مهدی الکترونیک

در انواع وسيعي از سيستم هاي مهندسي مفهومي بنام مدولاسيون نقشي محوري ايفا مي نمايد. در حالت كلي ، يك سيستم مدولاسيون سيستمي است كه در آن سيگنالي جهت كنترل پارامتري از سيگنالي ديگر بكار گرفته مي شود .

از ميان كاربردهاي مدولاسيون دامنه ، بكار گيري آن در سيستم هاي مخابراتي از اهميت خاصي برخوردار است . بطور معمول براي هر يك از انواع كانالهاي مخابراتي محدوده اي از فركانس وجود دارد كه براي ارسال سيگنال مناسبترين محدوده بشمار مي رود . به عنوان مثال ، جو به سرعت سيگنالهاي واقع در محدوده فركانسي صوتي ( 10Hz تا 20Hz ) را تضعيف مي كند، در حاليكه سيگنالهاي واقع در محدوده فركانسهاي بالاتر را تا فواصل زيادي منتسر مي كند.

بدين لحاظ ،ارسال سيگنالهاي صوتي مانند صحبت و يا موسيقي از طريق كانالهايي كه از انتشار در جو زمين استفاده مي كنند ، به كمك يك سيستم مدولاسيون كه سيگنال مورد نظر را بر يك سيگنال حامل فركانس بالا سوار مي كند ، صورت مي گيرد . يكي از سيستم هاي مدولاسيون معمول براي اين منظور " مدولاسيون دامنه سينوسي" است كه در آن سيگنال حاوي اطلاعات ، مثلأ صحبت و يا موسيقي ، به منظور ايجاد تغيير در دامنه يك سيگنال حامل سينوسي كه فركانس آن در محدوده مناسب قرار دارد ، بكار مي رود .

با بكار گيري سيستم هاي مدولاسيون ، ارسال همزمان بيش از يك سيگنال با طيفهاي رويهم افتاده نيز از طريق يك كانال مشترك امكان پذير است ، به اين عمل مولتي پلكس كردن گفته مي شود.

كاربرد ديگري از اصول مدولاسيون دامنه در فرايندي است كه طي آن قطاري از پالسهاي مستطيلي با فواصل و اندازه هاي مساوي در سيگنال حاوي اطلاعات ضرب مي شود ، به اين فرايند مدولاسيون دامنه پالس گفته مي شود . اين روش مدولاسيون ، علاوه بر اينكه خود داراي اهميت زيادي در سيستم مخابراتي است ، ارتباط نزديكي نيز با مفهوم نمونه برداري دارد. بر اساس اين مفهوم تحت شرايطي خاص يك سيگنال مي تواند توسط آن كه با فواصل زماني مساوي از يكديگر قرار دارند معرفي شود.

كاربرد عمده مدولاسيون دامنه در سيستم هاي پيوسته در زمان و در تبديل سيگنالهاي پيوسته در زمان به سيگنالهاي گسسته در زمان است . انواع مهم ديگري از مدولاسيون نيز وجود دارد؛ مثلأ مدولاسيون فركانس و يا فاز سينوسي ، كه در آن سيگنال حاوي اطلاعات براي تغيير فركانس و يا فاز يك حامل سينوسي حول يك فركانس مركزي به كار گرفته مي شود

مدولاسيون AM و FMدر سرويس پخش همگاني

(( در منزل يا خودروي خود نشسته‌ايد. راديو را روشن مي‌کنيد تا به آن گوش دهيد، گوينده راديو در حال اعلام ساعات پخش برنامه‌ها وفرکانس راديويي ايستگاه مربوطه است، پخش برنامه‌ها و فركانس راديويي ايستگاه مربوطه است، " موج FM ، رديف ..... موج AM فركانس ... مگاهرتز".

تا به حال فكر كرده‌ايد كه AM و FM يعني چه؟چه تفاوتي دارند واصلا" به چه  کار مي آيند؟ 

دراين شماره، شما را با دو روش  رايج مدولاسيون امواج راديويي ومختصري هم " سرويس پخش همگاني " آشنا مي‌كنيم.))

سرويس پخش همگاني يا  Broad casting  به معناي انتشار و ارسال صدا و يا تصوير (يا هر دو )به تعداد زيادي از گيرنده‌ها راديو و يا تلويزيوني گفته مي‌شود.    در ايالات متحده  اولين ايستگاه راديويي پخش همگاني در سال1920 آغاز به کار نمود واز دو سال بعد از ان رفته  رفته ايستگاه راديويي تجاري کار خود را شروع کردند. اين روند همچنان ادامه يافت تا اينكه در سال ‌2003 تعداد ايستگاه‌هاي تجاري به 804/4 ايستگاه، تنها باند در   AMرسيد.

جالب آنكه تعداد ايستگاه‌هاي FM در سال 1983 از ايستگاه‌هاي AM پيشي گرفت، چنانكه تا سال 1998 تعداد آنها به 179/6 ايستگاه تجاري و 2400  ايستگاه غير تجاري رسيد. از طرف ديگر پخش همگاني تلويزيوني نيز که در همان دهه1920 آغاز به کارکرده بود، با مصادف شدن با جنگ  جهاني دوم، دستخوش اختلال و رشد کند شد اما امسال تا سال 1996 تعداد ايستگاه‌هاي پخش تلويزيوني تجاري به 1340  و غير تجاري به 600  ايستگاه رسيد.

* ماهيت روشهاي مدولاسيون AM وFM

 فرض کنيد يک سر طنابي را به يک درخت گره زده‌ايم و سر ديگر را 20 متر دورتر در دست گرفته ايد. درصورتيکه شما دستتان(که طناب را با آن گرفته ايد) به سمت بالا و پايين حرکت دهيد، طناب در هوا با حرکات موج مانند بالا و پايين مي‌رود و دامنه حرکات آن به يک ميزان (بالا و پايين)تغيير مي‌کند، خواه سرعت حرکت دست شما کم يا زياد باشد. اين حرکات نوساني را به اصطلاح حالتي از مدوله‌سازي يا FM مي‌نامند. امواج راديويي نيز اين نوسانات تشکيل ((امواج حامل)) راخواهند داد. در مقابلFM  روش ديگري وجود دارد که طي آن امواج حامل بر اساس تغييرات مقادير دامنه امواج شکل مي‌گيرندکه به اين حالت مدولاسيون دامنه ياAM گفته مي‌شود. اين در حاليست که مقادير اختلاف تغييرات در دامنه يکسان نبوده و دائما با يکديگراختلاف داشته باشند.

بنابراين در شيوهََAM در يک بازه زماني دامنه امواج حامل دچار تغييرات مي‌گردد در حالي که فرکانس ثابت وپايدار مي‌ماند ولي در شيوه FM در يک بازه زماني دامنه امواج حامل ثابت بوده ولي فرکانس آن متغييرمي باشد.(البته در حد بسيار کم).

در روش AM  نرخ يا ميزان  تغييرات  دامنهاي  امواج بستگي  به نوسانات و زير و بم صداي ارسالي خواهد داشت.  در FM نيز ميزان تغييرات فركانس امواج حامل وابسته به نوسانات و زير و بم صدا خواهد بود.  در روش مدولاسيونFM   صداهاي آهسته و حد پايين محو نشده و از بين نمي رود، چرا که سيگنالهاي FM هر تن صدا را بر روي فركانس جداگانه ارسال مي‌كند،  بطوريکه در هر لحظه دو فرکانس مختلف را با يکديگر ترکيب و همزمان ارسال مي‌نمايد که اصطلاحا به آن استريو مي‌گويند و از اين جهت کيفيت بسيار بالاتري نسبت به فروش AM  خواهد داشت. ازسوي ديگرارسال امواج AM نسبت به FM ازسهولت بيشتري برخوردارمي‌باشد چراکه اين امواج  پيچيدگي‌هاي کمتري نسبت به FM  دارند.

در مقابل، کيفيت خوب سيگنالها‌يFM كه ناشي از دو فركانسي بودن وپيچيدگي‌هاي‌ فرآيند پخش آن مي‌باشد، داراي معايبي نيز است از جمله آنکه اين امواج در فواصل دور قابل دريافت نمي‌باشند و زودتر دچار افت خواهند شد. اما در عوض سيگنالهاي ساده AM به‌راحتي تا فواصل بسيار دور نفوذ کرده و قابل در يافت از سوي گيرنده هستند. پس به شکل خلاصه دريافتيم كه امواج FM داراي كيفيت بالاتر ولي برد كوتاه‌تر هستند و امواجAM داراي کيفيتي متوسط، اما برد بالاتري FM مي‌باشند.

* مدولاسيون AM

   مدولاسيون  AM يکي از روشهاي پخش امواج راديويي است که تقريبا در مدتي نزديک به3/2 ازقرن بيستم، رايج‌ترين شيوه پخش امواج راديويي خصوصا پخش همگاني بوده وهم اکنون نيزاستفاده وسيعي دارد. اين شيوه بيشتر توسط ايستگاه‌هاي راديويي که رويکرد پخش اخبار داشته ويا اغلب حجم مطالب مورد انتشارآنها را ((صحبت کردن)) تشکيل مي دهد، مورد استفاده واقع مي گردد . اين درحاليست که ايستگاه‌هاي راديويي عمومي وپخش موسيقي در دهه‌هاي اخير ازشيوه  پخش FM استقبال نمودند.روشAM تا قبل از جنگ جهاني اول براي ايستگاه‌هاي راديويي کلامي  و موسيقي استفاده مي شد، اما در دهه بعد از جنگ اول جهاني فعاليت اين دستگاه‌ها به اوج خود رسيد.

اولين دستگاه راديوييAM  (تجاري) در 1920درپنسيلوانياي آمريكا آغاز به کار کرد. موسسه اين ايستگاه شخصي به نام ((فرانک كان راد )) بود. برنامه‌هاي اين ايستگاه در ابتدا شامل نمايش‌نامه‌ها، برنامه‌هاي طنز و سر گرمي وتا حدودي اخبار وموسيقي بود.

نتشار امواج راديويي AM  بر روي چندباند فر کانس مختلف به شرح زير انجام مي‌گيرد.

موج بلند  (LW):153-279 khz 

موج متوسط  (MW):530-1.710 khz

 موج کوتاه  (SW):2.300-26.100  khz

که موج کوتاه آن ( SW) خود به چندين تکه باند کوچکتر  تقسيم بندي مي شود. تخصيص اين باندها در وهله اول بر اساس تصميم ((ITU )) يا اتحاديه بين المللي  مخابرات (بخش تنظيم مقررات راديويي) و در مراحل بعدي بر اساس سازمان‌هاي تنظيم مقررات ملي هر کشور انجام مي‌گيرد. براي مثال  در کشور ما، سازمان تنظيم مقررات و ارتباطات راديويي و در ايالات متحده، FCC  يا کميسيون فدرال ارتباطات عهده‌ دار انجام اين تقسيم بندي و تخصيص مي‌باشند.

 - موج بلند ( LW ): اين باند براي انتشار امواج راديويي ايستگاه هاي تجاري در اروپا، آفريقا، آسيا، واستراليا(هرسه منقطه ITU ) مورد استفاده قرار دارد. اين در حاليست که در کشور آمريکا اين باند به عنوان پشتيبان يا باند رزرو براي باند مسيريابي هوا نوردي در نظر گرفته شده است.

 - موج متوسط (MW ): يکي از رايج‌ترين باندهاي پخش امواج در ايستگاه‌هاي راديويي AM است.

 - موج كوتاه (SW) :  توسط ايستگاه‌هايي به کار مي‌رود که قصد انتشار امواج خود را به فواصل بسيار دورتر از محل ايستگاه دارند.

 امواج متوسط وكوتاه باندAM ، در شب و روز رفتار و اثرات متفاوتي را از خود نشان مي‌دهند. در طول روز سيگنالهاي AM بوسيله امواج (انتشار ) زميني منتقل مي‌شوند. در انعکاس از زمين امواج AM، سيگنالها قادرند تا چند صد كيلومتري ايستگاه ارسال شوند واين در حاليست که اين امواج بعد از غروب آفتاب بر اساس تغييرات لايه يونسفر جو به شيوه انتشار آسماني منتقل مي‌گردند که در اين حالت امواج منتشر شده از ايستگاه تا فواصل دورتري نسبت به روز قابل ارسال و دريافت خواهند بود. سيگنالهاي راديوييAM در فضاهاي شهري مي‌توانند براحتي توسط ساختمانهاي مرتفع وآسمان خراش‌ها گسيخته ومختل شوند. به علاوه ديگر منابع انتشار امواج راديويي نيز مي توانند  اثرات مخرب و نامطلوبي بر فرآيند انتقال اين امواج بر جاي گذارند.

قسمت بالاي شکل (1) نشان دهنده سيگنال صوتي است که بر روي امواج حامل سوار شده وبه صورتAM تلفيق مي‌شوند. در قسمت پايين همين شکل نتيجه تلفيق دو موج ياد شده نشان داده شده است و در حقيقت موج خروجي از فرستنده AM

به شکل نهايي فوق در خواهد آمد.

 بنابر اين يک فرستنده AM دستگاهي است كه با تلفيق و سوار كردن سيگنالهاي صوتي بر روي امواج حامل، يك موج AM را تشکيل داده و از طريق آنتن، آن را منتشر مي‌نمايد.

يك گيرنده‌ AM نيز مجهز به يك قسمت فيلتر و يك قسمت آشكارساز مي‌باشد كه عمل جداسازي سيگنالهاي صوتي از امواج حامل و آشكار نمودن آنها را برعهده دارد.

* مدولاسيون FM

  (( ادوين ار مستر انگ )) يک مخترع و مهندس الکترونيک  در آمريکا بود. وي در سال 1890 به دنيا آمد، مهندسي خود را از دانشگاه کلمبيا گرفت. وي همچنين  يکي از فعاليترين مخترعين  در عصر راديو بود، به طوري که ((مدولاسيون فرکانسي )) راديو يا (FM ) بزگترين اختراع وي به شمار مي‌رود از ديگر اختراعات ادوين در دوران دانشکده، اختراع سيستم احيا کننده مدار درسال 1914بود.

با اين حال حقيقت غم انگيز در  مورد او اين بود که بسياري از اختراعات وي بعداز  مرگش به نام ديگران ثبت شد. اما آرمتسرانگ در سال 1933روش مدولاسيون فرکانسي رابه نام خود ثبت کرد. مزيت اين روش در زمينه انتقال اصوات بوسيله امواج راديويي، در  کيفيت و وضوح  بالاتر آن نسبت به روشهاي AM قبل از آن بود. آرمسترانگ پس از موفقيت در آزمايشهاي مقدماتي توانست تا نظر FCC را براي اختصاص يك باند ويژه راديويي به نام FM جلب کند اين باند ابتدا در محدوده 42 الي   50Mhzقرار داشت.

 نخستين  ايستگاه  راديو پخش همگاني   FMدر سال  1937 با مجوز کميته ملي ارتباطات آمريکا (FCC)، با علامت (W1xoj )آغاز به کار کرد.          در آن زمان راديوهاي FM هنوز در محدوده فركانسي 42 تا50 مگاهرتزکار مي‌کردند، که پس ازجنگ جهاني دوم، کميته در 27 ژوئن 1945،گستره فرکانسي FM را به 88 الي MHZ 106 تغيير داد. اين تغيير به منظور جلوگيري ازتداخل‌هاي راديويي و همچنين افزايش ظرفيت كانالها انجام شد.           به علاوه اين تغيير، باعث تحميل هزينه‌هاي زيادي به ايستگاه‌هاي پخشFM  به علت تعويض تجهيزات قديمي خود با تجهيزات پخش  بر روي باندجديدFM شد.

در کشور ما ايستگاه‌هاي راديويي پخش همگاني FM در محدوده فركانسي 88 الي 108 مگاهرتز يعني با گسترده‌اي برابر 20 مگاهرتز كار مي‌كنند. اين گستره تقريبا به 100 کانال تقسيم شده است، هر کانال با گستره‌اي برابر .0.2.mhz

قسمت بالاي شکل (2) نمايشگر سيگنالهاي صوتي سوارشده بر روي امواج حامل درروش FM است  و قسمت پايين آن در واقع نشان دهنده نتيجه نهايي تر کيب فوق بوده وسيگنال خروجي FM را نشان مي‌دهد. روش FM نسبت به AM پهناي باند بيشتري را نياز دارد، اما در مقابل سيگنالهاي FM نسبت بهAM از نظر تداخل محفوظ‌تر و قوي‌تر مي‌باشند.  همچنين  در برابر پديده محو شدگي نيز خواهند داشت.

براي دريافت امواج FM مي‌بايست از يك گيرندهFM استفاده نمود و براي  شنيدن  هر کانال  بايد گيرنده  را دقيقا بر روي فرکانس مرکزي هر کانال تنظيم کرد.

براي مثال بالاترين کانال پهنايي برابر 107.8 مگا هرتز  الي  MHz  108  را در بر مي‌گيرد، بنابراين بسامد مرکزي آن 107.9 مگا هرتز است.

ايستگاه‌هاي پخش همگاني FM در کشورهاي مختلف از توان خروجي بسيار بالايي درحدKW100   (كيلو وات ) ويا حتي بيشتر استفاده مي‌شود با چنين تواني امواج راديويي تا فواصل 160کيلومتري از ايستگاه فرستنده بخوبي قابل دريافت و شنيدن

مي‌باشند. توان خروجي برخي از ايستگاه‌ها حتي تا 300 يا 500 کيلو وات نيز افزايش مي‌يابد.