از بزرگترین مولفه‌ی فرکانسی سیگنال مدوله کننده است، استفاده می‌شود. به این ترتیب طیف سیگنال مدوله شده یک باند فرکانسی ایجاد می‌کند.

برای نمونه در پخش AM طیف پیام نوعا از 100 هرتز تا 5کیلو هرتز است. اگر فرکانس حامل 600هرتز باشد، طیف موج مدوله شده گستره 595 تا 605 هرتز را می‌پوشاند.

در یک روش مدولاسیون دیگر موسوم به مدولاسیون پالسی یک قطار متناوب از پالس‌های کوتاه به عنوان موج حامل بکار می‌رود. شکل 1.c یک شکل موج با مدولاسیون دامنه پالس PAM را نشان می‌دهد. توجه کنید که این موج PAM نمونه‌های کوتاهی از سیگنال آنالوگ واقع در بالای شکل را استخراج کرده است. نمونه‌برداری یک روش پردازش سیگنال بسیار مهم است، و تحت شرایط خاص می‌توان شکل موج اصلی را به‌طور کامل از روی نمونه‌ها بازسازی کرد.

شکل 1 : a )سیگنال مدوله‌کننده. b )حامل سینوسی با مدولاسیون دامنه c )حامل قطار پالس با مدولاسیون دامنه اما مدولاسیون پالسی به خودی خود انتقال پالسی ایجاد نمی‌کند، انتقالی که برای انتقال موثر سیگنال ضروری است. در بعضی فرستنده‌ها مدولاسیون پالسی و CW ترکیب می‌شوند. در روش‌های دیگر مدولاسیون از ترکیب مدولاسیون پالسی و کدگذاری استفاده می‌شود.
*مزایا و کاربرد‌های دیگر مدولاسیون*

هدف اصلی مدولاسیون در یک سیستم مخابراتی ایجاد سیگنال مدوله شده ایست که با مشخصات کانال مخابراتی هم‌خوانی داشته باشد. در واقع مدولاسیون چند مزیت و کاربرد عملی دارد که در زیر در مورد آنها صحبت خواهیم کرد.

مدولاسیون برای انتقال موثر: انتقال سیگنال به فواصل دور همیشه با حرکت امواج الکترو مغناطیسی همراه است چه محیط هدایت کننده باشد و چه نباشد. بازده‌ی هر روش انتقالی به فرکانس سیگنال منتقل شده بستگی دارد. با استفاده از خاصیت انتقال فرکانسی مدولاسیون می‌توان اطلاعات پیام را روی حامی سوار کرد که فرکانسش برای روش انتقال برگزیده شده مناسب می‌باشد.

برای نمونه در مخابره‌ی رادیویی در خط دید، باید آنتن‌هایی به کار برده شود که ابعادشان حداقل یک دهم طول موج سیگنال باشد. انتقال یک سیگنال صوتی مدوله نشده که مولفه‌های فرکانسی آن تا 100 هرتز هم می‌رسد مستلزم بکارگیری آنتن‌هایی با ابعادی در حدود 300 کیلومتراست. انتقال سیگنال مدوله شده تا 100 مگاهرتز به صورت FM این امکان را می‌دهد که به مخابره با آنتن‌های دارای اندازه‌های معقول بازده بهتری دارند.

شکل2 تنها به‌عنوان یک مرجع بخش‌های مناسب برای انتقال طیف الکترومغناطیسی را نشان می‌دهد. این شکل طول موج در فضای آزاد، اختصاص باندهای فرکانسی و محیط انتشار معمولی را در بردارد. هم‌چنین کاربردهای نوعی مجاز، تشخیص داده شده توسط کمیسیون مخابرات فدرال ایالات متحده نیز نشان داده شده است.

مدولاسیون برای غلبه برمحدودیت‌های سخت افزاری: طراحی سیستم مخابراتی ممکن است با قیودی راجع به هزینه و در دسترس بودن امکانات سخت افزاری همراه باشد سخت افزارهایی که عملکردشان غالباً به فرکانس مورد استفاده بستگی دارد. مدولاسیون به طراح این امکان را می‌دهد که سیگنال را در گستره‌ای قرار دهد که در آن محدودیت سخت افزاری وجود ندارد. یک نکته در این ارتباط مسئله پهنای باند کسری است که به صورت پهنای باند مطلق تقسیم بر فرکانس مرکزی تعریف می‌شود. هزینه‌ها و پیچیدگی‌های سخت افزاری در صورت قرار داشتن پهنای باند در محدوده 1تا 10 درصد مینیمم می‌شود. ملاحظات پهنای باند کسری از آنجا ناشی می‌شوند که واحد مدولاسیون هم در گیرنده‌ها وجود دارد هم در فرستنده‌ها.

پس می‌توان نتیجه گرفت که سیگنال‌های با پهنای باند زیاد باید روی حامل‌های فرکانس بالا مدوله شوند. چون آهنگ اطلاعات طبق قانون هارتلی‌شانون با پهنای باند مناسب است، نتیجه می‌گیریم که برای ارسال اطلاعات با آهنگ بالا به یک حامل فرکانس بالا نیاز داریم. برای مثال یک سیستم مایکروویو 5 گیگاهرتز می‌تواند در یک فاصله زمانی معین،10000 برابر یک کانال رادیویی 500 هرتز اطلاعات منتقل کند. اگر در طیف الکترو مغناطیسی بالاتر برویم، می‌توانیم به یک پرتو نور لیزری با امکان پهنای باندی معادل 10 میلیون کانال تلویزیونی دست یابیم.
مدولاسیون برای کاهش نویز و تداخل: یک روش سر راست برای مبارزه با نویز و تداخل افزایش توان سیگنال، برای غلبه بر آلودگی‌های نویزی و تداخلی است. اما افزایش توان هزینه دارد و ممکن است به وسایل آسیب برساند. (یکی از کابل‌های میان قاره‌ای در اثر افزایش ولتاژ جهت دستیابی به سیگنال دریافتی قابل استفاده، از بین رفت.) خوشبختانه FM و بعضی روش‌های مدولاسیون دیگر ویژگی‌های با ارزشی از لحاظ حذف نویز و تداخل دارند.

این خاصیت کاهش نویز پهن باند نام دارد، زیرا پهنای لازم برای انتقال بسیار بزرگتر از پهنای باند سیگنال مدوله ‌کننده است. مدولاسیون پهن باند به طراح این امکان را می‌دهد که کاهش توان سیگنال را با افزایش پهنای باند جبران کند، این بده بستان در قانون هارتلی شنون نیز دیده می‌شود.

توجه کنید که برای دستیابی به مدولاسیون پهن باند به حاملی با فرکانس بالاتر نیاز داریم.
مدولاسیون برای اختصاص فرکانسی : وقتی رادیو یا تلویزیون را روشن می‌کنید و ایستگاه خاصی را می‌گیرید، از میان سیگنال‌های متعددی که دریافت می‌شوند یکی را بر می‌گزینید. چون هر ایستگاه فرکانس حامل اختصاصی خود را دارد، سیگنال مطلوب را می‌توان با فیلتر کردن جدا کرد. اگر مدولاسیون نبود در هر ناحیه‌ای تنها یک ایستگاه می‌توانست برنامه پخش کند، و پخش همزمان توسط ایستگاهی دیگر باعث تداخلی ناامید کننده می‌شود .

مدولاسیون برای مالتی پلکس کردن: مالتی پلکس فرآیند ترکیب چند سیگنال برای ارسال همزمان روی یک کانال است. در مالتی‌پلکس فرکانسی (FDM(Frequency (Division Multiplex)از مدولاسیون CW برای گذاشتن هر سیگنال در یک فرکانس حامل متفاوت استفاده می‌شود. در مقصد برای جدا کردن سیگنال‌ها از فیلتر استقاده می‌شود. در مالتی‌پلکس زمانی (TDM(Time Division Multiplex) از مدولاسیون پالسی برای قرار دادن نمونه‌های سیگنال‌های مختلف در شکاف‌های زمانی ناهم‌پوشان استفاده می‌شود. مثلا در شکل a.1 می‌توان در شکاف بین پالس‌ها نمونه‌های سیگنال‌های دیگر را گذاشت. در مقصد برای جدا کردن نمونه‌های هر سیگنال از یک مدار سوییچینگ استفاده می‌شود. از کاربردهای مالتی پلکس می‌توان پخش استریوی رادیویی، تلویزیون کابلی و تلفن راه دور را برشمرد.

دستیابی چندگانه ((MA(Multiple Access) گونه‌ای از مالتی پلکس است. در مالتی پلکس به هر سیگنال بخش ثابتی از امکانات مخابراتی محلی اختصاص داده می‌شود، (برای نمونه بخشی از طیف فرکانسی)، اما درMA از اشتراک دور منابع استفاده می‌شود. در دستیابی چندگانه تقسیم کد ((CDMA(Code Division Multiple Access) به هر کاربر تلفن همراه یک کد یکتا اختصاص داده می شود، و ارتباط خصوصی با همبستگی میان کدهای شخص فرستنده و شخص گیرنده برقرار می‌شود. چون در CDMA کاربران مختلف می‌توانند از یک باند فرکانسی به طور همزمان استفاده کنند، راه دیگری برای افزایش بهره وری مخابراتی فراهم می‌شود.
*روش‌ها و مزایای کد‌گذاری*

مدولاسیون را به‌عنوان یک عمل پردازش سیگنال برای افزایش بازده مخابراتی توصیف کردیم. کدگذاری یک عمل پردازش نماد برای بهبود مخابره در هنگام دیجیتال بودن پیام یا هنگامی که می‌توان پیام را به شکل نمادهای مجزا تقریب زد، می‌باشد. ممکن است هم گدکذاری و هم مدولاسیون برای مخابره قابل اعتماد دیجیتال به نقاط دوردست لازم باشد.

عمل کدگذاری پیام دیجیتال را به رشته‌ی جدیدی از نمادها تبدیل می‌کند. کدگشایی رشته‌ی کد شده را به شکل اصلی پیام برمی‌گرداند. البته ممکن است این کار به‌دلیل آلایش توسط کانال انتقال با خطا همراه باشد. یک کامپیوتر یا یک منبع دیجیتال دیگر با M نماد در نظر بگیرید. ارسال پیام کدگذاری نشده از این منبع مستلزم بکارگیری M شکل موج متفاوت، برای هر نماد یکی است. اما می‌توان هر نماد را با یک کد دودویی متشکل از K رقم دودویی نشان داد. چون با K رقم دودویی می‌توان 2k کد مختلف تشکیل داد، برای کد کردن M نماد منبع، باید هر کلمه از K رقم تشکیل شده باشد، و پهنای باند لازم K برابر پهنای باند سیگنال مدوله شده باشد.

کدگذاری دودویی منبع M نمادی در قبال افزایش پهنای باند دو مزیت دارد. اول کاهش پیچیدگی سخت افزاری، زیرا برای کار با سیگنال‌های دودویی متشکل از تنها دو شکل موج متفاوت، سخت افزار ساده‌تری لازم است. دوم این که نویز آلاینده اثر کمتری بر سیگنال دودویی، نسبت به سیگنالی با M شکل موج متفاوت دارد. بنابراین خطای ناشی از نویز کاهش می‌یابد پس کدگذاری اساسا یک روش دیجیتال کاهش نویز پهن باند است.

کدگذاری کانال روشی است که برای افزودن افزونگی‌های کنترل شده، برای عملکرد مطمئن‌تر کانال نویزی بکار می‌رود. کدگذاری کنترل‌کننده خطا پا را در زمینه کاهش نویز پهن باند فراتر می‌گذارد. در این روش با افزودن رقم‌های وارسی به هر کد دودویی امکان تشخیص، و حتی تصحیح خطاهای غالب، ممکن می‌شود. کدگذاری کنترل کننده خطا هم پهنای باند را زیاد می‌کند و هم پیچیدگی سخت افزاری را، اما این امر با مخابره تقریبا عاری از خطا، حتی با نسبت سیگنال به نویز کم، جبران می‌شود. حال دیگر محدودیت بنیادی سیستم، یعنی پهنای باند را بررسی کنیم. بسیاری از سیستم‌های مخابراتی برای انتقال از شبکه تلفن استفاده می‌کنند. چون پهنای باند این سیستم انتقال توسط مشخصات قدیمی چند دهه گذشته محدود شده است، برای افزایش آهنگ داده باید پهنای باند سیگنال را کم کرد. مودم‌های سریع یکی از کاربردهایی است که چنین کاهشی را می‌طلبد. در روش‌های کدگذاری منبع از مشخصات آماری منبع سیگنال برای کدگذاری پربازده استفاده می‌شود. پس کدگذاری منبع را می‌توان همزاد کدگذاری کانال در نظر گرفت، زیرا در آن برای دستیابی به بازده مورد نظر از افزونگی کاسته می‌شود. سرانجام از مزایای کدگذاری دیجیتال می‌توان برای مخابرات آنالوگ استفاده کرد، به این منظور از یک روش تبدیل آنالوگ به دیجیتال مثل مدولاسیون کد پالس PCM)Pulse Code Modulation) استفاده می‌شود. سیگنال PCM با نمونه برداری از پیام آنالوگ، دیجیتالی کردن (کوانتیزه) مقدار نمونه‌ها، و کدگذاری رشته نمونه‌ها ایجاد می‌شود. به دلیل قابلیت اعتماد، تنوع و بازده انتقال دیجیتال، PCM در مخابرات آنالوگ اهمیت بسزایی یافته است. به علاوه PCM با ترکیب با میکروپروسسورهای سریع امکان جایگزینی پردازش سیگنال‌های دیجیتال به جای عملیات آنالوگ را فراهم می‌کند.

*چشم اندازهای تاریخی و اثرات اجتماعی*

در زندگی روزمره تکنولوژی پر قدرتی را که امکان ارتباط فوری با مردم سراسر دنیا را فراهم کرده است امری عادی تلقی می‌کنیم. اکنون بسیاری چند شماره تلفن دارند تا کارهای شخصی و دفتری، فکس و مودم خود را انجام دهند، تلفن‌های همراه نیز فراوان است. ما از طریق اینترنت و پست الکترونیکی متن، صدا و تصویر می‌فرستیم و برای دستیابی به اطلاعات و سرگرمی در شبکه جهانی سیاحت می‌کنیم. تعداد ایستگاه‌های تلویزیونی آنقدر زیادند که نمی‌دانیم با آن‌ها چه کنیم. وسایل الکترونیکی هوشمند کارهای خانه را انجام می‌دهند و ما بکار آنها وابسته شده‌ایم. سخت می‌توان باور کرد که بخش غالب این تکنولوژی در 50 سال گذشته توسعه یافته است.
چشم انداز تاریخی: در زیر تاریخچه‌ی مختصری از مخابرات الکتریکی از جمله اختراعات کلیدی، کشفیات علمی، مقاله‌های مهم و نام‌های مرتبط آورده شده است. تعدادی از لغت‌های بکارگرفته شده در این تاریخچه را قبلاً توضیح دادیم و بقیه در بخش‌های بعدی که اثر و ارتباط این وقایع تشریح می‌شوند، توضیح داده خواهند شد.

*تاریخچه‌ای از مخابرات الکتریکی*

1837-1800 تحولات اولیه، ولتا باتری را کشف کرد. رساله‌های ریاضی فوریه، کوشی و لاپلاس. تجربیات الکتریکی و مغناطیسی اورستد، آمپر، فارادی، هنری، قانون اهم (1844). سیستم‌های تلگراف اولیه توسط گاوس، وبر و وتستون.

1838-1866 تلگراف، مورس سیستم خود را تکمیل کرد. هال فهمید که می‌توان زمین را به عنوان مسیر جریان بکار برد. شروع خدمات تجاری (1855) .کابل بین قاره‌ای توسط سایروس فیلد و شرکاء نصب شد.

1845 اعلام قانون ولتاژ کیرشهف

1864 معادلات ماکسول تابش الکترومغناطیسی را پیش‌بینی کرد.

1899- 1876 تلفن، الکساندر گراهام بل مبدل اکوستیکی را پس از کوشش‌های اولیه رایس تکمیل کرد. اولین مبادله‌ی تلفنی در نیوهیون با هشت خط (1878). مبدل کربنی ادیسون. عرضه مدارهای کابلی. استروجر سوییچینگ خودکار پله به پله را ابداع کرد (1887). نظریه‌ی پر شدن کابل توسط هویساید، پاپن و کمپل.

1907- 1887 تلگراف بیسیم، هاینریش هرتز درستی نظریه ماکسول را نشان داد. نمایش مارکونی و پوپوف. مارکونی یک سیستم کاملاً بی‌سیم را به ثبت رساند (1897). نظریه مدارهای تنظیم شده توسط سرالیورلاج. شروع بکارگیری تجاری، شامل سیستم‌های کشتی به خشکی و میان قاره‌ای.

1899- 1892 نشر کتاب‌های الیور هویساید در مورد حساب عملیاتی، مدار و الکترومغناطیس.

1920- 1904 مخابرات الکترونیک، لی دو فارست تریود را بر اساس دیود فلمینگ اختراع کرد؛ فیلترهای پایه توسط کمپل و دیگران ابداع شد؛ آزمایش با پخش رادیو AM؛ خطوط تلفن میان قاره‌ای با تکرار کننده‌های الکترونیکی توسط شرکت بل تکمیل شد (1915)؛ تلفن با حامل مالتی پلکس شده بکار گرفته شد؛ آرمسترانگ گیرنده رادیویی سوپرهتروداین را کامل کرد (1918)؛ اولین ایستگاه پخش خصوصی.

1928- 1920 نظریه انتقال، مقاله‌های بنیادی نظریه مخابرات، سیگنال و نویز توسط کارسون، نایکوییست، جانسون و هارتلی.

1938- 1923 تلویزیون سیستم مکانیکی تشکیل تصویر توسط جنکینس نمایش داده شد؛ تحلیل نظری پهنای باند لازم؛ فارنسورث و زوریکین سیستم‌های الکترونیکی را پیشنهاد دادند؛ لامپ اشعه‌ی کاتودی توسط دومون و دیگران کامل شد؛ آزمایش‌های میدانی و پخش تجربی آغاز شد.

1927 کمیسیون فدرال مخابرات ایجاد شد.

1931 سرویس تله تایپ آغاز بکار کرد.

1934 هارولد بلک تقویت کننده با فیدبک منفی را کامل کرد.

1936 مقاله‌ی آرمسترانگ رادیویی FM را پیشنهاد کرد.

1937 الک ریوس مدولاسیون کد پالسی PCM را پیشنهاد کرد.

1945- 1938 جنگ جهانی دوم گسترش سیستم‌های رادار و مایکروویو؛ FM اختصاصاً برای مخابرات نظامی بکار رفت؛ گسترش الکترونیک، سخت افزار و نظریه‌ها در تمام زمینه‌ها.

1947- 1944 نظریه آماری مخابرات، رایس نمایش ریاضی نویز را تکمیل کرد؛ وینر، کولموگروف و کوتلنیکف روش‌های آماری را برای تشخیص سیگنال را بکار بردند.

1944- 1948 نظریه اطلاعات و کدگذاری؛ شانون مقاله بنیادی نظریه اطلاعات را منتشر کرد؛ همینگ و گولی کدهای تصحیح خطا را ابداع کردند.

1951- 1948 ترانزیستور توسط باردین، براتن و شوکلی اختراع شد.

1950 مالتی پلکس زمانی برای تلفن بکار گرفته شد.

1953 استانداردهای تلویزیون رنگی در ایالات متحده ایجاد شد.

1955 پایرس سیستم‌های مخابراتی ماهواره‌ای را پیشنهاد داد.

1956 اولین کابل تلفن بین قاره‌ای (36 کانال صدا)

1958 سیستم انتقال داده دوربرد برای کاربردهای نظامی ساخته شد.

1960 میمن اولین لیزر را به نمایش گذاشت.

1962 مخابرات ماهواره‌ای با تلستار 1 آغاز شد.

1966 – 1962 مخابرات دیجیتال سریع سرویس انتقال داده تجاری، شروع تلفن Touch-Tone؛ کانال‌های پهن‌باند برای سیگنال‌های دیجیتال طراحی شد؛ امکان ساخت PCM برای انتقال صدا و تلویزیون ثابت شد؛ پیشرفت‌های چشمگیر در زمینه نظریه و ساخت مخابرات دیجیتال شامل روش‌های کدگذاری کنترل کننده خط توسط ویتربی و دیگران؛ و توسعه‌ی متعادل کننده‌های افقی توسط لاکی و همکاران.

1963 نوسان‌ساز حالت جامد مایکروویو توسط گان تکمیل شد.

1964 سیستم سوییچینگ تلفن کاملاً الکترونیک بکار گرفته شد.

1965 مارینر4 از مریخ به زمین تصویر مخابره کرد.

1975- 1966 سیستم‌های مخابرات پهن‌باند سیستم تلویزیون کابلی؛ سرویس رله ماهواره‌ای در دسترس قرار گرفت؛ رابط‌های نوری با استفاده از لیزر و تار نوری.

1969 آپارنت (جد اینترنت) ایجاد شد.

1971 اینتل اولین آی سی میکروپروسسور خود را ساخت.

1972 موتورولا تلفن همراه ساخت، اولین پخش زنده تلویزیونی از یک طرف اقیانوس اطلس به طرف دیگر با ماهواره.

1980 ابداع دیسک فشرده CD توسط فیلیپس و سونی.

1981 FCC قوانین سرویس‌دهی تلفن همراه را پذیرفت؛ IBM PC عرضه شد.

1982 AT&T موافقت کرد 22 شرکت تلفن محلی را خصوصی کند؛ هفت شرکت محلی بل تاسیس شد.

1985 فکس به صورت گسترده در دفاتر بکار گرفته شد.

1989- 1988 نصب کابل‌های نوری در اقیانوس آرام و اطلس برای مخابرات نوری.

2000- 1990 سیستم‌های مخابرات دیجیتال پردازش سیگنال‌های دیجیتال و سیستم‌های مخابراتی در وسایل خانگی بکار گرفته شد؛ گیرنده‌های با تنظیم دیجیتال. سیستم‌های طیف گسترده، شبکه‌های ISDN، ایجاد استاندارد تلویزیون دیجیتال دقیق HDTV؛ فراخوان دیجیتال؛ کامپیوترهای دیتی؛ تلفن‌های همراه دیجیتال.

1995- 1994 FCC

1998 سرویس‌های تلویزیون دیجیتال در آمریکا شروع بکار کرد.
اثرات اجتماعی: زمین ما کمی کوچکتر به نظر می‌رسد و این عمدتا به خاطر پیشرفت‌های مخابراتی است؛ منابع گوناگونی مرتبا آخرین اخبار و وقایع جهان را در اختیارمان قرار می‌دهند، و رهبران کشورها از این امر استفاده وسیعی در شکل‌دهی عقاید مردم کشور خود و دیگر کشورها می‌کنند. تکنولوژی مخابرات چگونگی انجام کارها را تغییر داده است؛ شرکت‌های بزرگی که نتوانند خود را با این شرایط وفق دهند محکوم به فنا هستند؛ صنایع مخابراتی با سرعتی باور نکردنی در هم ادغام و از هم جدا می‌شوند، و مرز بین فناوری آن‌ها و شرکت‌های سخت افزار و نرم افزار کامپیوتری مبهم‌تر شده است. اکنون انتظار داریم که خط تلفن ما هفته‌ای هفت روز، روزی 24 ساعت دایر باشد تا بتوانیم نامه‌های الکترونیکی دریافت کنیم، ارتباط‌های موبایل برقرار باشد، و حتی وقتی در مکانی دوردست به استراحت مشغولیم کارمان ادامه داشته باشد. این تغییرات تکنولوژی باعث بحث‌های جدیدی در سیاست‌گذاری‌های جوامع، عمدتاً بر روی مسائلی چون حریم‌های شخصی، امنیت مخابرات، و حفظ مالکیت‌های معنوی شده است. شرکت‌های جدیدی که از این پیشرفت‌ها بهره می‌گیرند با سرعتی بیش از آن‌چه برای بحث و قانونگذاری بر روی این مسائل لازم است به وجود می‌آیند. با این همه کامپیوتر شخصی متصل به اینترنت، افراد شرور می‌توانند به سرعت ویروس‌های کامپیوتری را در دنیا پخش کنند؛ تلفن همراه چنان گسترش یافته که تئاترها و رستوران‌ها سیاست‌های خاصی برای استفاده از آنها تدوین کرده‌اند. زمانی نه چندان دور، در سینماها و تئاترها پیش از شروع برنامه از حضار خواسته می‌شد که سیگار نکشند. اکنون از حضار خواسته می‌شود که تلفن‌های همراه خود را خاموش کنند. قوانین ایالتی، عوارض شهرداری‌ها و شرکت‌های خدمات عمومی باید خود را با این انقلاب مخابراتی وفق دهند. نیروی کار نیز باید با آموزش دائم اطلاعات خود را تازه نگه دارد تا بتواند با تکنولوژی همگام باشد. با این گسترش نمایی تکنولوژی‌های جدید، نمی‌توان با اطمینان گفت که 50 سال دیگر دنیا چگونه خواهد بود. اما با داشتن پایه‌ای قوی در نظریه‌ی مخابرات، حفظ خلاقیت، و توجه به رسوم کاربرد تکنولوژی، و داشتن مهارت‌های قوی در حل مسئله، مهندس مخابرات را قادر می‌سازد تا به شکل‌دهی دنیای آینده بپردازد.
گردآورنده:

حمیدرضا صدراعظمی دانشجوی کارشناسی ارشد مخابرات سیستم دانشگاه شهید بهشتی

عضو گروه خبرنگاران مهندسی مخابرات سرویس مسائل راهبردی ایران

منبع

Carlson,A.bryce ,Communication System ,McGraw-Hill ,4th edition ,2002

ادامه دارد...