مدولاسیون

مدولاسیون در انواع وسیعی از سیستم های مهندسی مفهومی بنام مدولاسیون نقشی محوری ایفا می نماید. در حالت کلی ، یک سیستم مدولاسیون سیستمی است که در آن سیگنالی جهت کنترل پارامتری از سیگنالی دیگر بکار گرفته می شود . از میان کاربردهای مدولاسیون دامنه ، بکار گیری آن در سیستم های مخابراتی از اهمیت خاصی برخوردار است . بطور معمول برای هر یک از انواع کانالهای مخابراتی محدوده ای از فرکانس وجود دارد که برای ارسال سیگنال مناسبترین محدوده بشمار می رود . به عنوان مثال ، جو به سرعت سیگنالهای واقع در محدوده فرکانسی صوتی ( ۱۰Hz تا ۲۰Hz ) را تضعیف می کند، در حالیکه سیگنالهای واقع در محدوده فرکانسهای بالاتر را تا فواصل زیادی منتشر می کند. مدلا سیون در انواع وسیعی از سیستم های مهندسی مفهومی بنام مدولاسیون نقشی محوری ایفا می نماید. در حالت کلی ، یک سیستم مدولاسیون سیستمی است که در آن سیگنالی جهت کنترل پارامتری از سیگنالی دیگر بکار گرفته می شود . از میان کاربردهای مدولاسیون دامنه ، بکار گیری آن در سیستم های مخابراتی از اهمیت خاصی برخوردار است . بطور معمول برای هر یک از انواع کانالهای مخابراتی محدوده ای از فرکانس وجود دارد که برای ارسال سیگنال مناسبترین محدوده بشمار می رود . به عنوان مثال ، جو به سرعت سیگنالهای واقع در محدوده فرکانسی صوتی ( ۱۰Hz تا ۲۰Hz ) را تضعیف می کند، در حالیکه سیگنالهای واقع در محدوده فرکانسهای بالاتر را تا فواصل زیادی منتسر می کند. بدین لحاظ ،ارسال سیگنالهای صوتی مانند صحبت و یا موسیقی از طریق کانالهایی که از انتشار در جو زمین استفاده می کنند ، به کمک یک سیستم مدولاسیون که سیگنال مورد نظر را بر یک سیگنال حامل فرکانس بالا سوار می کند ، صورت می گیرد . یکی از سیستم های مدولاسیون معمول برای این منظور ” مدولاسیون دامنه سینوسی” است که در آن سیگنال حاوی اطلاعات ، مثلأ صحبت و یا موسیقی ، به منظور ایجاد تغییر در دامنه یک سیگنال حامل سینوسی که فرکانس آن در محدوده مناسب قرار دارد ، بکار می رود . با بکار گیری سیستم های مدولاسیون ، ارسال همزمان بیش از یک سیگنال با طیفهای رویهم افتاده نیز از طریق یک کانال مشترک امکان پذیر است ، به این عمل مولتی پلکس کردن گفته می شود. کاربرد دیگری از اصول مدولاسیون دامنه در فرایندی است که طی آن قطاری از پالسهای مستطیلی با فواصل و اندازه های مساوی در سیگنال حاوی اطلاعات ضرب می شود ، به این فرایند مدولاسیون دامنه پالس گفته می شود . این روش مدولاسیون ، علاوه بر اینکه خود دارای اهمیت زیادی در سیستم مخابراتی است ، ارتباط نزدیکی نیز با مفهوم نمونه برداری دارد. بر اساس این مفهوم تحت شرایطی خاص یک سیگنال می تواند توسط آن که با فواصل زمانی مساوی از یکدیگر قرار دارند معرفی شود. کاربرد عمده مدولاسیون دامنه در سیستم های پیوسته در زمان و در تبدیل سیگنالهای پیوسته در زمان به سیگنالهای گسسته در زمان است . انواع مهم دیگری از مدولاسیون نیز وجود دارد؛ مثلأ مدولاسیون فرکانس و یا فاز سینوسی ، که در آن سیگنال حاوی اطلاعات برای تغییر فرکانس و یا فاز یک حامل سینوسی حول یک فرکانس مرکزی به کار گرفته می شود مدولاسیون AM و FMدر سرویس پخش همگانی (( در منزل یا خودروی خود نشسته‌اید. رادیو را روشن می‌کنید تا به آن گوش دهید، گوینده رادیو در حال اعلام ساعات پخش برنامه‌ها وفرکانس رادیویی ایستگاه مربوطه است، پخش برنامه‌ها و فرکانس رادیویی ایستگاه مربوطه است، ” موج FM ، ردیف ….. موج AM فرکانس … مگاهرتز”. تا به حال فکر کرده‌اید که AM و FM یعنی چه؟چه تفاوتی دارند واصلا” به چه  کار می آیند؟ دراین شماره، شما را با دو روش  رایج مدولاسیون امواج رادیویی ومختصری هم ” سرویس پخش همگانی ” آشنا می‌کنیم.)) سرویس پخش همگانی یا  Broad casting  به معنای انتشار و ارسال صدا و یا تصویر (یا هر دو )به تعداد زیادی از گیرنده‌ها رادیو و یا تلویزیونی گفته می‌شود.    در ایالات متحده  اولین ایستگاه رادیویی پخش همگانی در سال۱۹۲۰ آغاز به کار نمود واز دو سال بعد از ان رفته  رفته ایستگاه رادیویی تجاری کار خود را شروع کردند. این روند همچنان ادامه یافت تا اینکه در سال ‌۲۰۰۳ تعداد ایستگاه‌های تجاری به ۸۰۴/۴ ایستگاه، تنها باند در   AMرسید. جالب آنکه تعداد ایستگاه‌های FM در سال ۱۹۸۳ از ایستگاه‌های AM پیشی گرفت، چنانکه تا سال ۱۹۹۸ تعداد آنها به ۱۷۹/۶ ایستگاه تجاری و ۲۴۰۰  ایستگاه غیر تجاری رسید. از طرف دیگر پخش همگانی تلویزیونی نیز که در همان دهه۱۹۲۰ آغاز به کارکرده بود، با مصادف شدن با جنگ  جهانی دوم، دستخوش اختلال و رشد کند شد اما امسال تا سال ۱۹۹۶ تعداد ایستگاه‌های پخش تلویزیونی تجاری به ۱۳۴۰  و غیر تجاری به ۶۰۰  ایستگاه رسید. * ماهیت روشهای مدولاسیون AM وFM  فرض کنید یک سر طنابی را به یک درخت گره زده‌ایم و سر دیگر را ۲۰ متر دورتر در دست گرفته اید. درصورتیکه شما دستتان(که طناب را با آن گرفته اید) به سمت بالا و پایین حرکت دهید، طناب در هوا با حرکات موج مانند بالا و پایین می‌رود و دامنه حرکات آن به یک میزان (بالا و پایین)تغییر می‌کند، خواه سرعت حرکت دست شما کم یا زیاد باشد. این حرکات نوسانی را به اصطلاح حالتی از مدوله‌سازی یا FM می‌نامند. امواج رادیویی نیز این نوسانات تشکیل ((امواج حامل)) راخواهند داد. در مقابلFM  روش دیگری وجود دارد که طی آن امواج حامل بر اساس تغییرات مقادیر دامنه امواج شکل می‌گیرندکه به این حالت مدولاسیون دامنه یاAM گفته می‌شود. این در حالیست که مقادیر اختلاف تغییرات در دامنه یکسان نبوده و دائما با یکدیگراختلاف داشته باشند. بنابراین در شیوهََAM در یک بازه زمانی دامنه امواج حامل دچار تغییرات می‌گردد در حالی که فرکانس ثابت وپایدار می‌ماند ولی در شیوه FM در یک بازه زمانی دامنه امواج حامل ثابت بوده ولی فرکانس آن متغییرمی باشد.(البته در حد بسیار کم). در روش AM  نرخ یا میزان  تغییرات  دامنهای  امواج بستگی  به نوسانات و زیر و بم صدای ارسالی خواهد داشت.  در FM نیز میزان تغییرات فرکانس امواج حامل وابسته به نوسانات و زیر و بم صدا خواهد بود.  در روش مدولاسیونFM   صداهای آهسته و حد پایین محو نشده و از بین نمی رود، چرا که سیگنالهای FM هر تن صدا را بر روی فرکانس جداگانه ارسال می‌کند،  بطوریکه در هر لحظه دو فرکانس مختلف را با یکدیگر ترکیب و همزمان ارسال می‌نماید که اصطلاحا به آن استریو می‌گویند و از این جهت کیفیت بسیار بالاتری نسبت به فروش AM  خواهد داشت. ازسوی دیگرارسال امواج AM نسبت به FM ازسهولت بیشتری برخوردارمی‌باشد چراکه این امواج  پیچیدگی‌های کمتری نسبت به FM  دارند. در مقابل، کیفیت خوب سیگنالها‌یFM که ناشی از دو فرکانسی بودن وپیچیدگی‌های‌ فرآیند پخش آن می‌باشد، دارای معایبی نیز است از جمله آنکه این امواج در فواصل دور قابل دریافت نمی‌باشند و زودتر دچار افت خواهند شد. اما در عوض سیگنالهای ساده AM به‌راحتی تا فواصل بسیار دور نفوذ کرده و قابل در یافت از سوی گیرنده هستند. پس به شکل خلاصه دریافتیم که امواج FM دارای کیفیت بالاتر ولی برد کوتاه‌تر هستند و امواجAM دارای کیفیتی متوسط، اما برد بالاتری FM می‌باشند. * مدولاسیون AM    مدولاسیون  AM یکی از روشهای پخش امواج رادیویی است که تقریبا در مدتی نزدیک به۳/۲ ازقرن بیستم، رایج‌ترین شیوه پخش امواج رادیویی خصوصا پخش همگانی بوده وهم اکنون نیزاستفاده وسیعی دارد. این شیوه بیشتر توسط ایستگاه‌های رادیویی که رویکرد پخش اخبار داشته ویا اغلب حجم مطالب مورد انتشارآنها را ((صحبت کردن)) تشکیل می دهد، مورد استفاده واقع می گردد . این درحالیست که ایستگاه‌های رادیویی عمومی وپخش موسیقی در دهه‌های اخیر ازشیوه  پخش FM استقبال نمودند.روشAM تا قبل از جنگ جهانی اول برای ایستگاه‌های رادیویی کلامی  و موسیقی استفاده می شد، اما در دهه بعد از جنگ اول جهانی فعالیت این دستگاه‌ها به اوج خود رسید. اولین دستگاه رادیوییAM  (تجاری) در ۱۹۲۰درپنسیلوانیای آمریکا آغاز به کار کرد. موسسه این ایستگاه شخصی به نام ((فرانک کان راد )) بود. برنامه‌های این ایستگاه در ابتدا شامل نمایش‌نامه‌ها، برنامه‌های طنز و سر گرمی وتا حدودی اخبار وموسیقی بود. نتشار امواج رادیویی AM  بر روی چندباند فر کانس مختلف به شرح زیر انجام می‌گیرد. موج بلند  LW:153-279 khz موج متوسط  MW:530-1.710 khz  موج کوتاه  SW:2.300-26.100  khz که موج کوتاه آن ( SW) خود به چندین تکه باند کوچکتر  تقسیم بندی می شود. تخصیص این باندها در وهله اول بر اساس تصمیم ((ITU )) یا اتحادیه بین المللی  مخابرات (بخش تنظیم مقررات رادیویی) و در مراحل بعدی بر اساس سازمان‌های تنظیم مقررات ملی هر کشور انجام می‌گیرد. برای مثال  در کشور ما، سازمان تنظیم مقررات و ارتباطات رادیویی و در ایالات متحده، FCC  یا کمیسیون فدرال ارتباطات عهده‌ دار انجام این تقسیم بندی و تخصیص می‌باشند.  - موج بلند ( LW ): این باند برای انتشار امواج رادیویی ایستگاه های تجاری در اروپا، آفریقا، آسیا، واسترالیا(هرسه منقطه ITU ) مورد استفاده قرار دارد. این در حالیست که در کشور آمریکا این باند به عنوان پشتیبان یا باند رزرو برای باند مسیریابی هوا نوردی در نظر گرفته شده است.  - موج متوسط (MW ): یکی از رایج‌ترین باندهای پخش امواج در ایستگاه‌های رادیویی AM است.  - موج کوتاه (SW) :  توسط ایستگاه‌هایی به کار می‌رود که قصد انتشار امواج خود را به فواصل بسیار دورتر از محل ایستگاه دارند.  امواج متوسط وکوتاه باندAM ، در شب و روز رفتار و اثرات متفاوتی را از خود نشان می‌دهند. در طول روز سیگنالهای AM بوسیله امواج (انتشار ) زمینی منتقل می‌شوند. در انعکاس از زمین امواج AM، سیگنالها قادرند تا چند صد کیلومتری ایستگاه ارسال شوند واین در حالیست که این امواج بعد از غروب آفتاب بر اساس تغییرات لایه یونسفر جو به شیوه انتشار آسمانی منتقل می‌گردند که در این حالت امواج منتشر شده از ایستگاه تا فواصل دورتری نسبت به روز قابل ارسال و دریافت خواهند بود. سیگنالهای رادیوییAM در فضاهای شهری می‌توانند براحتی توسط ساختمانهای مرتفع وآسمان خراش‌ها گسیخته ومختل شوند. به علاوه دیگر منابع انتشار امواج رادیویی نیز می توانند  اثرات مخرب و نامطلوبی بر فرآیند انتقال این امواج بر جای گذارند. قسمت بالای شکل (۱) نشان دهنده سیگنال صوتی است که بر روی امواج حامل سوار شده وبه صورتAM تلفیق می‌شوند. در قسمت پایین همین شکل نتیجه تلفیق دو موج یاد شده نشان داده شده است و در حقیقت موج خروجی از فرستنده AMبه شکل نهایی فوق در خواهد آمد.  بنابر این یک فرستنده AM دستگاهی است که با تلفیق و سوار کردن سیگنالهای صوتی بر روی امواج حامل، یک موج AM را تشکیل داده و از طریق آنتن، آن را منتشر می‌نماید. یک گیرنده‌ AM نیز مجهز به یک قسمت فیلتر و یک قسمت آشکارساز می‌باشد که عمل جداسازی سیگنالهای صوتی از امواج حامل و آشکار نمودن آنها را برعهده دارد.  * مدولاسیون FM   (( ادوین ار مستر انگ )) یک مخترع و مهندس الکترونیک  در آمریکا بود. وی در سال ۱۸۹۰ به دنیا آمد، مهندسی خود را از دانشگاه کلمبیا گرفت. وی همچنین  یکی از فعالیترین مخترعین  در عصر رادیو بود، به طوری که ((مدولاسیون فرکانسی )) رادیو یا (FM ) بزگترین اختراع وی به شمار می‌رود از دیگر اختراعات ادوین در دوران دانشکده، اختراع سیستم احیا کننده مدار درسال ۱۹۱۴بود. با این حال حقیقت غم انگیز در  مورد او این بود که بسیاری از اختراعات وی بعداز  مرگش به نام دیگران ثبت شد. اما آرمتسرانگ در سال ۱۹۳۳روش مدولاسیون فرکانسی رابه نام خود ثبت کرد. مزیت این روش در زمینه انتقال اصوات بوسیله امواج رادیویی، در  کیفیت و وضوح  بالاتر آن نسبت به روشهای AM قبل از آن بود. آرمسترانگ پس از موفقیت در آزمایشهای مقدماتی توانست تا نظر FCC را برای اختصاص یک باند ویژه رادیویی به نام FM جلب کند این باند ابتدا در محدوده ۴۲ الی   ۵۰Mhzقرار داشت.  نخستین  ایستگاه  رادیو پخش همگانی   FMدر سال  ۱۹۳۷ با مجوز کمیته ملی ارتباطات آمریکا (FCC)، با علامت (W1xoj )آغاز به کار کرد.          در آن زمان رادیوهای FM هنوز در محدوده فرکانسی ۴۲ تا۵۰ مگاهرتزکار می‌کردند، که پس ازجنگ جهانی دوم، کمیته در ۲۷ ژوئن ۱۹۴۵،گستره فرکانسی FM را به ۸۸ الی MHZ 106 تغییر داد. این تغییر به منظور جلوگیری ازتداخل‌های رادیویی و همچنین افزایش ظرفیت کانالها انجام شد.           به علاوه این تغییر، باعث تحمیل هزینه‌های زیادی به ایستگاه‌های پخشFM  به علت تعویض تجهیزات قدیمی خود با تجهیزات پخش  بر روی باندجدیدFM شد. در کشور ما ایستگاه‌های رادیویی پخش همگانی FM در محدوده فرکانسی ۸۸ الی ۱۰۸ مگاهرتز یعنی با گسترده‌ای برابر ۲۰ مگاهرتز کار می‌کنند. این گستره تقریبا به ۱۰۰ کانال تقسیم شده است، هر کانال با گستره‌ای برابر .۰/۲/mhz قسمت بالای شکل (۲) نمایشگر سیگنالهای صوتی سوارشده بر روی امواج حامل درروش FM است  و قسمت پایین آن در واقع نشان دهنده نتیجه نهایی تر کیب فوق بوده وسیگنال خروجی FM را نشان می‌دهد. روش FM نسبت به AM پهنای باند بیشتری را نیاز دارد، اما در مقابل سیگنالهای FM نسبت بهAM از نظر تداخل محفوظ‌تر و قوی‌تر می‌باشند.  همچنین  در برابر پدیده محو شدگی نیز خواهند داشت. برای دریافت امواج FM می‌بایست از یک گیرندهFM استفاده نمود و برای  شنیدن  هر کانال  باید گیرنده  را دقیقا بر روی فرکانس مرکزی هر کانال تنظیم کرد. برای مثال بالاترین کانال پهنایی برابر ۱۰۷/۸ مگا هرتز  الی  MHz  ۱۰۸  را در بر می‌گیرد، بنابراین بسامد مرکزی آن ۱۰۷/۹ مگا هرتز است. ایستگاه‌های پخش همگانی FM در کشورهای مختلف از توان خروجی بسیار بالایی درحدKW100   (کیلو وات ) ویا حتی بیشتر استفاده می‌شود با چنین توانی امواج رادیویی تا فواصل ۱۶۰کیلومتری از ایستگاه فرستنده بخوبی قابل دریافت و شنیدن می‌باشند. توان خروجی برخی از ایستگاه‌ها حتی تا ۳۰۰ یا ۵۰۰ کیلو وات نیز افزایش می‌یابد.