مدولاسیون چیست؟ - بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، مدولاسیون (Modulation) یکی از مباحث بسیار مهم در علم مخابرات است. در این مطلب قصد داریم ابتدا تعریفی از مدولاسیون ارائه دهیم و سپس انواع روش‌های مدولاسیون و دلایل نیاز به آن را بیان کنیم.

یک سیگنال پیام (Message Signal) به دلیل توان بسیار پایین خود عملا نمی‌تواند مسافت‌های طولانی را طی کند. علاوه بر این، محیط فیزیکی، اضافه شدن نویز‌های خارجی و مسافت طولانی مسیر انتقال باعث می‌شوند که توان سیگنال پیام بیشتر و بیشتر تضعیف شود. بنابراین، به منظور ارسال سیگنال پیام به مسافت‌های طولانی، لازم است که توان سیگنال افزایش داده شود. این کار با استفاده از یک سیگنال با انرژی بالا و یا یک سیگنال با فرکانس بالا انجام می‌شود و چنین سیگنالی را سیگنال حامل (Carrier Signal) می‌گویند. یک سیگنال با انرژی بالاتر می‌تواند مسافت‌های طولانی‌تری را طی کند، بدون این‌که تحت تاثیر نویز‌های خارجی قرار بگیرد؛ بنابراین می‌توان از این سیگنال پرانرژی بهره برد و با استفاده از آن سیگنال پیام را به مسافت‌های طولانی مخابره کرد. برای مخابره سیگنال به مسافت‌های دور، امری ضروری است که از یک سیگنال حامل با انرژی بالا و یا فرکانس بالا استفاده کنیم.

سیگنال پیامِ دارای انرژی پایین با سیگنال حاملِ دارای انرژی بالا (یا فرکانس بالا) ترکیب می‌شود و در نهایت یک سیگنال جدید با انرژی بالاتر حاصل می‌شود که می‌تواند پیام را به مسافت‌های طولانی منتقل می‌کند. اما سوالی که در این قسمت پیش می‌آید این است که نحوه ترکیب سیگنال پیام با سیگنال حامل به چه صورت است؟ در پاسخ به این سوال باید گفت که چنین عملی با تغییر در برخی از مولفه‌های سیگنال حامل، مانند تغییر در دامنه (Amplitude)، فاز (Phase) و یا فرکانس (Frequency)، انجام می‌پذیرد. توجه کنید که این تغییرات در سیگنال حامل، باید به صورت منطبق بر دامنه سیگنال پیام انجام شود. چنین فرایندی را مدولاسیون می‌گویند. در واقع مدولاسیون در لغت به معنای تلفیق است.

سیگنال پیام حاوی اطلاعات است، در حالی‌که سیگنال حامل هیچ اطلاعاتی نبوده و صرفا برای انتقال اطلاعات به مسافت‌های طولانی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در مقصد، سیگنال پیام مجددا بازیابی و مورد استفاده قرار می‌گیرد، در حالی‌که سیگنال حامل تلف خواهد شد.

در فرایند مدولاسیون، مشخصه‌های سیگنال حامل تغییر می‌کند، اما مشخصه‌های سیگنال پیام به هیچ وجه مورد تغییر قرار نخواهد گرفت. سیگنال حامل، حاوی هیچ اطلاعات مفیدی نیست، بنابراین حتی اگر تغییری در آن ایجاد کنیم، اطلاعات سیگنال پیام در آن تغییری نخواهد کرد. اما سیگنال پیام حاوی اطلاعات است، پس اگر مشخصه‌های این سیگنال را تغییر دهیم، اطلاعات آن هم قطعا تغییر خواهند کرد؛ بنابراین روند انجام مدولاسیون همیشه به این ترتیب است که مشخصه‌های سیگنال حامل را تغییر می‌دهیم، اما مشخصه‌های سیگنال پیام هرگز نباید تغییر کند. مدولاسیون این امکان را فراهم می‌کند که تبادل داده با فرکانس بالایی انجام گیرد، در نتیجه سیگنال پیام به صورت هم‌زمان (Simultaneously) منتقل می‌شود.

تعریف مدولاسیون

مدولاسیون در تعریف، به فرایند ترکیب یک سیگنال پیام دارای انرژی پایین با سیگنال انرژی بالای حامل اطلاق می‌شود. در این فرایند یک سیگنال جدید انرژی بالا تولید می‌شود که می‌تواند اطلاعات را تا مسافت‌های زیاد منتقل کند. بر همین اساس تعریف دیگری نیز برای مدولاسیون وجود دارد. مدولاسیون فرایند تغییر مشخصه‌های سیگنال حامل مانند دامنه یا فاز یا فرکانس آن مطابق با سیگنال پیام است. وسیله‌ای که مدولاسیون را انجام می‌دهد، مدولاتور (Modulator) نامیده می‌شود. فرایند مدولاسیون با یک مثال ساده بهتر درک می‌شود. تصویر زیر مدولاسیون دامنه (Amplitude Modulation) را نشان می‌دهد.


مدولاسیون دامنه

نمودار اول در تصویر زیر نشان دهنده سیگنال پیام یا سیگنال مدوله شده است. اما نمودار دوم نشان دهنده سیگنال حامل است که سیگنالی فرکانس بالا محسوب می‌شود. توجه کنید که این سیگنال حامل، حاوی هیچ اطلاعاتی نیست. در نهایت، نمودار سوم نشان دهنده سیگنال حاصل از مدولاسیون دامنه است. با دقت در سه نمودار شکل بالا می‌توان به این نکته پی برد که دامنه سیگنال حامل متناسب با دامنه لحظه‌ای سیگنال پیام تغییر می‌کند.

در حالت کلی می‌توان گفت که سه نوع سیگنال در فرایند مدولاسیون وجود دارند که برای انتقال اطلاعات از مبدا به مقصد مورد استفاده قرار می‌گیرند. این سه نوع سیگنال عبارتند از:

سیگنال پیام
سیگنال حامل
سیگنال مدوله شده

سیگنال پیام

یک سیگنال پیام حاوی اطلاعات مفید و مورد نظر کاربر است که باید به مقصد خاصی مخابره شود. سیگنال پیام را گاهی سیگنال باند پایه (Baseband) نیز می‌گویند. گستره فرکانس‌های اصلی مربوط به یک سیگنال پیام، باند پایه نام دارد. اکثر سیگنال‌های پیام یا سیگنال‌های باند پایه قبل از این که در طول کانال‌های مخابراتی ارسال شوند، تحت فرایندی به نام مدولاسیون قرار می‌گیرند. به همین دلیل است که سیگنال پیام را می‌توان یک سیگنال تحت مدولاسیون نیز نامید.

سیگنال حامل

سیگنال حامل، سیگنالی با انرژی یا فرکانس بالا است که دارای مشخصه‌هایی نظیر فرکانس، دامنه و فاز بوده، اما شامل هیچ اطلاعات مفیدی نیست. گاهی برای سادگی این سیگنال را فقط حامل می‌گویند. سیگنال حامل برای حمل کردن سیگنال پیام از فرستنده به گیرنده مورد استفاده قرار می‌گیرد. به دلیل این‌که سیگنال حامل هیچ اطلاعات مفیدی در خود ندارد، می‌توان آن را سیگنال تهی نیز نامید.

سیگنال مدوله شده

زمانی که سیگنال پیام با سیگنال حامل ترکیب شود، سیگنال جدیدی به وجود می‌آید. این سیگنال جدید، سیگنال مدوله شده نام دارد. در واقع سیگنال مدوله شده، ترکیبی از سیگنال حامل و سیگنال پیام است که قابلیت انتقال به مسافت‌های دور را دارد.

دلایل لزوم استفاده از مدولاسیون

مدولاسیون در سیستم‌های مخابراتی اهمیت بسیار بالایی دارد. دلایل لزوم استفاده از مدولاسیون عبارتند از:

جلوگیری از ترکیب (Mix) سیگنال‌ها
افزایش برد ارتباطات
برقراری ارتباطات بی‌سیم
کاهش اثر نویز
کاهش ارتفاع آنتن‌های مخابراتی

جلوگیری از میکس سیگنال‌ها

یکی از چالش‌های اساسی که در مهندسی مخابرات با آن رو به رو می‌شویم، انتقال پیام‌های تکی در طول یک کانال مخابراتی به صورت هم‌زمان است. روشی که با استفاده از آن می‌توان سیگنال‌های متعدد یا سیگنال‌های چندگانه (Multiple) را ترکیب و به یک سیگنال تبدیل کرد، همتافتگری یا مالتی پلکسینگ (Multiplexing) نام دارد. سیگنال ترکیب شده را می‌توان در طول یک کانال مخابراتی تکی منتقل کرد.
‌
می‌دانیم که فرکانس سیگنال‌های صوتی در بازه ۲۰ هرتز تا ۲۰ کیلو هرتز قرار دارند. اگر سیگنال‌های صوتی باند پایه چندگانه، در یک بازه فرکانسی یکسان (۲۰ هرتز تا ۲۰ کیلو هرتز) با هم ترکیب شوند، بدون نیاز به عمل مدولاسیون، یک سیگنال برای انتقال در طول یک کانال مخابراتی را تشکیل می‌دهند. اما مشکلی که وجود دارد این است که در چنین شرایطی تمام سیگنال‌ها با هم میکس شده‌اند و گیرنده قادر نیست که آن‌ها را از یکدیگر جداسازی کند. در حالی که با استفاده از مدولاسیون، می‌توان به سادگی بر این مشکل غلبه کرد.

با استفاده از مدولاسیون، سیگنال‌های صوتی باند پایه مربوط به یک بازه فرکانسی، به بازه‌های فرکانسی مختلفی شیفت می‌یابند؛ بنابراین هر سیگنال دارای بازه فرکانسی خاص مربوط به خود در پهنای باند کلی خواهد بود. بعد از انجام مدولاسیون، سیگنال‌های چندگانه، بازه‌های فرکانسی مختلفی را به دست می‌آورند و می‌توانند به سادگی با استفاده از یک کانال مخابراتی و بدون نیاز به میکس منتقل شوند. در این حالت، در سمت گیرنده نیز سیگنال‌ها به سادگی از هم تفکیک می‌شوند.

افزایش برد ارتباطات

انرژی یک موج به فرکانس آن بستگی دارد، بنابراین هر چه فرکانس یک موج بالاتر باشد، انرژی آن نیز بیشتر است. فرکانس‌های سیگنال‌های صوتی باند پایه بسیار پایین هستند، پس این سیگنال‌ها نمی‌توانند در مسافت‌های طولانی منتقل شوند. از طرف دیگر، فرکانس‌های سیگنال‌های حامل بسیار بالا هستند و یا دارای انرژی بسیار زیادی هستند؛ بنابراین سیگنال‌های حامل اگر مستقیما به فضا تابانده شوند، می‌توانند تا مسافت‌های بسیار طولانی منتقل شوند.

تنها راه حل برای مخابره سیگنال‌های باند پایه به مسافت‌های دور، ترکیب سیگنال باند پایه دارای انرژی پایین با سیگنال حامل دارای انرژی بالا است. زمانی که یک سیگنال پیام (با انرژی یا فرکانس پایین) با یک سیگنال حامل (با انرژی یا فرکانس بالا) میکس می‌شود، فرکانس سیگنال حاصل، از گستره فرکانس‌های پایین به گستره فرکانس‌های بالا شیفت می‌یابد. از این‌رو قادر خواهیم بود اطلاعات سیگنال پیام را به مسافت‌های دور منتقل کنیم. در نتیجه برد ارتباطات افزایش می‌یابد.

ارتباطات بی‌سیم

در مخابرات رادیویی، سیگنال مستقیما به فضا تابانده می‌شود، اما سیگنال‌های باند پایه دارای بازه فرکانسی بسیار پایینی هستند و ممکن نیست که سیگنال‌های باند پایه را مستقیما به فضا بتابانیم. با این حال، استفاده از تکنیک‌های مدولاسیون، منجر به این امر می‌شود که فرکانس سیگنال‌های پیام از باند فرکانسی پایین به باند فرکانسی بالا شیفت یابد. در نتیجه پس از استفاده از مدولاسیون، این سیگنال‌ها را می‌توان مستقیما به فضا تاباند.

کاهش اثر نویز

نویز یک سیگنال ناخواسته است که از طریق کانال‌های مخابراتی وارد سیستم مخابراتی می‌شود و با سیگنال مخابره شده تداخل (Interfere) پیدا می‌کند. یک سیگنال پیام در حالت عادی، به دلیل انرژی پایینی که دارد قادر نیست به مسافت‌های طولانی مخابره شود. از طرف دیگر، افزوده شدن سیگنال نویز خارجی به آن، باعث می‌شود انرژی سیگنال بیشتر تضعیف شود؛ بنابراین برای ارسال سیگنال پیام به مسافت‌های دورتر، لازم است که توان سیگنال پیام را افزایش دهیم. با استفاده از تکنیک مدولاسیون، می‌توانیم سیگنال پیام با انرژی یا فرکانس پایین را با استفاده از یک سیگنال با انرژی یا فرکانس بالا تا مسافت‌های دور منتقل کنیم، بدون این‌که سیگنال پیام از نویز‌های خارجی تحت تاثیر قرار بگیرد.

کاهش ارتفاع آنتن

زمانی که در فضای آزاد یک سیگنال منتقل می‌شود، آنتن فرستنده باید سیگنال را به فضای بیرون منتشر کند و در سمت دیگر هم آنتن گیرنده باید این سیگنال را دریافت کند. به منظور انتقال و نیز دریافت موثر سیگنال، ارتفاع آنتن باید تقریبا با طول موج (Wavelength) سیگنال مخابره شده برابر باشد. طول موج یک سیگنال از طریق فرمول زیر محاسبه می‌شود:



سیگنال‌های صوتی دارای فرکانس‌های بسیار پایینی هستند، در نتیجه طول موج این سیگنال‌ها بسیار بزرگ است و اگر بخواهیم چنین سیگنال‌هایی را مستقیما در فضا منتشر کنیم، ارتفاع آنتن فرستنده بسیار بلند خواهد بود. به عنوان مثال، برای انتشار یک سیگنال صوتی با فرکانس ۲۰ کیلو هرتز به صورت مستقیم در فضا، بر اساس محاسبات زیر، به آنتنی با ارتفاع ۱۵۰۰۰ متر نیاز است:



واضح است که ساخت آنتنی با این ابعاد در عمل غیر ممکن است.

حال فرض کنیم که می‌خواهیم سیگنال پیام با فرکانس ۲۰ هرتز را با سیگنال حاملی با فرکانس ۲۰۰ مگا هرتز مدوله کنیم. در این حالت، ارتفاع آنتن فرستنده مورد نیاز به ۱ ٫۵ متر کاهش می‌یابد.



ساخت آنتن با ارتفاع ۱ ٫۵ متر در عمل به آسانی انجام می‌پذیرد.