برق, مهندسی 4276 بازدید

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 می شود. تصویر زیر مدولاسیون دامنه (Amplitude Modulation) را نشان می‌دهد.

مدولاسیون دامنه
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:

  1. سیگنال پیام
  2. سیگنال حامل
  3. 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:

  1. جلوگیری از ترکیب (Mix) سیگنال‌ها
  2. افزایش برد ارتباطات
  3. برقراری ارتباطات بی‌سیم
  4. کاهش اثر نویز
  5. 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:

$$ \text{wavelength}(\lambda) =\frac {\text{Velocity (v)}} {\text{Frequency (c)}}=\frac {3 \times 10^8} {\text{Frequency (HZ)}} \text{metres} $$

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 15000 متر نیاز است:

$$ \text{wavelength}(\lambda) =\frac {\text{Velocity (v)}} {\text{Frequency (c)}}=\frac {3 \times 10^8} {20 \times 10^3} = 15000\;\text{mtres} $$

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 200 مگا هرتز مدوله کنیم. در این حالت، ارتفاع آنتن فرستنده مورد نیاز به 1٫۵ متر کاهش می‌یابد.

$$ \text{wavelength}(\lambda) =\frac {\text{Velocity (v)}} {\text{Frequency (c)}}=\frac {3 \times 10^8} {(200 \times 10^6) + 20} = 1.5\;\text{mtres} $$

ساخت آنتن با ارتفاع 1٫۵ متر در عمل به آسانی انجام می‌پذیرد.

انواع مدولاسیون

اساسا مدولاسیون را می‌توان به دو گروه طبقه‌بندی کرد: مدولاسیون آنالوگ و مدولاسیون دیجیتال. در تصویر زیر نمای کلی تقسیم بندی انواع مدولاسیون را مشاهده می‌کنید.

انواع مدولاسیون
انواع مدولاسیون

مدولاسیون آنالوگ

در مدولاسیون آنالوگ (Analog Modulation)، یک سیگنال آنالوگ (سیگنال سینوسی) به عنوان موج حامل مورد استفاده قرار می‌گیرد تا سیگنال پیام را مدوله کند. در این نوع مدولاسیون، مشخصه‌های فرکانس، دامنه یا فاز سیگنال حامل، متناسب با دامنه سیگنال پیام تغییر داده می‌شود. مدولاسیون آنالوگ دارای چهار نوع اساسی است:

  • مدولاسیون دامنه (Amplitude Modulation)
  • مدولاسیون فرکانس (Frequency Modulation)
  • مدولاسیون فاز (Phase Modulation)
  • مدولاسیون پالس آنالوگ (Analog Pulse Modulation)

مدولاسیون دامنه

مدولاسیون دامنه نوعی از مدولاسیون آنالوگ است که در آن دامنه سیگنال حامل منطبق بر دامنه سیگنال پیام تغییر می‌کند، در حالی‌ که فرکانس و فاز سیگنال حامل دست‌نخورده باقی می‌ماند. نمایی از مدولاسیون دامنه در تصویر زیر نشان داده شده است.

مدولاسیون دامنه
مدولاسیون دامنه

با توجه به تصاویر بالا واضح است که دامنه سیگنال حامل منطبق بر دامنه سیگنال پیام تغییر می‌کند و سایر مشخصه‌ای آن مانند فاز و فرکانس، ثابت باقی می‌مانند.

مدولاسیون فرکانس

مدولاسیون فرکانس، نوعی دیگری از مدولاسیون آنالوگ است و این بار فرکانس سیگنال حامل متناظر با دامنه سیگنال پیام تغییر می‌کند، در حالی‌که دامنه و فاز سیگنال حامل ثابت باقی می‌مانند. تصویر زیر نمایی از مدولاسیون فاز را نشان می‌دهد.

مدولاسیون فرکانس
مدولاسیون فرکانس

در این تصویر نیز نمودار اول سیگنال پیام و نمودار دوم سیگنال حامل است. نمودار سوم سیگنال نهایی مدوله شده را نشان می‌دهد. با دقت در نودارها می‌توان به این نتیجه رسید که فرکانس سیگنال حامل در تناظری یک به یک با سیگنال پیام تغییر می‌کند، در حالی‌که سایر مشخصه‌های آن ثابت باقی می‌مانند.

مدولاسیون فاز

مدولاسیون فاز نوع سوم مدولاسیون آنالوگ است. در این نوع مدولاسیون، فاز سیگنال حامل در تطابق با دامنه سیگنال پیام تغییر می‌کند و دامنه آن ثابت باقی می‌ماند. نمایی از سیگنال‌های مختلف در یک فرایند مدولاسیون فاز در شکل زیر نشان داده شده‌اند.

مدولاسیون فاز
مدولاسیون فاز

با دقت در تصویر می‌توان مشاهده کرد که فاز سیگنال حامل با افزایش دامنه سیگنال پیام، افزایش یافته و با کاهش دامنه سیگنال پیام، فاز سیگنال حامل نیز کاهش می‌یابد. دامنه و فرکانس سیگنال مدوله شده نهایی با دامنه سیگنال حامل برابر هستند.

نکته مهمی که در این نوع از مدولاسیون وجود دارد، این است که علاوه بر تغییر فاز سیگنال حامل، فرکانس این سیگنال هم متاثر از تغییر فاز آن تغییر می‌کند و در نتیجه می‌توان این نوع از مدولاسیون را زیر مجموعه‌ای از مدولاسیون فرکانس نیز طبقه‌بندی کرد. مدولاسیون فاز و مدولاسیون فرکانس، هر دو در گروه مدولاسیون زاویه (Angle Modulation) قرار می‌گیرند.

مدولاسیون پالس آنالوگ

در تکنیک‌های مدولاسیون فاز، مدولاسیون دامنه و مدولاسیون فرکانس، سیگنال‌های پیام و حامل هر دو از نوع پیوسته در زمان (سیگنال سینوسی) هستند. اما در مدولاسیون پالس آنالوگ، سیگنال حامل یک سیگنال گسسته (یک دنباله از پالس‌ها) است ولی سیگنال پیام، سیگنالی پیوسته است.

مدولاسیون پالس آنالوگ، فرایندی است که طی آن یکی از مشخصه‌های پالس حامل مانند دامنه پالس، عرض پالس و موقعیت پالس به صورت متناظر با دامنه سیگنال پیام تغییر می‌کنند. مدولاسیون پالس آنالوگ خود به سه گروه اصلی زیر تقسیم‌بندی می‌شوند.

  • مدولاسیون دامنه پالس (Pulse Amplitude Modulation)
  • مدولاسیون پهنای پالس (Pulse Width Modulation)
  • مدولاسیون موقعیت پالس (Pulse Position Modulation)

مدولاسیون پالس آنالوگ را با یک مثال ساده می‌توان بهتر درک کرد. تصویر زیر نمایی از فرایند مدولاسیون دامنه پالس (PAM) را نشان می‌دهد.

مدولاسیون دامنه پالس
مدولاسیون دامنه پالس

نمودار اول در این تصویر سیگنال پیام را نشان می‌دهد که سیگنالی پیوسته است. نمودار دوم قطار پالس حامل را نشان می‌دهد که شامل هیچ اطلاعات مفیدی نیست. اما نمودار سوم، سیگنال حاصل از مدولاسیون دامنه پالس است.

با دقت در سه نمودار شکل بالا، می‌توان دید که دامنه قطار پالس‌های حامل به صورت متناظر با دامنه سیگنال پیام تغییر می‌کند، اما عرض و موقعیت پالس‌های حامل ثابت باقی می‌مانند. مدولاسیون آنالوگ به نویز حساسیت بیشتری دارد. سیگنال نویز باعث می‌شود که سیگنال انتقالی که حاوی اطلاعات مفید است، تضعیف شود. این ضعف در مدولاسیون آنالوگ با استفاده از تکنینک‌های مدولاسیون دیجیتال برطرف شود.

مدولاسیون دیجیتال

تکنیک‌های مدولاسیون دیجیتال، برای انتقال اطلاعات با راندمان بالاتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. مزیت اصلی مدولاسیون دیجیتال نسبت به مدولاسیون آنالوگ را می‌توان ایمنی بالاتر آن در برابر نویز، پهنای باند بیشتر و توان مجاز بالاتر دانست. در مدولاسیون دیجیتال، سیگنال مدولاسیون یا سیگنال پیام را باید از نوع آنالوگ به نوع دیجیتال تبدیل کرد.

مدولاسیون کد پالس

در مدولاسیون دیجیتال، یکی از تکنیک‌هایی که مورد استفاده قرار می‌گیرد، مدولاسیون کد پالس (Pulse Code Modulation) است. این تکنیک به اختصار PCM خوانده می‌شود. PCM روشی برای تبدیل سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال (یعنی سیگنال‌های صفر و یک) محسوب می‌شود. از آن‌جا که سیگنال نهایی یک قطار پالسی کدگذاری شده است، این تکنیک را مدولاسیون کد پالس می‌گویند.

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 24 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

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