اشاره:
آنچه كه در پي مي‌آيد، ويرايش نخست دومين بخش از مقاله‌ي «آشنايي با مخابرات سلولي» از مجموعه‌ي متون آموزشي «مفاهيم مهندسي مخابرات»، ويژه‌ي خبرنگاران سياستي و سياست‌پژوهان صنعت مخابرات است كه در سرويس مسائل راهبردي دفتر مطالعات خبرگزاري دانشجويان ايران (ایسنا)، تدوين شده است.
اين مقاله سعي مي‌كند مروري اجمالي بر مفاهيم اساسي فناوري مخابرات سلولي كه در واقع همان فناوري مخابرات سيار يا مخابرات بيسيم است، داشته باشد. در شماره‌هاي بعدي به بررسي نسل‌هاي گوناگون فناوري شبكه‌هاي تلفن سيار (موبايل)، فناوري‌هاي بكاررفته در آنها و سيستم‌هاي مخابرات خصوصي و هم‌چنين سرويس‌هاي MMS ،GPS ،Bluetooth و بهينه‌سازي شبكه‌هاي سلولي و سيستم‌هاي رادار پرداخته مي‌شود.
مقالات «مفاهيم مهندسي مخابرات» با ادبياتي ساده مفاهيمي تخصصي را براي خواننده توضيح مي‌دهند كه با استفاده از آنها تا حدودي مي‌توان به ارزيابي سياست‌گذاري توسعه‌ي صنعتي و سياست‌گذاري توسعه‌ي علم و فناوري در اين رشته پرداخت.
سرويس مسائل راهبردي ايران، آشنايي با مفاهيم تخصصي و فني در هر حوزه را مقدمه‌ي ايجاد يك عرصه عمومي براي گفت وگوي دانشگاهيان و حرفه‌مندان با مديران و سياست‌گذاران درباره‌ي سياست‌ها و استراتژي‌ها و برنامه‌ها در آن حوزه مي‌داند و اظهار اميدواري مي‌كند تحقق اين هدف، ضمن مستند سازي تاريخ فرآيند سياست‌گذاري عمومي و افزايش نظارت عمومي بر اين فرآيند، موجب طرح ديد‌گاه‌هاي جديد و ارتقاي كيفيت آن در حوزه‌هاي مختلف شود.
سريس مسائل راهبردي ايران ضمن اعلام آمادگي براي بررسي دقيق‌تر نياز‌هاي خبرنگاران و سياست‌پژوهان محترم، علاقه‌مندي خود را براي دريافت (rahbord.isna@gmail.com) مقالات دانشجويان، پژوهشگران، حرفه‌مندان، مديران و سياست‌گذاران محترم در ارائه‌ي عناوين جديد مقالات و يا تكميل يا ويرايش آنها اعلام مي‌كند.
*عناصر و محدوديت‌هاي سيستم‌هاي مخابراتي*
سيستم مخابراتي اطلاعات را از مبدا به مقصدي دور منتقل مي‌کند؛ سيستم‌هاي مخابراتي کاربردهاي بسيار متنوعي دارند. يک سيستم اجزاي بي‌شماري دارد که کل رشته‌ي برق را در برمي‌گيرد، به‌طوري‌که مدار، الکترونيک، مغناطيس، پردازش سيگنال، ميکروپروسسور و شبکه‌هاي مخابراتي تنها تعدادي از حوزه‌هاي مربوط مي‌باشند. علاوه بر اين ارائه‌ي جز به جز، نکته‌اي اساسي را از نظر دور مي‌کند و آن اينکه سيستم مخابراتي، در حالت کلي پيوسته است که در واقع فراتر از مجموع اجزاي آن مي‌باشد.
با توجه به آن‌که تمام سيستم‌هاي مخابراتي تابعي بنيادين از انتقال اطلاعات در بردارند تلاش خواهيم کرد که اصول و مشکلات ارسال اطلاعات به صورت الکتريکي را کنار بگذاريم؛ گفتني‌ست مطالب ارائه شده براي پيشرفت روش‌هاي طراحي و تحليل که براي حوزه وسيعي از کاربردها مناسب است با عمق کافي مورد بررسي قرار گرفته است.
*اطلاعات، پيام و سيگنال*
مفهوم اطلاعات در مخابرات به‌صورتي روشن نقشي اساسي دارد، اما اين اصطلاح دربردارند‌ه‌ي نکاتي معنا شناختي و فلسفي است كه تعريف دقيق آن را دشوار مي‌سازد. براي اجتناب از اين مشکلات به جاي استفاده از اصطلاح اطلاعات، از پيام استفاده مي‌شود.
پيام به‌عنوان ظهور فيزيکي اطلاعات از منبع، تعريف مي‌شود؛ در اينجا اصطلاح سيگنال و پيام به صورت قابل تبديل به‌هم به کار مي‌رود زيرا سيگنال همانند پيام نوعي تجسم فيزيکي از اطلاعات است.
هدف يک سيستم مخابراتي آن است که پيام با هر شکلي که در مبدا دارد، در مقصد به صورت مقبولي بازسازي شود. انواع مختلفي از منابع خبر شامل دستگاه‌ها و انسان وجود دارد، و پيام‌ها به شکل‌هاي متنوعي ظاهر مي شوند؛ با اين وجود ما مي‌توانيم دو نوع پيام مشخص يعني آنالوگ و ديجيتال را تشخيص دهيم. اين تمايز به نوبه‌ي خود معياري است براي مخابرات موفق.
پيام‌هاي آنالوگ:
پيام آنالوگ کميتي فيزيکي(سيگنال) است که معمولاً به‌صورت پيوسته در طول زمان تغيير مي‌کند. يك سيستم آنالوگ در مخابرات، پيام صوتي را تبديل به سيگنال‌هاي پيوسته مي‌كند. از آنجائي‌که پيام‌ها در يک تناوب متغير در زمان توليد شده‌اند، يک سيستم مخابراتي آنالوگ اين تناوب متغير را با دقت مشخصي در سيگنال‌هايي كه بر مبناي آن پيام مي‌سازد نشان مي‌دهد.
پيام‌هاي ديجيتال:
پيام ديجيتال فيزيكي نيست سيستم مخابراتي ديجيتال، پيام را به‌صورت مستقيم ارسال نمي‌كند، بلكه ابتدا آن را به نمادهاي صفر و يك تبديل مي‌كند. تفاوت ديگر اين سيستم با سيستم آنالوگ اين است كه در سيستم آنالوگ يك پيام تبديل به سيگنال‌هاي پيوسته‌اي مي‌شود، در حالي‌كه در سيستم ديجيتال از پيام نمونه برداري مي‌شود براي نمونه در هر 10 ميلي ثانيه يك نمونه از پيام برداشته مي‌شود. نمونه‌برداري كردن از پيام و پيوسته نبودن سيگنال‌ها باعث مي‌شود كه حجم پيام در سيستم ديجيتال كاهش يابد. براي ارسال و سپس خوانش اين نمونه‌برداري‌ها الگوريتم‌هاي پيچيده‌اي طراحي مي‌شود كه در اصطلاح به آنها الگوريتم كد گذاري يا رمزگذاري گفته مي‌شود.
در واقع پيام ديجيتال توالي منظمي از نمادهايي است که از دسته محدودي از عناصر گسسته (هم‌چون صفر و يك) انتخاب شده است؛ حروف چاپ شده روي اين صفحه، ليستي از درجه حرارت در هر ساعت و کليدهاي فشاري ترمينال کامپيوتر نمونه‌هاي ديگري از اين عناصر گسسته هستند.
از آنجائي‌که اطلاعات در نمادهاي گسسته قرار دارد، يک سيستم مخابراتي ديجيتالي بايد اين نمادها را با درجه‌ي دقت مشخصي در يک واحد زماني معين، بازسازي كند.
*مبدل‌ها*
پيام‌ها چه آنالوگ باشند چه ديجيتالي تعداد اندکي از منابع پيام ذاتاً الکتريکي هستند؛ در نتيجه اکثر سيستم‌هاي مخابراتي داراي مبدل‌هاي ورودي و خروجي مي‌باشند. مبدل‌هاي ورودي پيام را به يک سيگنال الکتريکي، براي نمونه يک ولتاژ يا جريان تبديل مي‌کند و مبدل ديگر در مقصد سيگنال خروجي را به شکل دلخواه پيام در مي‌آورد. براي نمونه مبدل در يک سيستم مخابراتي صوتي مي‌تواند در نقطه‌ي خروجي يک بلندگو باشد؛ ما فرض مي‌کنيم که مبدل مناسبي وجود دارد و بيشتر تمركز متخصصان مخابرات روي كيفيت و چگونگي انتقال سيگنالي است.
*عناصر يک سيستم مخابراتي*
شکل 2 اجزاي يک سيستم مخابراتي را با حذف مبدل‌ها و در نظر گرفتن آلودگي‌هاي ناخواسته نشان مي‌دهد؛ هر سيستم مخابراتي سه بخش اساسي دارد: فرستنده، کانال ارسال و گيرنده؛ هر قسمت نقش خاصي را در انتقال سيگنال به صورت زير ايفا مي‌کند:
فرستنده، سيگنال ورودي را به جريان مي اندازد تا سيگنال ارسالي مناسبي، متناسب با مشخصات خط ارسال توليد کند؛ توليد سيگنال براي ارسال تقريبا هميشه مدولاسيون را در بردارد و ممکن است شامل کدگذاري نيز باشد.
کانال ارسال، محيطي الکتريکي است که پلي ميان مبدا و مقصد پديد مي‌آورد. اين پل ممکن است يک جفت سيم، يک کابل هم محور يا يک موج راديوئي يا پرتوي ليرزي باشد. هر کانال مقداري تلفات انتقال يا تضعيف دارد. بنابراين قدرت سيگنال با افزوده شدن فاصله کاهش مي‌يابد.
گيرنده، روي سيگنال خروجي از کانال ارسال عمل مي‌کند تا آن را در مقصد به مبدل برساند. عمليات گيرنده شامل تقويت، جهت جبران تلفات انتقال و دمدولاسيون و دکدينگ براي معکوس کردن پردازش سيگنالي انجام شده در فرستنده مي‌باشد. ***** کردن اطلاعات زائد عامل مهم ديگري در گيرنده است.
تاثيرات مزاحم مختلفي در مسير ارسال سيگنال انباشته مي‌شوند. تضعيف بدين جهت مزاحم است که قدرت سيگنال را در گيرنده کاهش مي‌دهد. مسائل مهم‌تر در اين زمينه عبارتند از: اعوجاج، تداخل و نويز که باعث تغيير شکل سيگنال مي‌شوند. اگر چه ممکن است که اين مزاحمت‌ها در هر نقطه بروز کنند، روش استاندارد آن است که آنها را در خط انتقال به طور کامل از بين ببريم تا فرستنده و گيرنده ايده آل باشند.
اعوجاج، تغيير شکل موج است که به خاطر پاسخ ناقص سيستم به سيگنال مورد نظر پديد مي‌آيد. اعوجاج هنگام قطع سيگنال ناپديد مي‌شود در حالي که نويز و تداخل چنين نيست. اگر کانال يک پاسخ خطي ولي اعوجاجي داشته باشد، در اين موقع مي‌توان اعوجاج را تصحيح نمود يا حداقل به کمک *****هاي مخصوص به نام همسان ساز(Equalizers) آن را کاهش داد.
تداخل، به معني تاثير ناخواسته سيگنال‌هاي بيگانه‌اي است كه از منابع انساني، فرستنده‌هاي ديگر، خطوط نيرو، دستگاه‌ها، مدارهاي سوئيچينگ و غيره توليد مي‌شود. تداخل غالباً در سيستم‌هاي راديويي که آنتن‌هايشان معمولاً در يک زمان چندين سيگنال را دريافت مي‌کنند، صورت مي‌گيرد. اگر كانال انتقال يا مدارهاي سيستم گيرنده‌ي سيگنال‌هاي تابشي از منابع نزديک را دريافت كند، تداخل فرکانس راديويي (RF) در سيستم‌هاي خطي ظاهر مي‌شود. ***** کردن مناسب، در از بين بردن سيگنال‌هاي تداخلي در فرکانس‌هاي غير از فرکانس‌هاي مورد نظر موثر است.
نويز، به سيگنال‌هاي الکتريکي تصادفي و غيرقابل پيش بيني اطلاق مي‌شود که توسط فرآيندهاي طبيعي چه داخل و چه خارج آن توليد مي‌شود. هنگامي‌که چنين متغيرهاي تصادفي روي يک سيگنال حاوي اطلاعات تحميل مي‌شود، ممکن است که قسمتي از پيام مختل شود يا اينکه کل پيام از بين برود. ***** کردن، نويز مزاحم را از بين مي‌برد، اما مقداري نويز به صورت اجتناب ناپذير باقي مي‌ماند که نمي‌توان آن را از بين برد. اين نويز يکي از محدوديت‌هاي اساسي سيستم است.
بايد توجه کرد که شکل 2 يک انتقال يک طرفه (Simplex) را نشان مي‌دهد. براي مخابره‌ي دو طرفه بايد در هر دو طرف هم فرستنده و هم گيرنده وجود داشته باشد، علاوه بر آن سيستم دو طرفه (Full-Duplex) کانالي دارد که مخابره‌ي همزمان در دو جهت را ممکن مي‌کند. سيستم نيمه‌ي دو طرفه (Half-Duplex) انتقال در هر دو جهت را اجازه مي‌دهد ولي نه بطور همزمان.
*محدوديت‌هاي اساسي*
هنگامي که مهندسي يک سيستم مخابراتي را طراحي مي‌کند با دو مشکل کلي روبروست. از يک طرف مشکلات فني شامل مسائل مختلفي چون دردسترس نبودن سخت افزار، عوامل اقتصادي، مقررات کشوري و غيره. اين مسائل مربوط به امکان ساخت است که از لحاظ نظري قابل حل هستند، هر چند که راه‌حل‌هاي ايده‌آل ممکن است عملي نباشد. از طرف ديگر محدوديت‌هاي فيزيکي بنيادي وجود دارند كه از قوانين طبيعي ناشي مي‌شوند. محدوديت‌هاي بنيادي انتقال اطلاعات، پهناي باند و نويز است.
پهناي باند(B):
مفهوم پهناي باند هم براي سيگنال‌ها و هم براي سيستم‌ها به عنوان سنجش سرعت بکار مي‌رود. هنگامي‌که يک سيگنال تغييرات سريعي نسبت به زمان دارد، گفته مي‌شود كه سيگنال پهناي باند بزرگي دارد.
چنان‌كه در بخش‌هاي پيشين توضيح داده شد، فركانس اندازه گيري تعداد تکرار اتفاقي در واحد زمان است. براي محاسبه‌ي فرکانس بر روي يک بازه‌ي زماني ثابت، تعداد دفعات وقوع يک حادثه را در آن بازه مي شماريم و سپس اين تعداد را بر طول بازه زماني تقسيم مي کنيم. محدوده‌ي فركانسي هر چه بزرگتر باشد، اطلاعات بيشتري را دربر مي‌گيرد. بنابراين مي‌توان گفت هنگامي‌كه يك سيگنال تغييرات سريعي نسبت به زمان دارد، در واقع محتواي فرکانسي يا طيف آن گستره وسيعي را مي‌پوشاند.
هر سيستمي پهناي باند مختص خودش را دارد و اگر تغييرات سيگنال در طول زمان، بيشتر از پاسخ فركانسي آن سيستم باشد، آن سيستم قادر به دنبال كردن تغييرات سيگنال نيست. بنابراين توانايي يک سيستم در دنبال کردن تغييرات سيگنال در پهناي باند انتقال آن سيستم، يا پاسخ فركانسي قابل استفاده‌ي آن سيستم، نهفته است.
هنگامي‌كه يك سيستم از تغييرات يك سيگنال نمونه برداري مي‌كند، اصطلاحاً گفته مي‌شود، تغييرات سيگنال را دنبال مي‌كند، مداري كه اين كار را انجام مي‌دهد از مجموعه‌اي از عناصر از جمله عناصر ذخيره كننده انرژي (سلف و خازن) ساخته شده است. در واقع در درون مدار بايد متناسب با سرعت تغيير سيگنال، سلف و خازن شارژ و دشارژ شوند. اما از آن‌جايي‌كه انرژي ذخيره شده در اين عناصر را نمي‌توان به‌طور سريع تغيير داد و به تعبير ديگر نمي‌توان به سرعت آنها را شارژ و دشارژ كرد، در نتيجه هر سيستم مخابراتي يک پهناي باند محدود(B) دارد که آهنگ تغييرات سيگنال را محدود مي‌کند.
هنگامي‌كه در يك سيستم مخابراتي گفته مي‌شود ارسال در زمان واقعي (Real Time) صورت مي‌گيرد، به اين معناست كه اطلاعات ميان توليد، ارسال اطلاعات تقريباً فاصله‌اي وجود ندارد. مخابرات در شرايط زمان واقعي (Real Time) به پهناي باند انتقال مناسب براي عبور طيف سيگنال نياز دارد، در غير اين صورت اعوجاج نامطلوب پديد خواهد آمد. براي نمونه براي سيگنال تلويزيوني به يک پهناي باند چندين مگا هرتزي نياز داريم، در حالي‌که براي تغييرات بسيار آهسته‌تر يک سيگنال صوتي، 3 کيلوهرتز هم مناسب مي‌باشد. براي يک سيگنال ديجيتال با X نمونه (symbol) در ثانيه، پهناي باند بايد بزرگ تر از نصف X باشد. در مورد انتقال اطلاعات بدون محدوديت زماني واقعي، پهناي باند قابل استفاده، حداكثر سرعت ارسال سيگنال را تعيين مي‌کند. بنابراين زمان لازم براي انتقال با B (پهناي باند) نسبت عکس دارد.
نويز:
نويز محدوديت ديگري براي انتقال اطلاعات بوجود مي آورد. علت اينکه نويز غيرقابل اجتناب است، از طريق نظريه‌ي جنبشي قابل توجيه است. در هر درجه‌ي حرارتي که بالاي صفر مطلق باشد، انرژي حرارتي باعث حرکت تصادفي ذرات ميکروسکوپي مي‌گردد. حرکت تصادفي ذرات شارژ شده هم‌چون الکترون‌ها، ولتاژ يا جريان‌هاي تصادفي به نام نويز حرارتي توليد مي‌کند. انواع ديگري از نويز هم وجود دارد اما نويز حرارتي در هر سيستم مخابراتي ظاهر مي‌شود.
ميزان نويز را نسبت به دامنه سيگنال اندازه مي‌گيرند. در واقع ميزان نويز بر حسب نسبت توان سيگنال به نويز (S/N) اندازه گرفته مي‌شود. توان نويز حرارتي معمولا کوچک است و S/N مي‌تواند آنقدر بزرگ باشد که نويز اهميتي نداشته باشد. به هر حال اندازه‌هاي پائين تر S/N ، دقت در مخابرات آنالوگ را کاهش مي‌دهد و خطاهايي در مخابرات ديجيتالي توليد مي‌کند. اين مشکلات در مخابرات راه دور هنگامي که تلفات انتقال، قدرت سيگنال دريافتي را به زير سطح نويز مي‌رساند، بسيار دشوار مي‌گردد. در اين شرايط تقويت در گيرنده فايده‌اي ندارد زيرا همراه با سيگنال، نويز نيز تقويت خواهد شد. شانون در سال 1948 با در نظر گرفتن اين دو محدوديت (نويز و پهناي باند) نتيجه گرفت که ميزان انتقال اطلاعات نمي‌تواند از ظرفيت کانال انتقال تجاوز کند. از قانون هارتلي-شانون دريافت مي شود که حد عملکرد يک سيستم مخابراتي را مي‌توان با پهناي باند بعلاوه نسبت سيگنال به نويز مفروض آن مشخص کرد.
*مدولاسيون و کدگذاري*
مدولاسيون و کدگذاري عملياتي هستند که در فرستنده براي دستيابي به انتقال موثر و قابل اعتماد انجام مي‌شوند. به‌دليل اهميت اين مباحث در اينجا به بررسي آنها مي‌پردازيم.
روش‌هاي مدولاسيون:
در مدولاسيون دو شکل موج دخيل‌اند: سيگنال مدوله کننده که پيام را نشان مي‌دهد، و موج حامل که بايد براي آن کاربرد خاص مناسب باشد. مدولاتور موج حامل را به صورتي متناظر با تغييرات سيگنال مدوله‌کننده تغيير مي‌دهد. پس موج مدوله شده حاصل اطلاعات پيام را حمل مي‌کند. مدولاسيون بايد عملي برگشت پذير باشد تا بتوان عمل مکمل دمدولاسيون را انجام داد.
شکل 1.a بخشي از يک سيگنال مدوله کننده و شکل 1.b موج مدوله شده حاصل از تغيير دامنه‌ي موج حامل سينوسي را نشان مي‌دهد. اين همان مدولاسيون دامنه‌ي متداول AM در پخش راديو و کاربردهاي ديگرست. پيام را مي‌توان با مدولاسيون فرکانسي FM يا مدولاسيون فاز PM نيز بر حامل سينوسي سوارکرد. تمام روش‌هاي مدولاسيون حامل سينوسي تحت نام مدولاسيون موج پيوسته (CW(Continous Wave قرار مي‌گيرند.
انسان هنگام حرف زدن به صورت مدولاتور CW عمل مي‌کند. انتقال صوت از طريق هوا با ايجاد تونل‌هاي حامل در تارهاي صوتي و مدوله کردن آنها با زبان و لب‌ها انجام مي‌شود. پس آنچه گوش مي‌شنود يک موج اکوستيکي مدوله شده، شبيه سيگنال AM است. در اکثر سيستم‌هاي انتقال دوربرد از مدولاسيون CW با حاملي که فرکانس آن بسيار بزرگتر از بزرگترين مولفه‌ي فرکانسي سيگنال مدوله کننده است، استفاده مي‌شود. به اين ترتيب طيف سيگنال مدوله شده يک باند فرکانسي ايجاد مي‌کند.
براي نمونه در پخش AM طيف پيام نوعا از 100 هرتز تا 5کيلو هرتز است. اگر فرکانس حامل 600هرتز باشد، طيف موج مدوله شده گستره 595 تا 605 هرتز را مي‌پوشاند.
در يک روش مدولاسيون ديگر موسوم به مدولاسيون پالسي يک قطار متناوب از پالس‌هاي کوتاه به عنوان موج حامل بکار مي‌رود. شکل 1.c يک شکل موج با مدولاسيون دامنه پالس PAM را نشان مي‌دهد. توجه کنيد که اين موج PAM نمونه‌هاي کوتاهي از سيگنال آنالوگ واقع در بالاي شکل را استخراج کرده است. نمونه‌برداري يک روش پردازش سيگنال بسيار مهم است، و تحت شرايط خاص مي‌توان شکل موج اصلي را به‌طور کامل از روي نمونه‌ها بازسازي کرد.
شکل 1 : a )سيگنال مدوله‌کننده. b )حامل سينوسي با مدولاسيون دامنه c )حامل قطار پالس با مدولاسيون دامنه اما مدولاسيون پالسي به خودي خود انتقال پالسي ايجاد نمي‌کند، انتقالي که براي انتقال موثر سيگنال ضروري است. در بعضي فرستنده‌ها مدولاسيون پالسي و CW ترکيب مي‌شوند. در روش‌هاي ديگر مدولاسيون از ترکيب مدولاسيون پالسي و کدگذاري استفاده مي‌شود.
*مزايا و کاربردهاي ديگر مدولاسيون*
هدف اصلي مدولاسيون در يک سيستم مخابراتي ايجاد سيگنال مدوله شده ايست که با مشخصات کانال مخابراتي هم‌خواني داشته باشد. در واقع مدولاسيون چند مزيت و کاربرد عملي دارد که در زير در مورد آنها صحبت خواهيم کرد.
مدولاسيون براي انتقال موثر: انتقال سيگنال به فواصل دور هميشه با حرکت امواج الکترو مغناطيسي همراه است چه محيط هدايت کننده باشد و چه نباشد. بازده‌ي هر روش انتقالي به فرکانس سيگنال منتقل شده بستگي دارد. با استفاده از خاصيت انتقال فرکانسي مدولاسيون مي‌توان اطلاعات پيام را روي حامي سوار کرد که فرکانسش براي روش انتقال برگزيده شده مناسب مي‌باشد.
براي نمونه در مخابره‌ي راديويي در خط ديد، بايد آنتن‌هايي به کار برده شود که ابعادشان حداقل يک دهم طول موج سيگنال باشد. انتقال يک سيگنال صوتي مدوله نشده که مولفه‌هاي فرکانسي آن تا 100 هرتز هم مي‌رسد مستلزم بکارگيري آنتن‌هايي با ابعادي در حدود 300 کيلومتراست. انتقال سيگنال مدوله شده تا 100 مگاهرتز به صورت FM اين امکان را مي‌دهد که به مخابره با آنتن‌هاي داراي اندازه‌هاي معقول بازده بهتري دارند.
شکل2 تنها به‌عنوان يک مرجع بخش‌هاي مناسب براي انتقال طيف الکترومغناطيسي را نشان مي‌دهد. اين شکل طول موج در فضاي آزاد، اختصاص باندهاي فرکانسي و محيط انتشار معمولي را در بردارد. هم‌چنين کاربردهاي نوعي مجاز، تشخيص داده شده توسط کميسيون مخابرات فدرال ايالات متحده نيز نشان داده شده است.
مدولاسيون براي غلبه برمحدوديت‌هاي سخت افزاري: طراحي سيستم مخابراتي ممکن است با قيودي راجع به هزينه و در دسترس بودن امکانات سخت افزاري همراه باشد سخت افزارهايي که عملکردشان غالباً به فرکانس مورد استفاده بستگي دارد. مدولاسيون به طراح اين امکان را مي‌دهد که سيگنال را در گستره‌اي قرار دهد که در آن محدوديت سخت افزاري وجود ندارد. يک نکته در اين ارتباط مسئله پهناي باند کسري است که به صورت پهناي باند مطلق تقسيم بر فرکانس مرکزي تعريف مي‌شود. هزينه‌ها و پيچيدگي‌هاي سخت افزاري در صورت قرار داشتن پهناي باند در محدوده 1تا 10 درصد مينيمم مي‌شود. ملاحظات پهناي باند کسري از آنجا ناشي مي‌شوند که واحد مدولاسيون هم در گيرنده‌ها وجود دارد هم در فرستنده‌ها.
پس مي‌توان نتيجه گرفت که سيگنال‌هاي با پهناي باند زياد بايد روي حامل‌هاي فرکانس بالا مدوله شوند. چون آهنگ اطلاعات طبق قانون هارتلي‌شانون با پهناي باند مناسب است، نتيجه مي‌گيريم که براي ارسال اطلاعات با آهنگ بالا به يک حامل فرکانس بالا نياز داريم. براي مثال يک سيستم مايکروويو 5 گيگاهرتز مي‌تواند در يک فاصله زماني معين،10000 برابر يک کانال راديويي 500 هرتز اطلاعات منتقل کند. اگر در طيف الکترو مغناطيسي بالاتر برويم، مي‌توانيم به يک پرتو نور ليزري با امکان پهناي باندي معادل 10 ميليون کانال تلويزيوني دست يابيم.
مدولاسيون براي کاهش نويز و تداخل: يک روش سر راست براي مبارزه با نويز و تداخل افزايش توان سيگنال، براي غلبه بر آلودگي‌هاي نويزي و تداخلي است. اما افزايش توان هزينه دارد و ممکن است به وسايل آسيب برساند. (يکي از کابل‌هاي ميان قاره‌اي در اثر افزايش ولتاژ جهت دستيابي به سيگنال دريافتي قابل استفاده، از بين رفت.) خوشبختانه FM و بعضي روش‌هاي مدولاسيون ديگر ويژگي‌هاي با ارزشي از لحاظ حذف نويز و تداخل دارند.
اين خاصيت کاهش نويز پهن باند نام دارد، زيرا پهناي لازم براي انتقال بسيار بزرگتر از پهناي باند سيگنال مدوله کننده است. مدولاسيون پهن باند به طراح اين امکان را مي‌دهد که کاهش توان سيگنال را با افزايش پهناي باند جبران کند، اين بده بستان در قانون هارتلي شنون نيز ديده مي‌شود.
توجه کنيد که براي دستيابي به مدولاسيون پهن باند به حاملي با فرکانس بالاتر نياز داريم.
مدولاسيون براي اختصاص فرکانسي : وقتي راديو يا تلويزيون را روشن مي‌کنيد و ايستگاه خاصي را مي‌گيريد، از ميان سيگنال‌هاي متعددي که دريافت مي‌شوند يکي را بر مي‌گزينيد. چون هر ايستگاه فرکانس حامل اختصاصي خود را دارد، سيگنال مطلوب را مي‌توان با ***** کردن جدا کرد. اگر مدولاسيون نبود در هر ناحيه‌اي تنها يک ايستگاه مي‌توانست برنامه پخش کند، و پخش همزمان توسط ايستگاهي ديگر باعث تداخلي نااميد کننده مي‌شود .
مدولاسيون براي مالتي پلکس کردن: مالتي پلکس فرآيند ترکيب چند سيگنال براي ارسال همزمان روي يک کانال است. در مالتي‌پلکس فرکانسي (FDM(Frequency (Division Multiplex)از مدولاسيون CW براي گذاشتن هر سيگنال در يک فرکانس حامل متفاوت استفاده مي‌شود. در مقصد براي جدا کردن سيگنال‌ها از ***** استقاده مي‌شود. در مالتي‌پلکس زماني (TDM(Time Division Multiplex) از مدولاسيون پالسي براي قرار دادن نمونه‌هاي سيگنال‌هاي مختلف در شکاف‌هاي زماني ناهم‌پوشان استفاده مي‌شود. مثلا در شکل a.1 مي‌توان در شکاف بين پالس‌ها نمونه‌هاي سيگنال‌هاي ديگر را گذاشت. در مقصد براي جدا کردن نمونه‌هاي هر سيگنال از يک مدار سوييچينگ استفاده مي‌شود. از کاربردهاي مالتي پلکس مي‌توان پخش استريوي راديويي، تلويزيون کابلي و تلفن راه دور را برشمرد.
دستيابي چندگانه ((MA(Multiple Access) گونه‌اي از مالتي پلکس است. در مالتي پلکس به هر سيگنال بخش ثابتي از امکانات مخابراتي محلي اختصاص داده مي‌شود، (براي نمونه بخشي از طيف فرکانسي)، اما درMA از اشتراک دور منابع استفاده مي‌شود. در دستيابي چندگانه تقسيم کد ((CDMA(Code Division Multiple Access) به هر کاربر تلفن همراه يک کد يکتا اختصاص داده مي شود، و ارتباط خصوصي با همبستگي ميان کدهاي شخص فرستنده و شخص گيرنده برقرار مي‌شود. چون در CDMA کاربران مختلف مي‌توانند از يک باند فرکانسي به طور همزمان استفاده کنند، راه ديگري براي افزايش بهره وري مخابراتي فراهم مي‌شود.
*روش‌ها و مزاياي کدگذاري*
مدولاسيون را به‌عنوان يک عمل پردازش سيگنال براي افزايش بازده مخابراتي توصيف کرديم. کدگذاري يک عمل پردازش نماد براي بهبود مخابره در هنگام ديجيتال بودن پيام يا هنگامي که مي‌توان پيام را به شکل نمادهاي مجزا تقريب زد، مي‌باشد. ممکن است هم گدکذاري و هم مدولاسيون براي مخابره قابل اعتماد ديجيتال به نقاط دوردست لازم باشد.
عمل کدگذاري پيام ديجيتال را به رشته‌ي جديدي از نمادها تبديل مي‌کند. کدگشايي رشته‌ي کد شده را به شکل اصلي پيام برمي‌گرداند. البته ممکن است اين کار به‌دليل آلايش توسط کانال انتقال با خطا همراه باشد. يک کامپيوتر يا يک منبع ديجيتال ديگر با M نماد در نظر بگيريد. ارسال پيام کدگذاري نشده از اين منبع مستلزم بکارگيري M شکل موج متفاوت، براي هر نماد يکي است. اما مي‌توان هر نماد را با يک کد دودويي متشکل از K رقم دودويي نشان داد. چون با K رقم دودويي مي‌توان 2k کد مختلف تشکيل داد، براي کد کردن M نماد منبع، بايد هر کلمه از K رقم تشکيل شده باشد، و پهناي باند لازم K برابر پهناي باند سيگنال مدوله شده باشد.
کدگذاري دودويي منبع M نمادي در قبال افزايش پهناي باند دو مزيت دارد. اول کاهش پيچيدگي سخت افزاري، زيرا براي کار با سيگنال‌هاي دودويي متشکل از تنها دو شکل موج متفاوت، سخت افزار ساده‌تري لازم است. دوم اين که نويز آلاينده اثر کمتري بر سيگنال دودويي، نسبت به سيگنالي با M شکل موج متفاوت دارد. بنابراين خطاي ناشي از نويز کاهش مي‌يابد پس کدگذاري اساسا يک روش ديجيتال کاهش نويز پهن باند است.
کدگذاري کانال روشي است که براي افزودن افزونگي‌هاي کنترل شده، براي عملکرد مطمئن‌تر کانال نويزي بکار مي‌رود. کدگذاري کنترل‌کننده خطا پا را در زمينه کاهش نويز پهن باند فراتر مي‌گذارد. در اين روش با افزودن رقم‌هاي وارسي به هر کد دودويي امکان تشخيص، و حتي تصحيح خطاهاي غالب، ممکن مي‌شود. کدگذاري کنترل کننده خطا هم پهناي باند را زياد مي‌کند و هم پيچيدگي سخت افزاري را، اما اين امر با مخابره تقريبا عاري از خطا، حتي با نسبت سيگنال به نويز کم، جبران مي‌شود. حال ديگر محدوديت بنيادي سيستم، يعني پهناي باند را بررسي کنيم. بسياري از سيستم‌هاي مخابراتي براي انتقال از شبکه تلفن استفاده مي‌کنند. چون پهناي باند اين سيستم انتقال توسط مشخصات قديمي چند دهه گذشته محدود شده است، براي افزايش آهنگ داده بايد پهناي باند سيگنال را کم کرد. مودم‌هاي سريع يکي از کاربردهايي است که چنين کاهشي را مي‌طلبد. در روش‌هاي کدگذاري منبع از مشخصات آماري منبع سيگنال براي کدگذاري پربازده استفاده مي‌شود. پس کدگذاري منبع را مي‌توان همزاد کدگذاري کانال در نظر گرفت، زيرا در آن براي دستيابي به بازده مورد نظر از افزونگي کاسته مي‌شود. سرانجام از مزاياي کدگذاري ديجيتال مي‌توان براي مخابرات آنالوگ استفاده کرد، به اين منظور از يک روش تبديل آنالوگ به ديجيتال مثل مدولاسيون کد پالس PCM)Pulse Code Modulation) استفاده مي‌شود. سيگنال PCM با نمونه برداري از پيام آنالوگ، ديجيتالي کردن (کوانتيزه) مقدار نمونه‌ها، و کدگذاري رشته نمونه‌ها ايجاد مي‌شود. به دليل قابليت اعتماد، تنوع و بازده انتقال ديجيتال، PCM در مخابرات آنالوگ اهميت بسزايي يافته است. به علاوه PCM با ترکيب با ميکروپروسسورهاي سريع امکان جايگزيني پردازش سيگنال‌هاي ديجيتال به جاي عمليات آنالوگ را فراهم مي‌کند.
*چشم اندازهاي تاريخي و اثرات اجتماعي*
در زندگي روزمره تکنولوژي پر قدرتي را که امکان ارتباط فوري با مردم سراسر دنيا را فراهم کرده است امري عادي تلقي مي‌کنيم. اکنون بسياري چند شماره تلفن دارند تا کارهاي شخصي و دفتري، فکس و مودم خود را انجام دهند، تلفن‌هاي همراه نيز فراوان است. ما از طريق اينترنت و پست الکترونيکي متن، صدا و تصوير مي‌فرستيم و براي دستيابي به اطلاعات و سرگرمي در شبکه جهاني سياحت مي‌کنيم. تعداد ايستگاه‌هاي تلويزيوني آنقدر زيادند که نمي‌دانيم با آنها چه کنيم. وسايل الکترونيکي هوشمند کارهاي خانه را انجام مي‌دهند و ما بکار آنها وابسته شده‌ايم. سخت مي‌توان باور کرد که بخش غالب اين تکنولوژي در 50 سال گذشته توسعه يافته است.
چشم انداز تاريخي: در زير تاريخچه‌ي مختصري از مخابرات الکتريکي از جمله اختراعات کليدي، کشفيات علمي، مقاله‌هاي مهم و نام‌هاي مرتبط آورده شده است. تعدادي از لغت‌هاي بکارگرفته شده در اين تاريخچه را قبلاً توضيح داديم و بقيه در بخش‌هاي بعدي که اثر و ارتباط اين وقايع تشريح مي‌شوند، توضيح داده خواهند شد.
*تاريخچه‌اي از مخابرات الکتريکي*
1837-1800 تحولات اوليه، ولتا باتري را کشف کرد. رساله‌هاي رياضي فوريه، کوشي و لاپلاس. تجربيات الکتريکي و مغناطيسي اورستد، آمپر، فارادي، هنري، قانون اهم (1844). سيستم‌هاي تلگراف اوليه توسط گاوس، وبر و وتستون.
1838-1866 تلگراف، مورس سيستم خود را تکميل کرد. هال فهميد که مي‌توان زمين را به عنوان مسير جريان بکار برد. شروع خدمات تجاري (1855) .کابل بين قاره‌اي توسط سايروس فيلد و شرکاء نصب شد.
1845 اعلام قانون ولتاژ کيرشهف
1864 معادلات ماکسول تابش الکترومغناطيسي را پيش‌بيني کرد.
1899- 1876 تلفن، الکساندر گراهام بل مبدل اکوستيکي را پس از کوشش‌هاي اوليه رايس تکميل کرد. اولين مبادله‌ي تلفني در نيوهيون با هشت خط (1878). مبدل کربني اديسون. عرضه مدارهاي کابلي. استروجر سوييچينگ خودکار پله به پله را ابداع کرد (1887). نظريه‌ي پر شدن کابل توسط هويسايد، پاپن و کمپل.
1907- 1887 تلگراف بيسيم، هاينريش هرتز درستي نظريه ماکسول را نشان داد. نمايش مارکوني و پوپوف. مارکوني يک سيستم کاملاً بيسيم را به ثبت رساند (1897). نظريه مدارهاي تنظيم شده توسط سراليورلاج. شروع بکارگيري تجاري، شامل سيستم‌هاي کشتي به خشکي و ميان قاره‌اي.
1899- 1892 نشر کتاب‌هاي اليور هويسايد در مورد حساب عملياتي، مدار و الکترومغناطيس.
1920- 1904 مخابرات الکترونيک، لي دو فارست تريود را بر اساس ديود فلمينگ اختراع کرد؛ *****هاي پايه توسط کمپل و ديگران ابداع شد؛ آزمايش با پخش راديو AM؛ خطوط تلفن ميان قاره‌اي با تکرار کننده‌هاي الکترونيکي توسط شرکت بل تکميل شد (1915)؛ تلفن با حامل مالتي پلکس شده بکار گرفته شد؛ آرمسترانگ گيرنده راديويي سوپرهتروداين را کامل کرد (1918)؛ اولين ايستگاه پخش خصوصي.
1928- 1920 نظريه انتقال، مقاله‌هاي بنيادي نظريه مخابرات، سيگنال و نويز توسط کارسون، نايکوييست، جانسون و هارتلي.
1938- 1923 تلويزيون سيستم مکانيکي تشکيل تصوير توسط جنکينس نمايش داده شد؛ تحليل نظري پهناي باند لازم؛ فارنسورث و زوريکين سيستم‌هاي الکترونيکي را پيشنهاد دادند؛ لامپ اشعه‌ي کاتودي توسط دومون و ديگران کامل شد؛ آزمايش‌هاي ميداني و پخش تجربي آغاز شد.
1927 کميسيون فدرال مخابرات ايجاد شد.
1931 سرويس تله تايپ آغاز بکار کرد.
1934 هارولد بلک تقويت کننده با فيدبک منفي را کامل کرد.
1936 مقاله‌ي آرمسترانگ راديويي FM را پيشنهاد کرد.
1937 الک ريوس مدولاسيون کد پالسي PCM را پيشنهاد کرد.
1945- 1938 جنگ جهاني دوم گسترش سيستم‌هاي رادار و مايکروويو؛ FM اختصاصاً براي مخابرات نظامي بکار رفت؛ گسترش الکترونيک، سخت افزار و نظريه‌ها در تمام زمينه‌ها.
1947- 1944 نظريه آماري مخابرات، رايس نمايش رياضي نويز را تکميل کرد؛ وينر، کولموگروف و کوتلنيکف روش‌هاي آماري را براي تشخيص سيگنال را بکار بردند.
1944- 1948 نظريه اطلاعات و کدگذاري؛ شانون مقاله بنيادي نظريه اطلاعات را منتشر کرد؛ همينگ و گولي کدهاي تصحيح خطا را ابداع کردند.
1951- 1948 ترانزيستور توسط باردين، براتن و شوکلي اختراع شد.
1950 مالتي پلکس زماني براي تلفن بکار گرفته شد.
1953 استانداردهاي تلويزيون رنگي در ايالات متحده ايجاد شد.
1955 پايرس سيستم‌هاي مخابراتي ماهواره‌اي را پيشنهاد داد.
1956 اولين کابل تلفن بين قاره‌اي (36 کانال صدا)
1958 سيستم انتقال داده دوربرد براي کاربردهاي نظامي ساخته شد.
1960 ميمن اولين ليزر را به نمايش گذاشت.
1962 مخابرات ماهواره‌اي با تلستار 1 آغاز شد.
1966 – 1962 مخابرات ديجيتال سريع سرويس انتقال داده تجاري، شروع تلفن Touch-Tone؛ کانال‌هاي پهن‌باند براي سيگنال‌هاي ديجيتال طراحي شد؛ امکان ساخت PCM براي انتقال صدا و تلويزيون ثابت شد؛ پيشرفت‌هاي چشمگير در زمينه نظريه و ساخت مخابرات ديجيتال شامل روش‌هاي کدگذاري کنترل کننده خط توسط ويتربي و ديگران؛ و توسعه‌ي متعادل کننده‌هاي افقي توسط لاکي و همکاران.
1963 نوسان‌ساز حالت جامد مايکروويو توسط گان تکميل شد.
1964 سيستم سوييچينگ تلفن کاملاً الکترونيک بکار گرفته شد.
1965 مارينر4 از مريخ به زمين تصوير مخابره کرد.
1975- 1966 سيستم‌هاي مخابرات پهن‌باند سيستم تلويزيون کابلي؛ سرويس رله ماهواره‌اي در دسترس قرار گرفت؛ رابط‌هاي نوري با استفاده از ليزر و تار نوري.
1969 آپارنت (جد اينترنت) ايجاد شد.
1971 اينتل اولين آي سي ميکروپروسسور خود را ساخت.
1972 موتورولا تلفن همراه ساخت، اولين پخش زنده تلويزيوني از يک طرف اقيانوس اطلس به طرف ديگر با ماهواره.
1980 ابداع ديسک فشرده CD توسط فيليپس و سوني.
1981 FCC قوانين سرويس‌دهي تلفن همراه را پذيرفت؛ IBM PC عرضه شد.
1982 AT&T موافقت کرد 22 شرکت تلفن محلي را خصوصي کند؛ هفت شرکت محلي بل تاسيس شد.
1985 فکس به صورت گسترده در دفاتر بکار گرفته شد.
1989- 1988 نصب کابل‌هاي نوري در اقيانوس آرام و اطلس براي مخابرات نوري.
2000- 1990 سيستم‌هاي مخابرات ديجيتال پردازش سيگنال‌هاي ديجيتال و سيستم‌هاي مخابراتي در وسايل خانگي بکار گرفته شد؛ گيرنده‌هاي با تنظيم ديجيتال. سيستم‌هاي طيف گسترده، شبکه‌هاي ISDN، ايجاد استاندارد تلويزيون ديجيتال دقيق HDTV؛ فراخوان ديجيتال؛ کامپيوترهاي ديتي؛ تلفن‌هاي همراه ديجيتال.
1995- 1994 FCC
1998 سرويس‌هاي تلويزيون ديجيتال در آمريکا شروع بکار کرد.
اثرات اجتماعي: زمين ما کمي کوچکتر به نظر مي‌رسد و اين عمدتا به خاطر پيشرفت‌هاي مخابراتي است؛ منابع گوناگوني مرتبا آخرين اخبار و وقايع جهان را در اختيارمان قرار مي‌دهند، و رهبران کشورها از اين امر استفاده وسيعي در شکل‌دهي عقايد مردم کشور خود و ديگر کشورها مي‌کنند. تکنولوژي مخابرات چگونگي انجام کارها را تغيير داده است؛ شرکت‌هاي بزرگي که نتوانند خود را با اين شرايط وفق دهند محکوم به فنا هستند؛ صنايع مخابراتي با سرعتي باور نکردني در هم ادغام و از هم جدا مي‌شوند، و مرز بين فناوري آنها و شرکت‌هاي سخت افزار و نرم افزار کامپيوتري مبهم‌تر شده است. اکنون انتظار داريم که خط تلفن ما هفته‌اي هفت روز، روزي 24 ساعت داير باشد تا بتوانيم نامه‌هاي الکترونيکي دريافت کنيم، ارتباط‌هاي موبايل برقرار باشد، و حتي وقتي در مکاني دوردست به استراحت مشغوليم کارمان ادامه داشته باشد. اين تغييرات تکنولوژي باعث بحث‌هاي جديدي در سياست‌گذاري‌هاي جوامع، عمدتاً بر روي مسائلي چون حريم‌هاي شخصي، امنيت مخابرات، و حفظ مالکيت‌هاي معنوي شده است. شرکت‌هاي جديدي که از اين پيشرفت‌ها بهره مي‌گيرند با سرعتي بيش از آنچه براي بحث و قانونگذاري بر روي اين مسائل لازم است به وجود مي‌آيند. با اين همه کامپيوتر شخصي متصل به اينترنت، افراد شرور مي‌توانند به سرعت ويروس‌هاي کامپيوتري را در دنيا پخش کنند؛ تلفن همراه چنان گسترش يافته که تئاترها و رستوران‌ها سياست‌هاي خاصي براي استفاده از آنها تدوين کرده‌اند. زماني نه چندان دور، در سينماها و تئاترها پيش از شروع برنامه از حضار خواسته مي‌شد که سيگار نکشند. اکنون از حضار خواسته مي‌شود که تلفن‌هاي همراه خود را خاموش کنند. قوانين ايالتي، عوارض شهرداري‌ها و شرکت‌هاي خدمات عمومي بايد خود را با اين انقلاب مخابراتي وفق دهند. نيروي کار نيز بايد با آموزش دائم اطلاعات خود را تازه نگه دارد تا بتواند با تکنولوژي همگام باشد. با اين گسترش نمايي تکنولوژي‌هاي جديد، نمي‌توان با اطمينان گفت که 50 سال ديگر دنيا چگونه خواهد بود. اما با داشتن پايه‌اي قوي در نظريه‌ي مخابرات، حفظ خلاقيت، و توجه به رسوم کاربرد تکنولوژي، و داشتن مهارت‌هاي قوي در حل مسئله، مهندس مخابرات را قادر مي‌سازد تا به شکل‌دهي دنياي آينده بپردازد.
گردآورنده:
حميدرضا صدراعظمي دانشجوي کارشناسي ارشد مخابرات سيستم دانشگاه شهيد بهشتي
عضو گروه خبرنگاران مهندسي مخابرات سرويس مسائل راهبردي ايران
منبع
Carlson,A.bryce ,Communication System ,McGraw-Hill ,4th edition ,2002
آنچه كه در پي مي‌آيد، ويرايش نخست دومين بخش از مقاله‌ي «آشنايي با مخابرات سلولي» از مجموعه‌ي متون آموزشي «مفاهيم مهندسي مخابرات»، ويژه‌ي خبرنگاران سياستي و سياست‌پژوهان صنعت مخابرات است كه در سرويس مسائل راهبردي دفتر مطالعات خبرگزاري دانشجويان ايران (ایسنا)، تدوين شده است.
اين مقاله سعي مي‌كند مروري اجمالي بر مفاهيم اساسي فناوري مخابرات سلولي كه در واقع همان فناوري مخابرات سيار يا مخابرات بيسيم است، داشته باشد. در شماره‌هاي بعدي به بررسي نسل‌هاي گوناگون فناوري شبكه‌هاي تلفن سيار (موبايل)، فناوري‌هاي بكاررفته در آنها و سيستم‌هاي مخابرات خصوصي و هم‌چنين سرويس‌هاي MMS ،GPS ،Bluetooth و بهينه‌سازي شبكه‌هاي سلولي و سيستم‌هاي رادار پرداخته مي‌شود.
مقالات «مفاهيم مهندسي مخابرات» با ادبياتي ساده مفاهيمي تخصصي را براي خواننده توضيح مي‌دهند كه با استفاده از آنها تا حدودي مي‌توان به ارزيابي سياست‌گذاري توسعه‌ي صنعتي و سياست‌گذاري توسعه‌ي علم و فناوري در اين رشته پرداخت.
سرويس مسائل راهبردي ايران، آشنايي با مفاهيم تخصصي و فني در هر حوزه را مقدمه‌ي ايجاد يك عرصه عمومي براي گفت وگوي دانشگاهيان و حرفه‌مندان با مديران و سياست‌گذاران درباره‌ي سياست‌ها و استراتژي‌ها و برنامه‌ها در آن حوزه مي‌داند و اظهار اميدواري مي‌كند تحقق اين هدف، ضمن مستند سازي تاريخ فرآيند سياست‌گذاري عمومي و افزايش نظارت عمومي بر اين فرآيند، موجب طرح ديد‌گاه‌هاي جديد و ارتقاي كيفيت آن در حوزه‌هاي مختلف شود.
سريس مسائل راهبردي ايران ضمن اعلام آمادگي براي بررسي دقيق‌تر نياز‌هاي خبرنگاران و سياست‌پژوهان محترم، علاقه‌مندي خود را براي دريافت (rahbord.isna@gmail.com) مقالات دانشجويان، پژوهشگران، حرفه‌مندان، مديران و سياست‌گذاران محترم در ارائه‌ي عناوين جديد مقالات و يا تكميل يا ويرايش آنها اعلام مي‌كند.
*عناصر و محدوديت‌هاي سيستم‌هاي مخابراتي*
سيستم مخابراتي اطلاعات را از مبدا به مقصدي دور منتقل مي‌کند؛ سيستم‌هاي مخابراتي کاربردهاي بسيار متنوعي دارند. يک سيستم اجزاي بي‌شماري دارد که کل رشته‌ي برق را در برمي‌گيرد، به‌طوري‌که مدار، الکترونيک، مغناطيس، پردازش سيگنال، ميکروپروسسور و شبکه‌هاي مخابراتي تنها تعدادي از حوزه‌هاي مربوط مي‌باشند. علاوه بر اين ارائه‌ي جز به جز، نکته‌اي اساسي را از نظر دور مي‌کند و آن اينکه سيستم مخابراتي، در حالت کلي پيوسته است که در واقع فراتر از مجموع اجزاي آن مي‌باشد.
با توجه به آن‌که تمام سيستم‌هاي مخابراتي تابعي بنيادين از انتقال اطلاعات در بردارند تلاش خواهيم کرد که اصول و مشکلات ارسال اطلاعات به صورت الکتريکي را کنار بگذاريم؛ گفتني‌ست مطالب ارائه شده براي پيشرفت روش‌هاي طراحي و تحليل که براي حوزه وسيعي از کاربردها مناسب است با عمق کافي مورد بررسي قرار گرفته است.
*اطلاعات، پيام و سيگنال*
مفهوم اطلاعات در مخابرات به‌صورتي روشن نقشي اساسي دارد، اما اين اصطلاح دربردارند‌ه‌ي نکاتي معنا شناختي و فلسفي است كه تعريف دقيق آن را دشوار مي‌سازد. براي اجتناب از اين مشکلات به جاي استفاده از اصطلاح اطلاعات، از پيام استفاده مي‌شود.
پيام به‌عنوان ظهور فيزيکي اطلاعات از منبع، تعريف مي‌شود؛ در اينجا اصطلاح سيگنال و پيام به صورت قابل تبديل به‌هم به کار مي‌رود زيرا سيگنال همانند پيام نوعي تجسم فيزيکي از اطلاعات است.
هدف يک سيستم مخابراتي آن است که پيام با هر شکلي که در مبدا دارد، در مقصد به صورت مقبولي بازسازي شود. انواع مختلفي از منابع خبر شامل دستگاه‌ها و انسان وجود دارد، و پيام‌ها به شکل‌هاي متنوعي ظاهر مي شوند؛ با اين وجود ما مي‌توانيم دو نوع پيام مشخص يعني آنالوگ و ديجيتال را تشخيص دهيم. اين تمايز به نوبه‌ي خود معياري است براي مخابرات موفق.
پيام‌هاي آنالوگ:
پيام آنالوگ کميتي فيزيکي(سيگنال) است که معمولاً به‌صورت پيوسته در طول زمان تغيير مي‌کند. يك سيستم آنالوگ در مخابرات، پيام صوتي را تبديل به سيگنال‌هاي پيوسته مي‌كند. از آنجائي‌که پيام‌ها در يک تناوب متغير در زمان توليد شده‌اند، يک سيستم مخابراتي آنالوگ اين تناوب متغير را با دقت مشخصي در سيگنال‌هايي كه بر مبناي آن پيام مي‌سازد نشان مي‌دهد.
پيام‌هاي ديجيتال:
پيام ديجيتال فيزيكي نيست سيستم مخابراتي ديجيتال، پيام را به‌صورت مستقيم ارسال نمي‌كند، بلكه ابتدا آن را به نمادهاي صفر و يك تبديل مي‌كند. تفاوت ديگر اين سيستم با سيستم آنالوگ اين است كه در سيستم آنالوگ يك پيام تبديل به سيگنال‌هاي پيوسته‌اي مي‌شود، در حالي‌كه در سيستم ديجيتال از پيام نمونه برداري مي‌شود براي نمونه در هر 10 ميلي ثانيه يك نمونه از پيام برداشته مي‌شود. نمونه‌برداري كردن از پيام و پيوسته نبودن سيگنال‌ها باعث مي‌شود كه حجم پيام در سيستم ديجيتال كاهش يابد. براي ارسال و سپس خوانش اين نمونه‌برداري‌ها الگوريتم‌هاي پيچيده‌اي طراحي مي‌شود كه در اصطلاح به آنها الگوريتم كد گذاري يا رمزگذاري گفته مي‌شود.
در واقع پيام ديجيتال توالي منظمي از نمادهايي است که از دسته محدودي از عناصر گسسته (هم‌چون صفر و يك) انتخاب شده است؛ حروف چاپ شده روي اين صفحه، ليستي از درجه حرارت در هر ساعت و کليدهاي فشاري ترمينال کامپيوتر نمونه‌هاي ديگري از اين عناصر گسسته هستند.
از آنجائي‌که اطلاعات در نمادهاي گسسته قرار دارد، يک سيستم مخابراتي ديجيتالي بايد اين نمادها را با درجه‌ي دقت مشخصي در يک واحد زماني معين، بازسازي كند.
*مبدل‌ها*
پيام‌ها چه آنالوگ باشند چه ديجيتالي تعداد اندکي از منابع پيام ذاتاً الکتريکي هستند؛ در نتيجه اکثر سيستم‌هاي مخابراتي داراي مبدل‌هاي ورودي و خروجي مي‌باشند. مبدل‌هاي ورودي پيام را به يک سيگنال الکتريکي، براي نمونه يک ولتاژ يا جريان تبديل مي‌کند و مبدل ديگر در مقصد سيگنال خروجي را به شکل دلخواه پيام در مي‌آورد. براي نمونه مبدل در يک سيستم مخابراتي صوتي مي‌تواند در نقطه‌ي خروجي يک بلندگو باشد؛ ما فرض مي‌کنيم که مبدل مناسبي وجود دارد و بيشتر تمركز متخصصان مخابرات روي كيفيت و چگونگي انتقال سيگنالي است.
*عناصر يک سيستم مخابراتي*
شکل 2 اجزاي يک سيستم مخابراتي را با حذف مبدل‌ها و در نظر گرفتن آلودگي‌هاي ناخواسته نشان مي‌دهد؛ هر سيستم مخابراتي سه بخش اساسي دارد: فرستنده، کانال ارسال و گيرنده؛ هر قسمت نقش خاصي را در انتقال سيگنال به صورت زير ايفا مي‌کند:
فرستنده، سيگنال ورودي را به جريان مي اندازد تا سيگنال ارسالي مناسبي، متناسب با مشخصات خط ارسال توليد کند؛ توليد سيگنال براي ارسال تقريبا هميشه مدولاسيون را در بردارد و ممکن است شامل کدگذاري نيز باشد.
کانال ارسال، محيطي الکتريکي است که پلي ميان مبدا و مقصد پديد مي‌آورد. اين پل ممکن است يک جفت سيم، يک کابل هم محور يا يک موج راديوئي يا پرتوي ليرزي باشد. هر کانال مقداري تلفات انتقال يا تضعيف دارد. بنابراين قدرت سيگنال با افزوده شدن فاصله کاهش مي‌يابد.
گيرنده، روي سيگنال خروجي از کانال ارسال عمل مي‌کند تا آن را در مقصد به مبدل برساند. عمليات گيرنده شامل تقويت، جهت جبران تلفات انتقال و دمدولاسيون و دکدينگ براي معکوس کردن پردازش سيگنالي انجام شده در فرستنده مي‌باشد. ***** کردن اطلاعات زائد عامل مهم ديگري در گيرنده است.
تاثيرات مزاحم مختلفي در مسير ارسال سيگنال انباشته مي‌شوند. تضعيف بدين جهت مزاحم است که قدرت سيگنال را در گيرنده کاهش مي‌دهد. مسائل مهم‌تر در اين زمينه عبارتند از: اعوجاج، تداخل و نويز که باعث تغيير شکل سيگنال مي‌شوند. اگر چه ممکن است که اين مزاحمت‌ها در هر نقطه بروز کنند، روش استاندارد آن است که آنها را در خط انتقال به طور کامل از بين ببريم تا فرستنده و گيرنده ايده آل باشند.
اعوجاج، تغيير شکل موج است که به خاطر پاسخ ناقص سيستم به سيگنال مورد نظر پديد مي‌آيد. اعوجاج هنگام قطع سيگنال ناپديد مي‌شود در حالي که نويز و تداخل چنين نيست. اگر کانال يک پاسخ خطي ولي اعوجاجي داشته باشد، در اين موقع مي‌توان اعوجاج را تصحيح نمود يا حداقل به کمک *****هاي مخصوص به نام همسان ساز(Equalizers) آن را کاهش داد.
تداخل، به معني تاثير ناخواسته سيگنال‌هاي بيگانه‌اي است كه از منابع انساني، فرستنده‌هاي ديگر، خطوط نيرو، دستگاه‌ها، مدارهاي سوئيچينگ و غيره توليد مي‌شود. تداخل غالباً در سيستم‌هاي راديويي که آنتن‌هايشان معمولاً در يک زمان چندين سيگنال را دريافت مي‌کنند، صورت مي‌گيرد. اگر كانال انتقال يا مدارهاي سيستم گيرنده‌ي سيگنال‌هاي تابشي از منابع نزديک را دريافت كند، تداخل فرکانس راديويي (RF) در سيستم‌هاي خطي ظاهر مي‌شود. ***** کردن مناسب، در از بين بردن سيگنال‌هاي تداخلي در فرکانس‌هاي غير از فرکانس‌هاي مورد نظر موثر است.
نويز، به سيگنال‌هاي الکتريکي تصادفي و غيرقابل پيش بيني اطلاق مي‌شود که توسط فرآيندهاي طبيعي چه داخل و چه خارج آن توليد مي‌شود. هنگامي‌که چنين متغيرهاي تصادفي روي يک سيگنال حاوي اطلاعات تحميل مي‌شود، ممکن است که قسمتي از پيام مختل شود يا اينکه کل پيام از بين برود. ***** کردن، نويز مزاحم را از بين مي‌برد، اما مقداري نويز به صورت اجتناب ناپذير باقي مي‌ماند که نمي‌توان آن را از بين برد. اين نويز يکي از محدوديت‌هاي اساسي سيستم است.
بايد توجه کرد که شکل 2 يک انتقال يک طرفه (Simplex) را نشان مي‌دهد. براي مخابره‌ي دو طرفه بايد در هر دو طرف هم فرستنده و هم گيرنده وجود داشته باشد، علاوه بر آن سيستم دو طرفه (Full-Duplex) کانالي دارد که مخابره‌ي همزمان در دو جهت را ممکن مي‌کند. سيستم نيمه‌ي دو طرفه (Half-Duplex) انتقال در هر دو جهت را اجازه مي‌دهد ولي نه بطور همزمان.
*محدوديت‌هاي اساسي*
هنگامي که مهندسي يک سيستم مخابراتي را طراحي مي‌کند با دو مشکل کلي روبروست. از يک طرف مشکلات فني شامل مسائل مختلفي چون دردسترس نبودن سخت افزار، عوامل اقتصادي، مقررات کشوري و غيره. اين مسائل مربوط به امکان ساخت است که از لحاظ نظري قابل حل هستند، هر چند که راه‌حل‌هاي ايده‌آل ممکن است عملي نباشد. از طرف ديگر محدوديت‌هاي فيزيکي بنيادي وجود دارند كه از قوانين طبيعي ناشي مي‌شوند. محدوديت‌هاي بنيادي انتقال اطلاعات، پهناي باند و نويز است.
پهناي باند(B):
مفهوم پهناي باند هم براي سيگنال‌ها و هم براي سيستم‌ها به عنوان سنجش سرعت بکار مي‌رود. هنگامي‌که يک سيگنال تغييرات سريعي نسبت به زمان دارد، گفته مي‌شود كه سيگنال پهناي باند بزرگي دارد.
چنان‌كه در بخش‌هاي پيشين توضيح داده شد، فركانس اندازه گيري تعداد تکرار اتفاقي در واحد زمان است. براي محاسبه‌ي فرکانس بر روي يک بازه‌ي زماني ثابت، تعداد دفعات وقوع يک حادثه را در آن بازه مي شماريم و سپس اين تعداد را بر طول بازه زماني تقسيم مي کنيم. محدوده‌ي فركانسي هر چه بزرگتر باشد، اطلاعات بيشتري را دربر مي‌گيرد. بنابراين مي‌توان گفت هنگامي‌كه يك سيگنال تغييرات سريعي نسبت به زمان دارد، در واقع محتواي فرکانسي يا طيف آن گستره وسيعي را مي‌پوشاند.
هر سيستمي پهناي باند مختص خودش را دارد و اگر تغييرات سيگنال در طول زمان، بيشتر از پاسخ فركانسي آن سيستم باشد، آن سيستم قادر به دنبال كردن تغييرات سيگنال نيست. بنابراين توانايي يک سيستم در دنبال کردن تغييرات سيگنال در پهناي باند انتقال آن سيستم، يا پاسخ فركانسي قابل استفاده‌ي آن سيستم، نهفته است.
هنگامي‌كه يك سيستم از تغييرات يك سيگنال نمونه برداري مي‌كند، اصطلاحاً گفته مي‌شود، تغييرات سيگنال را دنبال مي‌كند، مداري كه اين كار را انجام مي‌دهد از مجموعه‌اي از عناصر از جمله عناصر ذخيره كننده انرژي (سلف و خازن) ساخته شده است. در واقع در درون مدار بايد متناسب با سرعت تغيير سيگنال، سلف و خازن شارژ و دشارژ شوند. اما از آن‌جايي‌كه انرژي ذخيره شده در اين عناصر را نمي‌توان به‌طور سريع تغيير داد و به تعبير ديگر نمي‌توان به سرعت آنها را شارژ و دشارژ كرد، در نتيجه هر سيستم مخابراتي يک پهناي باند محدود(B) دارد که آهنگ تغييرات سيگنال را محدود مي‌کند.
هنگامي‌كه در يك سيستم مخابراتي گفته مي‌شود ارسال در زمان واقعي (Real Time) صورت مي‌گيرد، به اين معناست كه اطلاعات ميان توليد، ارسال اطلاعات تقريباً فاصله‌اي وجود ندارد. مخابرات در شرايط زمان واقعي (Real Time) به پهناي باند انتقال مناسب براي عبور طيف سيگنال نياز دارد، در غير اين صورت اعوجاج نامطلوب پديد خواهد آمد. براي نمونه براي سيگنال تلويزيوني به يک پهناي باند چندين مگا هرتزي نياز داريم، در حالي‌که براي تغييرات بسيار آهسته‌تر يک سيگنال صوتي، 3 کيلوهرتز هم مناسب مي‌باشد. براي يک سيگنال ديجيتال با X نمونه (symbol) در ثانيه، پهناي باند بايد بزرگ تر از نصف X باشد. در مورد انتقال اطلاعات بدون محدوديت زماني واقعي، پهناي باند قابل استفاده، حداكثر سرعت ارسال سيگنال را تعيين مي‌کند. بنابراين زمان لازم براي انتقال با B (پهناي باند) نسبت عکس دارد.
نويز:
نويز محدوديت ديگري براي انتقال اطلاعات بوجود مي آورد. علت اينکه نويز غيرقابل اجتناب است، از طريق نظريه‌ي جنبشي قابل توجيه است. در هر درجه‌ي حرارتي که بالاي صفر مطلق باشد، انرژي حرارتي باعث حرکت تصادفي ذرات ميکروسکوپي مي‌گردد. حرکت تصادفي ذرات شارژ شده هم‌چون الکترون‌ها، ولتاژ يا جريان‌هاي تصادفي به نام نويز حرارتي توليد مي‌کند. انواع ديگري از نويز هم وجود دارد اما نويز حرارتي در هر سيستم مخابراتي ظاهر مي‌شود.
ميزان نويز را نسبت به دامنه سيگنال اندازه مي‌گيرند. در واقع ميزان نويز بر حسب نسبت توان سيگنال به نويز (S/N) اندازه گرفته مي‌شود. توان نويز حرارتي معمولا کوچک است و S/N مي‌تواند آنقدر بزرگ باشد که نويز اهميتي نداشته باشد. به هر حال اندازه‌هاي پائين تر S/N ، دقت در مخابرات آنالوگ را کاهش مي‌دهد و خطاهايي در مخابرات ديجيتالي توليد مي‌کند. اين مشکلات در مخابرات راه دور هنگامي که تلفات انتقال، قدرت سيگنال دريافتي را به زير سطح نويز مي‌رساند، بسيار دشوار مي‌گردد. در اين شرايط تقويت در گيرنده فايده‌اي ندارد زيرا همراه با سيگنال، نويز نيز تقويت خواهد شد. شانون در سال 1948 با در نظر گرفتن اين دو محدوديت (نويز و پهناي باند) نتيجه گرفت که ميزان انتقال اطلاعات نمي‌تواند از ظرفيت کانال انتقال تجاوز کند. از قانون هارتلي-شانون دريافت مي شود که حد عملکرد يک سيستم مخابراتي را مي‌توان با پهناي باند بعلاوه نسبت سيگنال به نويز مفروض آن مشخص کرد.
*مدولاسيون و کدگذاري*
مدولاسيون و کدگذاري عملياتي هستند که در فرستنده براي دستيابي به انتقال موثر و قابل اعتماد انجام مي‌شوند. به‌دليل اهميت اين مباحث در اينجا به بررسي آنها مي‌پردازيم.
روش‌هاي مدولاسيون:
در مدولاسيون دو شکل موج دخيل‌اند: سيگنال مدوله کننده که پيام را نشان مي‌دهد، و موج حامل که بايد براي آن کاربرد خاص مناسب باشد. مدولاتور موج حامل را به صورتي متناظر با تغييرات سيگنال مدوله‌کننده تغيير مي‌دهد. پس موج مدوله شده حاصل اطلاعات پيام را حمل مي‌کند. مدولاسيون بايد عملي برگشت پذير باشد تا بتوان عمل مکمل دمدولاسيون را انجام داد.
شکل 1.a بخشي از يک سيگنال مدوله کننده و شکل 1.b موج مدوله شده حاصل از تغيير دامنه‌ي موج حامل سينوسي را نشان مي‌دهد. اين همان مدولاسيون دامنه‌ي متداول AM در پخش راديو و کاربردهاي ديگرست. پيام را مي‌توان با مدولاسيون فرکانسي FM يا مدولاسيون فاز PM نيز بر حامل سينوسي سوارکرد. تمام روش‌هاي مدولاسيون حامل سينوسي تحت نام مدولاسيون موج پيوسته (CW(Continous Wave قرار مي‌گيرند.
انسان هنگام حرف زدن به صورت مدولاتور CW عمل مي‌کند. انتقال صوت از طريق هوا با ايجاد تونل‌هاي حامل در تارهاي صوتي و مدوله کردن آنها با زبان و لب‌ها انجام مي‌شود. پس آنچه گوش مي‌شنود يک موج اکوستيکي مدوله شده، شبيه سيگنال AM است. در اکثر سيستم‌هاي انتقال دوربرد از مدولاسيون CW با حاملي که فرکانس آن بسيار بزرگتر از بزرگترين مولفه‌ي فرکانسي سيگنال مدوله کننده است، استفاده مي‌شود. به اين ترتيب طيف سيگنال مدوله شده يک باند فرکانسي ايجاد مي‌کند.
براي نمونه در پخش AM طيف پيام نوعا از 100 هرتز تا 5کيلو هرتز است. اگر فرکانس حامل 600هرتز باشد، طيف موج مدوله شده گستره 595 تا 605 هرتز را مي‌پوشاند.
در يک روش مدولاسيون ديگر موسوم به مدولاسيون پالسي يک قطار متناوب از پالس‌هاي کوتاه به عنوان موج حامل بکار مي‌رود. شکل 1.c يک شکل موج با مدولاسيون دامنه پالس PAM را نشان مي‌دهد. توجه کنيد که اين موج PAM نمونه‌هاي کوتاهي از سيگنال آنالوگ واقع در بالاي شکل را استخراج کرده است. نمونه‌برداري يک روش پردازش سيگنال بسيار مهم است، و تحت شرايط خاص مي‌توان شکل موج اصلي را به‌طور کامل از روي نمونه‌ها بازسازي کرد.
شکل 1 : a )سيگنال مدوله‌کننده. b )حامل سينوسي با مدولاسيون دامنه c )حامل قطار پالس با مدولاسيون دامنه اما مدولاسيون پالسي به خودي خود انتقال پالسي ايجاد نمي‌کند، انتقالي که براي انتقال موثر سيگنال ضروري است. در بعضي فرستنده‌ها مدولاسيون پالسي و CW ترکيب مي‌شوند. در روش‌هاي ديگر مدولاسيون از ترکيب مدولاسيون پالسي و کدگذاري استفاده مي‌شود.
*مزايا و کاربردهاي ديگر مدولاسيون*
هدف اصلي مدولاسيون در يک سيستم مخابراتي ايجاد سيگنال مدوله شده ايست که با مشخصات کانال مخابراتي هم‌خواني داشته باشد. در واقع مدولاسيون چند مزيت و کاربرد عملي دارد که در زير در مورد آنها صحبت خواهيم کرد.
مدولاسيون براي انتقال موثر: انتقال سيگنال به فواصل دور هميشه با حرکت امواج الکترو مغناطيسي همراه است چه محيط هدايت کننده باشد و چه نباشد. بازده‌ي هر روش انتقالي به فرکانس سيگنال منتقل شده بستگي دارد. با استفاده از خاصيت انتقال فرکانسي مدولاسيون مي‌توان اطلاعات پيام را روي حامي سوار کرد که فرکانسش براي روش انتقال برگزيده شده مناسب مي‌باشد.
براي نمونه در مخابره‌ي راديويي در خط ديد، بايد آنتن‌هايي به کار برده شود که ابعادشان حداقل يک دهم طول موج سيگنال باشد. انتقال يک سيگنال صوتي مدوله نشده که مولفه‌هاي فرکانسي آن تا 100 هرتز هم مي‌رسد مستلزم بکارگيري آنتن‌هايي با ابعادي در حدود 300 کيلومتراست. انتقال سيگنال مدوله شده تا 100 مگاهرتز به صورت FM اين امکان را مي‌دهد که به مخابره با آنتن‌هاي داراي اندازه‌هاي معقول بازده بهتري دارند.
شکل2 تنها به‌عنوان يک مرجع بخش‌هاي مناسب براي انتقال طيف الکترومغناطيسي را نشان مي‌دهد. اين شکل طول موج در فضاي آزاد، اختصاص باندهاي فرکانسي و محيط انتشار معمولي را در بردارد. هم‌چنين کاربردهاي نوعي مجاز، تشخيص داده شده توسط کميسيون مخابرات فدرال ايالات متحده نيز نشان داده شده است.
مدولاسيون براي غلبه برمحدوديت‌هاي سخت افزاري: طراحي سيستم مخابراتي ممکن است با قيودي راجع به هزينه و در دسترس بودن امکانات سخت افزاري همراه باشد سخت افزارهايي که عملکردشان غالباً به فرکانس مورد استفاده بستگي دارد. مدولاسيون به طراح اين امکان را مي‌دهد که سيگنال را در گستره‌اي قرار دهد که در آن محدوديت سخت افزاري وجود ندارد. يک نکته در اين ارتباط مسئله پهناي باند کسري است که به صورت پهناي باند مطلق تقسيم بر فرکانس مرکزي تعريف مي‌شود. هزينه‌ها و پيچيدگي‌هاي سخت افزاري در صورت قرار داشتن پهناي باند در محدوده 1تا 10 درصد مينيمم مي‌شود. ملاحظات پهناي باند کسري از آنجا ناشي مي‌شوند که واحد مدولاسيون هم در گيرنده‌ها وجود دارد هم در فرستنده‌ها.
پس مي‌توان نتيجه گرفت که سيگنال‌هاي با پهناي باند زياد بايد روي حامل‌هاي فرکانس بالا مدوله شوند. چون آهنگ اطلاعات طبق قانون هارتلي‌شانون با پهناي باند مناسب است، نتيجه مي‌گيريم که براي ارسال اطلاعات با آهنگ بالا به يک حامل فرکانس بالا نياز داريم. براي مثال يک سيستم مايکروويو 5 گيگاهرتز مي‌تواند در يک فاصله زماني معين،10000 برابر يک کانال راديويي 500 هرتز اطلاعات منتقل کند. اگر در طيف الکترو مغناطيسي بالاتر برويم، مي‌توانيم به يک پرتو نور ليزري با امکان پهناي باندي معادل 10 ميليون کانال تلويزيوني دست يابيم.
مدولاسيون براي کاهش نويز و تداخل: يک روش سر راست براي مبارزه با نويز و تداخل افزايش توان سيگنال، براي غلبه بر آلودگي‌هاي نويزي و تداخلي است. اما افزايش توان هزينه دارد و ممکن است به وسايل آسيب برساند. (يکي از کابل‌هاي ميان قاره‌اي در اثر افزايش ولتاژ جهت دستيابي به سيگنال دريافتي قابل استفاده، از بين رفت.) خوشبختانه FM و بعضي روش‌هاي مدولاسيون ديگر ويژگي‌هاي با ارزشي از لحاظ حذف نويز و تداخل دارند.
اين خاصيت کاهش نويز پهن باند نام دارد، زيرا پهناي لازم براي انتقال بسيار بزرگتر از پهناي باند سيگنال مدوله کننده است. مدولاسيون پهن باند به طراح اين امکان را مي‌دهد که کاهش توان سيگنال را با افزايش پهناي باند جبران کند، اين بده بستان در قانون هارتلي شنون نيز ديده مي‌شود.
توجه کنيد که براي دستيابي به مدولاسيون پهن باند به حاملي با فرکانس بالاتر نياز داريم.
مدولاسيون براي اختصاص فرکانسي : وقتي راديو يا تلويزيون را روشن مي‌کنيد و ايستگاه خاصي را مي‌گيريد، از ميان سيگنال‌هاي متعددي که دريافت مي‌شوند يکي را بر مي‌گزينيد. چون هر ايستگاه فرکانس حامل اختصاصي خود را دارد، سيگنال مطلوب را مي‌توان با ***** کردن جدا کرد. اگر مدولاسيون نبود در هر ناحيه‌اي تنها يک ايستگاه مي‌توانست برنامه پخش کند، و پخش همزمان توسط ايستگاهي ديگر باعث تداخلي نااميد کننده مي‌شود .
مدولاسيون براي مالتي پلکس کردن: مالتي پلکس فرآيند ترکيب چند سيگنال براي ارسال همزمان روي يک کانال است. در مالتي‌پلکس فرکانسي (FDM(Frequency (Division Multiplex)از مدولاسيون CW براي گذاشتن هر سيگنال در يک فرکانس حامل متفاوت استفاده مي‌شود. در مقصد براي جدا کردن سيگنال‌ها از ***** استقاده مي‌شود. در مالتي‌پلکس زماني (TDM(Time Division Multiplex) از مدولاسيون پالسي براي قرار دادن نمونه‌هاي سيگنال‌هاي مختلف در شکاف‌هاي زماني ناهم‌پوشان استفاده مي‌شود. مثلا در شکل a.1 مي‌توان در شکاف بين پالس‌ها نمونه‌هاي سيگنال‌هاي ديگر را گذاشت. در مقصد براي جدا کردن نمونه‌هاي هر سيگنال از يک مدار سوييچينگ استفاده مي‌شود. از کاربردهاي مالتي پلکس مي‌توان پخش استريوي راديويي، تلويزيون کابلي و تلفن راه دور را برشمرد.
دستيابي چندگانه ((MA(Multiple Access) گونه‌اي از مالتي پلکس است. در مالتي پلکس به هر سيگنال بخش ثابتي از امکانات مخابراتي محلي اختصاص داده مي‌شود، (براي نمونه بخشي از طيف فرکانسي)، اما درMA از اشتراک دور منابع استفاده مي‌شود. در دستيابي چندگانه تقسيم کد ((CDMA(Code Division Multiple Access) به هر کاربر تلفن همراه يک کد يکتا اختصاص داده مي شود، و ارتباط خصوصي با همبستگي ميان کدهاي شخص فرستنده و شخص گيرنده برقرار مي‌شود. چون در CDMA کاربران مختلف مي‌توانند از يک باند فرکانسي به طور همزمان استفاده کنند، راه ديگري براي افزايش بهره وري مخابراتي فراهم مي‌شود.
*روش‌ها و مزاياي کدگذاري*
مدولاسيون را به‌عنوان يک عمل پردازش سيگنال براي افزايش بازده مخابراتي توصيف کرديم. کدگذاري يک عمل پردازش نماد براي بهبود مخابره در هنگام ديجيتال بودن پيام يا هنگامي که مي‌توان پيام را به شکل نمادهاي مجزا تقريب زد، مي‌باشد. ممکن است هم گدکذاري و هم مدولاسيون براي مخابره قابل اعتماد ديجيتال به نقاط دوردست لازم باشد.
عمل کدگذاري پيام ديجيتال را به رشته‌ي جديدي از نمادها تبديل مي‌کند. کدگشايي رشته‌ي کد شده را به شکل اصلي پيام برمي‌گرداند. البته ممکن است اين کار به‌دليل آلايش توسط کانال انتقال با خطا همراه باشد. يک کامپيوتر يا يک منبع ديجيتال ديگر با M نماد در نظر بگيريد. ارسال پيام کدگذاري نشده از اين منبع مستلزم بکارگيري M شکل موج متفاوت، براي هر نماد يکي است. اما مي‌توان هر نماد را با يک کد دودويي متشکل از K رقم دودويي نشان داد. چون با K رقم دودويي مي‌توان 2k کد مختلف تشکيل داد، براي کد کردن M نماد منبع، بايد هر کلمه از K رقم تشکيل شده باشد، و پهناي باند لازم K برابر پهناي باند سيگنال مدوله شده باشد.
کدگذاري دودويي منبع M نمادي در قبال افزايش پهناي باند دو مزيت دارد. اول کاهش پيچيدگي سخت افزاري، زيرا براي کار با سيگنال‌هاي دودويي متشکل از تنها دو شکل موج متفاوت، سخت افزار ساده‌تري لازم است. دوم اين که نويز آلاينده اثر کمتري بر سيگنال دودويي، نسبت به سيگنالي با M شکل موج متفاوت دارد. بنابراين خطاي ناشي از نويز کاهش مي‌يابد پس کدگذاري اساسا يک روش ديجيتال کاهش نويز پهن باند است.
کدگذاري کانال روشي است که براي افزودن افزونگي‌هاي کنترل شده، براي عملکرد مطمئن‌تر کانال نويزي بکار مي‌رود. کدگذاري کنترل‌کننده خطا پا را در زمينه کاهش نويز پهن باند فراتر مي‌گذارد. در اين روش با افزودن رقم‌هاي وارسي به هر کد دودويي امکان تشخيص، و حتي تصحيح خطاهاي غالب، ممکن مي‌شود. کدگذاري کنترل کننده خطا هم پهناي باند را زياد مي‌کند و هم پيچيدگي سخت افزاري را، اما اين امر با مخابره تقريبا عاري از خطا، حتي با نسبت سيگنال به نويز کم، جبران مي‌شود. حال ديگر محدوديت بنيادي سيستم، يعني پهناي باند را بررسي کنيم. بسياري از سيستم‌هاي مخابراتي براي انتقال از شبکه تلفن استفاده مي‌کنند. چون پهناي باند اين سيستم انتقال توسط مشخصات قديمي چند دهه گذشته محدود شده است، براي افزايش آهنگ داده بايد پهناي باند سيگنال را کم کرد. مودم‌هاي سريع يکي از کاربردهايي است که چنين کاهشي را مي‌طلبد. در روش‌هاي کدگذاري منبع از مشخصات آماري منبع سيگنال براي کدگذاري پربازده استفاده مي‌شود. پس کدگذاري منبع را مي‌توان همزاد کدگذاري کانال در نظر گرفت، زيرا در آن براي دستيابي به بازده مورد نظر از افزونگي کاسته مي‌شود. سرانجام از مزاياي کدگذاري ديجيتال مي‌توان براي مخابرات آنالوگ استفاده کرد، به اين منظور از يک روش تبديل آنالوگ به ديجيتال مثل مدولاسيون کد پالس PCM)Pulse Code Modulation) استفاده مي‌شود. سيگنال PCM با نمونه برداري از پيام آنالوگ، ديجيتالي کردن (کوانتيزه) مقدار نمونه‌ها، و کدگذاري رشته نمونه‌ها ايجاد مي‌شود. به دليل قابليت اعتماد، تنوع و بازده انتقال ديجيتال، PCM در مخابرات آنالوگ اهميت بسزايي يافته است. به علاوه PCM با ترکيب با ميکروپروسسورهاي سريع امکان جايگزيني پردازش سيگنال‌هاي ديجيتال به جاي عمليات آنالوگ را فراهم مي‌کند.
*چشم اندازهاي تاريخي و اثرات اجتماعي*
در زندگي روزمره تکنولوژي پر قدرتي را که امکان ارتباط فوري با مردم سراسر دنيا را فراهم کرده است امري عادي تلقي مي‌کنيم. اکنون بسياري چند شماره تلفن دارند تا کارهاي شخصي و دفتري، فکس و مودم خود را انجام دهند، تلفن‌هاي همراه نيز فراوان است. ما از طريق اينترنت و پست الکترونيکي متن، صدا و تصوير مي‌فرستيم و براي دستيابي به اطلاعات و سرگرمي در شبکه جهاني سياحت مي‌کنيم. تعداد ايستگاه‌هاي تلويزيوني آنقدر زيادند که نمي‌دانيم با آنها چه کنيم. وسايل الکترونيکي هوشمند کارهاي خانه را انجام مي‌دهند و ما بکار آنها وابسته شده‌ايم. سخت مي‌توان باور کرد که بخش غالب اين تکنولوژي در 50 سال گذشته توسعه يافته است.
چشم انداز تاريخي: در زير تاريخچه‌ي مختصري از مخابرات الکتريکي از جمله اختراعات کليدي، کشفيات علمي، مقاله‌هاي مهم و نام‌هاي مرتبط آورده شده است. تعدادي از لغت‌هاي بکارگرفته شده در اين تاريخچه را قبلاً توضيح داديم و بقيه در بخش‌هاي بعدي که اثر و ارتباط اين وقايع تشريح مي‌شوند، توضيح داده خواهند شد.
*تاريخچه‌اي از مخابرات الکتريکي*
1837-1800 تحولات اوليه، ولتا باتري را کشف کرد. رساله‌هاي رياضي فوريه، کوشي و لاپلاس. تجربيات الکتريکي و مغناطيسي اورستد، آمپر، فارادي، هنري، قانون اهم (1844). سيستم‌هاي تلگراف اوليه توسط گاوس، وبر و وتستون.
1838-1866 تلگراف، مورس سيستم خود را تکميل کرد. هال فهميد که مي‌توان زمين را به عنوان مسير جريان بکار برد. شروع خدمات تجاري (1855) .کابل بين قاره‌اي توسط سايروس فيلد و شرکاء نصب شد.
1845 اعلام قانون ولتاژ کيرشهف
1864 معادلات ماکسول تابش الکترومغناطيسي را پيش‌بيني کرد.
1899- 1876 تلفن، الکساندر گراهام بل مبدل اکوستيکي را پس از کوشش‌هاي اوليه رايس تکميل کرد. اولين مبادله‌ي تلفني در نيوهيون با هشت خط (1878). مبدل کربني اديسون. عرضه مدارهاي کابلي. استروجر سوييچينگ خودکار پله به پله را ابداع کرد (1887). نظريه‌ي پر شدن کابل توسط هويسايد، پاپن و کمپل.
1907- 1887 تلگراف بيسيم، هاينريش هرتز درستي نظريه ماکسول را نشان داد. نمايش مارکوني و پوپوف. مارکوني يک سيستم کاملاً بيسيم را به ثبت رساند (1897). نظريه مدارهاي تنظيم شده توسط سراليورلاج. شروع بکارگيري تجاري، شامل سيستم‌هاي کشتي به خشکي و ميان قاره‌اي.
1899- 1892 نشر کتاب‌هاي اليور هويسايد در مورد حساب عملياتي، مدار و الکترومغناطيس.
1920- 1904 مخابرات الکترونيک، لي دو فارست تريود را بر اساس ديود فلمينگ اختراع کرد؛ *****هاي پايه توسط کمپل و ديگران ابداع شد؛ آزمايش با پخش راديو AM؛ خطوط تلفن ميان قاره‌اي با تکرار کننده‌هاي الکترونيکي توسط شرکت بل تکميل شد (1915)؛ تلفن با حامل مالتي پلکس شده بکار گرفته شد؛ آرمسترانگ گيرنده راديويي سوپرهتروداين را کامل کرد (1918)؛ اولين ايستگاه پخش خصوصي.
1928- 1920 نظريه انتقال، مقاله‌هاي بنيادي نظريه مخابرات، سيگنال و نويز توسط کارسون، نايکوييست، جانسون و هارتلي.
1938- 1923 تلويزيون سيستم مکانيکي تشکيل تصوير توسط جنکينس نمايش داده شد؛ تحليل نظري پهناي باند لازم؛ فارنسورث و زوريکين سيستم‌هاي الکترونيکي را پيشنهاد دادند؛ لامپ اشعه‌ي کاتودي توسط دومون و ديگران کامل شد؛ آزمايش‌هاي ميداني و پخش تجربي آغاز شد.
1927 کميسيون فدرال مخابرات ايجاد شد.
1931 سرويس تله تايپ آغاز بکار کرد.
1934 هارولد بلک تقويت کننده با فيدبک منفي را کامل کرد.
1936 مقاله‌ي آرمسترانگ راديويي FM را پيشنهاد کرد.
1937 الک ريوس مدولاسيون کد پالسي PCM را پيشنهاد کرد.
1945- 1938 جنگ جهاني دوم گسترش سيستم‌هاي رادار و مايکروويو؛ FM اختصاصاً براي مخابرات نظامي بکار رفت؛ گسترش الکترونيک، سخت افزار و نظريه‌ها در تمام زمينه‌ها.
1947- 1944 نظريه آماري مخابرات، رايس نمايش رياضي نويز را تکميل کرد؛ وينر، کولموگروف و کوتلنيکف روش‌هاي آماري را براي تشخيص سيگنال را بکار بردند.
1944- 1948 نظريه اطلاعات و کدگذاري؛ شانون مقاله بنيادي نظريه اطلاعات را منتشر کرد؛ همينگ و گولي کدهاي تصحيح خطا را ابداع کردند.
1951- 1948 ترانزيستور توسط باردين، براتن و شوکلي اختراع شد.
1950 مالتي پلکس زماني براي تلفن بکار گرفته شد.
1953 استانداردهاي تلويزيون رنگي در ايالات متحده ايجاد شد.
1955 پايرس سيستم‌هاي مخابراتي ماهواره‌اي را پيشنهاد داد.
1956 اولين کابل تلفن بين قاره‌اي (36 کانال صدا)
1958 سيستم انتقال داده دوربرد براي کاربردهاي نظامي ساخته شد.
1960 ميمن اولين ليزر را به نمايش گذاشت.
1962 مخابرات ماهواره‌اي با تلستار 1 آغاز شد.
1966 – 1962 مخابرات ديجيتال سريع سرويس انتقال داده تجاري، شروع تلفن Touch-Tone؛ کانال‌هاي پهن‌باند براي سيگنال‌هاي ديجيتال طراحي شد؛ امکان ساخت PCM براي انتقال صدا و تلويزيون ثابت شد؛ پيشرفت‌هاي چشمگير در زمينه نظريه و ساخت مخابرات ديجيتال شامل روش‌هاي کدگذاري کنترل کننده خط توسط ويتربي و ديگران؛ و توسعه‌ي متعادل کننده‌هاي افقي توسط لاکي و همکاران.
1963 نوسان‌ساز حالت جامد مايکروويو توسط گان تکميل شد.
1964 سيستم سوييچينگ تلفن کاملاً الکترونيک بکار گرفته شد.
1965 مارينر4 از مريخ به زمين تصوير مخابره کرد.
1975- 1966 سيستم‌هاي مخابرات پهن‌باند سيستم تلويزيون کابلي؛ سرويس رله ماهواره‌اي در دسترس قرار گرفت؛ رابط‌هاي نوري با استفاده از ليزر و تار نوري.
1969 آپارنت (جد اينترنت) ايجاد شد.
1971 اينتل اولين آي سي ميکروپروسسور خود را ساخت.
1972 موتورولا تلفن همراه ساخت، اولين پخش زنده تلويزيوني از يک طرف اقيانوس اطلس به طرف ديگر با ماهواره.
1980 ابداع ديسک فشرده CD توسط فيليپس و سوني.
1981 FCC قوانين سرويس‌دهي تلفن همراه را پذيرفت؛ IBM PC عرضه شد.
1982 AT&T موافقت کرد 22 شرکت تلفن محلي را خصوصي کند؛ هفت شرکت محلي بل تاسيس شد.
1985 فکس به صورت گسترده در دفاتر بکار گرفته شد.
1989- 1988 نصب کابل‌هاي نوري در اقيانوس آرام و اطلس براي مخابرات نوري.
2000- 1990 سيستم‌هاي مخابرات ديجيتال پردازش سيگنال‌هاي ديجيتال و سيستم‌هاي مخابراتي در وسايل خانگي بکار گرفته شد؛ گيرنده‌هاي با تنظيم ديجيتال. سيستم‌هاي طيف گسترده، شبکه‌هاي ISDN، ايجاد استاندارد تلويزيون ديجيتال دقيق HDTV؛ فراخوان ديجيتال؛ کامپيوترهاي ديتي؛ تلفن‌هاي همراه ديجيتال.
1995- 1994 FCC
1998 سرويس‌هاي تلويزيون ديجيتال در آمريکا شروع بکار کرد.
اثرات اجتماعي: زمين ما کمي کوچکتر به نظر مي‌رسد و اين عمدتا به خاطر پيشرفت‌هاي مخابراتي است؛ منابع گوناگوني مرتبا آخرين اخبار و وقايع جهان را در اختيارمان قرار مي‌دهند، و رهبران کشورها از اين امر استفاده وسيعي در شکل‌دهي عقايد مردم کشور خود و ديگر کشورها مي‌کنند. تکنولوژي مخابرات چگونگي انجام کارها را تغيير داده است؛ شرکت‌هاي بزرگي که نتوانند خود را با اين شرايط وفق دهند محکوم به فنا هستند؛ صنايع مخابراتي با سرعتي باور نکردني در هم ادغام و از هم جدا مي‌شوند، و مرز بين فناوري آنها و شرکت‌هاي سخت افزار و نرم افزار کامپيوتري مبهم‌تر شده است. اکنون انتظار داريم که خط تلفن ما هفته‌اي هفت روز، روزي 24 ساعت داير باشد تا بتوانيم نامه‌هاي الکترونيکي دريافت کنيم، ارتباط‌هاي موبايل برقرار باشد، و حتي وقتي در مکاني دوردست به استراحت مشغوليم کارمان ادامه داشته باشد. اين تغييرات تکنولوژي باعث بحث‌هاي جديدي در سياست‌گذاري‌هاي جوامع، عمدتاً بر روي مسائلي چون حريم‌هاي شخصي، امنيت مخابرات، و حفظ مالکيت‌هاي معنوي شده است. شرکت‌هاي جديدي که از اين پيشرفت‌ها بهره مي‌گيرند با سرعتي بيش از آنچه براي بحث و قانونگذاري بر روي اين مسائل لازم است به وجود مي‌آيند. با اين همه کامپيوتر شخصي متصل به اينترنت، افراد شرور مي‌توانند به سرعت ويروس‌هاي کامپيوتري را در دنيا پخش کنند؛ تلفن همراه چنان گسترش يافته که تئاترها و رستوران‌ها سياست‌هاي خاصي براي استفاده از آنها تدوين کرده‌اند. زماني نه چندان دور، در سينماها و تئاترها پيش از شروع برنامه از حضار خواسته مي‌شد که سيگار نکشند. اکنون از حضار خواسته مي‌شود که تلفن‌هاي همراه خود را خاموش کنند. قوانين ايالتي، عوارض شهرداري‌ها و شرکت‌هاي خدمات عمومي بايد خود را با اين انقلاب مخابراتي وفق دهند. نيروي کار نيز بايد با آموزش دائم اطلاعات خود را تازه نگه دارد تا بتواند با تکنولوژي همگام باشد. با اين گسترش نمايي تکنولوژي‌هاي جديد، نمي‌توان با اطمينان گفت که 50 سال ديگر دنيا چگونه خواهد بود. اما با داشتن پايه‌اي قوي در نظريه‌ي مخابرات، حفظ خلاقيت، و توجه به رسوم کاربرد تکنولوژي، و داشتن مهارت‌هاي قوي در حل مسئله، مهندس مخابرات را قادر مي‌سازد تا به شکل‌دهي دنياي آينده بپردازد.
گردآورنده:
حميدرضا صدراعظمي دانشجوي کارشناسي ارشد مخابرات سيستم دانشگاه شهيد بهشتي
عضو گروه خبرنگاران مهندسي مخابرات سرويس مسائل راهبردي ايران
منبع
Carlson,A.bryce ,Communication System ,McGraw-Hill ,4th edition ,2002
