برق, مهندسی 3723 بازدید

مدولاسیون دامنه (Amplitude Modulation) نوعی از مدولاسیون است که در آن دامنه سیگنال حامل متناظر با دامنه سیگنال پیام تغییر می‌کند. در این مطلب قصد داریم به بررسی مدولاسیون دامنه بپردازیم و مباحث مربوط به آن را بیان کنیم.

در الکترونیک و مخابرات، مدولاسیون به معنای تغییر برخی ویژگی‌های سیگنال حامل (موج پیوسته) متناسب با شکل موج سیگنال پیام در نظر گرفته می‌شود. سیگنال پیام مثلا می‌تواند یک سیگنال صوتی یا یک سیگنال ویدیویی باشد. در این تعریف، موج حامل دارای فرکانس بسیار بیشتری نسبت به سیگنال پیام است و وظیفه حمل کردن پیام از مبدا تا مقصد را بر عهده دارد. در ایستگاه گیرنده، سیگنال پیام از طریق انجام دمدولاسیون (Demodulation) از سیگنال مدوله شده تفکیک می‌شود.

در مدولاسیون دامنه، شدت (Strength) یا دامنه موج نوسانی حامل را تغییر می‌دهند. به عنوان مثال، در مخابرات رادیویی AM، دامنه یک سیگنال فرکانس رادیویی پیوسته (موج حامل سینوسی) قبل از انتقال توسط موج صوتی مدولاسیون می‌شود. به عبارت دیگر، سیگنال صوتی، دامنه سیگنال حامل را دچار تغییر می‌کند و پوش‌های (Envelope) منحنی آن را تعیین می‌کند. در حوزه فرکانس، مدولاسیون دامنه سبب ایجاد سیگنالی می‌شود که توان آن در فرکانس حامل و دو باند جانبی (Sideband) مجاور متمرکز شده است. هر باند جانبی دارای پهنای باند برابر با سیگنال مدوله شده است و در واقع می‌توان گفت که باندهای جانبی تصویر آینه‌ای همدیگر هستند. بنابراین مدولاسیون دامنه استاندارد را گاهی مدولاسیون دامنه باند جانبی مضاعف (Double-Sideband Amplitude Modulation) نیز می‌گویند که به اختصار DSB-AM گفته می‌شود. دلیل این نام‌گذاری این است که از نوع پیچیده‌تر مدولاسیون که آن هم مبتنی بر دامنه است، تمایز داده شود.

مدولاسیون دامنه

در مدولاسیون دامنه، تنها دامنه سیگنال حامل تغییر می‌کند و فرکانس و فاز آن ثابت و دست نخورده باقی می‌مانند. تصویر زیر نمایی از مدولاسیون دامنه را نشان می‌دهد.

مدولاسیون دامنه
مدولاسیون دامنه

در این تصویر نمودار اول نشان‌دهنده سیگنال پیام و نمودار دوم نشا‌ن‌دهنده سیگنال حامل فرکانس بالا است که حاوی هیچ اطلاعاتی نیست. نمودار سوم، سیگنال حاصل از مدولاسیون دامنه را نشان می‌دهد. با توجه به نمودار سوم واضح است که دامنه مثبت و منفی نیمه تناوب‌ها در سیگنال حامل، متناظر با دامنه سیگنال پیام تغییر می‌کند. پیک‌های مثبت و منفی در سیگنال مدولاسیون دامنه با یک خط فرضی تقریب زده می‌شوند. این خط فرضی را پوش (Envelope) سیگنال می‌گویند. نمایی از پوش یک سیگنال در تصویر زیر نشان داده شده است.

نمایی از پوش یک سیگنال
نمایی از پوش یک سیگنال

شکل موج پوش سیگنال مدولاسیون دامنه مشابه با سیگنال پیام است. بنابراین، پوش سیگنال، در بازسازی مجدد شکل اصلی سیگنال پیام بسیار موثر است. سیگنال حامل حاوی اطلاعات مفید نیست، بنابراین حتی اگر دامنه آن را هم تغییر دهیم، هیچ تغییری در اطلاعات مخابره شده به وجود نمی‌آید. پس آن‌چه که مهم است توجه به این نکته است که دامنه سیگنال پیام نباید تغییر یابد. مدولاسیون دامنه، اولین تکنیک مدولاسیون مورد استفاده در انتقال سیگنال‌های صوتی توسط سیگنال‌های رادیویی بود. تکنیک AM هنوز هم در بسیاری از اشکال مختلف مخابرات مورد استفاده قرار می‌گیرد. به عنوان مثال، در رادیوهای دو طرفه پورتابل، رادیو باند شهری، رادیو هواپیمایی VHF و یا به فرم مدولاسیون دامنه تربیعی یا QAM در مودم‌های کامپیوترها هنوز هم از این روش مدولاسیون استفاده می‌شود.

سیگنال پیام در مدولاسیون دامنه، یا یک سیگنال صوتی نشان‌دهنده صدا و یا یک سیگنال ویدیوئی نشان‌دهنده تصویر است. سیگنال حامل هم موجی با فرکانس بالاتر از سیگنال پیام است. در ایستگاه گیرنده، سیگنال پیام را با استفاده از تکنیک دمدولاسیون از سیگنال مدوله شده استخراج می‌کنند.

محاسبات ریاضی

یک سیگنال پیام سینوسی $$ a_m $$ با فرکانس $$ \omega _m $$ و دامنه $$ A_m $$ به صورت زیر داده شده است:

$$ a_m = A_m \sin \omega_m t $$

سیگنال حامل $$ a_c $$ با فرکانس $$ \omega_c $$ و دامنه $$ A_c $$ به صورت زیر را در نظر بگیرید:

$$ a_c = A_c \sin \omega_c t $$

با استفاده از عبارات ریاضی بالا برای سیگنال پیام و سیگنال حامل، می‌توان عبارت ریاضی مربوط به سیگنال مدوله شده را نیز محاسبه کرد. دامنه موج مدوله‌شده A به صورت زیر به دست می‌آید:

$$ A = A_c + a_m $$

با جایگذاری معادله اول در معادله بالا داریم:

$$ A= A_c + A_m \sin \omega_m t $$

مقدار لحظه‌ای دامنه موج مدوله‌شده a به صورت زیر است:

$$ a = A \sin \theta = A \sin \omega_c t $$

حال پس از جایگذاری، مجددا معادله بالا را می‌نویسیم:

$$ a = (A_c + A_m \sin \omega_m t) \sin \omega_c t $$

این معادله، سیگنال مدوله‌شده دامنه را نشان می‌دهد.

شاخص مدولاسیون در مدولاسیون دامنه

شاخص مدولاسیون (Modulation Index) یا عمق (Depth) مدولاسیون، نشان‌دهنده این است که چگونه دامنه، فرکانس و فاز سیگنال حامل و سیگنال پیام بر دامنه، فرکانس و فاز سیگنال مدولاسیون تاثیر می‌گذارند. بنابراین شاخص مدولاسیون دامنه ($$ M_i $$)، نشان‌دهنده نحوه تاثیرگذاری دامنه سیگنال حامل و سیگنال پیام بر سیگنال مدوله‌شده است. شاخص مدولاسیون دامنه به صورت نسبت بیشینه دامنه سیگنال پیام بر بیشینه دامنه سیگنال حامل تعریف می‌شود.

$$ M_i = \frac {A_m} {A_c} $$

بیشینه دامنه سیگنال پیام باید کمتر از بیشینه دامنه سیگنال حامل باشد، تا از هر گونه اعوجاج در سیگنال مدولاسیون جلوگیری شود. به عنوان مثال، اگر دامنه سیگنال حامل برابر با ۵ ولت در نظر گرفته شود، دامنه سیگنال پیام باید کمتر از ۵ ولت باشد. بیشینه مقدار شاخص مدولاسیون دامنه، زمانی که $$ A_m = A_c $$ برابر با ۱ است. مقدار کمینه این شاخص نیز برابر با صفر است. اگر شاخص مدولاسیون دامنه از یک بزرگ‌تر باشد، آن‌گاه آن‌چه اتفاق می‌افتد را بیش مدولاسیون (Overmodulation) می‌گویند. بیش مدولاسیون عملا منجر به از دست رفتن اطلاعات سیگنال پیام می‌شود. گاهی شاخص مدولاسیون را بر حسب درصد نیز بیان می‌کنند.

محاسبه شاخص مدولاسیون از روی سیگنال AM

شکل زیر نشان‌دهنده سیگنال مدوله شده دامنه است که از طریق این سیگنال نیز می‌توان شاخص مدولاسیون را محاسبه کرد.

محاسبه شاخص مدولاسیون دامنه از روی سیگنال مدوله‌شده
محاسبه شاخص مدولاسیون دامنه از روی سیگنال مدوله شده

با دقت در این شکل، واضح است که سیگنال پیام بر روی سیگنال حامل سوار شده است. با توجه به تصویر بالا می‌توانیم بنویسیم:

$$ A_m = \frac {A_{max} – A_{min}} {2} $$

$$ A_c = A_{max} – A_m $$

حال با جایگذاری معادله اول در معادله دوم به فرمول زیر می‌رسیم:

$$ A_c = A_{max} – \frac {A_{max} – A_{min}} {2} $$

$$ A_c = \frac {A_{max} + A_{min}} {2} $$

اکنون با توجه به مقادیر به دست آمده، می‌توانیم شاخص مدولاسیون را به صورت زیر محاسبه کنیم:

$$ M_i = \frac {A_m} {A_c} = \frac { \frac {A_{max} – A_{min}} {2}} { \frac {A_{max} + A_{min}} {2}} $$

$$ M_i = \frac {A_{max} – A_{min}} {A_{max} + A_{min}} $$

فرمول بالا، نحوه محاسبه شاخص مدولاسیون با استفاده از دامنه موج مدوله شده را نشان می‌دهد.

همان‌طور که گفتیم، بیشینه دامنه سیگنال پیام باید کمتر و یا برابر با بیشینه دامنه سیگنال حامل باشد، تا از هرگونه اعوجاج در سیگنال مدولاسیون خودداری شود. به عنوان مثال، اگر بیشینه دامنه سیگنال حامل ۵ ولت باشد، آن‌گاه باید دامنه سیگنال پیام کمتر یا برابر با ۵ ولت باشد. به همین دلیل، بیشینه مقدار شاخص مدولاسیون کمتر یا مساوی با یک خواهد بود. کمینه مقدار شاخص مدولاسیون نیز صفر است. بر همین اساس، می‌توان گفت که سه نوع مدولاسیون وجود دارد.

  • مدولاسیون کامل (Perfect-Modulation)
  • زیرمدولاسیون (Under-Modulation)
  • بیش مدولاسیون (Over-Modulation)

مدولاسیون کامل

مدولاسیون کامل زمانی اتفاق می‌افتد که بیشینه دامنه سیگنال پیام با بیشینه دامنه سیگنال حامل برابر باشد ($$A_m = A_c$$). چون شاخص مدولاسیون را به صورت نسبت بیشینه دامنه سیگنال پیام به بیشینه دامنه سیگنال حامل تعریف کردیم، بنابراین در مدولاسیون کامل، شاخص مدولاسیون دامنه برابر با یک به دست می‌آید. در تصویر زیر نمایی از سیگنال در مدولاسیون نوع کامل را می‌توان دید.

مدولاسیون نوع کامل
مدولاسیون نوع کامل

شاخص مدولاسیون با نام عمق مدولاسیون نیز شناخته می‌شود. در مدولاسیون کامل، عمق مدولاسیون برابر با ٪۱۰۰ است و سطح دامنه سیگنال حامل به صفر سقوط می‌کند. در این نوع از مدولاسیون هیچ اعوجاجی در سیگنال خروجی به وجود نمی‌آید.

زیرمدولاسیون

زیرمدولاسیون زمانی اتفاق می‌افتد که بیشینه دامنه سیگنال پیام کمتر از دامنه سیگنال حامل باشد ($$ A_m <A_c $$). اگر فرض کنیم که دامنه سیگنال پیام برابر با ۲ ولت باشد و دامنه سیگنال حامل برابر با ۴ ولت باشد، آن‌گاه این نوع مدولاسیون دامنه از نوع زیرمدولاسیون در نظر گرفته می‌شود و شاخص مدولاسیون دامنه در این حالت کمتر از یک و برابر با ۰٫۵ است و سطح دامنه سیگنال حامل به بالاتر از صفر می‌رسد. در زیرمدولاسیون نیز هیچ اعوجاجی در سیگنال خروجی به وجود نمی‌آید. تصویر زیر نمایی از سیگنال زیرمدولاسیون را نشان می‌دهد.

سیگنال زیرمدولاسیون
سیگنال زیرمدولاسیون

بیش‌ مدولاسیون

بیش مدولاسیون زمانی اتفاق می‌افتد که حداکثر دامنه سیگنال پیام از حداکثر دامنه سیگنال حامل بزرگ‌تر باشد ($$ A_m >A_c $$). به عنوان مثال اگر بیشینه دامنه سیگنال پیام برابر با ۶ و بیشینه دامنه سیگنال حامل برابر با ۴ ولت باشد، مدولاسیون از نوع بیش‌مدولاسیون بوده و شاخص مدولاسیون در این حالت از یک بزرگ‌تر است. در تصویر زیر نمایی از سیگنال بیش مدولاسیون را می‌توان دید.

سیگنال بیش مدولاسیون
سیگنال بیش مدولاسیون

در بیش مدولاسیون، فاز سیگنال حامل ۱۸۰ درجه معکوس می‌شود و سطح سیگنال حامل به زیر صفر می‌رسد. بیش مدولاسیون باعث می‌شود که سیگنال مدوله شده دچار اعوجاجات بسیار شدیدی شود و در نهایت موجب از دست رفتن داده‌ها در سیگنال پیام شود. در واقع بیش مدولاسیون یکی از دلایلی است که در حال حاضر، دیگر از مدولاسیون دامنه برای انتقال داده‌های صوتی با کیفیت بالا استفاده نمی‌شود. در فرستنده، محدود کننده‌هایی قرار دارند که از مدولاسیون با عمق بالاتر از ٪۱۰۰ در صد جلوگیری می‌کنند.

طیف فرکانسی مدولاسیون دامنه

سیگنال حامل یک سیگنال مدوله نشده سینوسی است که دارای یک فرکانس یکتا (مثلا ۳ کیلو هرتز) است و هیچ اطلاعات مفیدی را در خود ندارد. زمانی که این سیگنال توسط سیگنال پیام مدوله شود، می‌توان فرکانس‌های دیگری را هم در آن تشخیص داد. این فرکانس‌های جدید که توسط مدولاسیون به وجود آمده‌اند را باند جانبی (Sideband) می‌گویند. مطابق تصویر زیر، باندهای جانبی در بالا و پایین فرکانس حامل به وجود می‌آیند.

نمایی از باندهای جانبی در مدولاسیون AM
نمایی از باندهای جانبی در مدولاسیون AM

باند جانبی که بالاتر از فرکانس حامل ساخته می‌شود را باند جانبی بالا (Upper Sideband) می‌گویند و باند جانبی که پایین‌تر از فرکانس حامل قرار داشته باشد، باند جانبی پایین (Lower Sidebands) نام دارد. بنابراین داریم:

$$ f_{USB} = f_c + f_m $$

$$ f_{LSB} = f_c – f_m $$

که در فرمول‌های بالا، $$ f_c $$ فرکانس سیگنال حامل، $$ f_{LSB} $$ فرکانس باند جانبی پایین، $$ f_m $$ فرکانس سیگنال پیام و $$ f_{USB} $$ فرکانس باند جانبی بالا هستند.

برای درک بهتر این موضوع، فرکانس سیگنال حامل را برابر با ۸۰۰ کیلو هرتز در نظر بگیرید. حال اگر این سیگنال حامل را با یک سیگنال پیامی با فرکانس ۱۰ کیلو هرتز مدوله کنیم، آن‌گاه دو باند جانبی در طیف فرکانسی ایجاد می‌شوند. یکی از این باندهای جانبی بالاتر از فرکانس سیگنال حامل به وجود می‌آید و دارای فرکانس‌ $$ \text { 800 KHZ + 10 KHZ = 810 KHZ } $$ است. باند جانبی دیگری هم در طیف فرکانسی به وجود می‌آید که پایین‌تر از فرکانس سیگنال حامل قرار می‌گیرد. فرکانس باند جانبی پایینی برابر با $$ \text { 800 KHZ + 10 KHZ = 790 KHZ } $$ خواهد بود. در تصویر زیر، باندهای جانبی بالا و پایین ایجاد شده در مدولاسیون دامنه را می‌توان مشاهده کرد.

باندهای جانبی به وجود آمده در مدولاسیون دامنه
باندهای جانبی به وجود آمده در مدولاسیون دامنه

در نتیجه پس از انجام مدولاسیون دامنه بر روی سیگنال حامل، فرکانس‌های 10 کیلو هرتز در بالا و پایین فرکانس حامل به وجود می‌آیند. حال اگر معادله سیگنال مدوله شده AM، که در قسمت‌های قبل به اثبات آن پرداختیم را به یاد آوریم، آن‌گاه داریم:

$$ a = (A_c + A_m \sin \omega_m t) \sin \omega_c t $$

$$M_i = \frac {A_m} {A_c}$$

$$ A_m = M_i A_c $$

با جایگذاری مقدار $$ A_m $$ در معادله موج مدولاسیون دامنه داریم:

$$ a = (A_c +M_i A_c \sin \omega_m t) \sin \omega_c t \\
= A_c (1+ M_i \sin \omega_m t) \sin \omega_c t \\
=A_c \sin \omega_c t +A_c M_i \sin \omega_m t \sin \omega_c t $$

اما می‌دانیم که $$  \sin(A) \sin(B) = \frac {1} {2} \cos (A-B) – \frac {1} {2} \cos (A + B) $$ است، بنابراین با اعمال این قانون به معادله بالا داریم:

$$  a = A_c \sin \omega_c t +A_c M_i \frac {1} {2} \cos (\omega_c – \omega_m) t – A_c M_i \frac {1} {2} \cos (\omega_c + \omega_m) t $$

در معادله بالا، عبارت اول نشان‌دهنده سیگنال حامل مدوله‌نشده است، در حالی‌که عبارت دوم و سوم به ترتیب نشان‌دهنده باندهای جانبی پایین و بالا در مدولاسیون دامنه هستند. به یاد داشته باشید که $$ \omega_c = 2\pi f_c $$ و $$ \omega_m = 2\pi f_m $$ هستند، بنابراین فرمول بالا را می‌توانیم به صورت زیر نیز بازنویسی کنیم.

$$  a = A_c \sin 2\pi f_c t +A_c M_i \frac {1} {2} \cos 2\pi (f_c – f_m) t – A_c M_i \frac {1} {2} \cos 2 \pi (f_c + f_m) t \\
= A_c \sin 2\pi f_c t +A_c M_i \frac {1} {2} \cos 2\pi f_{LSB} t – A_c M_i \frac {1} {2} \cos 2 \pi f_{USB} t $$

با توجه به این فرمول‌ها می‌توانیم طیف فرکانسی AM را به صورت شکل زیر ترسیم کنیم.

باندهای جانبی بالا و پایین
باندهای جانبی بالا و پایین

این طیف فرکانسی شامل حامل کامل و هر دو باند جانبی است. به همین دلیل به این سیستم، حامل کامل باند جانبی مضاعف (Double Sideband Full Carrier) یا به اختصار DSBFC گفته می‌شود.

پهنای باند مدولاسیون دامنه

پهنای باند سیگنال را می‌توان از طریق تفاضل بالاترین و پایین‌ترین فرکانس سیگنال به دست آورد. با توجه به شکل بالا، پهنای باند سیگنال مدولاسیون AM را می‌توانیم به صورت زیر محاسبه کنیم:

$$ BW = f_{USB} – f_{LSB} = (f_c + f_m) -(f_c – f_m) \\
= 2f_m $$

روش‌های مدولاسیون

طراحی مدارهای مدولاسیون بر حسب این که در حوزه توان پایین مدولاسیون را انجام می‌دهند و سپس برای انتقال تقویت می‌شوند یا در حوزه سیگنال‌های انتقال توان بالا کار می‌کنند، به دو گروه سطح بالا و سطح پایین تقسیم‌بندی شوند.

سطح پایین

در سیستم‌های رادیویی مدرن، سیگنال‌های مدولاسیون از طریق پردازش سیگنال‌های دیجیتال (DSP) تولید می‌شوند. با استفاده از DSP، کنترل نرم‌افزاری انواع مختلف AM مانند DSB، SSB و یا ISB امکان‌پذیر خواهد بود. نمونه‌های دیجیتال تولیدشده، توسط یک مبدل دیجیتال به آنالوگ (Digital-to-Analog Converter) و معمولا با فرکانسی کمتر از فرکانس خروجی RF مطلوب، به ولتاژ تبدیل می‌شوند. سیگنال آنالوگ سپس باید در فرکانس شیفت داده شود و به صورت خطی تا فرکانس و سطح توان مورد نظر تقویت شود. توجه کنید که دلیل استفاده از تقویت‌کنندگی خطی، جلوگیری از ایجاد اعوجاج در مدولاسیون است. این روش مدولاسیون دامنه با سطح توان پایین، در بسیاری از فرستنده و گیرنده‌های رادیویی آماتور مورد استفاده قرار می‌گیرد. مدولاسیون دامنه ممکن است که در سطح پایین با استفاده از روش‌های آنالوگ نیز تولید شود.

سطح بالا

انتقال مدولاسیون دامنه توان بالا، مانند آن‌چه در انتشار AM مورد استفاده قرار می‌گیرد، بر اساس طبقات تقویت‌کننده‌های راندمان بالا کلاس D و کلاس E هستند و با تغییر ولتاژ منبع تغذیه مدوله می‌شوند. طراحی‌های قدیمی‌تر برای انتشار و رادیو آماتور نیز، مدولاسیون AM را با استفاده از کنترل بهره تقویت‌کننده نهایی فرستنده تولید می‌کنند. معمولا برای بازده بالاتر از تقویت‌کننده کلاس C استفاده می‌شود. انواع زیر برای استفاده در فرستنده‌های لوله خلا کاربرد دارند، اما انتخاب‌های مشابهی با ترانزیستورها هم در دسترس هستند.

مدولاسیون صفحه

در مدولاسیون صفحه (Plate Modulation) ولتاژ صفحات در تقویت‌کننده RF با سیگنال صوتی مدوله می‌شود. توان صوتی مورد نیاز برابر با ۵۰ درصد توان حامل RF است.

مدولاسیون Heising

در مدولاسیون هیسینگ (Heising) یا جریان ثابت (Constant-Current)، ولتاژ صفحه تقویت‌کننده RF، از طریق یک بازدار یا چوک (Choke) که یک سلف با مقدار بزرگ است، تغذیه می‌شود. صفحه لوله مدولاسیون AM نیز از طریق سلف مشابهی تغذیه می‌شود، بنابراین لوله مدولاتور جریان را از تقویت‌کننده RF هدایت می‌کند. در واقع چوک در بازه صوتی مانند یک منبع جریان ثابت عمل می‌کند. این سیستم دارای راندمان توان پایینی است.

مدولاسیون شبکه کنترل

بایاس عملکرد و بهره تقویت‌کننده RF نهایی می‌تواند با تغییر ولتاژ شبکه کنترل (Control Grid) تنظیم شود. این روش به توان صوتی بسیار پایینی نیاز دارد، اما باید به منظور کاهش اعوجاج کنترل دقیقی به عمل آید.

مدولاسیون لوله برش

بایاس شبکه-صفحه (Screen-Grid Bias) را می‌توان از طریق لوله برش (Clamp Tube) کنترل کرد که ولتاژ را متناسب با سیگنال مدولاسیون کاهش می‌دهد. نکته مهمی که وجود دارد این است که غیر ممکن است که در چنین سیستمی به مدولاسیون ۱۰۰ درصد رسید و در عین حال اعوجاج را در سطح بسیار پایین حفظ کرد.

مزایا و معایب مدولاسیون دامنه

یکی از مهم‌ترین معایب تمام روش‌‌های مدولاسیون دامنه (نه‌تنها مدولاسیون دامنه استاندارد) در این است که گیرنده نویز و تداخلات الکترومغناطیسی را با نسبت برابر با سیگنال اصلی در مقصد شناسایی و تقویت می‌کند. این عمل منجر به افزایش نرخ سیگنال به نویز (Signal-to-Noise Ratio) به اندازه 10 برابر (بهبود 10 دسیبل) می‌شود. اما نیاز است که توان فرستنده را هم ده برابر بیشتر کنیم. این ویژگی بر عکس مدولاسیون فرکانس (Frequency Modulation) و رادیو دیجیتالی است که در آن اثر چنین نویزی در دمدولاسیون به شدت کاهش می‌یابد، البته به شرطی که سیگنال دریافتی بالاتر از حد آستانه قابل قبول باشد. به همین دلیل روش انتشار AM برای پخش موسیقی و انتشار پس‌همانده (High Fidelity) روشی مناسب نیست، اما برای مخابرات صوتی این روش ترجیح داده می‌شود.

عیب دیگر روش مدولاسیون AM این است که در مصرف توان بسیار ناموثر است و حداقل دو سوم توان در سیگنال حامل تمرکز یافته است. سیگنال حامل، حاوی هیچ کدام از اطلاعات مفید (صدا، ویدیو، داده) برای انتقال نیست. با این همه، مدولاسیون دامنه موجب می‌شود ابزاری ساده برای دمدولاسیون فراهم شود. در دمدولاسیون دامنه، با استفاده از تشخیص پوش و مرجع فاز و فرکانس، سیگنال پیام از باندهای جانبی استخراج می‌شود.

در برخی از سیستم‌های مدولاسیون مبتنی بر AM، از طریق حذف کامل یا بخشی از المان حامل، توان مورد نیاز فرستنده کاهش داده می‌شود. با این حال، مشکل این نوع مدولاسیون در این است که گیرنده‌های چنین سیگنال‌هایی به مراتب پیچیده‌تر و گران‌تر هستند. گیرنده ممکن است از فرکانس حامل یک کپی تهیه کند و در فرایند دمدولاسیون از آن استفاده کند. حتی با حذف کامل حامل در انتقال DSB-SC که مخفف Double-Sideband Suppressed-Carrier است، باز این امکان وجود دارد که حامل را از طریق حلقه قفل‌شده فاز کاستاس (Costas Phase-Locked Loop) مجددا تولید کرد. اما این روش برای SSB-SC که مخفف Single-Sideband Suppressed-Carrier است، موثر واقع نمی‌شود.

با این حال، تک باند جانبی در رادیوهای آماتور (Amateur Radio) و مخابرات صوتی به دلیل راندمان توان و راندمان پهنای باند، استفاده گسترده‌ای ندارد؛ زیرا پهنای باند RF را نسبت به AM استاندارد نصف می‌کند. از طرف دیگر، در انتشار امواج متوسط و کوتاه به وسیله تکنیک مدولاسیون دامنه استاندارد با حامل کامل، می‌توان از گیرنده‌های نسبتا ارزان‌تری استفاده کرد.

عملکرد اضافه‌ای که توسط حامل در مدولاسیون دامنه استاندارد فراهم می‌شود، اما در روش‌های انتقال حامل سرکوب‌شده باند جانبی مضاعف و انتقال حامل سرکوب‌شده باند جانبی تکی وجود ندارد، این است که یک مرجع دامنه را برای سیستم فراهم می‌آورد. در سمت گیرنده، کنترل بهره اتوماتیک یا AGC به نحوی به حامل پاسخ می‌دهد که سطح صوت بازتولید شده در نسبت ثابتی با مدولاسیون اصلی باقی بماند.

از طرف دیگر، در انتقال حامل سرکوب‌شده، هیچ توان انتقالی در طول وقفه‌های مدولاسیون وجود ندارد، بنابراین AGC باید به پیک‌های توان انتقالی در پیک‌های مدولاسیون پاسخ دهد. این مسئله به خصوص در مدارات مشهور به حمله سریع، فروپاشی آهسته (Fast Attack, Slow Decay) وجود دارد که بعد از چنین پیک‌هایی سطح AGC را برای یک ثانیه یا بیشتر، بین هجا (Syllables) یا وقفه‌های کوتاه در برنامه نگه می‌دارد. این عمل برای مخابرات رادیویی قابل قبول است، زیرا فشرده سازی (compression) صوت به قابل فهم بودن (Intelligibility) آن کمک می‌کند. با این حال، برای برنامه‌های انتشار عادی یا موسیقی بسیار نامطلوب است: زیرا در این سیگنال‌ها، یک بازتولید کامل از سیگنال اصلی، شامل سطح مدولاسیون متغیر آن، مورد نیاز است.

یک شکل دیگر از مدولاسیون AM، که برای انتقال داده‌های باینری می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد، کلیدزنی خاموش-روشن (On-Off Keying) است که فرم ساده شده روش کلیدزنی انتقال دامنه‌ای (Amplitude-Shift Keying) یا ASK محسوب می‌شود. در این روش، صفرها و یک‌ها توسط حضور و یا غیاب یک حامل نشان داده می‌شوند. کلیدزنی خاموش-روشن در رادیوهای آماتور برای انتقال کد مورس (Morse Code) مورد استفاده قرار می‌گیرد که به عنوان عملکرد موج پیوسته شناخته می‌شود، حتی با این وجود که انتقال اکیدا پیوسته نیست. شکل پیچیده‌تر مدولاسیون دامنه، که امروزه در داده‌های دیجیتال بسیار متداول‌تر است، مدولاسیون دامنه تربیعی (Quadrature Amplitude Modulation) است. در این روش از پهنای باند موجود به صورت موثرتری استفاده می‌شود. نمایی از کدهای مورس مختلف را در تصویر زیر می‌توان دید.

کدهای مورس
کدهای مورس

در نتیجه، به صورت خلاصه می‌توان مزایای مدولاسیون دامنه را به صورت زیر نام برد:

  • احتیاج به المان‌های کم جهت پیاده‌سازی: در سمت گیرنده، سیگنال ارسال شده را فقط با استفاده از چند عنصر مداری می‌توان استخراج کرد.
  • هزینه پایین: المان‌های مورد استفاده در مدار مدولاسیون دامنه قیمت‌های بسیار پایینی دارند. بنابراین گیرنده و فرستنده در مدولاسیون دامنه با قیمت ناچیزی ساخته می‌شوند.
  • پیاده‌سازی راحت: پیاده‌سازی مدارات مورد استفاده در مدولاسیون دامنه بسیار ساده است.
  • مخابرات راه دور: امواج با استفاده از مدولاسیون دامنه می‌توانند تا مسافت‌های دورتر منتقل شوند.

همچنین معایب اصلی مدولاسیون دامنه به صورت زیر خلاصه می‌شوند:

  • ناکارآمدی مدولاسیون دامنه از لحاظ توان مصرفی: همان‌طور که گفتیم، سیگنال پیام حاوی اطلاعات مفید است اما سیگنال حامل هیچ اطلاعات مفیدی ندارد. در مدولاسیون دامنه قسمت عمده توان در سیگنال حامل متمرکز می‌شود، که حاوی هیچ اطلاعاتی نیست، در حالی که در سمت گیرنده توان دریافتی توسط سیگنال حامل تلف می‌شود.
  • نیاز به پهنای باند بالا: مدولاسیون دامنه از لحاظ پهنای باند مصرفی هم عملکرد بهینه‌ای ندارد؛ زیرا به پهنای باندی به اندازه دو برابر بزرگ‌ترین فرکانس سیگنال صوتی نیاز دارد.
  • تاثیرپذیری: این نوع از انتقال داده، به آسانی تحت تاثیر تشعشعات خارجی قرار می‌گیرد.
  • نویزپذیری: انتقال داده به روش مدولاسیون دامنه همچنین به سادگی تحت تاثیر نویزها و تشعشعات ساخته بشر مانند نویزهای آنتن‌ها و کانال‌های مخابراتی قرار می‌گیرد.
  • برای انتقال موسیقی نمی‌توان از مدولاسیون AM استفاده کرد و در عوض مدولاسیون فرکانس نتایج بهتری دارد.
  • مدولاسیون دامنه برای انتقال اطلاعات حساس مانند اطلاعات نظامی، مناسب نیست: زیرا در انتقال این نوع داده‌ها تداخل یا اختلال (Disruption) یا از دست رفتن داده‌ها عواقب جبران‌ناپذیری را به دنبال خواهد داشت.

کاربردهای مدولاسیون دامنه

  • رادیو باند هوایی: مدولاسیون AM به صورت گسترده در صنعت هوانوردی مورد استفاده قرار می‌گیرد. انتقال فرکانسی بسیار بالا (Very High Frequency) یا VHF مورد نیاز در تجهیزات هوانوردی هنوز هم از مدولاسیون دامنه استفاده می‌کند. همچنین ارتباط رادیویی بین زمین با زمین و نیز زمین با هوا از سیگنال‌های مدولاسیون دامنه بهره می‌برد.
  • انتقال انتشار (Broadcast Transmission): مدولاسیون دامنه هنوز هم به صورت گسترده برای انتشار باندهای امواج کوتاه، متوسط و بلند مورد استفاده قرار می‌گیرد.
  • مدولاسیون دامنه تربیعی: مدولاسیون دامنه برای انتقال تقریبا همه نوع داده، از انتقال کوتاه برد مانند WIFI تا مخابرات سلولی مورد استفاده قرار می‌گیرد. یکی از انواع مدولاسیون دامنه، مدولاسیون دامنه تربیعی است که در آن از ترکیب دو سیگنال حامل که با یکدیگر 90 درجه اختلاف فاز دارند، استفاده می‌شود.
  • تک باند جانبی: مدولاسیون دامنه در فرم تک باند جانبی هنوز هم در ارتباطات رادیویی فرکانس بالا (HF) مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در نهایت اگر بخواهیم که به روش‌های دمدولاسیون هم اشاره مختصری کرده باشیم، باید بگوییم که ساده‌ترین فرم دمدولاتور AM از مداری دیودی تشکیل شده است و نحوه پیکربندی به صورتی است که دیود به عنوان تشخیص دهنده پوش (Envelope Detector) در سیگنال مدولاسیون عمل می‌کند. نوع دیگر دمدولاتورها، تشخیص دهنده‌های ضرب ( Product Detector) هستند که می‌توانند کیفیت دمدولاسیون بهتری را با پیچیدگی مداری اضافی فراهم کنند.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

مرضیه آقایی (+)

«مرضیه آقایی» دانش‌آموخته مهندسی برق است. فعالیت‌های کاری و پژوهشی او در زمینه کنترل پیش‌بین موتورهای الکتریکی بوده و در حال حاضر، آموزش‌های مهندسی برق مجله فرادرس را می‌نویسد.

بر اساس رای 4 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *