انواع کانال مخابراتی و مشخصه‌های آن‌ها — از صفر تا صد

یکی از اجزای بسیار مهم در سیستم‌های مخابراتی، «کانال مخابراتی» (Communication Channel) نام دارد. یک کانال مخابراتی ارتباط بین «فرستنده» (Transmitter) و «گیرنده» (Receiver) مخابراتی را برقرار می‌کند. در این مطلب قصد داریم به بررسی انواع مختلف کانال‌های مخابراتی بپردازیم و مشخصه‌های مهم هر کدام را بررسی کنیم.

انواع کانال مخابراتی

کانال مخابراتی  فیزیکی ممکن است یک جفت سیم باشد که سیگنال‌های الکتریکی را منتقل می‌کنند. همچنین امکان دارد کانال مخابراتی یک «فیبر نوری» (Optical Fiber) باشد که اطلاعات را به شکل یک اشعه نور «مدوله شده» (Modulated) حمل می‌کند. شکل سوم کانال مخابراتی، «کانال‌های اقیانوسی زیرآبی» (Underwater Ocean Channel) است که اطلاعات به صورت آکوستیکی یا فضای آزاد منتقل می‌شوند و در آن‌ها سیگنال حمل کننده اطلاعات به کمک آنتن‌های مخابراتی تابانده و پخش می‌شوند.

فیلم آموزش مبانی سیستم های مخابراتی‎ در فرادرس

کلیک کنید

از سایر رسانه‌هایی که می‌توانند به عنوان کانال مخابراتی در نظر گرفته شوند می‌توان به رسانه‌های ذخیره‌سازی داده مانند نوارهای مغناطیسی و دیسک‌های مغناطیسی و دیسک‌های نوری اشاره کرد.

یکی از مشکلات اساسی در انتقال اطلاعات در طول هر کانال مخابراتی، «نویز جمع شونده» (Additive Noise) است. در حالت کلی، می‌توان گفت که نویز جمع شونده به صورت داخلی توسط قطعاتی مانند مقاومت و نیز ادوات حالت جامد تولید می‌شود که برای پیاده‌سازی یک سیستم مخابراتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. گاهی به نویز جمع شونده، «نویز حرارتی» (Thermal Noise) نیز می‌گویند. البته در یک سیستم مخابراتی برای ایجاد نویز و تداخل، منابع خارجی نیز وجود دارد که از آن جمله می‌توان به تداخلات ناشی از سایر کاربران یک کانال مخابراتی اشاره کرد.

زمانی که این نویزها و تداخلات باند فرکانسی یکسان با سیگنال مطلوب را اشغال کنند، می‌توان تاثیر آن‌ها را با استفاده از طراحی مناسب سیگنال انتقالی و نیز دمدولاتور مربوطه در سمت گیرنده کمینه کرد. سایر انواع «تخریب‌هایی» (Degradations) که سیگنال در یک کانال مخابراتی با آن‌ها رو به رو می‌شود، «تضعیف سیگنال» (Signal Attenuation)، اعوجاج دامنه و فاز و نیز «اعوجاج چند مسیری» (Multipath Distortion) هستند.

تاثیر نویز در سیستم مخابراتی را می‌توان با افزایش توان سیگنال ارسالی تا حد زیادی کاهش داد. با این حال، تجهیزات لازم و نیز سایر الزامات عملی باعث می‌شوند که سطح توان سیگنال ارسالی با محدودیت مواجه باشد. البته یک محدودیت اساسی دیگر، پهنای باند کانال است. محدودیت پهنای باند در کانال مخابراتی معمولا به دلیل محدودیت‌های فیزیکی واسط انتقال و نیز قطعات الکترونیکی مورد استفاده در ساخت فرستنده و گیرنده به وجود می آید. این دو محدودیت، منجر به مقید شدن مقدار داده‌هایی می‌شود که می‌توان آن‌ها را به صورت مطمئن در طول هر کانال مخابراتی منتقل کرد. نتایج «اصل شانون» (Shannon’s Basic) ظرفیت کانال مخابراتی را به توان ارسال شده و نیز پهنای باند مرتبط می‌سازد. در ادامه برخی از مهم‌ترین انواع کانال‌های مخابراتی و مشخصه‌های آن‌ها را بیان می‌کنیم.

کانال مخابراتی سیمی

شبکه‌های تلفنی به صورت گسترده از خطوط سیمی برای انتقال سیگنال صوتی و نیز داده و سیگنال‌های ویدیویی استفاده می‌کنند. «خطوط سیمی جفت پیچ‌خورده» (Twisted-pair wirelines) و کابل‌های کواکسیال، کانال‌های الکترومغناطیسی هدایت کننده هستند که پهنای باند تقریبا متوسطی را فراهم می‌کنند. سیم‌های تلفن معمولا برای اتصال کاربران به دفاتر مرکزی مورد استفاده قرار می‌گیرند و دارای پهنای باند چند صد کیلو هرتز هستند.

فیلم آموزش مبانی سیستم های مخابراتی‎ در فرادرس

کلیک کنید

از طرف دیگر، کابل کواکسیال پهنای باند قابل استفاده‌ای در حدود چند مگا هرتز دارند. در تصویر زیر بازه فرکانسی مربوط به کانال‌های الکترومغناطیسی نشان داده شده است که شامل «موجبرها» (Waveguides) و فیبر نوری نیز می‌شود.

سیگنال‌هایی که در طول کانال مخابراتی منتقل می‌شوند، هم از نظر دامنه و هم از نظر فاز، دچار اعوجاج می‌شوند و توسط نویز جمع شونده نیز خراب می‌شوند. کانال‌های سیمی جفت پیچ‌خورده در معرض «تداخل متقاطع» (Crosstalk Interference) از کانال‌های مخابراتی مجاور خود نیز قرار دارند. به دلیل این که کانال‌های سیمی حجم زیادی از مخابرات روزانه را در جهان منتقل می‌کنند، تحقیقات بیشتری روی مشخصه‌های انتقال و نیز روش‌های کاهش اعوجاج دامنه و فاز در آن‌ها انجام شده است.

کانال مخابراتی فیبر نوری

فیبر نوری پهنای باندی را در اختیار طراح یک سیستم مخابراتی قرار می‌دهد که چند برابر بزرگ‌تر از پهنای باند یک کانال کابل کواکسیال است. در طول دهه‌های اخیر استفاده از کابل فیبر نوری از رواج بیشتری برخوردار بوده است. استفاده از فیبر نوری به عنوان یک کانال مخابراتی از مزایایی مانند تضعیف بسیار پایین سیگنال برخوردار است. ادوات فوتونیک یا نوری با قابلیت اطمینان بسیار بالا برای تولید سیگنال و نیز آشکارسازی آن گسترش یافته اند. این پیشرفت‌های تکنولوژی منجر به رشد روزافزون استفاده از کانال مخابراتی فیبر نوری هم در سیستم‌های مخابرات خانگی و هم در مخابرات بین قاره‌ای و فرا اقیانوسی شده است.

فیلم آموزش مخابرات و شبکه های نوری FTTX در فرادرس

کلیک کنید

به دلیل پهنای باند بزرگ موجود در کانال مخابراتی فیبر نوری، این امکان برای کمپانی‌های تلفنی به وجود آمده است که آرایه وسیعی از سرویس‌های مخابراتی شامل ارسال صوت، ویدئو، داده و تماس تصویری را به مشترکین خود ارائه دهند. ترانسمیتر یا مدولاتور در یک سیستم مخابرات فیبر نوری، یک منبع نوری (یا یک LED و یا یک لیزر) است. در این سیستم، اطلاعات از طریق تغییر شدت منبع نور (مدولاسیون) متناسب با سیگنال پیام ارسال می‌شود.

نور در طول فیبر مانند یک موج نور منتشر می‌شود و به صورت متناوب در طول مسیر انتقال تقویت می‌شود تا مقدار تضعیف سیگنال جبران شود. در مورد انتقال دیجیتال، سیگنال توسط «تکرار کننده‌ها» (Repeaters) آشکارسازی و تولید می‌شود. در سمت گیرنده، شدت نور توسط یک فتودیود تشخیص داده می‌شود. خروجی فتودیود به صورت یک سیگنال الکتریکی است که با نسبت مستقیم با توان نوری که به آن برخورد می‌کند، در حال تغییر است. در آینده‌ای نزدیک تمام کانال‌های سیمی خطوط شبکه تلفن با فیبر نوری جایگزین می‌شوند.

کانال مخابراتی الکترومغناطیسی وایرلس

در سیستم‌های مخابرات رادیویی، انرژی الکترومغناطیسی از طریق آنتن به واسط انتشار کوپل شده است که آنتن نقش «تشعشع کننده یا تابش‌گر» (Radiator) را ایفا می‌کند. اندازه فیزیکی و پیکربندی یک آنتن در مرحله اول به فرکانس کاری آن بستگی دارد. برای به دست آوردن تابش موثر انرژی الکترومغناطیسی، یک آنتن باید بلندتر از ۱/10 طول موج باشد. در نتیجه، یک ایستگاه رادیویی که در باند فرکانسی AM مبادله می‌کند و فرضا در فرکانس ۱ مگا هرتز قرار دارد (متناظر با طول موج $$λ = c / f _ c = 300 m$$) به یک آنتن با طول حداقل ۳۰ متر نیاز دارد. در تصویر زیر باندهای فرکانسی مختلف مربوط به طیف فرکانسی نشان داده شده است.

مودهای انتشار امواج الکترومغناطیسی در اتمسفر و در فضای آزاد به سه گروه اصلی تقسیم‌بندی می‌شوند. این سه مود انتشار عبارتند از: «انتشار موج زمینی» (Ground-Wave Propagation)، «انتشار موج هوایی» (Sky-Wave Propagation) و «انتشار دید مستقیم» (Line-of-Sight Propagation) یا LOS. در باندهای فرکانسی VLF و ELF که طول موج بیشتر از ۱۰ کیلومتر است، زمین و یونوسفر مانند «موجبر» (Waveguide) برای انتشار امواج الکترومغناطیسی عمل می‌کنند. در این بازه فرکانسی، سیگنال‌های مخابراتی در سرتاسر جهان منتشر می‌شوند. به همین دلیل، این باند فرکانسی عموما برای فراهم کردن کمک ناوبری از ساحل به کشتی‌ها در سرتاسر جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پهنای باند کانال موجود در این باند فرکانسی نسبتا کوچک است (معمولا حدود ۱ تا ۱۰ درصد فرکانس مرکزی) و به همین دلیل اطلاعاتی که از طریق این کانال‌ها منتقل می‌شوند، معمولا دارای سرعت پایینی بوده و عموما محدود به انتقال دیجیتال هستند. یک نویز غالب در این باند فرکانسی به وسیله رعد و برق در مناطق مختلف کره زمین از جمله مناطق استوایی ایجاد می‌شود. همچنین به دلیل تعداد زیاد کاربران این باند فرکانسی، اختلال در آن به وجود می‌آید. در تصویر زیر، روش انتشار موج زمینی نشان داده شده است.

روش انتشار موج زمینی یک مود غالب برای انتشار در فرکانس‌های موجود در باند MF (از ۰٫۳ مگا هرتز تا ۳ مگا هرتز) به حساب می‌آید. این باند فرکانسی برای انتشار AM و پخش رادیویی دریایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در پخش AM، بازه انتشار موج زمینی حتی برای قوی‌ترین ایستگاه‌های رادیویی به حدود ۱۰۰ مایل محدود شده است. نویز اتمسفر، نویزهای ساخته بشر و نویزهای حرارتی از قطعات الکترونیکی موجود در گیرنده، اغتشاشات غالب موجود برای انتقال سیگنال MF محسوب می‌شوند. در تصویر زیر روش انتشار موج هوایی نشان داده شده است.

روش انتشار موج هوایی ناشی از این است که سیگنال ارسالی از یونوسفر منعکس می‌شود که از چندین لایه از ذرات باردار در بازه‌ای بین ۳۰ تا ۲۵۰ مایلی بالای زمین تشکیل شده است. در طول ساعات روز، حرارت اتمسفر ناشی از خورشید باعث می‌شود که لایه پایین در ارتفاع زیر ۷۵ مایل تشکیل شود. این لایه‌های پایین، مخصوصا لایه D، توانایی جذب فرکانس‌های زیر ۲ مگا هرتز را دارند. بنابراین به شدت انتشار و پخش رادیو AM را محدود می‌کنند. البته در طول ساعات شب، چگالی الکترون‌ها در لایه‌های پایین یونوسفر به شدت افت می‌کند و جذب فرکانسی که در طول روز اتفاق می‌افتد، به شدت کاهش می‌یابد. در نتیجه، ایستگاه‌های پخش رادیو AM پرقدرت، می‌توانند تا فواصل طولانی‌تری از طریق انتشار موج هوایی در طول لایه F اتمسفر موج ارسال کنند. این لایه اتمسفر از ۹۰ تا ۲۵۰ مایلی بالای سطح زمین ادامه دارد.

یک مشکل بسیار شایع در انتشار موج الکترومغناطیسی از طریق انتشار موج هوایی در بازه فرکانس HF، «چندمسیری سیگنال» (Signal Multipath) است. چندمسیری سیگنال زمانی اتفاق می‌افتد که سیگنال ارسال شده از مسیرهای انتشار چندگانه با تاخیرهای مختلف به گیرنده برسند. چندمسیری سیگنال معمولا منجر به تداخل Intersymbol در سیستم‌های مخابرات دیجیتال می‌شود. علاوه بر این، مولفه‌های سیگنال که در مسیرهای انتشار چندگانه دریافت می‌شوند منجر به یک نوع دیگر از تخریب می‌شود که «محوشدگی» (Signal Fading) نام دارد. اغلب افراد این مشکل را در هنگام گوش دادن به یک ایستگاه رادیویی دور در شب تجربه کرده اند که موج هوایی مود انتشار غالب است. نویز جمع شونده در HF ترکیبی از نویز اتمسفری و نویز حرارتی است.

انتشار یونوسفری موج هوایی در فرکانس‌های بالای حدودا ۳۰ مگا هرتز متوقف می‌شود که در واقع انتهای باند فرکانسی HF به حساب می‌آید. با این حال امکان دارد انتشار پراکنده یونوسفری در فرکانس‌های بازه ۳۰ تا ۶۰ مگا هرتز وجود داشته باشد که ناشی از پراکندگی سیگنال از یونوسفر پایین است. همچنین امکان دارد از فواصل چند صد مایلی با استفاده از پراکندگی تروپوسفر در فرکانس‌های ۴۰ تا ۳۰۰ مگا هرتز اطلاعات را ارسال کرد. «Troposcatter» ناشی از پراکندگی سیگنال به دلیل ذرات موجود در اتمسفر در ارتفاع ۱۰ مایل و یا کمتر است. در حالت عمومی، پراکندگی یونوسفری و پراکندگی تروپوسفری اتلاف انتشار سیگنال بزرگی دارد و به توان ارسال بالا و نیز‌ آنتن نسبتا بزرگی نیاز دارد.

فرکانس‌های بالاتر از ۳۰ مگا هرتز از طریق یونوسفر با اتلاف نسبتا پایین منتشر می‌شوند و مخابرات فرازمینی و مخابرات ماهواره‌ای را ممکن می‌سازند. به همین دلیل در فرکانس‌های باند VHF و بالاتر، مود غالب انتشار الکترومغناطیس، انتشار دید مستقیم یا LOS است. برای سیستم‌های مخابرات زمینی، این امر بدین معنی است که ترانسمیتر و آنتن‌های گیرنده باید در LOS مستقیم و با موانع بسیار کوچک باشند. به همین دلیل ایستگاه‌های تلویزیونی که در باند فرکانسی UHF و VHF فعالیت می‌کنند، آنتن‌های خود را در برج‌های بلند نصب می‌کنند تا ناحیه پوشش بزرگی را به دست آورند.

در حالت کلی، ناحیه پوشش تحت انتشار LOS توسط انحنای زمین محدود شده است. اگر آنتن فرستنده در ارتفاع h فوتی بالای سطح زمین نصب شود، با فرض عدم وجود مانع فیزیکی مانند کوه مسافت افق رادیو تقریبا برابر با $$d = \sqrt { 2 h }$$ مایل خواهد بود. به عنوان مثال، یک آنتن تلویزیونی که روی یک برج با ارتفاع ۱۰۰۰ فوتی نصب شده باشد، پوشش تقریبا برابر با ۵۰ مایل فراهم می‌کند. به عنوان یک مثال دیگر، سیستم‌های وابسته به رادیو مایکروویو که به صورت گسترده برای ارسال ویدیو و تلفن مورد استفاده قرار می‌گیرند، در فرکانس‌های بالاتر از ۱ گیگا هرتز، باید دارای آنتن نصب شده در برج‌های بلند و مکان‌های مرتفع باشد.

نویز غالبی که عملکرد سیستم‌های مخابراتی را در بازه فرکانس‌های UHF و VHF محدود می‌کند، از نوع نویز حرارتی است که در سمت جلو گیرنده تولید می‌شود. همچنین نویز «کیهانی» (Cosmic) که توسط آنتن دریافت می‌شود این سیستم‌ها را تحت تاثیر قرار می‌دهد. در فرکانس‌های باند فرکانسی SHF که بالاتر از ۱۰ گیگا هرتز هستند، شرایط اتمسفری نقش بسیار مهمی را در انتشار یک سیگنال بازی می‌کنند. در تصویر زیر، تضعیف سیگنال ناشی از بارندگی بر حسب دسیبل بر مایل برای فرکانس‌های بازه ۱۰ تا ۱۰۰ گیگا هرتز نشان داده شده است.

همان طور که در تصویر زیر دیده می‌شود، بارش باران شدید منجر به اتلاف انتشار بسیار شدید می‌شود که در نهایت به قطع سرویس ارائه شده ختم می‌شود. در فرکانس‌های بالاتر از باند EHF، به ناحیه طیف الکترومغناطیس نور مرئی و مادون قرمز می‌رسیم. از این ناحیه طیف الکترومغناطیس می‌توان برای ارائه مخابرات نوری LOS در فضای آزاد استفاده کرد. امروزه از این باند فرکانسی برای مخابرات تجربی مانند مخابرات لینک ماهواره به ماهواره استفاده می‌شود.

کانال مخابراتی آکوستیک زیرآبی

در طول چند دهه گذشته، فعالیت‌های کاوش اقیانوس به صورت روز افزون در حال افزایش است. افزایش این فعالیت‌ها نیاز به انتقال داده‌های جمع‌آوری شده توسط سنسورهای زیر آب به سطح اقیانوس را به امری ضروری تبدیل کرده است. پس از انتقال داده به سطح آب، این امکان وجود دارد که داده‌ها را توسط ماهواره به مرکز جمع‌آوری داده منتقل کرد. امواج الکترومغناطیسی نمی‌توانند در زیر آب تا فواصل طولانی منتشر شوند. البته این امکان فقط برای امواج با فرکانس بسیار پایین وجود دارد. با این حال، انتقال سیگنال با چنین فرکانس پایینی به شدت پرهزینه است؛ زیرا برای این کار به ترانسمیترهای بسیار بزرگ و پرتوان نیاز است.

فیلم آموزش مدارهای مخابراتی – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید