مفهوم مخابرات:

مخابرات به معنای ارسال، دریافت و پردازش یک سیگنال اطلاعاتی بین دو یا تعداد بیشتری از وسایل است. 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. به عنوان نمونه‌ای از سیستم مخابراتی می‌توان به پخش رادیویی، پخش تلویزیونی، رادیو تلگرافی، مخابرات موبایل و مخابرات کامپیوتری اشاره کرد. دو فرد با یکدیگر به وسیله سیگنال‌های صوتی ارتباط برقرار می‌کنند. این نوع ارتباط را نیز می‌توان یک سیستم مخابراتی به حساب آورد.

اجزای سیستم مخابراتی:

1. منبع اطلاعات (Information Source)

2. ترانسدیوسر ورودی (Input Transducer)

3. فرستنده (Transmitter)

4. کانال مخابراتی (Communication Channel)

5. گیرنده (Receiver)

6. ترانسدیوسر خروجی (Output Transducer)

7. مقصد (Destination)

منبع اطلاعات:

همان طور که بیان کردیم، یک سیستم مخابراتی بین فرستنده و گیرنده سیگنال پیام یک پل ارتباطی برقرار می‌کند. برای برقراری این پل ارتباطی بین فرستنده و گیرنده پیام، قبل از هر چیز به اطلاعات نیاز داریم. این اطلاعات در واقع از یک منبع اطلاعات سرچشمه می‌گیرند.

اطلاعاتی که توسط منبع اطلاعاتی به وجود می‌آیند، می‌توانند در قالب یک سیگنال صوتی مانند صدای انسان، سیگنال تصویری (منبع تصویر) و یا کلمات (یک متن به زبان خاصی مانند انگلیسی، فرانسه یا …) باشند. به عنوان مثال، اگر به وسیله تلفن با یک نفر دیگر حرف بزنید، آن‌گاه شما به عنوان منبع اطلاعات محسوب می‌شوید که اطلاعات را به فرم یک سیگنال صوتی تولید کرده‌اید.

در این جا لازم است به این نکته اشاره کنیم که در مخابرات آنالوگ بین «پیام» (Message) و اطلاعات تفاوت وجود دارد. یک پیام به عنوان بخشی از مخابرات در نظر گرفته می‌شود که شامل ارسال اطلاعات از منبع به مقصد است. در حالی که اطلاعات داده‌‌های با معنایی است که گیرنده دریافت می‌کند.

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های یک منبع اطلاعات که داده تولید می‌کند، این است که خروجی آن به صورت یک عبارت «احتمالاتی» (Probabilistic) توصیف می‌شود. به عبارت دیگر، خروجی منبع اطلاعات «قطعی» (Deterministic) نیست. در غیر این صورت احتیاجی به سیستم مخابراتی وجود ندارد.

ترانسدیوسر ورودی:

همان طور که در دنیای واقعی مشاهده می‌شود، برای برقراری ارتباط با یک فرد که در فاصله نزدیک شما قرار گرفته است، می‌توانید به صورت مستقیم و با استفاده از سیگنال‌های صوتی با او حرف بزنید. اما اگر فرد در فاصله دوری از ما قرار گرفته باشد، آن‌گاه نمی‌توانیم به صورت مستقیم و با استفاده از سیگنال صوتی با او ارتباط برقرار کنیم؛ زیرا سیگنال‌های صوتی نمی‌توانند مستقیما تا مسافت‌های دور منتقل شوند و به تدریج تضعیف می‌شوند تا نهایتا از میان بروند.

به همین دلیل، برای غلبه بر این مشکل و انتقال اطلاعات به مسافت‌های دور، لازم است که ابتدا این سیگنال صوتی را به فرمی دیگر از سیگنال (مانند سیگنال نور یا سیگنال الکتریکی) تبدیل کنیم که قادر است تا مسافت‌های طولانی‌تر منتقل شود. وسیله‌ای که برای تبدیل این سیگنال صوتی به یک سیگنال از فرم دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد، ترانسدیوسر نام دارد.

در واقع ترانسدیوسر یک وسیله 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. ترانسدیوسری که در سمت ورودی یک سیستم مخابراتی قرار گرفته است، یک ترانسدیوسر ورودی نام دارد. در حالت کلی، ترانسدیوسر ورودی سیگنال غیر الکتریکی (سیگنال صوتی یا سیگنال نوری) را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. به عنوان بهترین مثال از یک ترانسدیوسر ورودی، می‌توان به میکروفون اشاره کرد که بین قسمت منبع اطلاعات و قسمت فرستنده قرار گرفته است. بنابراین یک میکروفون وسیله‌ای است که صوت فرد را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند.

فرستنده سیستم مخابراتی:

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

بنابراین سیگنال‌های ارسال شده توسط چندین ایستگاه رادیویی مختلف با یکدیگر تداخل نمی‌یابند. عملکرد مشابهی در سیستم‌های مخابرات تلفنی نیز وجود دارد؛ زیرا در سیستم مخابرات تلفنی نیز سیگنال‌های الکتریکی مربوط به حرف زدن تعداد زیادی از کاربران از طریق یک سیم مخابره می‌شود.

در حالت 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 یک مثال از مدولاسیون دامنه است.

در پخش رادیویی FM یا مدولاسیون فرکانس، سیگنال اطلاعات ارسال شده شامل تغییرات فرکانس سیگنال سینوسی حامل است. همچنین روش دیگر مدولاسیون آنالوگ، مدولاسیون فاز یا PM نام دارد که در آن فاز سیگنال حامل سینوسی بر اساس سیگنال اطلاعات تغییر داده می‌شود. بنابراین همان طور که بیان کردیم، روش‌های مدولاسیون سیگنال حامل مانند مدولاسیون دامنه، فرکانس و یا فاز، در فرستنده انجام می‌گیرد تا سیگنال اطلاعات به یک فرم مشخص تبدیل شود که بر مشخصه‌های کانال منطبق باشد. در طول فرایند مدولاسیون، سیگنال اطلاعات به یک سیگنال خاص ترجمه می‌شود که با باند فرکانسی اختصاص داده شده همخوانی داشته باشد.

انتخاب روش مدولاسیون بستگی به فاکتورهای مختلفی 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 روبه‌رو می‌شوند و نیز نوع وسایلی که برای تقویت کردن سیگنال قبل از ارسال در اختیار ما قرار دارد. در هر حال، 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، عملکردهای 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 می‌گیرد.

کانال مخابراتی:

یک کانال مخابراتی به عنوان یک واسط فیزیکی محسوب می‌شود که برای ارسال سیگنال از فرستنده به گیرنده مورد استفاده قرار می‌گیرد. 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 امر 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 می‌گویند. 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، مثالی از یک نویز ساخته بشر است 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 به وجود می‌آید.

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، یک نوع دیگر از تخریب سیگنال وجود دارد که «انتشار چندگانه» (Multipath Propagation) نام دارد. 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 آورده شود. 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 وجود 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.