آشنایی با سیستم مخابراتی و اجزای آن

آشنایی با سیستم مخابراتی و اجزای آن

مخابرات به فرآیند ارسال، دریافت و پردازش یک سیگنال اطلاعاتی بین دو یا تعداد بیشتری از وسایل گفته می شود. به مجموعه‌ای از اجزا که با یکدیگر کار می‌کنند تا این ارتباط بین فرستنده و گیرنده یک پیام برقرار شود، «سیستم مخابراتی» (Communication System) می‌گویند. پخش رادیویی، پخش تلویزیونی، رادیو تلگرافی، مخابرات موبایل و مخابرات کامپیوتری نمونه هایی از سیستم مخابراتی هستند. دو فرد به وسیله سیگنال‌های صوتی با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. این نوع ارتباط همچنین می‌تواند نوعی از یک سیستم مخابراتی باشد. در این قسمت قصد داریم به معرفی اجزای یک سیستم مخابراتی بپردازیم و هر کدام را مورد بررسی قرار دهیم.

اجزای سیستم مخابراتی

اجزای اصلی یک سیستم مخابراتی شامل:

• منبع اطلاعات (Information Source)
• ترانسدیوسر ورودی (Input Transducer)
• فرستنده (Transmitter)
• کانال مخابراتی (Communication Channel)
• گیرنده (Receiver)
• ترانسدیوسر خروجی (Output Transducer)
• مقصد (Destination)

نوع ارتباط این اجزا با یکدیگر در بلوک دیاگرام زیر به تصویر کشیده شده است.

در ادامه هر کدام از این بخش‌ها را به صورت جداگانه مورد بررسی قرار می دهیم.

منبع اطلاعات

همان طور که اشاره کردیم، یک سیستم مخابراتی بین فرستنده و گیرنده سیگنال پیام یک پل ارتباطی برقرار می‌کند. برای این که پل ارتباطی بین فرستنده و گیرنده پیام برقرار شود، در ابتدا به اطلاعات نیاز داریم. این اطلاعات در حقیقت از یک منبع اطلاعات نشات می‌گیرند.

اطلاعاتی که به وسیله منبع اطلاعاتی بدست می آید، می‌توانند به شکل یک سیگنال صوتی مانند صدای انسان، سیگنال تصویری (منبع تصویر) و یا کلمات (یک متن به زبانی خاص مانند انگلیسی، فرانسه یا …) باشند. به عنوان مثال، اگر با تلفن با یک نفر دیگر حرف بزنید، آن‌گاه شما به عنوان منبع اطلاعات به حساب می آیید که اطلاعات را به شکل یک سیگنال صوتی تولید کرده‌اید.

لازم است به این نکته توجه کنیم که در مخابرات آنالوگ بین «پیام» (Message) و اطلاعات تفاوت وجود دارد. یک پیام را به عنوان بخشی از مخابرات در نظر می گیرند که شامل ارسال اطلاعات از منبع به مقصد است. در حالی که اطلاعات داده‌‌های با معنایی هستند که گیرنده آن ها را دریافت می‌کند.

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌هایی که یک منبع اطلاعات دارد این است که تولید داده می‌کند و خروجی آن می تواند به صورت یک عبارت «احتمالاتی» (Probabilistic) توصیف شود. به عبارت دیگر، خروجی منبع اطلاعات «قطعی» (Deterministic) نیست. در غیر این صورت نیازی به سیستم مخابراتی نیست.

ترانسدیوسر ورودی

در دنیای واقعی همان طور که دیده می شود، برای برقراری ارتباط با فردی که در فاصله نزدیک شما قرار گرفته، می‌توانید مستقیما و با استفاده از سیگنال‌های صوتی با او صحبت کنید. اما اگر فرد در فاصله دوری از ما قرار گرفته باشد، در آن صورت نمی‌توانیم به صورت مستقیم و با استفاده از سیگنال صوتی با او ارتباط برقرار کنیم؛ چون سیگنال‌های صوتی نمی‌توانند به صورت مستقیم تا مسافت‌های دور منتقل شوند و رفته رفته ضعیف می‌شوند تا نهایتا از بین بروند.

به همین خاطر، برای حل این مشکل و انتقال اطلاعات به مسیرهای دور، نیاز داریم ابتدا این سیگنال صوتی را به فرمی دیگر از سیگنال (مانند سیگنال نور یا سیگنال الکتریکی) تبدیل کنیم که می تواند تا مسافت‌های طولانی‌تری منتقل شود. ابزاری که برای تبدیل این سیگنال صوتی به یک سیگنال از فرم دیگر به کار می رود، ترانسدیوسر نام دارد.

ترانسدیوسر در واقع وسیله ای است که یک فرم از انرژی یا سیگنال را به یک فرم دیگر از انرژی یا سیگنال تبدیل می‌کند. لازم است که هم در سمت ورودی و هم در سمت خروجی یک سیستم مخابراتی از ترانسدیوسر استفاده شود. به ترانسدیوسری که در سمت ورودی یک سیستم مخابراتی قرار گرفته،ترانسدیوسر ورودی می گویند. به صورت کلی، ترانسدیوسر ورودی سیگنال غیر الکتریکی (سیگنال صوتی یا سیگنال نوری) را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. بهترین مثالی که از یک ترانسدیوسر ورودی  می توان زد، میکروفون است که بین قسمت منبع اطلاعات و قسمت فرستنده قرار گرفته است. پس یک میکروفون وسیله‌ای است که صوت فرد را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند.

فرستنده سیستم مخابراتی

وظیفه یک فرستنده در یک سیستم مخابراتی تبدیل سیگنال الکتریکی به فرمی که برای انتقال از طریق یک کانال فیزیکی یا «واسط انتقال» (Transmission Medium) مناسب باشد می باشد. برای مثال در مخابرات رادیویی و تلویزیونی هر کشور، به وسیله نهادهای مربوطه، بازه فرکانسی برای هر ایستگاه فرستنده تعیین می‌شود. به همین علت، فرستنده باید سیگنال اطلاعات را به یک سیگنال مناسب ترجمه کند که در یک بازه فرکانسی خاص منتقل می‌شود.

بنابراین سیگنال‌های فرستاده شده به وسیله چندین ایستگاه رادیویی مختلف با یکدیگر تداخل پیدا نمی کنند. عملکرد یکسانی در سیستم‌های مخابرات تلفنی نیز وجود دارد؛ چرا که در سیستم مخابرات تلفنی نیز سیگنال‌های الکتریکی مربوط به حرف زدن تعداد زیادی از کاربران از طریق یک سیم مخابره می‌شود.

به صورت کلی می‌توان گفت که یک فرستنده عمل تطبیق بین سیگنال پیام و کانال مخابراتی را از طریق فرایندی به نام مدولاسیون، انجام می‌دهد. همیشه در فرایند مدولاسیون از سیگنال پیام استفاده می‌شود تا به صورتی کاملا سیستماتیک دامنه، فاز یا فرکانس یک سیگنال سینوسی فرکانس بالا به نام سیگنال حامل را تغییر دهد. به عنوان مثال در پخش رادیویی AM یا مدولاسیون دامنه، سیگنال اطلاعاتی که منتقل می‌شوند، شامل تغییرات دامنه سیگنال سینوسی حامل هستند و فرکانس مرکزی آن‌ها در باند فرکانسی اختصاص داده شده به آن ایستگاه فرستنده رادیویی قرار دارند. این مثالی از مدولاسیون دامنه می اشد.

در پخش رادیویی FM یا مدولاسیون فرکانس، سیگنال اطلاعات ارسال شده از تغییرات فرکانس سیگنال سینوسی تشکیل شده است. روش دیگر مدولاسیون آنالوگ نیز، مدولاسیون فاز یا PM نام دارد که در آن فاز سیگنال حامل سینوسی بر اساس سیگنال اطلاعات تغییر داده می‌شود.

بنابراین همان طور که اشاره کردیم، روش‌های مدولاسیون سیگنال حامل مانند مدولاسیون دامنه، فرکانس و یا فاز، در فرستنده انجام می‌ شود تا سیگنال اطلاعات به یک فرم مشخص تبدیل شود که منطبق بر مشخصه‌های کانال باشد. در طی فرایند مدولاسیون، سیگنال اطلاعات به یک سیگنال خاص ترجمه می‌شود که با باند فرکانسی اختصاص داده شده همخوانی داشته باشد.

انتخاب روش مدولاسیون به عوامل مختلفی بستگی دارد. برخی از این عوامل عبارتند از: مقدار پهنای باند اختصاص داده شده، نوع نویز و تداخلاتی که سیگنال اطلاعات در طول کانال مخابراتی با آن‌ها مواجه می‌شوند و نیز نوع وسایلی که برای تقویت کردن سیگنال قبل از ارسال در اختیار ما قرار دارد. در هر صورت، فرایند مدولاسیون این امر را ممکن می‌سازد که انتقال سیگنال‌های پیام چندگانه از کاربران متعدد در طول یک کانال فیزیکی یکسان با سهولت انجام گیرد.

در یک فرستنده مخابراتی، علاوه بر عمل مدولاسیون، کارهای دیگری مانند فیلتر کردن عوامل مزاحم سیگنال اطلاعات، تقویت کردن سیگنال مدوله شده و در مورد مخابرات بی‌سیم، تاباندن سیگنال به وسیله یک آنتن فرستنده انجام می‌شود.

کانال مخابراتی

یک کانال مخابراتی به عنوان یک واسط فیزیکی به حساب می آید که برای ارسال سیگنال از فرستنده به گیرنده استفاده می شود. در مخابرات بی‌سیم، اتمسفر همیشه به عنوان کانال در نظر گرفته می‌شود. در غیر این صورت، کانال‌های تلفنی همواره گستره متنوعی از رسانه‌های فیزیکی مانند خطوط سیمی، کابل‌های فیبر نوری و وایرلس (رادیو مایکروویو یا ریز موج) را به کار می‌گیرند. کانال فیزیکی در یک سیستم مخابرات رادیویی هر چه باشد، در این مورد تفاوتی ندارد که سیگنال ارسالی به روشی تصادفی توسط مکانیزم‌های متعددی خراب می‌شود.

متداول‌ترین دلیل خراب شدن یک سیگنال اطلاعات در قالب «نویز جمع شونده با سیگنال» (Additive Noise) است. این نویز در قسمت جلوی گیرنده تولید می‌شود که عمل تقویت‌کنندگی انجام می‌‌گیرد. به این نویز، «نویز حرارتی» (Thermal Noise) نیز گفته می شود. در مخابرات بی‌سیم، اغتشاشات اضافه جمع شونده (Additional Additive Disturbances) همگی نویز‌های ایجاد شده توسط بشر هستند و نویزهای اتمسفری توسط یک آنتن گیرنده دریافت می‌شود. نویز ادوات الکتریکی پیرامون، می تواند مثالی از یک نویز ساخته توسط بشر باشد و رعد و برق یک نمونه از نویز اتمسفر است. تداخلات سایر کاربران یک کانال مخابراتی نیز نمونه‌ای از نویز جمع شونده است که هم در سیستم‌های مخابرات بی‌سیم و هم در سیستم‌های مخابرات سیمی ایجاد می شود.

در برخی کانال‌های مخابرات رادیویی مانند کانال‌های «یونوسفر» (Ionospheric)، که برای «ارتباطات رادیویی موج کوتاه بلند برد» (Long Range, Short-Wave Radio Transmission) مورد استفاده قرار می‌گیرد، نوعی دیگر از تخریب سیگنال وجود دارد که به آن «انتشار چندگانه» (Multipath Propagation) می گویند. این نوع از اعوجاج سیگنال به عنوان یک اغتشاش غیر جمع شونده توصیف می‌شود و معمولا خود را به صورت تغییرات زمانی در دامنه سیگنال آشکار می‌کند که به آن «محوشدگی» (Fading) می‌گویند.

هم اعوجاجات جمع شونده و هم اعوجاجات غیر جمع شونده سیگنال، به عنوان پدیده‌های تصادفی و با عبارات احتمالاتی توصیف می‌شوند. تاثیر این اعوجاجات سیگنال باید در هنگام طراحی یک سیستم مخابراتی به حساب می آید. در طراحی یک سیستم مخابراتی، مهندس طراح با مدل‌های ریاضی کار می‌کند که این مدل‌ها، اعوجاجات سیگنال را که در کانال‌های مخابراتی با آن‌ها روبه‌رو هستیم، به صورت احتمالاتی توصیف می‌کنند.

معمولا توصیفات آماری که در یک مدل ریاضی مورد استفاده قرار می‌گیرند، نتیجه اندازه‌گیری‌های تجربی به دست آمده از ارسال سیگنال‌ها به صورت واقعی در طول این کانال‌ها هستند. در این حالت‌ برای مدل‌های ریاضی مورد استفاده در طراحی یک سیستم مخابراتی، توجیهات فیزیکی در نظر گرفته می‌شود. از طرف دیگر، در برخی طراحی‌های سیستم‌های مخابراتی، مشخصه‌های آماری مربوط به کانال ممکن است به صورت واضحی در طول زمان تغییر کنند. در این موارد، طراح سیستم ممکن است یک سیستم مخابراتی را طراحی کند که در مقابل بازه وسیعی از اعوجاجات سیگنال مقاوم (Robust) باشد. چنین ویژگی به این طریق به دست می‌آید که سیستم برخی از پارامترهای خود را متناسب با اعوجاجات کانال به صورت تطبیقی تغییر دهد.

گیرنده سیستم مخابراتی

عملکرد یک گیرنده در سیستم مخابراتی، بازیابی سیگنال پیام نهفته در سیگنال دریافت شده است. اگر سیگنال پیام توسط مدولاسیون حامل منتقل شده باشد، آن‌گاه در سمت گیرنده باید عمل دمدولاسیون حامل انجام گیرد تا سیگنال پیام اصلی از سیگنال حامل سینوسی فرکانس بالا مجددا استخراج شود. به دلیل اینکه دمدولاسیون سیگنال در حضور نویز جمع شونده و احتمالا سایر انواع اعوجاجات سیگنال انجام می‌گیرد، سیگنال دمدوله شده تا حدودی توسط حضور این اعوجاجات در سیگنال دریافت شده تخریب می‌شود.

واضح است که درستی و دقت یک سیگنال پیام دریافت شده تابعی از نوع مدولاسیون انجام گرفته روی سیگنال، شدت نویز جمع شونده با سیگنال، شدت و نوع هر گونه تداخل جمع شونده و شدت هر تداخل غیر جمع شونده محسوب می‌شود. در کنار انجام عمل دمدولاسیون اولیه روی سیگنال دریافت شده، گیرنده یک سری اعمال جانبی دیگر مانند فیلتر سیگنال و نیز سرکوب کردن نویز را هم انجام می‌دهد.

ترانسدیوسر خروجی در سیستم مخابراتی

یک ترانسدیوسر که در سمت خروجی سیستم مخابراتی قرار دارد، با نام ترانسدیوسر خروجی شناخته می‌شود. در حالت کلی، ترانسدیوسر خروجی سیگنال الکتریکی را به یک سیگنال غیر الکتریکی مانند سیگنال صوتی یا سیگنال نوری و یا ترکیبی از سیگنال‌های صوتی و نوری تبدیل می‌کند. بهترین مثال از یک ترانسدیوسر خروجی، بلندگو است که در موقعیت بین گیرنده و مقصد قرار گرفته است. یک بلندگو یک ترانسدیوسر خروجی محسوب می‌شود که سیگنال‌های الکتریکی را به سیگنال‌های صوتی تبدیل می‌کند که برای انسان‌ها قابل درک هستند.