مدولاسیون و انواع آن

مدولاسیون و انواع آن

اسلاید 1: به نام خدافصل سوم مدولاسیون و انواع آنمقدمهبرای انتقال صوت به فواصل دور به شرایط ویژه ای نیاز داریم. در این فصل با انواع مدولاسیون و سیگنال حامل و ضریب مدولاسیون و طیف فرکانسی AM آشنا خواهیم شد.

اسلاید 2: سیگنال صوتی و نحوه انتقال آنیکی از مهم ترین امواج ، امواج صوتی می باشد که انسان با آن سرو کار دارد. از طریق این امواج ما گفتگو می کنیم یا با به صدا در آوردن بوق به عابرین هشدار می دهیم. برای انتشار صوت به محیط مادی نیاز داریم. در واقع صوت ارتعاشات مکانیکی است. این ارتعاشات از طریق ارتعاشات ملکول های هوا منتقل می شوند. ارتعاشات ملکول های هوا از طریق حفره گوش به پرده گوش برخورد کرده و صدا شنیده می شود.نکته امواج صوتی در محدوده 20 هرتز تا 20 کیلو هرتز قرار دارند.

اسلاید 3:

اسلاید 4: سرعت صوت سرعت انتشار صوت در یک محیط به ویژگی های محیط انتشار بستگی دارد.صوت در محیط های گازی و مایع و جامد منتشر می شود. سرعت صوت در هوا در صفر درجه 331 متر بر ثانیه است و در دمای 20 درجه سانتی گراد 343 متر بر ثانیه می باشد.

اسلاید 5: اگر سرعت صوت 340 متر بر ثانیه در نظر گرفته شود و این صوت در نقطه A تولید شود پس از یک ثانیه در فاصله 340 متری شنیده می شود. طول موج از رابطه زیر بدست می آید.در این رابطه V سرعت صوت و F فرکانس صوت می باشد و λ طول موج می باشد.

اسلاید 6: به عنوان مثال طول موج کمترین و بزرگ ترین فرکانس صوتی AF برابر است با:سرعت صوت در هوا 340 متر در ثانیه می باشد.انتقال صوت به فواصل دور توسط سیم یا کابلحنجره انسان به گونه ای است که نمی تواند دامنه های تارهای صوتی را بیش از حد زیاد کند. این محدودیت باعث می شود برای انتقال صوت به فواصل دور (500متر) از دستگاه تقویت کننده (آمپلی فایر) استفاده کند. برای پخش صوت نیاز به یک بلند گو ضروری است وهمچنین برای انتقال ، به سیم یا کابل نیاز داریم.نکته: استفاده از سیم و کابل برای انتقال صوت برای فواصل دور موجب افت ولتاژ و توان می شود.

اسلاید 7: صوت را نمی توان به فواصل دور(بین دو شهر) توسط آمپلی فایر و بلندگو منتقل کرد زیرا الف- تلفات توان و ولتاژ زیاد است.ب- به سبب طولانی بودن سیستم آسیب پذیرتر است.ج- هرینه نصب و راه اندازی ، تعمیر و نگهداری زیاد است.د- پیام نمی تواند محرمانه باقی بماند.نکته: اگر صوت مستقیما“ در فضا پخش شود موجب آلودگی صوتی می شود.

اسلاید 8: انتقال سیگنال صوتی به فواصل دور توسط امواج الکترومغناطیسیبه نظر می رسد ساده ترین روش برای انتقال امواج صوتی ، تبدیل این امواج به امواج الکترومغناطیسی می باشد و آنها را توسط آنتن منتشر کرد.

اسلاید 9: به دلایل زیر نمی توان امواج صوتی را توسط امواج الکترومغناطیس انتشار داد.الف- فرکانس امواج صوتی کم و طول موج آنها بزرگ است لذا انتقال آنها تقریبا“ غیر ممکن است.ب- در صورتیکه انتقال امواج صوتی توسط آنتن ممکن باشد نیاز به آنتن طویل داریم.ج- با فرض اینکه آنتن طویل ساخته شود به دلیل آنکه صوت ترکیبی از فرکانس ها است نیاز به آنتن های متعددی می باشد.د- با فرض پذیرفتن آنتن های متعدد در هر منطقه نمی توان بیش از یک ایستگاه داشت زیرا به دلیل مشابهت طیف فرکانسی افراد تداخل بوجود می آید.با توجه به موارد فوق نمی توان صوت را مستقیما“ در فضا فرستاد، پس چه باید کرد؟انسان برای مسافرت به مکان های دور از یک وسیله نقلیه استفاده می کند. که وسیله می تواند یک حیوان یا ماشین یا هواپیما باشد.اگر وسیله نقلیه امواج الکترو مغناطیس باشد، با توجه به اینکه این امواج با سرعت نور حرکت می کنند ، فواصل زیاد را کمتر از ثانیه طی می کند.

اسلاید 10: مثلا“ اگر فاصله تهران از مشهد 960 کیلومتر باشد داریم:

اسلاید 11:

اسلاید 12: اگر سیگنال صوتی را بتوان روی یک وسیله نقلیه سوار کرد(امواج الکترومغناطیس) و در فضا منتشر کرد اشکال روش ارسال مستقیم حل می شود.به ابن روش مدولاسیون گویند. Modulationسیگنال پیام را سیگنال مدوله کننده گویند. Modulating signalسیگنالی که پیام روی آن سوار می شود را سیگنال حامل carrier یا سیگنال مدوله شونده گویند. Modulation signalبه مدار یا دستگاهی که عمل مدولاسیون را انجام می دهد مدولاتور گویند. Modulator

اسلاید 13:

اسلاید 14: مزایای استفاده از سیگنال RF به عنوان حامل

اسلاید 15: چگونگی عمل مدولاسیون Moudulationدر سوار کردن انسان در هواپیما هیچ گونه تغییری در ماهیت انسان ایجاد نمی شود ولی در عمل مدولاسیون شکل سیگنال ارسالی و پیام متفاوت می باشد.مشخصه سیگنال حاملسیگنال حامل سینوسی یا مربعی می باشد. ولی در فرستنده های محلی از سینوسی استفاده می شود. لذا سیگنال سینوسی دارای سه مشخصه می باشد که عبارتند:1- دامنه Amplitude2- فرکانس Frequency3- فاز Phase

اسلاید 16: مدولاسیونمدولاسیون عبارت است کنترل یکی از مشخصه های اصلی حامل توسط پیام به طوریکه گیرنده بتواند اطلاعات ارسالی را مجددا“ بازسازی کند. چون سیگنال حامل سینوسی می باشد لذا می توان سه مشخصه دامنه ، فرکانس و فاز را با سیگنال پیام تغییر داد، پس سه نوع مدولاسیون دامنه، فرکانس و فاز وجود دارد.مدولاسیون دامنه Amplitude Modulationدر مدولاسیون دامنه فرکانس ثابت بوده و دامنه آن متناسب با دامنه پیام تغییر می کند.مدولاسیون دامنه را مدولاسیون AM گویند.

اسلاید 17: در شکل های زیر شکل پیام سینوسی نیست.

اسلاید 18:

اسلاید 19: نکته: سرعت تغییرات دامنه حامل بستگی به فرکانس پیام دارد.

اسلاید 20: معادله موج AM اگر معادله پیام و حامل به صورت زیر باشند.بلوک دیاگرام معادله موج مدوله شده به صورت زیر است.دامنه موج مدوله

اسلاید 21:

اسلاید 22:

اسلاید 23: شاخص مدولاسیون Modulation Factorدر شکل های زیر سه نوع مدولاسیون رسم شده است.

اسلاید 24: مدولاسیون کمتر از صد در صد Less than hundred percent modulationدر این نوع مدولاسیون دامنه حامل هیچ وقت به صفر نمی رسد. به عبارت دیگر دامنه پیام از حامل کمتر است.مدولاسیون صد در صد one hundred percent modulationدر این نوع مدولاسیون دامنه حامل در یک لحظه به صفر می رسد. به عبارت دیگر این نوع مدولاسیون وقتی اتفاق می افتد که دامنه پیام و حامل با هم برابر باشند.مدولاسیون بیش تر ازصد در صد More than hundred percent modulationدر این نوع مدولاسیون دامنه حامل مدتی برابر صفر می باشد. این نوع مدولاسیون وقتی اتفاق می افتد دامنه پیام از حامل بزرگتر باشد. این نوع مدولاسیون عملا“ استفاده نمی شود زیرا در بازسازی سیگنال قسمتی از پیام حذف می شود.برای مقایسه درجه بندی مدولاسیون ، شاخص مدولاسیون تعریف می شود.

اسلاید 25: شاخص مدولاسیوننسبت دامنه پیام به دامنه حامل را شاخص مدولاسیون یا ضریب مدولاسیون می نامند.در صد مدولاسیون Percent of Modulationچون ضریب مدولاسیون کمتر از واحد می باشد لذا در صد مدولاسیون تعریف می شود.

اسلاید 26: در شکل زیر ضریب مدولاسیون را بدست آورید.

اسلاید 27: طیف فرکانسی AMدر صورتی یک موج مدوله AM با حاملی با فرکانس Fc و با یک موج پیام با فرکانس Fm را به یک طیف نما وصل شود ، در طیف نما فرکانس های Fc و Fc-Fmو Fc+Fm ظاهر می شود. به مجموعه فرکانس های فوق طیف AM گویند.در طیف AM دامنه فرکانس Fc برابرEc و دامنه فرکانس های Fc-Fm و Fc+Fm برابر Em/2 می باشد. (Em/2=mEc/2)فرکانس مجموع را فرکانس کناری بالا گویند USFفرکانس تفاضل را فرکانس کناری پایین گویند LSFLower Side FrequencyUpper Side Frequency

اسلاید 28: در صورتیکه پیام از چند سیگنال سینوسی درست شده باشد، برای هر یک از موج های سینوسی یک فرکانس کناری بالا و پایین ایجاد می شود در این حالت مجموعه ای از طیف فرکانسی بدست می آید.

اسلاید 29:

اسلاید 30: نکته: اگر شکل پیام مربعی باشد. باند کناری بالا و پایین ازترکیب هارمونیک های موج مربعی بدست می آید.

اسلاید 31: پهنای باند سیگنال AMدر صورتی که سیگنال پیام از چند سیگنال سینوسی درست شده باشد، در صورت عمل مدولاسیون هر یک از موج های سینوسی به تنهایی یک طیف فرکانسی دارد. در این حالت باند کناری بالا و باند کناری پایین بیش از یک فرکانس دارد. اگر تعداد فرکانس های پیام زیاد باشد طیف فرکانسی پیام پیوسته خواهد بود.

اسلاید 32: پهنای باند سیگنال مدوله شده Band widthپهنای باند موج AM عبارت است محدوده فرکانس های است که در فاصله کمترین فرکانس باند کناری پایین و بیشترین فرکانس باند کناری بالا قرار دارد.BW = FUSB − FLSBFUSB = Fc + Fm maxFLSB = Fc − Fmm axBW = (Fc + Fm max ) − (Fc − Fm max )BW = 2Fm maxنکته پهنای باند AM تجاری 10 کیلو هرتز می باشد لذا حداکثر فرکانس پیام 5 کیلو هرتز نباید بیشتر باشد.

اسلاید 33: توان موج مدوله شده AM با توجه به طیف فرکانسی AM توان موج AM بیشتر از حامل می باشد.مقدار کل توان از رابطه زیر بدست می آید. در این شکل مقادیر دامنه به صورت موثر می باشد و R مقاومت تابشی آنتن است.

اسلاید 34: اثبات می شود 63 درصد توان در موج حامل و 37 درصد توان در باند های کناری قرار دارد.لذا بازده کم می شود و برای افزایش بازده روش های مدولاسیون AM مطرح می شود.با توجه به این که موج پیام سینوسی خالص نیست لذا موج AM دارای طیف فرکانسی می باشد.روش های ارسال مدولاسیون AM در صورتی که در ارسال موج AM قسمتی از موج AM حذف شود 5 نوع مدولاسیون AM داریم.

اسلاید 35: ارسال مدولاسیون دامنه به صورت کامل AM-FC Amplitude Modulation - full Carrierدر این روش فرکانس حامل و فرکانس های جانبی بالا و پایین ارسال می شود.BW=2Fmax. این روش در فرستنده تجاری استفاده می شود.

اسلاید 36: ارسال مدولاسیون AM به روش دو باند کناری AM-SC یا DSB با حذف سیگنال حامل Amplitude Modulation-Suppressed Carrier یا Double side Bandدر این روش فقط باند کناری بالا و پایین فرستاده می شود و سیگنال حامل حذف می شود.BW=2Fmax و راندمان زیاد

اسلاید 37: ارسال مدولاسیون AM به روش یک باند کناری SSB (Single side Band)در این روش یکی از باند های کناری و حامل فرستاده می شودBW=Fmax. راندمان زیاد و پهنای باند کم دارد.

اسلاید 38: ارسال مدولاسیون AM با باند کناری مستقل :(IndePendent-Side Band) ISBدر این روش یکی از باند های جانبی بالا یا پایین ارسال می شود و سیگنال حامل حذف می شود.BW=Fmax و راندمان زیاد.

اسلاید 39: ارسال مدولاسیون AM به روش VSB (Vestigial Side Band)در این روش تمام باند کناری بالا و مقداری از باند کناری پایین ارسال می شود.این روش در ارسال تصاویر تلویزیون استفاده می شود. پهنای باند کمی بیشتر از Fmax می باشد.

اسلاید 40: تعداد ایستگاه رادیوییبا توجه به پهنای باند در فرستنده رادیویی تعداد ایستگاه رادیویی محدود می شود. اگر پهنای باند AM تجاری را 10 کیلو هرتز در نظر بگیریم این بدین معنی است هر ایستگاه رادیویی AM 10 کیلو هرتز اشغال می کند.

اسلاید 41: عملا“ برای جلوگیری از تداخل بین ایستگاه از باند محافظ استفاده می شود. Guard Band مقدار باند محافظ AM 1.25 کیلو هرتز در نظر می گیرند.

اسلاید 42:

اسلاید 43: مدولاسیون فرکانس frequency modulation (FM)در صورتی که فرکانس سیگنال حامل متناسب با تغییرات دامنه پیام تغییر کند مدولاسیون فرکانس به وجود می آید.

اسلاید 44:

اسلاید 45:

اسلاید 46: مدولاسیون فازPhase modulation (PM)اگر فاز سیگنال حامل متناسب با تغییرات دامنه سیگنال پیام تغییر کند مدولاسیون فاز به وجود می آید.نکته سه مدولاسیون AM ، FM و PM از انواع مدولاسیون پیوسته و آنالوگ می باشد. در صورتیکه حامل یا پیام موج مربعی باشد مدولاسیون دیجیتال یا پالس شکل می گیرد.

اسلاید 47: مدولاسیون پالس Pulse modulationاولین قدم در مدولاسیون پالس تبدیل سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال می باشد.در تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال از روشی به PAM استفاده می شود.Pulse Amplitude Modulation در این روش از یک سیگنال آنالوگ در فاصله های زمانی یکسان نمونه برداری می شود.

اسلاید 48: سیگنال PAM برای مخابره مفید نیست. زیرا اگرچه PAM شکل سیگنال اصلی را به یک سری پالس تبدیل می کند، این پالس ها هر مقداری دارند و هنوز مانند سیگنال آنالوگ می باشند.گام بعدی اصلاح پالس های PAM و تولید یک سیگنال کاملا“ دیجیتال است. در این حالت مقادیر PAM به کد باینری تبدیل می شوند. به این مرحله PCM یا مدولاسیون رمز پالس گویند.Pulse code modulationpcm