.:جویا برق:.

معمولاً سیگنال x(t) (آنالوگ یا دیجیتال) قبل از ارسال به صورت یك سیگنال كدگذاری شده یامدوله شده y(t) (آنالوگ یا دیجیتال) تبدیل می شود. دلایل استفاده از تجهیزاتی مانندModulator,Decoder,Coder و Demodulator به شرح زیر است: ·     كاهش تأثیر عوامل مخرب مانند تضعیف، اعواج، نویز و غیره (مینیمم كردن اثر نویز و اعواج و غیره) ·     امكان ارسال با نرخ بیت یا سرعت بالاتر ·   باند فركانسی سیگنال x(t) که در باند پایه (Base Band) قرار دارد، باید به فركانس های باند محدود (Band Limit) یا باند گذر (Band Pass) منتقل شود. به كمك مدولاسیون سیگنال باند پایه را سوار بر موج حامل (Carrier) با فركانس fc 
 می نماید. بنابراین باند فركانسی سیگنال مدوله y(t) به اندازه fc  شیفت پیدامی كند. به شكل 28 نگاه كنید)   · می توان از یك رسانه مشترك مثل هوا یا فیبر نوری، چند سیگنال را به طور همزمان با روش (Frequency Division Multiplexing) FDM ارسال كرد. به عبارت دیگر یك خط انتقال به چند كانال انتقال تقسیم می شود. بنابراین گاهی سیگنال آنالوگ صدا را به سیگنال آنالوگ باند گذر مدوله می كنند تا در باند گذر كانال انتقال داده قرار بگیرد و امكان ارسال همزمان چند سیگنال به روش FDM فراهم شود. مثال: اگر x1(t) صدایی رادیویی شماره 1 باشد و به اندازه fc1  شیفت پیدا كند، x2(t) صدای رادیویی شماره 2 باشد و به اندازه fc2 شیفت پیدا كند و به همین ترتیب تا xn(t) (صدای رادیوی شماره (n به اندازه fcn شیفت پیدا نماید، شكل 29 نشان می دهد كه چگونه این سیگنال ها در حوزه فركانس ازیكدیگر قابل تفكیك هستند و به طور همزمان به روش FDM در یك رسانه مشترك مانند هوا ارسال می شوند.       · گاهی سیگنال های دیجیتال نیز به آنالوگ تبدیل می شوند. زیرا بعضی ازرسانه های انتقال مثل هوا فقط سیگنال های باند گذر را به خوبی عبور می دهند. · مدولاسیون برای كاهش پهنای باند نیز به كار می رود. 1-4  انواع كدگذاری و مدولاسیون چهار روش مختلف كدگذاری و مدولاسیون در علم ارتباطات مورد استفاده قرار می گیرند: · آنالوگ به آنالوگ (مانند رادیو) · آنالوگ به دیجیتال (مانند تلفن اینترنتی) · دیجیتال به دیجیتال (مانند PSDN) · دیجیتال به آنالوگ (مانند ارسال داده از طریق ماهواره) 2-4 كدگذاری دیجیتال (ارسال داده های دیجیتال با سیگنال های دیجیتال) در عبارات اختصاری مربوط به روش NRZ، حرف I به معنی inverse (معكوس)، حرف M به معنی mark (یك) حرف (s) به معنی space (صفر) و حرف L به معنی level (سطح) به كار رفته است. پلاریته یك سیگنال به مثبت یا منفی بودن (و احتمالاً صفر بودن) ولتاژهای سیگنال ربط دارد. در حالت تك قطبی فقط یك پلاریته داریم (یا پالس های مثبت و یا پالس های منفی) اما در حالت های قطبی و دو قطبی هم از پالس های مثبت و هم از پالس های منفی استفاده­می­شود كه تفاوت این دو را ذكر خواهیم كرد. یكی از مهم ترین نكات، مولفه Dc این روش ها می­باشد. مشخص است كه در روش تك قطبی مولفه Dc داریم. اما بعضی از كانال ها مولفه Dc را عبور نمی دهند. 1-2-4 كدگذاری تك قطبی (Unipolar) فقط ولتاژ صفر و ولتاژ مثبت (یا منفی) داریم.ولتاژ صفر (یا خط(Idle  برای نمایش سطح منطقی صفر و ولتاژ مثبت (یا منفی) برای نمایش سطح منطقی یك به كار می رود(و یا بالعكس) مثال: در شكل 30 ولتاژ مثبت برای نمایش سطح منطقی یك به كار رفته است. 2-2-4 كدگذاری قطبی (Polar) در این روش هم ولتاژهای مثبت و هم ولتاژهای منفی وجود دارند و بنابراین مولفه Dc سیگنال کاهش می­یابد. یكی از روش هایی كه مولفه ِDC را كاملاً حذف می كند، روش Biphase است كه در هر بیت به صورت متقارن هر دو سطح ولتاژ وجود دارد. در ادامه سه روش كدگذاری قطبی مورد بررسی قرار خواهند گرفت. 1-2-2-4 كدگذاری قطبی به روش NRZ این روش كدگذاری به سه صورت زیر پیاده سازی می شود: · NRZ-L · (NRZ-M) NRZ-I · NRZ-S     برای درك بهتر روش های كدگذاری NRZ-I یا NRZ-m به شكل 31 نگاه كنید. NRZ-Sمنطق صفر و یك برعكس NRZ-M است.   نكته: روش های NRZ-I و NRZ-S روش های تفاضلی محسوب می شوند و بر اساس تغییر سطح در آغاز بیت عمل می كنند در حالیكه روش NRZ-L بر اساس (level) سیگنال عمل­ می كندو چون احتمال شناسایی گذار در حضور نویز بالا است، روش های تفاضلی در برابر نویز تأثیرپذیری كمتری دارند. 2-2-2-4 كدگذاری قطبی به روش RZ عیب روش های NRZ این است كه رشته طولانی مثلا صفر (0,0,0,…0) موجب می شود كه سطح سیگنال ثابت بماند و درتشخیص با مشكل روبرو می شویم. البته برای همگام سازی می توان سیگنال clock را جداگانه ارسال كرد كه هزینه بالایی دارد. راه حل بهتر، سیگنال rz است كه clock را درون خود اطلاعات گنجانیده است. به شكل 32 نگاه كنید.   3-2-2-4 كدگذاری قطبی به روش Biphase در این روش همانند روشrz، یك تغییر حالت در وسط هر بیت وجود دارد و بنابراین امكان استخراج clock همزمانی در گیرنده وجود دارد. اما بر خلاف روشRZ،  فقط تغییر حالت بین ولتاژ مثبت و منفی است (نه ولتاژ0) و در نتیجه سطح dcسیگنال، صفر است. شكل های 33 و 34 دو روش (Biphase-L) Manchester و Differential Manchester را نشان می دهند. در روش منچستر سطح سیگنال، منطق صفر یا یك را مشخص می كند و در روش منچستر تفاضلی وجود یا عدم وجود تغییر سطح در شورع بیت، منطق صفر یا یك را نشان می دهد. كدگذاری منچستر در شبكه های Ethernet و كدگذاری منچستر تفاضلی در شبكه های token ring كاربرد دارد.     3-2-4 كدگذاری دو قطبی (Bipolar) این كدگذاری مانندRZ، چند سطحی محسوبمی شود چون هم سطح ولتاژ مثبت، هم صفر و هم سطح ولتاژ منفی در آن دیده می شود. اما در این جا بر خلاف روشRZ،  از طرح ولتاژ 0 یا 1 استفاده می شود. در ادامه چهار روش مهم دوقطبی مورد بررسی قرار خواهند گرفت. 1-3-2-4 كدگذاری دو قطبی (Alternate Mark Inversion) AMI در این روش كدگذاری، مطابق شكل 35، صفرها و یك ها، یك در میان با سطح ولتاژ مثبت و منفی مشخص می شوند.     2-3-2-4 كدگذاری دوقطبی شبه سه تایی (Pseudo-Ternary) این روش همانندAMI است؛ فقط با این تفاوت كه منطق صفر و یك برعكس آن روشمی باشد. (به شكل 36 نگاه كنید) نكته1: در كدگذاری های نظیر AMI مجدداً مشكل رشته طولانی صفر وجود دارد و عمل همزمانی دچار اشكال می شود. نكته2: از طرف دیگر در كدگذاری های نظیر Manchester پهنای باند زیادی لازم داریم. برای حل این مشكلات دو كدگذاری در آمریكای شمالی (B8ZS) و در اروپا و ژاپن (HDB3) طراحی شده است كه در ادامه به تشریح آنها خواهیم پرداخت. 3-3-2-4 كدگذاری (Bipolar-8 Zero Substitution)B8ZS این روش اصولاً همانند AMI است واختلاف این دو روش دراین است كه هرگاه هشت صفر پشت سر هم پیدا شود كدگذاری B8ZS به جای 8 صفر یك الگو به شكل زیر را جایگزین می كند. توجه كنید كه در AMI یكها،‌یك در میان + و – می شوند و بنابراین در الگوی فوق الذكر دو تناقض وجود دارد. (2 مثبت و 2 منفی متوالی) شكل زیر نشان می هد كه دو تناقض درالگوی جایگزین وجود دارد. به الگوی جایگزین، الگوی تناقض یا تخطی (Violation) نیز گفته می شود. 4-3-2-4 كدگذاری HDB3 (High Density Bipolar3) اساس این روش نیز AMI سات با این تفاوت كه این استاندارد چهار صفر پشت سر هم (بر خلاف عدد 3 درون نامش) را با یك الگوی تناقض به شرح زیر جایگزین می كند. (دایره ها پلاریته یك قبلی را نشان می دهند)   4-2-4 نكاتی در مورد روش های كدگذاری دیجیتال نكته1: نرخ مدولاسیون همان نرخ سیگنالینگ (Rs) است. قبلاً دیدیم كه در یك سیگنال 8 سطحی رابطه زیر برقرار است: اما واضح است كه در كدگذاری RZ  می توان از رابطه زیر استفاده كرد:   رابطه فوق در روش های كدگذاری منچستر و منچستر تفاضلی نیز صادق است؛ زیرا در این 3 روش كدگذاری، حداقل اندازه یك عنصر سیگنال پالسی است كه به اندازه نصف عرض بیت است. با توجه به اینكه برای محاسبه Band Rate و پهنای باند لازم برای عبور سیگنال، بدترین حالت را در نظر می گیرند، می توان نوشت: از طرف دیگر در روش های كدگذاری NRZ مانند NRZ-s ,NRZ-L و NRZ-i می توان نوشت: نكته2: برای محاسبه پهنای باند، لازم برای عبور سیگنال دیجیتال از كانال، سیگنال مربعی بدترین حالت (worst case) را در نظر بگیرید. مثال1: در كدگذاری RZ، بدترین حالت یك های متوالی است كه در آن حالت و بنابراین  خواهد بود (foفركانس پایه سیگنالاست) و لذا پهنای باند لازم برای عبور سیگنال برابر R خواهد بود. مثال2: در كدگذاری تك قطبی، بدترین حالت ....o1o1o1 است كه در آن حالت و بنابراین خواهد بود و لذا پهنای باند لازم برای عبور سیگنال برابر می باشد. مثال3: در منچستر تفاضلی، صفرهای متوالی بدترین حالت سیگنال را بوجود می آورند و پهنای باند لازم مانند مثال 1 خواهد بود.   3-4 مدولاسیون دیجیتال به آنالوگ مهم ترین كاربرد این نوع از مدولاسیون، ارسال داده های دیجیتال از طریق شبكه های عمومی مثل PSTN می باشد(مودم ها در این روش سیگنالها را در محدوده فركانسی صوت انسان تولید می كنند). یك كاربرد دیگر آن مودم های Microwave می باشند كه با فركانس های بالاتری كار می كنند. برای درك مفهوم مدولاسیون، یك موج سینوسی حامل را در نظر بگیرید. با تغییر در یك یا چند مشخصه از موج حامل نمود (مدولاسیون). این مشخصات موج حامل عبارتند از: ·         مشخصه دامنه ·         مشخصه فركانس ·         مشخصه فاز مهم ترین روش های مدولاسیون دیجیتال به آنالوگ عبارتند از: ·         :(Amplitude Shift Keying) ASK شیفت گسسته دامنه- در مدولاسیون آنالوگ به آنالوگ به (Amplitude Modulation)AM  مشهور است. ·         :(Frequency Shift Keying) FSK شیفت گسسته فركانس- در مدولاسیون آنالوگ به آنالوگ به (Frequency Modulation)FM  مشهور است. ·         :(Phase Shift Keying) PSK شیفت گسسته فاز- در آنالوگ به آنالوگ به (Phase Modulation) PM مشهور است. ·         (Quadrature-PSK) QPSK: شیفت گسسته فاز چهارگانه (تربیعی) – به 4-PSK نیز مشهور است. (با توسعه آن 8-PSK، 16-PSK و غیره خواهیم داشت) ·         (quadrature amplitudemodulation): مدولاسیون دامنه چهارگانه (تربیعی) (با توسعه آن 16-QAM و غیره خواهیم داشت) نكته: به روش های QPSK، QAM و مشتقات آنها مدولاسیون های چند سطحی (Multilevel Modulation) می گویند. 1-3-4 ASK فرض كنید كه سیگنال حامل یك موج سینوسی با فركانس fc نكته1: با توجه به شكل (b)37، Band Rate سیگنال ASK برابر Bit Rate  است و می توان نوشت:                                                                       مطابق شكل (a)37، مدولاسیون ASK از ضرب سیگنال دیجیتال در موج سینوسی حامل و عبور آن از یك فیلتر باند گذر بدست می آید: توجه كنید كه در مدولاسیون ASK ممكن است به جای دامنه های o و V دو سطح V1 و V2 را ارسال نمائیم. نكته 2(مهم): رابطه مثلثاتی زیر را در نظر بگیرید: بنابراین می توان نوشت: بنابراین نتیجه می گیریم كه در سیگنال ASK (بدترین حالت) فركانس های، وجود دارند. نكته3 (مهم): اگر پهنای باند فیلتر Band Pass را فرض كنیم مولفه های عبور می كنند كه برای تشخیص كافی است. بنابراین در مسائل اگر هیچ نكته خاص دیگری ذكر نگردد، پهنای باند سیگنال ASK را در نظر می گیریم. نكته4: اگر بخواهیم مولفه های هارمونیك سوم سیگنال اصلی نیز دریافت گردد، پهنای باند   لازم است. نكته5: می توان یك فیلتر Band Pass با پهنای باند داشت. در نتیجه مولفه های عبور خواهند كرد و از آنجائیكه مولفه سیگنال اصلی وجود دارد، قابل تشخیص خواهد بود. به مولفه های مولفه های Side Band می گویند. ما در اینجا Side Band پائین را حذف كرده ایم البته واضح است كه در این صورت، مشكل دیگری پیش می آید، توان سیگنال اصلی نصف می شود و بنابراین SNR كاهش می یابد و BER افزایش می یابد. در هر حال، به این پهنای باند، پهنای باند نرخ نیاكوییست می گویند. مثال: اگر نرخ بیت سیگنال 101010… برابر 1200bps باشد: مولفه اصلی فركانسی:                                                        f0= 600Hz مولفه هارمونیك سوم:                                                          3f0= 1800Hz پهنای باند (پهنای باند مولفه اصلی):                           2f0= 1200Hz پهنای باند با مولفه سوم:                                          6f0= 3600Hz پهنای باند نایكوییست:                                                         f0= 600Hz   2-3-4FSK در FSK به جای شیفت در دامنه، دامنه سیگنال مدوله را ثابت می گیرند و شیفت گسسته را در فركانس ایجاد می نمایند. فرض كنید كه سیگنال ارسالی (باینری) باشد؛ را به صورت مكمل در نظر می گیریم در نتیجه سیگنال FSK به صورت زیر تعریف می شود. معرف فركانس های زاویه ای حامل می باشند. در حالت Worst Case Sequenceمی توان نوشت: نكته1:  را شیفت فركانسی می نامند. (تفاوت بین دو فركانس حامل) نكته2: همان طور كه در شكل (b)38 دیده می شود در سیگنال مدوله FSK فركانس های و نیز فركانس های دیده می شوند. نكته3: پهنای باند لازم برای عبور كامل مولفه و شناسایی قابل قبول سیگنال در گیرنده از رابطه زیر استفاده می شود. نكته4: پهنای باند لازم برای عبور كامل مولفه برابر است كه البته در عمل همان  كافی است. نكته5: در این جا نیز مانند روش Bit Rate ,ASK یا Band Rate برابر است و به عبارت دیگر در این روش ها هر عنصر سیگنال یك بیت را ارسال می كند. 3-3-4  PSK در این نوع مدولاسیون، دامنه و فركانس ثابت است و 0 و 1  را با شیفت فاز نشان می دهند. دو روش PSK وجود دارد. ·         Phase Coherent PSK ·         Differential PSK در روش اول، بین صفر و یك 180 درجه اختلاف فاز وجود دارد. اشكال این روش این است كه گیرنده برای تشخیص صفر و یك به سیگنال حامل مرجع نیاز دارد تا آن را با سیگنال دریافتی مقایسه كند. اما در روش دوم، یك شیفت 90 درجه نسبت به سیگنال جاری معرف این است كه بیت دودویی بعدی صفر است و یك شیفت 270 درجه نسبت به سیگنال جاری معرف این است كه بیت دودویی بعدی یك است. نكته1: اگر فرض كنید كه مطابق شكل 39 (برای روش اول) سیگنال باینری را به صورت زیر می توان نوشت (worst case) نكته2: در این روش، فقط مولفه های وجود دارند. نكته 3: در این روش نیز Bit Rate  و Band Rate برابر است و  نكته 4: پهنای باند مورد نیاز برای عبور كامل مولفه های  (دو مولفه)  برابر نرخ بیت است نكته5: در این روش نیز اگر پهنای باند نرخ نایكوییست را بخواهیم، برابر خواهد بود كه البته SNR را می كاهد. نكته6(مهم): با توجه به اینكه در Modulator و Demodulator از فیلتر استفاده می شود و در عمل، فیلترها ایده ال نمی باشند(لبه های آن تیز نبوده و انحنا دارد) یك ضریب حذف فیلتر(0 نیز در روابط پهنای باند ظاهر می شود و برای عبور كامل مولفه های (دومولفه) در مدولاسیون های FSK, ASK و PSK به صورت زیر است:     4-3-4 روش های مدولاسیون چندسطحی همان گونه كه قبلا اشاره شد هر عنصر از سیگنال می تواند به یكی از سه صورت زیر باشد: ·     كمتر از یك بیت (مثل (Manchester ·     یك بیت (مثل  NRZ-L و (FSK ·     بیشتر از یك بیت (مثل(QPSK در روش های ذیل در هر عنصر سیگنال بیش از یك بیت ارسال می شود. ·     روش[Quadrature – PSK] (4-PSK) QPSK همانند شكل (a,b) 40، چهار تغییر فاز مختلف نشان دهند 11,10,01,00 می باشند. در این روش می توان نوشت: نكته: برای دستیابی به نرخ بیت های بالاتر، 8 یا 16 تغییر فاز نیز امكان پذیر است. اشكال مهم: گاهی اختلاف فازها موجب می شود كه حساسیت به نویز بیشتر شود. بنابراین كمتر از روش های 16-PSK و بالاتر استفاده می شود. نكته مهم: برای افزایش نرخ بیت، پیشنهاد می شود كه علاوه بر فاز، دامنه سیگنال نیز تغییر نماید. این روش QAM نامیده می شود. كه در زیر شرح داده می شود. ·     روش (Quadrature Amplitude Modulation) QAM دیاگرام فضایی شكل (c) 40، QAM را با 16 سطح سیگنال (هر Band معرف 4 بیت) نشانمی دهد.   نكته مهم: در این روش های، f0 (فركانس پایه Worst Case) را برابر در نظر بگیرید. به عبارت دیگر، با پهنای باند محدود 2f0 در PSK ، ASK می توان با افزایش تعداد سطح سیگنال، نرخ بیت بالاتری را ارسال كرد.   4-4 مدولاسیون آنالوگ به دیجیتال در این مدولاسیون،داده های انالوگ مثل صوت را به صورت دیجیتال در می آوریم. مهم ترین روش های آن عبارتند از: ·     مدولاسیون PAM ·     مدولاسیون PCM ·     مدولاسیون DM   1-4-4 PAM    (Pulse Amplitude Modulation) در این تكنیك، با یك فركانس مخصوص بر اساس تئوری نایكوییست  از سیگنال آنالوگ نمونه برداری (Sampling) می كنیم و هر نمونه یك پالس با ارتفاع (دامنه) نمونه خواهد بود. در واقع یك قطار پالس از نمونه ها داریم كه از یك Sample & Hold S&H به معنی نمونه برداری و نگهداری بدست می آید. به شكل 41 توجه كنید. 4-4-2 PCM (Pulse Code Modulation)     مراحل ایجاد سیگنال PCM به شرح زیر است: 1-  ایجاد سیگنال PAM به كمك S/H 2-  Quantization 3-  Binary Encoding 4-  كدگذاری دیجیتال به دیجیتال ]مثل NRZ-L (و ارسال پالس های دیجیتال)[ نكته: SNR كوانتیزاسیون خطی با n بیت از رابطه زیر بدست می آید. 3-4-4(Delta Modulation) در این روش (مدولاسیون دلتا) پالس ها بر خلاف روشPAM دقیقا از نمونه برداری بدست نمی آید، بلكه هر پالس با پالس قبلی حداكثر به اندازه یك سطح كوانتیزاسیون(8) اختلاف دارد. اختلاف دامنه هر پالس با پالس قبلی با +8 و یا -8 است. اختلاف سطح صفر و نیز اختلاف سطح بیش از 8 غیر مجاز است. هدف اصلی این نوع مدولاسیون این است كه به ازاءهر پالس فقط یك بیت نگهداری یا اراسال شود. به عبارت دیگر، حجم اطلاعات كم و فشرده است. نكته1: شكل 43 نشان می دهد كه در این مدولاسیون 2 نوع خطا (نویز) وجود دارد: ·     نویز مدولاسیون دلتا: حاصل از اضافه بار شیب های تند. ·     نویز كوانتیزاسیون: حاصل از پله ای بودن سیگنال مدوله شده. نكته2: برای كاهش نویز اضافه بار شیب، باید 8 افزایش یابد، از طرفی افزایش 8 موجب افزایش نویز كوانتیزاسیون می شود.