فرادرس
مدولاسیون چند حاملی (Multicarrier Modulation) چیست؟ — از صفر تا صد
در مطالب قبلی مجله فرادرس به بررسی اهمیت مدولاسیون در مخابرات پرداختیم و تعدادی از روش‌های مدولاسیون را بررسی کردیم. در این مطلب قصد داریم تکنیک «مدولاسیون چند حاملی» (Multicarrier Modulation) را معرفی کنیم. مدولاسیون چند حاملی یک نوع دیگر از روش‌های مدولاسیون سیگنال به حساب می‌آید که از چند حامل در یک بلوک استفاده می‌کند تا اطلاعات را به وسیله آن‌ها منتقل کند.
مدولاسیون چند حاملی
مدولاسیون چند حاملی که به اختصار به آن MCM نیز می‌گویند، تکنیکی است که برای انتقال داده‌ها از طریق چند حامل مورد استفاده قرار می‌گیرد. توجه کنید که حامل‌های چندگانه در «فواصل نزدیک به هم» (Normally Close Spaced) قرار دارند. مدولاسیون چند حاملی مزایای فراوانی دارد که به عنوان مثال می‌توان به انعطاف بیشتر در برابر «تداخل» (Interference)، انعطاف در برابر «محوشدگی باند باریک» (Narrow Band Fading) و نیز «اثر چند مسیری» (Multipath Effects) اشاره کرد.
در نتیجه مدولاسیون چند حاملی به صورت گسترده برای انتقال داده‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. زیرا این تکنیک مدولاسیون قادر است یک شکل موج سیگنال موثر را ایجاد کند که هم از لحاظ طیفی کارآمد است و هم در مقابله با محیط واقعی انتقال سیگنال انعطاف‌پذیری بیشتری دارد.
اصول کار مدولاسیون چند حاملی
مدولاسیون چند حاملی از طریق تقسیم کردن جریان داده‌هایی که باید ارسال شوند، به تعدادی جریان داده با نرخ داده پایین‌تر عمل می‌کند. سپس هر کدام از جریان‌های داده با نرخ پایین برای مدولاسیون یک سیگنال حامل مورد استفاده قرار می‌گیرند. زمانی که تمام سیگنال پیام به صورت کامل دریافت شد، نوبت به این می‌رسد که گیرنده از روی سیگنال‌های دریافت شده از حامل‌های چندگانه، سیگنال پیام اصلی را مجددا مونتاژ کند. برای مدولاسیون چند حاملی می‌توان از گستره وسیعی از تکنیک‌ها استفاده کرد که هر کدام از این تکنیک‌های مدولاسیون چند حاملی دارای مزایا و معایب خاص خود هستند و می‌توانند در کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار گیرند. در تصویر زیر شماتیکی از تفاوت ارسال داده در روش مدولاسیون تک حاملی یا SC و مدولاسیون چند حاملی یا MC نشان داده شده است.
می‌توان گفت مدولاسیون چند حاملی اولین بار در کاربردهای نظامی مورد استفاده قرار گرفت. اولین استفاده از مدولاسیون چند حاملی یا MCM در لینک‌های رادیویی HF نظامی در سال ۱۹۵۰ بود. در آن هنگام از چندین کانال برای مقابله با اثر محوشدگی سیگنال استفاده می‌شد. در اصل تکنیک MCM یا مدولاسیون چند حاملی به استفاده از چند کانال نیاز داشت که توسط فیلترهای با شیب پاسخ بسیار تند از یکدیگر جدا شده بودند؛ زیرا در یک فضای بسته قرار داشتند. با استفاده از این روش تداخلات کانال‌های مجاور را می‌توانستند حذف کنند.
با این حال، سیستم‌های مدولاسیون چند حاملی برای اولین بار در هنگام معرفی سیستم‌های «پخش رادیو و تلویزیونی» (Broadcasting) مانند رادیو دیجیتال DAB و «پخش ویدیو دیجیتال» (Digital Video Broadcasting) یا DVB مورد استفاده گسترده قرار گرفت. به عنوان مثال در پخش ویدیو دیجیتال از تکنیک مدولاسیون «مالتی پلکسینگ تقسیم فرکانسی متعامد» (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) یا به اختصار OFDM استفاده می‌شد. تقسیم فرکانسی چندگانه متعامد یا OFDM از توان پردازش درون گیرنده و تعامد بین سیگنال‌های حامل بهره می‌گرفت و با استفاده از آن‌ها از عدم حضور تداخل اطمینان حاصل می‌کرد. در تصویر زیر نمایی از سیگنال‌ها در یکی از روش‌های مدولاسیون چند حاملی (تقسیم فرکانسی چندگانه متعامد یا OFDM) نشان داده شده است.
در سال‌های بعد، از مالتی پلکسینگ تقسیم فرکانسی متعامد در سیستم‌هایی مانند مخابرات راه دور سلولی و بی‌سیم و همچنین شبکه‌های استاندارد مانند Wi-Fi 802.11 و WiMAX و نیز LTE در سیستم‌های سلولی استفاده شد. سایر سیستم‌های سلولی نیز از تکنیک‌های چند حاملی برای رسیدن به نرخ انتقال داده بالا استفاده می‌کنند و برای این کار از دو یا تعداد بیشتری حامل از یک سیستم سلولی استاندارد بهره می‌گیرند که HSPA حامل دوگان مثالی از این کاربردها است. در شبکه‌ها و سیستم‌های سلولی جدیدتر، روش‌های مدولاسیون چند حاملی دیگری بسط و توسعه داده می‌شوند که در آینده‌ای نزدیک شاهد استفاده از آن‌ها خواهیم بود.
سیستم‌های مدولاسیون چند حاملی
همان طور که گفتیم، انواع مختلفی از تکنیک‌های مدولاسیون چند حاملی وجود دارند که در کاربردهای مختلف از آن‌ها استفاده می‌شود. در ادامه به برخی از پرکاربردترین و معروف‌ترین تکنیک‌های مدولاسیون چند حاملی اشاره می‌کنیم و به صورت خلاصه آن‌ها را شرح می‌دهیم.
مدولاسیون تقسیم فرکانسی چندگانه متعامد یا OFDM: روش مدولاسیون تقسیم فرکانسی چندگانه متعامد را می‌توان به جرات پرکاربردترین روش مدولاسیون چند حاملی دانست. در این تکنیک مدولاسیون از حامل‌های چندگانه بسیار نزدیک به هم برای انتقال سیگنال داده استفاده می‌شود و به دلیل متعامد بودن، از «تداخلات متقابل» (Mutual Interference) بین آن‌ها صرف نظر می‌شود.
مدولاسیون مقسم فرکانسی چندگانه تعمیم یافته یا GFDM: تکنیک مدولاسیون «مقسم فرکانسی چندگانه تعمیم یافته» (Generalised Frequency Division Multiplexing) یک روش دیگر مدولاسیون چند حاملی محسوب می‌شود که از امواج حامل غیر متعامد نزدیک به هم استفاده می‌کند و یک شکل‌دهی پالس انعطاف پذیر را فراهم می‌کند. به دلیل این ویژگی، مدولاسیون مقسم فرکانسی چندگانه تعمیم یافته یا GFDM برای کاربردهایی نظیر مخابرات ماشین با ماشین» (Machine to Machine Communications) جذابیت بسیار بالایی دارد.
مدولاسیون چند حاملی بانک فیلتری یا FBMC: «مدولاسیون چند حاملی بانک فیلتری» (Filter Bank Multi Carrier) یک فرم دیگر از روش‌های مدولاسیون چند حاملی است که از یک فیلتر شکل دهی پالس مخصوص استفاده می‌کند. به این نوع فیلترها در سیستم‌های پردازش سیگنال دیجیتال اصطلاحا «الگوریتم تبدیل متعامد ایزوتروپیک» (Isotropic Orthogonal Transform Algorithm) یا به اختصار IOTA می‌گویند. این نوع از مدولاسیون چند حاملی می‌تواند «مشخصه‌های متمرکزسازی زمانی و فرکانسی» (Time and Frequency Localisation Properties) بسیار خوبی را ایجاد کند و به همین دلیل می‌توان اطمینان حاصل کرد که از «تداخلات میان سمبل‌ها» (Inter-Symbol Interference) و «تداخلات میان حامل‌ها» (Inter-Carrier Interference) بدون استفاده از «پیشوند سیکلی» (Cyclic Prefix) یا CP (که در مدولاسیون چند حاملی OFDM ضروری است.) اجتناب می‌شود.
مدولاسیون مالتی پلکس مقسم فرکانسی موثر طیفی یا SEFDM: تکنیک مدولاسیون «مالتی پلکس مقسم فرکانسی موثر طیفی» (Spectrally Efficient Frequency Division Multiplex) نیز مانند مدولاسیون تقسیم فرکانسی چندگانه متعامد از سیگنال‌های حامل چندگانه استفاده می‌کند، اما حامل‌ها نسبت به OFDM نزدیک‌تر به هم قرار گرفته‌اند. با این حال، باز هم این امکان وجود دارد که داده‌ها را با مقداری «خطای توان» (Power Penalty) بازیابی کرد.
تمام تکنیک‌های مدولاسیون چند حاملی که در فوق به آن‌ها اشاره کردیم، هر کدام دارای مزایا و مشخصه‌های خاص خود هستند، به همین دلیل هر روش مدولاسیون در حوزه کاربرد مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزشهای زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:
- مجموعه آموزشهای مهندسی مخابرات
- آموزش مخابرات ۱
- مجموعه آموزشهای مهندسی الکترونیک
- آموزش مبانی الکترونیک – مفاهیم تئوریک به همراه شبیه سازی عملی و کاربردی
- مدولاسیون SSBSC چیست؟ — به زبان ساده
- انواع کانال مخابراتی و مشخصه‌های آن‌ها — از صفر تا صد
- مدولاسیون کلیدزنی شیفت فاز یا PSK چیست؟ — از صفر تا صد
^^
