مدولاسیون در مخابرات دریایی

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: مدوله سازی یکی از اعمال مهمی است که برای انتقال موثر و مطمئن اطلاعات در فرستنده صورت می‌پذیرد. مدوله سازی شامل دو شکل موج است. یک سیگنال مدوله گر که نماینده پیام است ویک موج حامل که با توجه به کاربرد مشخص و مورد نظر انتخاب می‌شود. مدوله کننده موج حامل را هماهنگ با تغییرات سیگنال مدوله گر تغییر می‌دهد. در نتیجه موج مدوله شده حاصله، اطلاعات پیام را حمل می‌کند. بطور کلی ترجیح داده می‌شود عمل مدوله سازی پدیده‌ای معکوس باشد بطوریکه اطلاعات را بتوان با استفاده از فرآیند مکمل و مشابه بنام مدوله سازی دوباره بدست آورد. جالب توجه است که شما در هنگام صحبت کردن بعنوان یک مدوله کننده موج پیوسته عمل می‌نمائید. انتقال صحبت شما در هوا در واقع توسط ایجاد نوا‌های حامل درتار‌های صوتی و مدوله کردن این نوا‌ها بوسیله حرکت ماهیچه‌ای حفره صوتی صورت می‌پذیرد. هم چنین صحبتی که گوش انسان می‌شنود موج صوتی مدوله شده می‌باشد. هدف اصلی در مدوله سازی، تولید سیگنال مدوله شده مناسب با مشخصه‌های کانال انتقال می‌باشد.

در واقــع علــل وانگیــزه هــای اســتفاده از مدولــه ســازی را در سیســتم هــای مخــابراتی مــی تــوان بــه صــورت زیــر ذکــر کــرد:

۱) انتقال سیگنال به فواصل دور معمـولا ً شـامل مـوج الکترومغناطیسـی اسـت کـه در محـیط هـدایت کننـده و یـا بـدون آن در حـال حرکـت مـی باشـد. کـارایی و مـوثر بـودن هـر روش انتقـال بـه فرکـانس سـیگنال ارسـالی بسـتگی دارد. بـا اسـتفاده از خاصـیت جابجایی فرکانسی مدوله سازی اطلاعات پیـام را مـی تـوان در حـاملی کـه فرکـانس آن بـرای روش انتقـال مـورد نظـر مناسـب مـی باشد قرار داد. به عنوان مثال انتشار رادیویی دید مستقیم بـه آنتن هـایی کـه بـا ابعـاد فیزیکـی حـداقل یـک دهـم طـول مـوج سـیگنال نیاز دارد. برای انتقال مدوله نشده سیگنال صوتی کـه مولفـه سـیگنال پـایین آن حتـی ۱۰۰ هرتـز نیـز مـی رسـد آنتـن هـائی بـه طـول حدوداً ۳۰۰ کیلو متر مطرح مـی شـوند. انتقـال مدولـه شـده سـیگنال مـذکور در ۱۰۰ مگـا هرتـز ماننـد رادیـویی FM باعـث کـاهش طول آنتن به طول حدود یک متر می‌گـردد. در فرکانس ـهای پـائین ۱۰۰ مگـا هرتـز حالـت انتشـار دیگـری نیـز وجـود دارد کـه کـارایی بهتر واندازه آنتن قابل قبول دارند.

۲) در طراحی یک سیستم مخابراتی همیشـه هزینـه و در دسـترس بـودن سـخت افـزار بایـد در نظـر گرفتـه شـود. کیفیـت وعملکـرد سـخت افـزار نیـز بـه فرکـانس بسـتگی دارد. طـراح یـک سیسـتم مخـابراتی مـی توانـد بـا اسـتفاده از مدولـه سـازی سـیگنال را درگستره‌ای از فرکانس قرار دهد تا درحـد امکـان دچـار محـدودیت هـای سـخت افـزاری نشـود. نکتـه مهـم در ایـن رابطـه پهنـای باند نسبی است که بصـورت نسـبت پهنـای بانـد مطلـق بـه فرکـانس مرکـزی تعریـف مـی شـود. اگـر ایـن پهنـای بانـد نسـبی درقسمت مخابرات دریایی محدودی یک تا ده درصد قرار داده شود هزینه‌ها و پیچیدگی هـای سـخت افـزار بـه حـداقل مقـدار خـود مـی رسـد. در واقـع پهنـای بانــد نســبی عامــل اصــلی در اســتفاده از واحــد هــای مدولــه کننــده و دمدولــه کننــده در فرســتننده و گیرنــده مــی باشــد.

۳) یک راه حل برای خنثی کردن اثرات تخریبی نـویز و تـداخل، افـزایش تـوان سـیگنال ارسـالی اسـت ولـی افـزایش تـوان عـلاوه بر بالا بردن هزینه می‌تواند بـه وسـایل و دسـتگاه هـا صـدمه بزنـد. خوشـبختانه برخـی از انـواع مدولـه سـازی ماننـد مدولـه سـازی
فرکانس (FM) خاصیت با ارزش مقابلـه بـا هـر دو (نـویز و تـداخل) را داشـته و در نتیجـه بـا اسـتفاده از مدولـه سـازی هـای مـذکور می‌توان تا حد زیادی سـیگنال را در مقابـل اثـرات نـویز و تـداخل مصـون نگـاه داشـت. خاصـیت فـوق الـذکر را کـاهش نـویز بانـد وسیع می‌نامند، چون بر اسـاس آن پهنـای بـانـد انتقـال بایـد بـه مراتـب از پهنـای بانـد سـیگنال مدولـه گـر بیشـتر باشـد. مدولـه سازی باند وسیع باعث می‌شود که طراح بتواند با استفاده از پهنای باند بیشتر توان سیگنال ارسالی را کاهش دهد.

۴) یک گیرنده مانند رادیو یا تلویزیـون سـیگنال هـای متعـددی را در هـر لحظـه از زمـان دریافـت مـی نمایـد. بـا اسـتفاده از مدولـه سـازی سـیگنال هـر ایسـتگاه فرسـتنده دارای فرکـانس حـاملی اسـت کـه بـا فرکـانس حامـل فرسـتاده هـای دیگـر متفـاوت مـی باشد. بدین علت در گیرنده هر سیگنال مورد نظر با فیلتـر کـردن از سـایر سـیگنال هـا جـدا و آشـکار سـازی مـی شـود. بـدیهی اسـت در غیر اینصورت کلیـه سـیگنال‌های ارسـالی از فرسـتنده‌های مختلـف بـا هـم تـداخل کـرده و آشـکار سـازی یـک سـیگنال بخصـوص و مورد نظر امکان پـذیر نمـی باشـد. همچنـین بـا اسـتفاده از مدولـه سـازی مـی تـوان چنـد سـیگنال را بطورهمزمـان بر روی یـک کانال انتقال داد. این پدیـده را ادغـام فرکانسـی مـی نامنـد و در آن هرسـیگنال بـا حامـل خاصـی مدولـه شـده و در ناحیـه خاصـی از باند فرکانسی کانال قـرار داده مـی شـود. بعنـوان مثـال مـی تـوان ۱۸۰۰ سـیگنال صـوتی را ادغـام فرکانسـی کـرده و بوسـیله یـک کابل هم محور بقطر کمتر از یک سانتیمتر ارسال کـرد. بنـابراین بـا ادغـام فرکانسـی کـه پایـه و اسـاس آن مدولـه سـازی اسـت ‌می‌توان کارایی مخابراتی را افزایش داد.
در ذیل توضیح مختصری درباره‌ی مدوله سازی پالس خواهیم داد:

مدولاسیون پالسی
مدولاسیون پالسی را می‌توان برای ارسال اطلاعات آنالوگ نظیر سرعت یا دیتای پیوسته به کار برد در این سیستم از شکل موج‌های پیوسته در فواصل زمانی منظم نمونه برداری می‌شود. اطلاعات مربوط به سیگنال تنها در زمان‌های نمونه برداری شده فرستاده می‌شود. البته پالس‌های سنکرون کننده لازو نیز به همراه این اطلاعات ارسال می‌شود. اگر نمونه‌ها با سرعت مناسب گرفته شود در مقصد می‌توان شکل موج اولیه را با استفاده از نمونه برداری ساخت. از آنجایی که اطلاعات در مورد سیگنال هائی مانند AM و FM بطور پیوسته نیست خروجی گیرنده دارای اعوجاج اندکی است.

مدولاسیون پالسی به دو گروه بزرگ آنالوگ و دیجیتال قابل تقسیم است، در حالت اول دامنه یک پالس می‌تواند هر مقداری باشد در صورتی که در حالت دوم به ازاء هردامنه یک کد که نزدیک‌ترین مقدار را به نمونه داراست و از قبل تعیین شده است ارسال می‌شود.
مدولاسیون دامنه و زمانی پالس که بعداً بررسی می‌گردد هر دو آنالوگ بوده درحالی که سیستم‌های مدولاسیون زمانی پالس و مدولاسیون دیتا هر دو دیجیتالی می‌باشند. تمام سیستم‌های مدولاسیونی که بحث خواهد شد بطور مشترک نمونه برداری شده، اما تمام آن‌ها بر حسب دامنه نمونه برداری با هم متفاوت می‌باشند.

دو نوع مدولاسیون انالوگ پالسی، مدولاسیون دامنه‌ای پالس و زمانی پالس تقریباً معادل با مدولاسیون دامنه وفرکاس می‌باشند.
سیستم‌های دیجیتالی نسبت به آن هائی که تا بحال بررسی شده اند. کاملاً متفاوتند. علل اینکه چرا مدولاسیون پالسی بعضی اوقات بجای مدولاسیون پیوسته بکار می‌رود در زیر توضیح خواهیم داد.

مدولاسیون دامنه‌ای پالس PAM
پالس‌های دیگری که فرکانسی برابر فرکانس نمونه برداری دارند به ورودی دیگر گیت داده می‌شوند. تا آن را در فواصل زمانی لازم باز کنند. خروجی دیگر این گیت یک رشته پالس است که فرکانس آن به اندازه فرکانس نمونه برداری بوده و دامنه آن برابر دامنه سیگنال در هرلحظه است. این پالس‌ها سپس وارد یک شبکه می‌شوند که کار آن شکل دادن به پالس‌ها ومسطح کردن آن‌ها است.
همانطور که گفتیم پس از این مرحله مدولاسیون فرکانس به کار می‌رود. یعنی به این ترتیب سیستم به صورت AM و FM در می‌آید. درگیرنده ابتدا پالس‌ها با یک مدولاتور استاندارد FM ساختته می‌شوند، و سپس به آشکار سازمعمولی دیودی وارد می‌شود. به دنبال این آشکار ساز یک فیلتر پایین گذر قرار دارد. اگر فرکانس قطع این فیلتر چنان بالا باشد که بالاترین فرکانس سیگنال از آن عبورکند. در
ضمن به اندازه کافی پائین باشد که دندانه‌های فرکانس نمونه برداری را حذف کند، یک شکل بدون اعوجاج از سیگنال اصلی بدست می‌آید.

مدولاسیون زمانی پالس PTM
در این نوع از مدولاسیون همانند قبل ابتدا عمل نمونه برداری انجام می‌شود. اما پالس هائی که مقدار لحظه‌ای دامنه نمونه را نشان می‌دهند همگی دارای دامنه ثابتی بوده و یکی از مشخصه‌های زمانی آن‌ها متناسب با دامنه نمونه سیگنال در آن لحظه تغییر می‌کند. این مشخصه‌های متغییر ممکن است عرض، محل فرکانس پالس‌ها باشد. به اینترتیب سه نوع مختلف PTM وجود دارد. دو نوع اول مورد بررسی قرار خواهیم داد، ولی مدولاسیون فرکانس پالس، چونکه کاربرد خاصی ندارد مورد بررسی قرار نخواهیم داد. باید توجه نمود که هر سه نوع PTM نسبت به PAM دارای همان مزیتی است که FM نسبت به AM داراست. در تمام آن‌ها دامنه پالس ثابت می‌ماند؛ و در نتیجه می‌توان از محدود کننده دامنه استفاده کرد تا مصونیت بهتری نسبت به نویز به دست آورد.

قضیه نمونه برداری
این قضیه چنین است: اگر سرعت نمونه برداری در یک سیستم مدولاسیون پالسی ازدو برابر حداکثر فرکانس سیگنال زیادتر شود، سیگنال اولیه را در گیرنده با اعوجاج بسیار کوچکی می‌توان دوباره ساخت.
در عمل از قضیه نمونه برداری برای تعیین حداقل سرعت نمونه برداری می‌توان استفاده کرد. اکنون مدولاسیون پالسی انجام می‌گیرد ومحدوده فرکانسی در نتیجه بین ۳۰۰ تا HZ ۳۴۰۰ است. برای این کاربرد سرعت نمونه برداری ۸۰۰۰ نمونه در ثانیه تقریباً یک استاندارد جهانی است. همچنان که دیده می‌شود این سرعت پالس براحتی بیش از دو برابر بالاترین فرکانس صوتی است و در نتیجه قضیه نمونه برداری رعایت شده است و سیستم عاری از هر گونه خطای ناشی از نمونه برداری است.

مدولاسیون خطی
در کلی‌ترین حالت، مدولاسیون خطی توسط رابطه‌ی زیر تعریف می‌شود

(t) = SI (t). Cos (۲π fc t) - SQ (t). Sin (۲π fc ts)   (۱)

که (SI (t مولفه‌ی هم فاز موج مدوله شده (S (t و (SQ (t مولفه‌ی ربعی ۲ آن می‌باشد. رابطه (۱) نمایش استاندارد سیگنال باند باریک است. در مدولاسیون خطی (SI (t و (SQ (t سیگنال‌های پائین گذری هستند که بطور خطی به سیگنال پیام (m (t وابسته هستند.
اجازه دهید با رجوع به کتاب سیستم‌های مخابراتی کارسون مسئله را تا اینجا روشن‌تر نمائیم. همانطور که می‌دانید سیگنال مدوله شده‌ی (S (t، یک سیگنال میانگذر است که در حالت کلی با رابطه‌ی زیر بیان می‌شود.

(t) = A (t). Cos (ωc t + φ (t) S)   (۲) 

که در آن (A (t پوش و (φ (t فاز است و هر دو تابعی از زمان هستند. از مدولاسیون AM نیز می‌دانیم که A (t) >۰ است. دامنه‌ی منفی، درصورت وجود، باعث وارونگی فاز می‌شود (با افزودن ۱۸۰± به فاز در آن ادغام می‌شود).
(S (t را بصورت برداری تصور کنید که طول آن (A (t است و زاویه‌ی فاز آن برابر (φ (t) + ωct) است.
اگر قرار دهیم

A (t). Sin φ (t = (t)) = A (t). Cos φ (t) , SQ (t) SI)

حال اگر تابع کسینوس رابطه‌ی (۲) را بسط داده و روابط بالا را در آن جایگذاری نماییم، به رابطه‌ی (۱) خواهیم رسید.
اما به ادامه‌ی بحث بپردازیم. بسته به این که دو مولفه‌ی (S (t چگونه تعریف شوند، سه نوع مدولاسیون خطی شامل تنها یک سیگنال پیام تعریف می‌شود:

مدولاسیون DSB
مدولاسیون DSB که مخفف (Double Side Band) می‌باشد برای ارسال پیام، به یک پهنای باند BW=۲W)) نیاز دارد، مثلا" اگر فرستادن یک پیام با پهنای باند ۴ کیلو هرتز مورد نظر باشد، به یک پهنای باند ۸ کیلوهرتزی نیاز داریم. همچنین بخاطر اینکه کریر نیز ارسال می‌شود، مجبور به ارسال قدرت اضافی هستیم، یعنی در حقیقت، ۷۵ درصد قدرت ارسالی حاوی کریر است و فقط ۲۵ درصد قدرت حاوی پیام است. اگرچه مدولاسیون DSB در فرستنده خود، مشکلات فوق را دارد، اما گیرنده‌ای ساده به نام آشکار ساز پوش دارد که در آن دیگر به اسیلاتور محلی نیاز نیست.

مدولاسیون دو کنار باندی حامل محذوف (DSB-SC) که مخفف Double Side Band _Slur Carrier می‌باشد، نوع اصلاح شده مدولاسیون DSB می‌باشد. در این مدولاسیون مشکل ارسال قدرت اضافی ناشی از ارسال کریر، برطرف شده است، اما مشکل پهنای باند همچنان پابرجاست، اما عمده‌ترین مشکل مدولاسیون DSB_SC این است که کریر فرستنده و گیرنده آن حتما" باید سنکرون باشد، به عبارت دیگر کریر فرستنده و گیرنده، باید هم فاز و هم فرکانس باشند، در غیر این صورت پیام آشکارشده درخروجی، دارای اعوجاج خواهد شد.

مدولاسیون تک کنار باندی (SSB)
تنها یکی از کنارباند‌ها (بالا یا پایین) ارسال می‌شود. مدولاسیون SSB که مخفف (Single Side Band) می‌باشد، هیچ کدام از مشکلات مدولاسیون‌های DSB و DSB_SC را ندارد. یعنی پهنای باند BW=W بوده و صد در صد قدرت ارسالی نیز حاوی پیام است. می‌توان محاسبه نمود که توان مصرفی فرستنده SSB برای ارسال یک پیام نوعی، نصف توان مصرفی فرستنده DSB برای ارسال همان پیام است.
از این رو، در جاهاییکه مشکل پهنای باند و قدرت وجود دارد، از مدولاسیون SSB استفاده می‌شود، و برای ارسال پیام به نقاط دور دست مناسب می‌باشد. لازم به ذکر است که سیستم SSB را، فقط شرکت مخابرات دارد، چون فرستنده و گیرنده‌ی خاص خود را می‌طلبد و تنها شرکت مخابرات از عهده نگهداری و تامین قطعات فنی و اقتصادی آن بر می‌آید. مهمترین کاربرد SSB در مخابرات، ارسال تعداد
زیادی پیام تلفنی است. در داخل شهر، هر مشترک دارای یک کانال انتقال، که همان زوج سیم تلفنی است، می‌باشد. ولی در ارتباطات برون شهری، چون یک کانال انتقال داریم، باید پیام‌ها مدوله و بسته بندی شوند تا بتوان چندین پیام مختلف را از یک کانال انتقال، عبور داد. بسته بندی کردن پیام‌ها به "مالتی پلکسینگ" مشهور می‌باشد و به دو صورت FDM و TDM وجود دارد.

مدولاسیون VSB
در این مدولاسیون سایه یکی از کنارباند‌ها به همراه نسخه‌ی تغییر یافته‌ای از کنار باند دیگر ارسال می‌شوند در کدینگ دیجیتال به سیگنال آنالوگ، عنصری که می‌تواند برای ما مفید باشد سیگنال سینوسی است. یعنی اینکه اطلاعات دیجیتال را باید بر روی سیگنال سینوسی پیاده کنیم. برای این منظور باید از سیگنال سینوسی به عنوان سیگنال حامل استفاده کنیم. درنتیجه نوع مدولاسیونی که انجام می‌شود به مدولاسیون دیجیتال معروف است. این مدولاسیون روی مشخصه‌هایی از سیگنال حامل پیاده سازی می‌شود تا اساس کدینگ شکل بگیرد. حالا اینم شخصه‌ها می‌تواند فرکانس، دامنه و فاز و یا ترکیبی از آن‌ها باشد. پس به صورت کلی می‌توانیم این نوع مدولاسیون را به سه دسته تقسیم کنیم.

مودولاسیون FSK
جمله این نوع مدولاسیون، تمرکزش را تنها بر روی فرکانس سیگنال حامل معطوف می‌کند به چه معنا است؟
یعنی این مدولاسیون با تغییراتی که بر روی فرکانس سیگنال حامل ایجاد میکند، معادل سینوسی برای داده‌های دیجیتال مورد نظر قرار می‌گیرد. به بیان بهتر باید بگوییم که به ازای صفر و یک‌های رشته‌ی ارسالی، معادل فرکانسی برای سیگنال سینوسی خود ایجادمی کند. با این شرایط چنانچه شما بخواهید "صفر" داشته باشید، فرکانس f۱ برای حامل در نظر می‌گیرید و چنانچه بخواهید "یک" داشته باشید از فرکانس f۲ استفاده می‌کنید.

مودولاسیون ASK
در این نوع مدولاسیون تمرکز بر روی دامنه‌ی سیگنال حامل است یعنی مقادیر باینری ۰ و ۱ که در FSK بر روی دو فرکانس مختلف نمایش داده می‌شدند، در اینجا با استفاده از دو دامنه‌ی متفاوت درسیگنال مشخص می‌شوند. به بیان بهتر برای ۰ باینری مقدار دامنه‌ی A۱ و برای ۱ باینری مقدار دامنه‌ی A۲ را انتخاب می‌کنیم. مقدار این دو دامنه باید باهم متفاوت باشد و البته در برخی موارد هم مقدار یکی از دامنه‌ها را صفر می‌گیرند تا دمودله کردن سیگنال راحت‌تر انجام بشود. از اشکالاتی که برای این نوع مدولاسیون قابل تصوراست به تاثیرپذیری آن نسبت به نویز‌های ضربه‌ای اشاره کرد. همان طور که اشاره کردیم آن چیزی که در این نوع کدینگ اهمیت دارد مقدار دامنه است. حالا فرض کنید وجود یک نویز در سیگنال حامل پرشی را ایجاد کند که در جایی که باید سطح دامنه مقدار مثلا صفر را داشته باشد، هر مقدار دیگری را جایگزین آن کند. به هر حال این مقدار دیگر معادل صفر (سطح ولتاژ صفر) نیست و این یک تداخل در انتقال ایجاد می‌کند و داده‌ی ما مخدوش می‌شود. معمولا از این نوع کدینگ در خطوط تلفن با سرعت زیر ۱۲۰۰ بیت برثانیه استفاده می‌کنند و از این جهت زیاد مورد استقبال قرار نمی‌گیرد.

مودولاسیون PSK
در این تکنیک تمرکز بر روی فاز سیگنال حامل به این معنا که با تغییر فاز در سیگنال حامل به نمایش اطلاعات دیجیتال باینری می‌پردازیم. به بیان دیگر، به ازای مقدار ۰ فاز آلفا و به ازای مقدار ۱ فاز بتا را در نظر می‌گیریم. از مرسوم‌ترین انواع این تکنیک حالتیست که دو فاز را با ۱۸۰ درجه اختلاف نسبت به هم در نظر بگیریم. در این حالت شیفت نسبت به بیت قبلی سنجیده می‌شود و این به این معناست که از سیگنال مرجع خبری نیست. به این نوع کدینگ میگویند DPSK یعنی PSK تفاضلی.