مدولاسیون

مدولاسیون در مهندسی عبارت است از سوار کردن سیگنال اطلاعات (سیگنال باند پایه^∗ یا پیام) بر روی سیگنال معمولاً فرکانس بالاتری (سیگنال حامل^∗) به منظور افزایش برد سیگنال و بهره‌وری انتقال و استفاده بهتر از پهنای باند کانال. در مدولاسیون یکی از خواص سیگنال حامل (مثلاً دامنه، فرکانس، فاز یا …) با توجه به تغییرات سیگنال پیام تغییر داده می‌شوند. به طور کلی فرایند گنجاندن سیگنال حاوی اطلاعات در سیگنالی دیگر را مدولاسیون می نامند.همچنین اخذ سیگنال حاوی اطلاعات دمدولاسیون نام دارد.

مدولاسیون یکی از اعمال مهم در گیرنده و فرستنده های مخابراتی به شمار می رود ، به طور کلی در عمل مدولاسیون یک موج دیتا که حاوی اطلاعات است بر روی یک موج کریر یا حامل سوار می شود و با یکدیگر ادقام خواهند شد ، سپس در گیرنده این دو موج توسط مدارات دمدولاسیون از یکدیگر جداسازی خواهند شد و اطلاعات ذخیره می شود .

ضرورت مدولاسیون

1. از پهنای باند استفاده‌ای بهینه شود و هر پیام در کانال خاصی قرار گیرد.
2. مسافت انتقال پیام (که در فرکانس‌های پایین کم است.) افزوده شود.
3. افزایش تعداد ایستگاه یا کانال های ممکن
4. فواید مدولاسیون بیش از موارد فوق می باشد که بیان آن در این مختصر ممکن نیست .

اگر کانال مخابراتی شامل فضای آزاد باشد در این صورت برای انتشار و دریافت سیگنال آنتن‌هایی مورد نیاز است طول این آنتن‌ها متناسب با طول موج سیگنال فرستاده شده‌است. بسیاری از سیگنال‌های صوتی دارای مولفه فرکانسی ۱۰۰ هرتز یا پایین تر هستند. برای ارسال این سیگنال‌ها اگر سیگنال مستقیما انتشار یابد به آنتن‌هایی با طول حدود ۳۰۰km نیاز است. اما اگر از مدولاسیون برای سوار کردن سیگنال بر روی یک فرکانس حامل مثلاً ۱۰۰Mhz استفاده کنیم در این صورت طول آنتن‌ها حدود یک متر خواهد بود.

از میان كاربردهای مدولاسیون دامنه ، بكار گیری آن در سیستم های مخابراتی از اهمیت خاصی برخوردار است . بطور معمول برای هر یك از انواع كانالهای مخابراتی محدوده ای از فركانس وجود دارد كه برای ارسال سیگنال مناسبترین محدوده بشمار می رود . به عنوان مثال ، جو به سرعت سیگنالهای واقع در محدوده فركانسی صوتی  ۱۰Hz تا ۲۰Hz   را تضعیف می كند، در حالیكه سیگنالهای واقع در محدوده فركانسهای بالاتر را تا فواصل زیادی منتسر می كند.
بدین لحاظ ،ارسال سیگنالهای صوتی مانند صحبت و یا موسیقی از طریق كانالهایی كه از انتشار در جو زمین استفاده می كنند ، به كمك یك سیستم مدولاسیون كه سیگنال مورد نظر را بر یك سیگنال حامل فركانس بالا سوار می كند ، صورت می گیرد . یكی از سیستم های مدولاسیون معمول برای این منظور ” مدولاسیون دامنه سینوسی” است كه در آن سیگنال حاوی اطلاعات ، مثلأ صحبت و یا موسیقی ، به منظور ایجاد تغییر در دامنه یك سیگنال حامل سینوسی كه فركانس آن در محدوده مناسب قرار دارد ، بكار می رود.
با بكار گیری سیستم های مدولاسیون ، ارسال همزمان بیش از یك سیگنال با طیفهای رویهم افتاده نیز از طریق یك كانال مشترك امكان پذیر است ، به این عمل مولتی پلكس كردن گفته می شود.
كاربرد دیگری از اصول مدولاسیون دامنه در فرایندی است كه طی آن قطاری از پالسهای مستطیلی با فواصل و اندازه های مساوی در سیگنال حاوی اطلاعات ضرب می شود ، به این فرایند مدولاسیون دامنه پالس گفته می شود . این روش مدولاسیون ، علاوه بر اینكه خود دارای اهمیت زیادی در سیستم مخابراتی است ، ارتباط نزدیكی نیز با مفهوم نمونه برداری دارد. بر اساس این مفهوم تحت شرایطی خاص یك سیگنال می تواند توسط آن كه با فواصل زمانی مساوی از یكدیگر قرار دارند معرفی شود.
كاربرد عمده مدولاسیون دامنه در سیستم های پیوسته در زمان و در تبدیل سیگنالهای پیوسته در زمان به سیگنالهای گسسته در زمان است . انواع مهم دیگری از مدولاسیون نیز وجود دارد؛ مثلأ مدولاسیون فركانس و یا فاز سینوسی ، كه در آن سیگنال حاوی اطلاعات برای تغییر فركانس و یا فاز یك حامل سینوسی حول یك فركانس مركزی به كار گرفته می شود .

انواع مدولاسیون

مدولاسیون انواع مختلفی دارد. همچنین مدولاسیون به انواع آنالوگ و دیجیتال هم تقسیم می‌شود. برای اشاره به مدولاسیون‌های دیجیتال بیشتر از اصطلاح کلیدزنی (Keying) استفاده می‌شود.

در مدولاسیون سیگنال فرکانس بالا (حامل) بر اساس سیگنال پیام تغییر داده می‌شود. سیگنال حامل خواص مختلفی دارد که می‌تواند بر اساس سیگنال پیام تغییر داده شوند و از این رو انواع مختلفی از مدولاسیون پدید می‌آید.

1. مدولاسیون دامنه (AM): سطح یا دامنهٔ سیگنال حامل بر اساس تغییرات سیگنال پیام تغییر داده می‌شود.
2. مدولاسیون فرکانس (FM): فرکانس سیگنال حامل بر اساس تغییرات سیگنال پیام تغییر داده می‌شود.
3. مدولاسیون فاز (PM): فاز سیگنال حامل بر اساس تغییرات سیگنال پیام تغییر داده می‌شود.
4. مدولاسیون تقسیم فرکانس عمودبرهم(ofdm): پهنای باندبین چند زیرحامل که برهم عمودهستند تقسیم می شود.

مدولاسیون روشی است که توسط آن اطلاعات روی تابش های الکترومغناطیسی تأثیر گذاشته، به صورتی که می توان آن را از محلی به محل دیگر انتقال داد. در مدولاسیون حداقل دو جز مختلف برای یک سیگنال مخابراتی وجود دارد که عبارتند از: موج حامل و سیگنال باند پایه. سیگنال باند پایه نشان دهنده اطلاعات مورد نظری است که باید انتقال داده شود. در مورد ایستگاه رادیویی، این سیگنال امکان دارد فرکانس های صوتی (با چندین هزار هرتز) یک خواننده یا موزیک ضبط شده باشد. این ها نمونه های خوبی از سیگنال های آنالوگ بوده که دارای فرکانس های صوتی یا نوری خام شبیه موج پیوسته می باشند. ایستگاه های تلویزیونی فرکانس های باند پایه بالاتری را ارسال می کنند که به وسیله یک گیرنده تلویزیونی جهت روشن ساختن لامپ تصویر و ایجاد یک تصویر استفاده می گردد. بانک ها و مشاغل مختلف (و ماهواره ها) امکان دارد اطلاعات باند پایه خود را (داد و ستدهای عددی، تصاویر و محتویات کتبی، فرکانس های حس شده از راه دور) به سیگنالهای دیجیتالی (زنجیره های یک ها و صفرها) تبدیل کرده که سپس به همان صورت اطلاعات اصلی نمایش داده می شود و البته امکان انتقال بهینه داده ها با این روش فراهم می شود. امواج حامل، همان گونه که از عنوان آن مشخص است، سیگنال های الکترومغناطیسی هستند که اطلاعات باند پایه را بین فرستنده و گیرنده حمل می کنند. امواج حامل به این دلیل استفاده می شوند که سیگنال باند پایه امکان دارد ویژگی های انتشار کافی را برای یک مخابرات مطلوب نداشته باشد. به طور مثال، فرکانس های صوتی شدیدا به وسیله جو ضعیف شده و لذا برد مفید آنها محدود می گردد.

اصولا یک فرکانس موج حامل خاص به دلیل خصوصیات انتشار آن انتخاب می گردد. به عنوان نمونه چنانچه مخابرات با یک ماهواره در مدار مورد نظر باشد، فرکانس سیگنال باید بالاتر از فرکانس بحرانی یونسفر باشد، در غیر این صورت سیگنال در فضا عبور نخواهد کرد. علاوه بر اهمیت خصوصیات انتشار آنها، امواج حامل بر اساس میزان اطلاعات باند پایه ای که باید ارسال گردند انتخاب می شوند و فقط همین مقدار اطلاعات را می توان بر موج حامل سوار نمود. سپس سیگنال به وسیله گیرنده دریافت شده (و تفکیک سازی انجام می پذیرد)، بازیافت و بهره برداری می گردد. به عنوان یک قانون کلی، می توان در نظر گرفت که یک موج حامل فقط می تواند به وسیله فرکانس های باند پایه تا حدود ۱۰ درصد فرکانس موج حامل تحت تاثیر قرار گیرد. بنابراین، برای ارسال صدای انسان (حدود ۴ کیلوهرتز) حداقل فرکانس حامل مورد نیاز حدود ۴۰ کیلوهرتز می باشد. همان گونه که ذکر گردید، اطلاعات باند پایه باید برای انتشار بین ایستگاه ها روی موج حامل حمل شود. در کلیه موارد، بعضی از مشخصه های موج حامل مانند دامنه یا فرکانس موج تصحیح شده تا این که اطلاعات باند پایه اعم از شکل آنالوگ یا دیجیتالی آن مشخص شود.

نویسنده: دکتر امین گلستانی، مشاور و مدرس استراتژی های فناوری و امنیت اطلاعات