فایل ورد کامل مقاله مدولاسیون؛ بررسی علمی اصول مخابراتی، انواع روش‌ها و نقش آن در انتقال سیگنال‌های الکترونیکی

توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد

 فایل ورد کامل مقاله مدولاسیون؛ بررسی علمی اصول مخابراتی، انواع روش‌ها و نقش آن در انتقال سیگنال‌های الکترونیکی دارای ۴۲ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد فایل ورد کامل مقاله مدولاسیون؛ بررسی علمی اصول مخابراتی، انواع روش‌ها و نقش آن در انتقال سیگنال‌های الکترونیکی  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : در صورت  مشاهده  بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی فایل ورد کامل مقاله مدولاسیون؛ بررسی علمی اصول مخابراتی، انواع روش‌ها و نقش آن در انتقال سیگنال‌های الکترونیکی،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد

بخشی از متن فایل ورد کامل مقاله مدولاسیون؛ بررسی علمی اصول مخابراتی، انواع روش‌ها و نقش آن در انتقال سیگنال‌های الکترونیکی :

مدولاسیون

سیستم ها مخابراتی رادیو
مقدمه:
در سیتم های مخابراتی، اطلاعات بصورت سیگنالهای الکتریکی مخابره می‌شوند. این سیگنالها می توانند: گفتار، موسیقی، تصویر تلویزیونی، داده‌های علمی و تجاری و غیره باشند. شکل موج این سیگنال ها پیچیده و دائماً در حال تغییر است، ولی طیف فرکانسی آنها معمولاً به پهنای باند مشخصی محدود می شود، این محدودیت یا از طبیعت منبع سیگنال ناشی می‌شود و یا از فیلترهای موجود در فرستنده سرچشمه می گیرد.

حد پایین باند فرکانس بسیاری از این سیگنالها تا چند مدثر هم می‌رسند، به همین علت نمی توان آنها را بر روی یک مسیر انتقال مشترک به صورت اصلیشان مخابره کرد، زیرا جداسازی آنها در گیرنده میسر نیست. داشتن یک خط انتقال یا یک مسر رادیویی مجزا برای هرسیگنال هم از نظر اقتصادی و هم از نظر علمی ممکن نیست، به این خاطر باید در سیستم مخابراتی راهی برای ارسال همزمان چند سیگنال اندیشیده شود. این کار یا با قراردادن سبیگنالها در بخش های متفاوت طیف فرکانسی صورت می گیرد یا با فرستادن نمونه هایی از هر سیگنال بر اساس یک تقسیم بندی زمانی.
طول موج ( ) یک موج رادیویی بر حسب متر از رابطه c/f بدست می‌آید که در آن c سرعت نور و f فرکانس بر حسب هرتز است.

برای محاسبه RF به یاد داشته باشید که F بر حسب مگاهرتز بر حسب متر (۳۰۰=). برای داشتن یا بازده معقول طول نیز یکی آنتن باید باید حدود نصف طول موج باشد. بنابراین با افزایش فرکانس انتقال ابعاد نیز یکی و هزینه آنتن کاهش و بازده آن افزایش می یابد.
اجزای یک سیستم رادیویی
فرآیندی که طی آن پیام اصلی به شکل مناسب برای انتقال تبدیل می‌شود، مدولاسیون نام دارد. در فرآیند مدولاسیون مشخصه ای – مانند دامنه فرکانس یا فاز از یک حامل فرکانس بالا متناسب با مقدار لحظه ای سیگنال مدوله کننده (پیام) تغییر می کند. به این ترتیب محتویات پیام اصلی به بخشی از طیف فرکانس در حوالی فرکانس حامل منتقل می شود. در گیرنده فرآیند معکوس صورت گرفته، آشاکارساز سیگنال اصلی را بازیابی می‌کند.
عمل مد قسمت از یک فرستنده و گیرنده رادیویی:
۱ منبع سیگنال پیام می‌تواند میکروفون، سوزن گرام، در بین تلویزیون و یا دیگر وسایل تبدیل کننده اطلاعات مطلوب به سیگنال الکتریکی باشد.
۲ سیگنال تقویت شده معمولاًً برای محدودشدن پهنای باند از یک فیلتر پائین‌گذر عبور داده می‌شود.
۳ نوسان ساز RF فرکانس حامل یا کسر صحیحی از آن را ایجاد می کند چون برای ماندن گیرنده در فرکانس اختصاص یافته به آن پایداری نوسان ساز باید خوب باشد. این نوسان ساز معمولاً توسط کریستال کوارتز کنترل می شود.
۴ یک یا چند طبقه تقویت کننده سطح توان سیگنال نوسان ساز را به حد لازم در ورودی مدولاتور می رساند. برای دستیابی به یک بازده خوب در صورت امکان از تقویت کننده های کلاس C استفاده می شود. مدار خروجی در یک هارمونیک فرکانس ورودی تنظیم می شود و به این ترتیب عمل چند برابرکردن فرکانس صورت می گیرد تا فرکانس حامل مضرب صحیحی از فرکانس نوسان ساز باشد.
۵ مدولاتور سیگنال و مولفه های فرکانس حامل را ترکیب کرده یکی از انواع موجهای مدول

ه شده ایجاد می کند. در سیستم ساده شده طیف سیگنال خروجی در حاوی فرکانس حامل RF مطلوب قرار دارد. در بسیاری از فرستنده ها یک نوسان ساز و — کننده دیگر بین بلوک های ۵و۶ قرار می گیرد تا موج مدوله شده به گستره فرکانسی بالاتر برود.
۶ پس از مدولاسیون تقویت کننده‌های دیگری لازم است تا توان سیگنال به مقدار مطلوب برای تحول شدن به آنتن برسد.
۷ آنتن فرستنده انرژی RF را به یک موج الکترومغناطیسی با پلاریزاسیون مطلوب تبدیل می کند اگر تنها یک گیرنده ثابت مورد نظر باشدآنتن طوری طرح می شود که انرژی تشعشعی تا حد ممکن در جهت آنتن گیرنده منتشر شود.
۸ آنتن گیرنده ممکن است همه جهته و یا در مورد مخاربرات نقطه به نقطه جهت دارد باشد. موج منتشر شده ولتاژ کوچکی در آنتن گیرنده القا می کند. ولتاژ القایی بسته به شرایط، متفاوت بین چند ده میلی ولت تا کمتر از ۱ میکرو ولت است.

۹ طبقه تقویت کننده RF توان سیگنال را به مقدار مناسب برای ورودی مخلوط کننده می‌رساند و به جداسازی نوسان ساز محلی از آنتن نیز کمک می کند. این طبقه فرکانس گزینی چندانی ندارد و تنها سیگنالهای خیلی دور از فرکانس های کانال مورد نظر را حذف می کند. داشتن یک تقویت کننده قبل از مخلوط کننده به خاطر نویز غیرقابل اجتناب مخلوط کننده نیز مطلوب است.
۱۰ نوسان ساز محلی گیرنده طوری تنظیم می شود که فرکانس آن flo به اندازه فرکانس میانی fif با فرکانس ورودی RRF تفاوت داشته باشد یعنی flo می تواند مقادیر fRf+fif و RRf-Rif را داشته باشد.
۱۱ مخلوط کننده یک عنصر غیر خطی است که فرکانس دریافتی fRf را به فرکانس میانی fif می برد موج مدوله شده سوار به حامل را نیز به فرکانس میانی برده می شود.
۱۲ تقویت کننده IF توان سیگنال را به حد مناسب برای آشکارسازی می‌رساند و فرکانس گزینی آن در حدی است که سیگنال مطلوب را گذرانده و سیگنالهای نامطلوب موجود در خروجی مخلوط کننده را حذف می کند. چون مدارهای تنظیم شده موجود در بلوکهای ۱۱-۱۲ همیشه در فرکانس ثابت fif کار می کند می توان آن را طوری طراحی کرد که فرکانس گزینی بالایی داشته باشد. در این بلوکها غالباً از فیلترهای سرامیکی با کریستال استفاده می شود.
۱۳ آشکارساز سیگنال پیام را از ورودی مدوله شده IF جدا میکند.
۱۴ تقویت کننده صوتی یا تصویری توان خروجی آشکارساز را به حد مطلوب برای دادن به بلندگو صفحه تلویزیون با دیگر دستگاه های خروجی می رساند.
۱۵ دستگاه های خروجی اطلاعات را به شکل اصلی (موج صوتی، تصویر و ; ) تبدیل می کند. علاوه بر اینکه سیگنال مطلوب توسط گیرنده پردازش می شود نویز الکتریکی در مسیر انتشار به سیگنال اضافه میشود. همچنین در تقویت کننده RF نوسان ساز محلی مخلوط کننده و دیگر طبقه ها نیز نویز تولید می شود. سیستم های فرستنده و گیرنده در عمل آنقدر می توانند تغییر کنند که هیچ بلوکی را نمی توان به عنوان یک قسمت اصلی در نظر گرفت.

مدولاسیون
فرض کنید ولتاژ موج حامل مدوله نشده به این صورت باشد:

که در آن Wc فرکانس رادیانی حامل Vc دامنه و یک زاویه فاز دلخواه است.

مدولاسیون دامنه ای
در موج دامنه‌ای مدوله شده (AM ) انحراف دامنه VCاز مقدار غیرمدوله شده است با مقدار لحظه ای سیگنال مدوله کننده متناسب است. به عبارت دیگر اگر سیگنال مدوله کننده F(t)باشد دامنه حامل باید به صورت زیر با زمان تغییر کند:

vc(t) = vc [1+maF(t)]
که در آن ma ضریب مدولاسیون نامیده می شود. مقدار maF(t) نمیتواند بزرگتر از یک باشد وگرنه اعوجاج پیش می آید. در شکل ۱-۲ یک سیگنال مدوله کننده F(t) و در شکل۱-۲ موج دامنه ای مدوله شده متناظر با آن نشان داده شده است. دقت کنید که شکل پوشش موج AM [معادله
(۱-۲)] با شکل سیگنال مدوله کننده یکسان است.

مدولاسیون زاویه ای
در مدولاسیون زاویه ای به جای دامنه زاویه ای معادله متناسب با سیگنال مدوله کننده از مقدار

غیر مدوله شده‌اش منجرف می شود. مدولاسیون فاز و مدولاسیون فرکانسی شکلهای خاص مدولاسیون زاویه هستند. در مدولاسیون فاز (PM) زاویه معادله متناسب با سیگنال مدوله کننده F(t) تغییر می کند. در مدولاسیون فرکانسی F(M) مقدار لحظه‌ای فرکانس متناسب با مقدار لحظه ای (F(t تغییر می کند. در هر دو مورد دامنه موج ثابت می ماند. شکل ۱-۲ موجهای AM-PM و FM حاصل از یک سیگنال مدوله کننده را نشان می دهد.

الف: یک موج مدوله کننده مثلثی
ب: موج های AM
ج: موج های FM
د: PM حاصل از آن
مدولاسیون پالسی
در سیستمهای مدولاسیون پالسی (حامل) یک قطار پالس است که میتوان دامنه، فرکانس تکرار یا فاصله بین پالس‌هایش را درست به صورت موج های AM-PM-FM متناسب با سیگنال مدوله کننده تغییر داد.
قضیه نمونه برداری نشان می دهد که ارسال پیوسته یک پیام لازم نیست. پیام را می توان بطور

کامل از روی نمونه هایی از آن که حداقل با آهنگی معادل دو برابر بزرگترین فرکانس موجود در سیگنال نمونه برداری شده باشد، بازسازی کرد. پس برای مدوله کردن سیگنالی که پهنای باند آن ۴KHZ است، پالس با فرکانس تکرار ۸KHZ کافی است و پهنای پالس ها میتواند تا حد دلخواه کوچک باشد.
در مدولاسیون کدهای پالس هر نمونه به صورت یک مجموعه هفت‌تایی پالس که معادل کد باینری دامنه نمونه است، نشان داده می شود. مصونیت در مقابل نویز این سیستم از سیستم های دیگر بیشتر است. این مزیت به آهنگ تکرار پالس و پهنای باند بزرگتر به دست آمده است.

مقایسه سیستم های مدولاسیون
هر سیستم مدولاسیون معایب و مزایای خاص خود را دارد. در مدولاسیون دامنه آشکارساز بسیار ساده است و پهنای باند لازم حداقل مقدار ممکن را دارد، ولی مصونیت در مقابل نویز آن از بقیه سیستمها کمتر است و برای انتقال یک کنار باند، هم فرستنده و هم گیرنده بسیار پیچیده‌ای لازم است.
در مدولاسیون پهنای باند بیشتر و مدار فرستنده ساده تر است و مصونیت در مقابل نویز از مدولاسیون دامنه بسیار بهتر است، اما پهنای باند لازم برای ارسال FM تقریباً پنج برابر پهنای باند لازم برای AM است. مصونیت در مقابل نویز مدولاسیون کدهای پالسی (PCM) از FM هم بهتر است، ولی پهنای باند بیشتر و مدارهای پیچیده تری می خواهد.
انتخاب یک روش خاص به انتظاری که از سیستم مخابراتی داریم، بستگی دارد.

دمدولاسیون
فرآیند عکس بازیابی اطلاعات از سیگنال RF دمدولاسیون یا آشکارسازی نام دارد. یک دمدولاتور ساده مشخصاتی از موج RF را متناسب با موج مدوله کننده تغییر می دهد. این عمل مدولاسیون آنالوگ نام دارد. در مدولاتورهای پیچیده بسیاری از کاربردها مدولاسیون، دیجیتالی و کدبندی می شود. در بسیاری از کاربردها مدولاسیون دیجیتال بر مدولاسیون آنالوگ ترجیح داده می شود.
یک سیستم مخابراتی کامل از یک منبع اطلاعات، یک منبع RF، یک مدولاتور، یک کانال RF، یک دمدولاتور و یک استفاده کننده اطلاعات تشکیل می‌شود. اگر استفاده کننده اطلاعات، اطلاعات منبع را با قابلیت اطمینان دریافت کند می گوئیم که سیستم کار می کند.
برای فهم فرآیند مدولاسیون بد نیست که مدولاتور را به صورت بلوکی با دو ورودی و یک خروجی تصور کنیم. سیگنال مدوله کننده Vm(t) به یک ورودی داده می شود. ورودی دیگر به نوسان ساز حامل که یک ولتاژ سینوسی با دامنه ثابت و فرکانس Fc تولید می کند، وصل شده است، خروجی موج مدوله شده است.

که A(t) دامنه آن، یا زاویه آن یا هر دو توسط v(m) کنترل می‌شود. در مدولاس

یون دامنه ای (AM) پوشش حامل A(t) تغییر می کند و ثابت می‌ماند.
در مدولاسیون زاویه ای A(t) ثابت است و سیگنال مدوله کننده را کنترل می کند. مدولاسیون زاویه ای بسته به رابطه و سیگنال مدوله کننده ای می تواند مدولاسیون فرکانسی یا مدولاسیون فاز باشد. اگر A(t) یا متغیر با زمان باشد F(t) پهنای باندی خواهد داشت که توسط سیگنال مدوله کننده و نوع مدولاسیون تعیین می شود.

مدولاسیون دامنه
مدولاسیون دامنه (AM) به شکل خاموش و روشن کرد ن یک فرستنده تلگراف رادیویی قدیمی‌ترین نوع مدولاسیون است.
امروزه مدولاسیون دامنه ای برای مخابره آنالوگ صوت درمواقعی که گیرنده‌های ساده لازم است (مانند پخش رادیویی و یا در مواردی که مخابره به وسیله ی انتشار یونوسفری صورت میگیرد و پهنای باند باریکی لازم است، (مخابره در هواپیماهای بین قاره ای) بسیار به کار برده می‌شود.
چند نوع AM مرتبط باهم وجود دارد. تفاوت آنها در روش تولید و طیف آنهاست. ساده ترین نوعی که AM سرراست نامیده می شود را میتوان با سری کردن سیگنال مدوله کننده با منبع تغذیه یک تقویت کننده RF کلاس C تولید کرد.
هنگامی که سیگنال مدوله کننده مثبت است، ولتاژ کلکتور تقویت کننده بزرگتر است و سیگنال خروجی به همین نسبت بزرگتر می شود. هنگامی که سیگنال مدوله کننده منفی است، ولتاژ کلکتور و ولتاژ خروجی تقویت کننده کوچکتر از مقدار مدوله نشده شان هستند. اگر ولتاژ خروجی تقویت کننده F(t) به طور خطی با مقدار لحظه ای ولتاژ کلکتور متناسب باشد، رابطه F(t) و سیگنال مدوله کننده Vm(t) به این صورت خواهد بود.
F(t)=K[Vcc+Vm(t)]cos Wct
که در آن Vcc، ولتاژ منبع تغذیه وk یک ثابت تناسب است. واضح است که قلعه منفی Vm(t) نباید آنقدر بزرگ باشد که ولتاژ کلکتور به حدی برسد که ترانزیستور خاموش شود. این حالت مدولاسیون اضافی نام دارد و اعوجاج ایجاد می کند.
برای بررسی تفضیلی AM، سیگنال مدوله کننده سینوسی زیر را در نظر می گیریم:
Vm(t) = Vm cos Wm(t)
پس:
F(t) = K[Vcc + Vm cos Wmt] cos Wct
و با جایگزینی Vc=KVcc
F(t)=Vc(1+Vm/Vcc cos Wmt) cos Wct
F(t) = Vc (1+ma cos Wmt) cos Wct

که درآن Vc دامنه آن ولتاژ حاصل مدوله نشده است و ma ضریب مدولاسیون نامیده می شود. پوشش موج مدوله شده عبارت است از:
A(t) = Vc (1+ma cos Wmt)
توجه کنید که انحراف — از مقدار مدوله نشده دامنه با سیگنال مدوله کننده متناسب است. هنگامی که ma برحسب درصد بیان می شود آن را درصد مدولاسیون می خوانند. Ma نباید از یک یا صددرصد بیشتر شود، وگرنه اعوجاج پیش می آید.

مدولاسیون زاویه
شکل موج مدوله شده

با یک تابع دامنه A(t) یک فرکانس حامل A(t) به صورت نشان داده شده تغییر می کند و ثابت می ماند. در مدولاسیون زاویه A(t) ثابت است و سیگنال مدوله کننده را کنترل می کند. مدولاسیون زاویه میتواند مدولاسیون فرکانس یا مدولاسیون فاز باشد. نوع مدولاسیون به چگونگی رابطه و سیگنال مدوله کننده بستگی دارد.
سیستم های مدولاسیون زاویه ای ذاتاً به نوسانات ناشی از نویز دامنه، مخصوصاً نویز ضربه‌ای غیر حساس اند. بنابراین هم برای پخش عمومی و هم برای مخابرات رادیویی بسیار مناسب‌اند. توان کم لازم و سادگی نسبی مدولاتورهای فاز از مزایای آنها خصوصاً در سیستم های متحرک مخابراتی می باشد.

مدولاسیون فاز (PM)
در مدولاسیون فاز، مقدار لحظه ای انحراف فاز سیگنال مدوله شده از مقدار غیر مدوله شده با دامنه لحظه ای سیگنال مدوله کننده متناسب است.
اگر مقدار مدوله کننده Vm(t) باشد، داریم:

که در آن انحراف فاز مقدار غیر مدوله شده آن برحسب رادیان برولت است. اگر Vm ماکزیمم |Vm(t)| باشد، تعریف V(t) نرمالیزه به صورت V(t) = [Vm(t)] / Vm مناسب خواهد بود، به این ترتیب:

و ماکزیمم تغییر فاز ضریب مدولاسیون برای مدولاسیون فاز به شمار می رود. این ضریب با علامت mp نشان داده می شود و از لحاظ فیزیکی ماکزیمم انحراف فاز ناشی از Vm(t) در مدولاتور فازی با حساسیت را نشان می دهد. با افزایش ولتاژ مدوله کننده mp هم زیاد می شود.
برخلاف ضریب مدولاسیون AM، ma مقدار ma مقدار mp به یک محدود نمی شود. در هر مدولاتور فاز عملی حداکثر تغییر فازی که می‌تواند با یک اعوجاج قابل قبول ایجاد کرد، مقدار محدودی دارد، همچنین با افزایش انحراف فاز، پهنای باند سیگنال نیز زیاد می شود. این عوامل ماکزیمم mp را معین می کنند.
سیگنال فازی مدوله شده را بر حسب mp می توان به صورت زیر نوشت:
Fpm(t) = A cos [Wct + mpv(t)]
انحراف فاز لحظه ای:

آشکارساز AM
مولفه حامل در AM وجود دارد، ولی آشکار ساز حاصل ضربی، حاملی دیگر با همان فرکانس و فاز لازم دارد. این حامل از VCO یک PLL با پهنای باند کم بدست می آید.

سیگنالهای مدولاسیون دامنه
اگر دامنه – فرکانس یا فاز یک سیگنال سینوسی یک فرکانس بالا را اجباراً متناسب با سیگنالی با فرکانس پایین دلخواه F(t) تغییر دهیم، سیگنالی مدوله شده تولید خواهد شد که طیف فرکانسی آن در مجاورت سینوسی فرکانس بالای نشده متمرکز است. سیگنال مدوله شده، بر خلاف F(t) مدوله کننده، را می توان با سیگنال های مدوله شده مشابه در فرکانس های مرکزی دیگر ادغام یا تقسیم فرکانسی نمود، می توان با آنتن های خیلی کوتاهتر از طول لازم برای انتقال مستقیم F(t) آن را منتقل نمود. مثلاً اگر F(t) تن یکسانی در فرکانس ۱KHZ باشد، آنتن ۴/۱ طول موج برای انتقال F(t) به فضا ۷۵KM طول دارد، ولی اگر F(t) را با سینوسی ۱۰۰MHZ مدوله کنیم طول آنتن متناظر فقط ۳/۴M است.

تکنیکهای مدولاسیون دامنه
به طورکلی چهارروش پایه برای مدولاسیون دامنه وجوددارد
الف- ضرب انالوگ
ب- مدولاسیون بامدارهای برش دهنده
ج- مدولاسیون باعنصرخطی
د- مدولاسیون مستقیم بامدارتنظیم شده
همه این روش ها را برای تولیدAM معمولی می‌توان بکارگرفت ولی برای AM باحاصل حذف شده فقط ضرب آنالوگ ومدارهای برش دهنده کاربرد دارند. علاوه براین جزء در مدوله کننده مستقیم بامدارتنظیم شده مدولاسیون درسطوح توان پایین انجام می شودوانگاه تا رسیدن به توان مطلوب تقویت می شود مدوله کننده بامدار تنظیم شده مستقیماً دامنه حاصل راکه باتقویت کننده کلاس c به سطح مطلوب رسیده است مدوله می کند.

مدولاسیون آنالوگ
مدولاسیون آنالوگ با هرعنصری که درآن خروجی[Vo(t) ] متناسب با ورودی [v1(t),v2(t)] است انجام می شود.
Vo(t)=kv1(t)v2(t)

به وضوح اگر v2(t)=g(t), v1(t)=coswot باشد، آنگاه:
vo(t)=kg(t)

که موج AM مطلوب می باشد. در چنین عنصری محدودیت های تئوری وجود ندارد، لیکن برای حفظ اعتبار معادله در عمل محدودیت های روی دامنه و فرکانس vo(t), v2(t), v1(t) قرار می گیرد.
سیستم خروجی عنصر غیر خطی بالا و v3 چنین داده می شوند:
v3=ks(v12+2v1v2+v22)
و خروجی عنصر غیرخطی پائین v4 چنین خواهد بود:
v4=ks(v12+2v1v2+v22)
لذا خروجی سیستم vo= v3-v4 چنین است:
v0=4ks1(t)v2(t)
که مشابه خروجی مطلوب از مدوله کننده آنالوگ است.

مدولاسیون با مدارهای برش دهنده:
این مدولاسیون با برش دادن g(t) با سرعت فرکانس و عبور سیگنال حاصل از فیلترهای میان گذری که روی فرکانس حامل تنظیم است، انجام می شود. ساختار مدار مدوله کننده برش دهنده آمده است که کلید کنترل شونده با cosWot درباره ی AcosWo>0 روشن و در بازه‌ی AcosWot<0 خاموش است.