خالصه

گیرن��ده و نک��ات مهم در این–در این فصل به تئوری فیزیکی حاکم بر اص��ول فرس��تنده مورد خواهیم پرداخت.

.رفتار خطی، موجی و ذره ای امواج الکترومغناطیسی

اهمیت موقعیت هندسی فرستنده و گیرنده

.اهمیت زمین و جو که موج در آنها منتشر میشود

در این بحث ما روی سیستمهای مخابراتی هوانوردی تمرک�ز داریم و س�عی ش�ده ک�ه در طول مسیر نیز این تمرکز را حفظ کنیم با اینحال بسیاری از این معادالت و نت��ایج ب��دون

تغییر در حوزه های دیگر مخابرات نیز مستقیما بکار می روند.

تعاریف اولیه

( فرکانس رادیویی RF( : تعداد نوسانات موج در واحد زمان )اگر ثانیه باش��د واح�د ان است(Hzهرتز

( فرستنده Tx وسیله ای که سیگنالهای الک��تریکی را ب��ه ان��رژی ام��واج : )RFمنتش��ره تبدیل می کند.

( گیرنده Rx وسیله ای که امواج : )RFرا دریافت نموده و دوباره سیگنالهای الکتریکی را از آنها بازسازی می کند.

انتشار : توانایی حرکت ام��واج الکترومغناطیس��ی بین فرس��تنده و گیرن��ده در فض��ای آزاد یا محیطهای دیگری نظیر هوا.

که هم در فرستنده حضور دارد و هم در گیرنده اغلب یک عنصر غ��یر فع��ال آنتن : است که مستقیما تبدیل بین س��یگنالهای الک��تریکی و ام��واج الکترومغناطیس��ی را ب��ر

عهده دارد.

8

اصول انتشار

بردارهای امواج الکترومغناطیسی

برای معرفی دقیق یک موج الکترومغناطیسی الزم است تا سه بردار متعام��د اص��لی اینموج معرفی شوند.

Eبردار میدان الکتریکی -1 Hبردار میدان مغناطیسی -2 Vبردار سرعت انتشار -3

پالریزاسیون

عمود بر سطح زمین باشد.Eپالریزاسیون عمودی : بردار

موازی سطح زمین باشد.Eپالریزاسیون افقی : بردار

پالریزاسیون دایره ای: ترکیبی از دو نوع قبلی اس��ت و جهت می��دان الک��تریکی روی ی��کصفحه می پرخد.

9

سرعت انتشار و ارتباط آن با طول موج و فرکانس

سرعت حرکت امواج الکترومغناطیسی نظیر نور است و همان روابط را می توان برایامواج الکترومغناطیسی بکار برد.

v = f.λ (2.1)

V( سرعت بر حسب متر بر ثانیه m/s / )f فرکانس بر حسب دور در ثانیه یا هرتز / و λ mطول موج بر حسب متر

نمایش می دهند و برابر است با Cدر خالء سرعت نور را با

c = 3 × 108 m/s (2.2)

10

11

توان، دامنه و مقیاس دسیبل

برای کمیتهای نظیر سطح توان، تلفات توان، ولتاژ سیگنال و شدت میدان رنج دین��امیکی برای ارسال پالس��هایی ب��ا زم��انMw و Kwوسیعی وجود دارد. مثال توانهایی در محدوده

Picoکوتاه تا توانهایی در محدوده wبرای ورودی گیرنده های با ن��ویز کم. هم��انطور ک��ه را شامل می شود. نمایش گرافیکی و106Wتا W 10−12دیده می شود این رنج از حدود

انجام عملیات محاسباتی در یک رنج از این واحد ها کار بسیار دشواری خواهد بود.

به همین دلیل اغلب از مقیاس لگاریتمی که اص��طالحا آن را دس��یبل می نامن��د اس��تفادهمی شود.

برای توان:

dB(unit x) = 10 log10(unit x) (2.3)

Power in dBW = 10 log10 P(watts) (2.4)

Power in dBm = 10 log10 P(milliwatts) (2.5)

Power in dBm = 10 log10 P(watts) + 30 (2.6)

برای دامنه:

dB(unit x) = 20 log10(unit x) (2.7)

به عنوان مثال برای شدت میدان:

E(dB μV/m) = 20 log10 E(μV/m) (2.8)

12

منبع ایزوتروپیک و افت مسیر فضای آزاد

منبعی است که دارای بعد نیست )نقطه( و ام��واج الکترومغناطیس��یمنبع ایزوتروپ: را در همه جهت ب��ا ش��دت یکس��ان منتش��ر می کن��د. در این ش��رایط س��طوح هم ش��دت میدان در این فضا کره هستند. اگرجه جنین سیستمی وجود ندارد ولی مبنی محاس��به در

مورد اغلب سیستمهای انتشار امواج به عنوان مرجع همین نوع آنتن است.

ق�رار دارد. درPRx تشعشع می کند و گیرن��ده در نقط�ه PTxفرض کنید منبعی از نقطه با فرض آنکه هیج تلفاتی رخ نداده باشد تمام ت��وان فرس��تنده رویdنقطه ای به فاصله توزی��ع ش��ده اس��ت. مق��دار ت��وان تشعش��عی روی ی��ک م��تر مرب��ع ازdکره ای به ش��عاع

نمایش می دهند.PFDمساحت روی این کره را چگالی شار مغناطیسی می نامند و با

برابر است با :( W/m2 ( بر حسب)PFDتوان موج عبوری از این سطح واحد)

PFD = PTx/4πd2 (2.9)

حال فرض کنید یک آنتن ایزوتروپ روی سطح این کره و موازی سطح ان )عمود بر شعاع کره در آن نقطه( قرار دارد. توان دریافتی توسط این آنتن به سطح موثر آن

بستگی دارد. برای یک آنتن ایزوتروپ این سطح موثر برابر است با :

13

Ae =λ2/4π (2.10)

و توان دریافتی توسط این آنتن برابر است با:

با گرفتن لگاریتم از دو طرف معادله داریم:

10 log10 PTx − 10 log10 PRx = 20 log10 (4π) + 20 log10 (d) − 20 log10 (λ) (2.12)

تفاضل سمت چپ اختالف بین ت��وان ارس��الی و ت��وان دری��افتی اس��ت و می ت��وان آن راافت مسیر فضای آزاد نامید.

Lfspl = 10 log10 PTx − 10 log10 PRx (2.13)

Lfspl = 20 log10 (4π) + 20 log10 (d) + 20 log10 ( f ) − 20 log 3 × 10 (2.14)

فرم کاربردی تر و متداولتر این معادله با بیان فاصله به کیلوم��تر و فرک��انس ب��ر حس��بمگاهرتز بدست می آید.

Lfspl = 20 log10 (4π) + 20 log10 (dkm) + 60 + 20 log10 ( fMHz) + 120 − 20 log10(3×108)

Lfspl = 32.44 + 20 log10 (dkm) + 20 log10 ( fMHz) (2.15)

14

:چگالی شار توان

:شدت میدان الکتریکی

V=I.R

P = IV (where P is power in watts, I is current in amperes and V is voltage in volts)

.این معادالت در حوزه انتشار امواج دارای یک نمونه مشابه می باشد

معرف شدت میدان الکتریکی بر حسب ولت بر متر است و امپ��دانس فض��ایEدر اینجا عددی ثابت است.Zآزاد

15

با گرفتن لگاریتم دو طرف:

بیان کنیم. در اینصورت: dBμV/mگاهی اوقات بهتر شدت میدان را بر حسب

رابطه بین توان ارسالی و شدت میدان دریافتی

16

مسایل هندسی لینک رادیویی

از سطح دریا در حالh1فرض کنید هواپیمایی در ارتفاع محاسبه افق رادیویی : پرواز است.

می توانR در مقابل hاز آنجائیکه شعاع زمین خیلی بزرگتر از ارتفاع هواپیما است از صرف نظر نمود.

فرمول به شرطی معتبر است که ارتفاع آنتن گیرنده زمینی نزدیک به سطح دریا باشد.

17

( این هواپیما با هواپیمای دیگری درLOSاز همین روش می توان افق دید مستقیم ) و یا یک برج بلند را تعیین نمود. B در نقطه h2ارتفاع

این مث��ال نک��ات ج��البی را ب��ه هم��راه دارد. اول اینک��ه علت تاکی��د ایک��ائو ب��ر اینک��ه ب��رد مای��ل ه��وایی اس��ت200 در دید مس��تقیم بین هواپیم��ا و ایس��تگاه زمی��نی VHFمخابرات

18

چگونه محاسبه شده. این عدد در هنگام محاسبه ناحیه تحت پوشش و مالحظات ت��داخلنیز خیلی کاربردی است.

این مثال همچنین نشان می دهد که چرا معموال ترجیح دارد که سایت زمی��نی در ارتف��اع نصب شود بخصوص وقتی نیاز به افزایش سطح پوشش داریم در معادله دیده می شود

که این ارتفاع چگونه اثر گذار خواهد بود.

K فاکتور –فاکتور انحنای موج در نزدیکی زمین

19

بدلیل شرایط جوی نزدیک زمین امواج الکترومغناطیسی در ن��زدیکی زمین ممکن اس��ت دچار انکسار شده و خمیده شوند و این باعث میش��ود دو آنتن علی رغم آنک��ه ب��ه لح��اظ هندسی در دید مستقیم هم هستند به لحاظ الکترومغناطیس��ی یک��دیگر را نبینن��د. در این

در مع��ادالت قبلی اص��الحKشرایط اثر این پدیده را با اعمال یک ضریب ب��ه ن��ام ف��اکتور می کنند. اعمال این ضریب در واقع مشابه آن است که فرض ک�نیم ش�عاع زمین ع�ددی

کیلومتر است. این عامل در محاسبه مسیرهای افقی و زمینی که ام��واج می6370بجز توانند بصورت داکتینگ مورد استفاده قرار گیرن��د بس��یار مهم اس��ت. بکم��ک این ض��ریب

شعاع موثر زمین محاسبه می شود.

Apparent earth’s radius = kR (2.25)

K<1 یعنی شعاع موثر کم شده و برد LOS ک��اهش یافت��ه اس��ت و ب��رای K>1یع��نی ش��عاع از شرایط ایده آل بیشتر است.LOSموثر بزرگتر شده و برد

این فاکتور به منطقه، شرایط جوی، فرکانس و غیره وابسته است و اطالعات آماری آن جمع آوری شده و وجود دارد. برای اطمینان بیشتر در سیستمهای روی زمینITUتوسط

در نظر گرفته می شود. k=2/3 ,0.5یا هواپیماهای ارتفاع کم

Great-circle Distances

این عبارت به معنی کوتاه ترین فاصله بین دو نقط�ه روی س�طح زمین اس�ت. ب�ا ف�رض کروی بودن زمین این مسیر نیز روی سطح کره است.در واق��ع زمین ک��ره ای ب��ا ش��عاع

kmثابت نیست و در قطب km و استوا 6399 و نقاط مختل��ف دیگ��ر ممکن اس��ت6336

20

شعاع انحنای آن کمی تغییر کند ولی در نهایت خطای حاصله از ثابت فرض نمودن شعاعgreat درص��د اس��ت. در این ش��رایط فاص��له 0.5 ( در حد 6370kmزمین ) circleتقریب��ا

برابر است با )زاویه ها بر حسب رادیان(:

D = 2R sin−1[(sin2((lat1 − lat2)/2) + cos lat1 cos lat2 sin2((long1 − long2)/2))]0.5 ) 2.26)

Nautical Mile )واحد طول مسیر در سیستمهای هوانوردی (

درجه در عرض جغرافیایی تقسیم شده است.360 درجه در طول و 360کره زمین به بر روی سطح زمین است. NM 1 و هر دقیقه NM 60 درجه برابر 1طول مسیر در هر

21

پدیده های انکسار، جذب و انتشار غیر دید مستقیم

تا اینجا در مورد انتشار دید مستقیم در فضای آزاد صحبت کردیم، این حالت طیف وسیعی از سیستمهای مخابراتی هواپیمایی را پوشش می دهد و یا با تقریب مناسبی در

مورد آنها معتبر است.

بعضی اوقات ممکن است هواپیما با نزدیکترین ایستگاه زمینی در دید مستقیم نباشد مثال هنگام تقرب در مناطق کوهستانی یا تقربهای با مسیر طوالنی. بهر حال در هنگام پرواز در ارتفاع کم پدیده هایی نظیر شکست، انعکاس، امواج زمینی و امواج آسمانی

نیز موثر خواهند بود.

انکسار

22

انکسار الیه ای

که درkامواج در عبور از الیه های مختلف دچار پدیده شکست می شوند. فاکتور قسمتهای قبلی در مورد آن صحبت کردیم مبنای بحث در مورد حرکت امواج در مسیر

غیر مستقیم شدند. این شکست در طول مسیر موج به تدریج رخ می دهد. مطالعات و نگهداریP در این زمینه انجام شده و در آرشیو R-ITUپیش بینی های فراوانی توسط

شده.

فرمولها و جداول مربوطهITU-R P-453-95 – The radio refractive indexبطور خاص در ‘ قید شده است. البته در شرایط حدی شکست کلی رخ داده و پدیده داکتینگ مشاهده

می شود و امواج در این شرایط می توانند بر محدودیتهای افق دید متعارف غلبه کنند.

شکست در برخورد با موانع

نوع دوم شکست )پراش( در برخورد امواج با موانع نسبتا صاف و یا تیز رخ می دهد.میزان تضعیفی که در این شرایط رخ می دهد تابعی از مشخصات فیزیکی مانع است.

23

تضعیف ناشی از جذب اتمسفر

وقتی امواج الکترومغناطیسی از محیطهای گ��ازی عب��ور می کنن��د، می توانن��د ب��اعث ب��ه نوسان وا داشتن مولکولهای گاز ش��وند. در این ش��رایط بخش��ی از ان��رژی ام��واج ج��ذب مولکولهای گاز شده و موج منتشره در مقایسه با فضای آزاد دجار تض��عیف بیش��ری می شود. بخص��وص اگ��ر فرک��انس رزون��انس مولکوله��ای محی��ط انتش��ار ب��ه فرک��انس م��وج

منتشره نزدیک باشد. این پدیده را جذب می نامند.

جذب آب

GHzدر فرکانسهای زیر در مسیرهای سنتی تضعیف جذب اتمسفر قابل صرف نظ��ر5 کردن است و دراین شرایط عوامل دیگری چون دریافت چند مس��یره نقش مهم��تری در

تضعیف سیگنال دارند.

GHzب��االی فرک��انس ج��ذب ان��رژی توس��ط مولکوله��ای آب نقش اص��لی در تض��عیف5 سیگنال در این بان��د فرکانس��ی را دارد و عمال در ش��رایط ب��ارانی متوس��ط و ش��دید می

24

در این مورد نیز مطالعه ک��رده وITUتواند باعث اختالل کامل در سیستم مخابراتی شود. نتایج را ثبت می کند و به هر منطقه بر اساس مدل بارش کدی را به آنها اختص��تص داده

مثالی از این دست است in ITU-CCIR Report 563-2است. گزارش

وقتی لینکی طراحی می کنیم باید مالحظات بارندگی منطقه ای را نیز منظ��ور نم��وده وآن را برای بدترین شرایط تنظیم کنیم.

میزان جذب اکسیژن و گازهای دیگر

گیگ��اهرتز13 و 6شکل زیر نشان می ده��د ک��ه م��یزان ج��ذب اکس��یژن در فرکانس��های جذب انرژی توس��ط گازه��ایHF,VHFماکزیمم است. در باندهای با فرکانس پائینتر نظیر

موجود در جو قابل صرف نظر کردن است.

25

انتشار غیر دید مستقیم

مکانیزمهای دیگری نیز وجود دارد که باعث می ش��ود ام��واج در مس��یر مس��تقیم ح��رکت در مح��دوده کیل��وهرتز ی��ا کم��تر از اینLF,VLFنکنند. انتشار امواج زمینی در فرکانس��های

پدیده ها )انعکاس و انکسار( استفاده می کنند.

26

انتشار امواج زمینی

در این ح���الت ام���واج ب���ا انحن���ای زمین مس���یر خ���ود را تط���بیق می دهن���د. ام���واج )کیلوهرتز( بیشتر دچار این پدیده می ش��وند. ام��واج درLF,VLFالکترومغناطیسی در باند

این مد انتشاری باید دارای پالریزاسیون عمودی باشند. تض��عیف در این ش��رایط وابس��ته به فرکانس است و هرچه فرکانس کمتر باشد تضعیف نیز کمتر است. این م��د انتش��اری چه از نظر فرکانسی و چه از نظر کاربردی برای مخابرات هواپیمایی چندان مناس��ب ب��ه

نظر نمی رسد.

انعکاس و دریافت جند مسیره

و میکروویو در پدیده های انعکاس و انکسار بیشتر ت��اثیر می پذیرن��د.HF,VHF,UHFامواج وقتی م��وجی ب��ا س��طحی منعکس کنن��ده برخ��ورد می کن��د )نظ��یر س��طح آب/ زمین/ ی��ا فلزات( منعکس می شوند. البته بخشی از موج جذب می شود و انرژی موج کاهش می یابد ولی اغلب این تضعیف ناچیز است و انرژی موج برگشتی کسر قابل مالحظ��ه ای از موج ارسالی است. به همین دلیل از این باند فرکانس��ی در کاربرده��ای راداری اس��تفاده

می شود.

در مخابرات موبایل نیز این خواص مورد توجه هستند. مثال در موبایلهای س��لولی در بان��د مگاهرتز که امواج در نواحی شهری پر م��انع راحت��تر منتش��ر می800 تا 400فرکانسی

شوند از این خواص استفاده می شود.

نیز ک��ه انعکاس��های کم اتالف رخ می ده��دHFدر سیستمهای مخابرات هوانوردی در باند می توان برد سیستمهای مخابراتی را افزایش داد.

بهر حال در دیگر کاربردهای مخ��ابراتی هوان��وردی بخص��وص در فرس��تنده- گیرن��ده ه��ای ارتفاع کم این پدیده ها باعث تضعیف م��وج می ش��وند ح��تی در بعض��ی م��وارد ک��ه دی��ده

مستقیم نیز وجود دارد و پدیده مطلوبی در این مخابرات محسوب نمی شود.

27

دریافت جند مسیره با مدل دو موجی

در شکل زیر با توجه به فاز دو موج دری��افتی )م��وج مس��تقیم و م��وج انعکاس��ی ( ممکن ی��ا مخ��ابرات نزدی��کLOSاست شرایط دریافت بهتر یا بدتر شود. این پدیده در مخابرات

به سطح زمین )بخصوص روی آب یا س��طوح ه��ادی مث��ل ش��رایط منطق��ه فرودگ��اهی ( بسیار مهم است. مطالعات و تحقیقهای وسیعی روی نحوه کم کردن اثرات این پدیده ب��اروش��های پ��ردازش س��یگنال، پ��ردازش ت��اخیر و ایج��اد ت��وازن بین ام��واج دری��افتی )

equalization توسط )Hata و Okamura .انجام شده

در سیستمهای دیجیتال اگر تاخیر بین دو موج از پریود یک عالمت کمتر باشد ت��داخل بینعالیم رخ می دهد.

28

29

انتشار امواج آسمانی

در نوع انتشار از خاصیت هدایت الیه یونسفر برای انعکاس موج و افزایش ب��رد سیس��تم مخابراتی استفاده می شود. این حالت می تواند بر اثر وقوع انعکاس کلی در عبور موج

از یک محیط غلیط تر به محیط رقیقتر رخ دهد.

)HFدر سیستمهای مخابراتی امروزی باند مگا هرتز( ویژگیه��ای مناس��بی ب��رای30 تا 3 کار در این مد انتشاری دارد. جون در شرایط خاصی می ت��وان انعک��اس کلی را بدس��ت آورد و موج را در طول مسیر زمین به حرکت درآورد. در این باند ابع��اد آنتنه��ا ن��یز ب��رای این منظور بسیار مناسب و پر بازده بوده و در نهایت طراحی و ساخت فرستنده گیرنده

30های این باند نیز بسیار اقتصادی و ساده هستند. این پدی��ده در رنج فرکانس��های زی��ر مگا هرتز خوب کار می کند و برای مخابرات برد بلند در امتداد افق بسیار مناسب است

)انحنای زمین(.

و سیس��تمهای ارتب��اطی هواپیم��اVHFبطور معکوس وقوع این پدی��ده در بان��دهای پ��اائین باعث بروز تداخل بین کاربران مختلف در حوزه های متفاوت می ش��ود. بان��د هوان��وردی

HF مگا هرتز برنامه ریزی شده است.22 تا 2 بین

الیه های یونسفر

400 کیلوم��تری زمین ش��روع می ش��ود و ت��ا ح��دود 60الی��ه یونس��فر از ارتف��اع ح��دود کیلومتری زمین ادامه دارد. بدلیل غلظت و فشار کم در این ناحیه ذرات ساده تر یون��یزه می شوند و به همین دلیل این ناحیه دارای خواص الکتریکی ویژه ای است. ام��واج بان��د

HFدچار شکستهای تدریجی و در نهایت انعکاس کلی می شوند و پدیده داکتین��گ رخ می دهد. از نظر تئوری الیه های مختلفی در این ناحیه شناسایی شده ان��د ک��ه در ش��کل زی��ر

نام و محدوده آنها نعرفی شده است.

30

(Day timeساعات روز )

)MHz 10در حالت کلی الیه های پاائینی در ساعات روز، محدوده فرکانسهای پائین )زیر F1 مگا هرتز( دچار انعکاس کلی از الیه 30 تا 10را جذب می کنند و فرکانسهای باالتر )

می شوند.

(Night Timeساعات شب )

فرکانسهای نوعا زیرF وجود ندارند و الیه D,Eدر حالت کلی در ساعات شب الیه های مگا هرتز را منعکس می کند. فرکانسهای باالتر بدون انعکاس و انکسار از این ناحیه10

عبور می کنند.

دایم پای��دار نیس��تند و تغی��یراتی تص��ادفی در آنه��ا رخ میHFمتاسفانه این قواعد در باند دید مناسبی در این مورد برای ما ارائه می کن��د. همچ��نین روش��هایITUدهد. گزارشهای

31

تئوری را برای محاسبه آنکه در چه زمانی چه فرکانسی مناسب است ارائه می کن��د. دراین گزارشها سه پارامتر زیر نیز معرفی می شوند:

حداکثر فرکانس قابل استفاده: این فرکانس از یک متوسط گیری آماری بدست می آید. درص��د50بدین معنی که فرکانسهای باالی این حد شانس فعال بودنش��ان در ه��ر زم��ان

است.

درص��د10حداکثر فرکانس ممکن: فرکانسی است که کانالهای فرکانس��ی ب��االتر از آن شانس فعال بودن دارند.

درصد شانس فعال بودن دارد.85فرکانس کاری بهینه: این باالترین فرکانسی است که

روشهای تئوری نسبتا پیچیده ای ب��رای محاس��به فرک��انس مناس��ب در زم��ان مناس��ب ب��ا فرض داشتن اطالعات کافی وجود دارد ولی یک روش عملی و کارآمد این است که چند فرکانس را بصورت همزم��ان عم��ود ب��ر س��طح زمین ارس��ال می کنن��د و از روی تحلی��ل امواج برگشتی شناسایی می کنن��د ک��ه ک��دام فرک��انس در ح��ال حاض��ر ب��رای ک��ا رک��دن

مناسبتر است.

را برای چند دقیقه ک��امال مخت��لHFفعالیت لکه های خورشیدی نیز ممکن است لینکهای کند. این پدیده نیز اگرچه با پری��ود چ��رخش خورش��ید دارای وابس��تگی ه��ایی اس��ت ولی

دارای ماهیت نسبتا تصادفی است

ITU recommendation P.533-7 –‘HF Propagation Prediction Method’

Maximum Usable Frequency

Highest Possible FrequencyOptimum Working Frequency

انتشار امواج ماهواره

32

فاصله-1

شاید مهمترین عامل در اتنشار امواج ماهواره ای باشد. فاص��له بین م��اهواره و زمین ی��ا بین دو ماهواره هم باعث تاخیر نسبتا زی��ادی می ش��ود و هم تلف�ات مس�یر )افت مس�یر

فضای آزاد( نسبتا زیاد خواهد بود.

تلفات جوی-2

عمال امواج ماهواره بیشتر مسیر خ��ود را در فض��ای آزاد )خ��ارج از ج��و( طی می کنن��د و % مسیر آنها داخل جو است. به همین دلیل اغلب تلفات ناش��ی از ج��ذب1تنها کمتر از

گازها و باران در مورد این امواج قابل صرف نظر کردن است.

C (4، باند L (1.4 GHz )فرکانسهای ماهواره ای مورد عالقه در باند هوانوردی شامل باند and 6 GHz) و باند Ku (12–14 GHz)است که دارای تلفات نسبتا کمتری هستند و بصورت

بین المللی در تخصیص فرکانس کاربرد هوانوردی پیش بینی شده اند.

پدیده داپلر در سیستمهای ماهواره ای نسبتا مهم است )بجز م��اهواره ه��ای س��نکرون( .در حالت کلی سه نوع ماهواره داریم:

High earth orbit (HEO) or geostationary earth orbit satellites (GSS)

Kmدارای ارتفاع حدود باالی استوا هستند و چون سرعت چرخش ان با س��رعت35000 چرخش زمین برابر است موقعیت آن نسبت به ایس��تگاههای زمی��نی ث��ابت می مان��د. در

ثانی��ه ت��اخیر دارن��د. این1/8این ش��رایط ام��واجی ک��ه از م��اهواره ب��ه رمین می رس��ند ماهواره ها در حوزه ه�ای مختل�ف مخ�ابرات نظ�امی، تج�اری، هوان�وردی ،... بس�یار پ�ر

درجه از هم با تقریب مناس��بی120 عدد از این ماهواهره ها ا با زاویه 3کاربرد هستند. کل زمین را پوشش می دهند.

)medium earth orbit (MEO

)low earth orbit (LEO

33

دو دسته اخیر به زمین نزدیکترند و بنابراین باید با سرعت بیشتری ب��دور زمین بچرخن��د. این نوع ماهواره ها نسبت به سطح زمین دارای حرکت هس��تند و ب��ه همین دلی��ل از ی��ک نقط��ه روی زمین بط��ور ث��ابت دی��ده نمی ش��وند و در زمانه��ایی مح��و می ش��وند. ب��رای پوشش زمین با این نوع ماهواره ها باید تعداد بیشتری از انها را در یک گروه فعال نمود. در این نوع ماهواره ها تاخیر سیگنال خیلی کمتر اس��ت، همج��نین اس��تفاده چن��د گان��ه از باندهای فرکانسی راحت تر است چون امکان شیلد کردن ماهواره ها از هم بکمک زمین وجود دارد. با اینحال بدلیل عمر کوتاه تر این ماهواره ها و تعداد بیشتر آنها برای پوشش کامل زمین )هزینه زیاد( چندان عمومی نشده اند و معموال فقط در کاربرده��ای نظ��امی بکار می روند و مورد عالقه سیستمهای هوانوردی نیستند. اگرچه ویژگی ت��اخیر س��یگنال

در مورد مکالمات حساس بسیار در هوانوردی اهمیت دارد.

اثر داپلر

در ساده ترین حالت میتوان اثر داپلر را بدین صورت بیان ک��رد ک��ه وق��تی ی��ک جس��م ب��ا سرعت معین از یک منبع انتشار دور یا به ان نزدیک شود در هر حالت فرکانس متفاوتی از ان منبع انتشار دریافت خواهد کرد. به عبارت دیگر فرکانس دریافتی در گیرنده عالوه

بر ماهیت موج به سرعت نسبی بین فرستنده و گیرنده نیز وابسته است.

v = f.λ (2.28)

c = 3 × 108 m/s (2.29)

در حالتی که فرستنده و گیرنده نسبت به هم ث��ابت باش��ند ه��ر دو فرک��انس زی��ر را درکخواهند نمود.

f = c/λ

اکنون حالتی را در نظربگیرید که فرستنده در حال حرکت به طرف گیرنده باش��د، یع��نی باشند. در این حالت فرکانس دریافتی برابرyاین دو نسبت به هم دارای سرعت نسبی

است با:

f= (c + y)/λ

سرعت نسبی فرستنده و گیرنده نس��بت ب��ه هم .ب��ر حس��ب م��تر ب��ر ثانی��هyکه در ان است.

بنابر این:

fapparent = fcarrier × (c + y)/c (2-30)

مثال:

34

تغییرات احتمالی در سامانه های هوایی را با توجه به اثر داپلر در نظر بگیرید.با توجه ب��ه تغییرات فرکانسی مربوط به هر هواپیم��ا را ب��ا توج��ه ب��ه فرک��انس ک��اری ان1-2جدول

بدست اورده و جدول را کامل کنید.

پاسخ:

همان طور که از نتایج بر میاید اثر داپلر تاثیراتی جزئی بر فرکانس دارد.

عناصر یک سيستم مخابراتی

بلوك دياگرام سطح باال

35

منبXXXXع، پیXXXXام را تولیXXXXد مي كنXXXXد ماننXXXXد )صXXXXحبت ، ويXXXXديو ،متن•اطالعات .........(

مبدل خروجي پیام منبXXع را بXXه سXXيگنال الكXXتريكي تبXXدیل می کنXXد )مثXXل• ميكروفون ( و در گیرنXده بXرعكس این فعXXالیت را انجXام می دهXXد )مثXXل انتهXXXاي گيرنXXXده (. واز این پس عمXXXده بحث مXXXا روی انتقXXXال سXXXیگنال الکتریکی خواهد بود. همچنین ما اصطالح پیام و سXXیگنال را بXXه جXXای هم نیز بکار خواهیم برد زیرا سیگنال الکتریکی نیز یک تبلور فXXیزیکی از پیXXام

است.

سه بخش اصلي یک سیستم مخابراتی

( TX- فرستنده )1

-كانال انتقال 2

RX-گيرنده ))3

انواع سیستمهای مخابراتی

( را نشان مي دهد. SX، به اختصار simplex)يا يكطرفه انتقال�

باي��د در ه��ر دو ط��رف هم فرس��تنده داش��ت و هم گيرن��ده.انتقال دو طرفه کامل� كانالي دارد كه مخابره همزمان در(FDX به اختصار full-duplex) سيستم دوطرفه كامل

دو جهت را ممكن مي كند.

36

( انتقال در هر دو ط��رف را اج��ازهHDX به اختصار half-duplex)نيمه دوطرفه انتقال �مي دهد، ولي نه به طور همزمان.

فرستنده�

سيگنال الكتريكي را به فرم مناسبي براي انتقال دادن از طريق كانال تبديل مي كند.�

وجود فرستنده ضروری است زیرا سيگنال خروجي مب��دل در اغلب م��وارد ب��دلیل ع��دم�� فرستاده شود. هماهنگی با کانال نمي تواند مستقيما

مدوالس��يونAMعمده تغییرات جهت انطباق از طري��ق مدوالس��يون انج��ام مي ش��ود : � AM و FMمدوالسيون فركانس و فاز به طور مثال پخش راديويي FM، PMدامنه

(radiationعملكردهاي ديگر مثل : کدینگ، فيلتركردن، تقويت، ارسال روي آنتن و تابش�(، ... نیز در فرستنده وجود دارد.

كانال�

يك واسطه فيزيكي بين فرستنده وگيرنده .�

مي تواند سيمي )سيستم تلفن ثابت( يا بي سيم )مثل راديو ( باشد .�

مستقل از نوع محیط به هرحال سيگنال توسط نويز و تداخل آسیبهایی خواهد دی��د. ب��ه� طور مثال: نويز حرارتي ، تخليه اتمسفري )ص��اعقه ( نويزحاص��ل از اح��تراق اتومبيله��ا،

تداخل، استفاده كننده هاي ديگر و ...

كانال ممکن است دارای ماهیتی نا ایستا باشد )پديده محو شدن (�

سيگنال به مقدار قابل مالحظ��ه ای در عب��ور از کان��ال ممکن اس��ت تض��عيف ش��ود )از� (200dB تا 100

انواع دیگری از اعوجاج سيگنال نیز ممکن است رخ دهد )مثل اعوجاج طیف ( �

�گيرنده�

روي سيگنال خروجي كانال عمل كرده، سيگنال مناس��ب را ب��راي مب��دل واق��عگيرنده�در مقصد فراهم مي كند.

دمدوالسXXيون و ب��راي ج��بران تلف��ات انتق��ال، و تقXXويتدر عم��ل گيرن��ده ش��امل � براي معكوس كردن پردازش سيگنال انجام شده در فرستنده مي باشد. كدگشايي

نيز عم�ل مهم ديگ�ري اس�ت ك�ه در گيرن�ده ب�ه داليلي مختلفی از جمل�هفيلتر كردن� مقابله با نويز و تداخل انجام مي شود. با اين حال برخي اعوجاج ه��ا غ��ير قاب��ل اجتن��اب

هستند

37

�

مدوالسيون و كدگذاري

مدوالسيون و كدگذاري عملياتي هستند كه در فرستنده ب�راي دس�تيابي ب�ه انتق�ال� موثر و قابل اعتماد انجام مي شوند. اين عمليات آنقدر مهم هستند كه س��زاوار اس��ت در� چند فصل را ب�ه روش�هاي مدوالس��يون و كدگ�ذاري اينجا راجع به آنها صحبتي بكنيم. بعدا

اختصاص خواهيم داد.

روش هاي مدوالسيون

كه پي��ام را نش��ان سيگنال مدوله كنندهدر مدوالسيون دو شكل موج دخيل اند: � كه باي�د ب�راي آن ك�اربرد خ�اص مناس�ب باش�د. م�دوالتور م�وجموج حاملمي دهند، و

حامل را به صورتي متناظر با تغي��يرات س��يگنال مدول�ه كنن��ده تغي��ير مي ده�د. پس م��وج برگشتمدوله شده حاصل، اطالعات پيام را »حمل مي كند«. مدوالس��يون باي��د عملي

را در گیرنده انجام داد و پی��ام را از م��وجدمدوالسيون باشد تا بتوان عمل مكمل پذيرمدوله شده بازیابی نمود.

مدوالسیون دامنه

�(a( سيگنال مدوله كننده )bشكل موج مدوله ش�ده حاص�ل از تغي�ير دامن�ه م�وج ) ( در پخشAM را نشان مي دهد. اين همان مدوالسيون دامنه مت��داول )سينوسيحامل

راديو و كاربردهاي ديگرست.

38

روشهای مدوالسیون

( ن�يز ب�رPM( ي�ا مدوالس��يون ف�از )FMپيام را مي توان با مدوالس�يون فركانس�ي )�حامل سينوسي سوار كرد.

مXوج پيوسXته )تمام روشهاي مدوالسيون حامل سينوسي تحت نام مدوالسيون �CW ) .قرار مي گيرند

عم��ل مي كني��د. انتق��الCWجالب اينكه شما هنگام حرف زدن به صورت مدوالتور � صوت از طريق هوا با ايجاد تونلهاي حامل در تارهاي صوتي و مدوله كردن آنها ب�ا زب�ان، دندان، لبها وغيره انجام مي شود. پس آنچه گوش مي شنود ي��ك م��وج آكوس��تيكي مدول��ه

است. AMشده، شبيه سيگنال

، ب��ا ح��املي ك��ه فرك��انس آنCWدر اكثر سيستمهاي انتقال دوربرد از مدوالسيون � بس��يار بزرگ��تر از بزرگ��ترين مولف��ه فركانس��ي س��يگنال مدول��ه كنن��ده اس��ت، اس��تفاده مي شود. به اين ترتيب طيف سيگنال مدوله شده، يك بان��د فركانس��ي متمرك��ز در ح��ول

انتقال فركانسي CWفركانس حامل خواهد بود. دراين شرايط مي گوييم مدوالسيون � در پخش � از AMايجاد مي كند. مثال اس��ت؛ اگ��ر فرك��انسkHz5 ت��ا Hz100 طيف پيام نوعا

را مي پوشاند. kHz 605 تا kHz595 باشد، طيف موج مدوله شده گستره kHz600حامل

مدوالسیون پالسی

39

ي��ك قط��ارمدوالسXيون پالسXيدر ي��ك روش مدوالس��يون ديگ��ر، موس��وم ب��ه �متناوب از پالسهاي كوتاه به عنوان موج حامل به كار مي رود.

ولي مدوالسيون پالسي به خودي خود انتقال فركانسي ايجاد نمي كند، انتقالي ك��ه�براي انتقال موثر سيگنال ضروري است.

ت��ركيب مي ش��وند. در روش��هايCW در بعضي فرس��تنده ها مدوالس��يون پالس��ي و � ديگ��ر مدوالس��يون، ك��ه ب��ه زودي ش��رح خ��واهيم داد، از ت��ركيب مدوالس��يون پالس��ي و

استفاده مي شود. كدگذاري

مزایا و كاربردهای مدوالسیون

هدف اصلي مدوالسيون ايجاد سيگنالی است ك��ه ب��ا مشخص��ات كان��ال همخ��واني�داشته باشد. مزایا و کاربردهای دیگر مدوالسیون عبارتند از:

انتقال طیف پیام به فرکانسی که با کانال و روش انتقال تطبیق بیشتری دارد. �

ابعاد درMHz100 -با مدوالسیون روی Km 300ابعاد مورد نیاز آنتن در باند صوتی حدود �حد متر.

مدوالسيون براي غلبه بر محدوديت هاي سخت افزاري: �

طراحي سيستم هاي مخابراتي ممكن است با قي��ودي راج��ع ب��ه هزين��ه و در� دسترس بودن امكانات سخت افزاري همراه باشد؛ س��خت افزاره��ايي ك��ه عملكردش��ان� به فركانس مورد استفاده بستگي دارد. مدوالسيون به طراح اين امكان را مي ده��د غالبا

40

كه سيگنال را در گستره اي قرار دهد كه در آن محدوديت سخت افزاري وجود ندارد. يك نكته در اين ارتباط مساله پهناي بان��د كس��ري اس��ت ك��ه ب��ه ص��ورت پهن��اي بان��د مطل��ق تقسيم بر فركانس مركزي تعريف مي شود. هزينه ه��ا و پيچي��دگي هاي س��خت اف��زاري در

درص��د مي نيمم مي ش��ود.10 ت��ا 1صورت قرارداش��تن پهن��اي بان��د كس��ري در مح��دوده BW/fc

پس برای انتقال حجم زیاد اطالعات به پهنای باند وسیع نیاز داریم و ب��رای ارس��ال� GHz5پهنای باند وسیع به موج حامل با فرکانس باال ب��راي مث��ال ي��ك سيس��تم ميكرووي��و

اطالع��اتkHz500 برابر يك كان��ال رادي��ويي 10000مي تواند در يك فاصله زماني معين، � ب�ه ي�ك پرت�و ن�ور ل�يزري ب�ا منتقل كند. اگر در طيف الكترومغناطيسي باالتر برويم، مثال

ميليون كانال تلويزيوني دست يابيم. 10امكان پهناي باندي معادل

مدوالسيون براي كاهش نويز و تداخل :�

يك روش مبارزه با نويز افزايش ت��وان س��يگنال اس��ت، ولي اف��زايش ت��وان� هزينه دارد و ممكن است به وسايل آسيب برساند. )يكي از كابلهاي بين ق��اره اي در اث��ر

وFMافزايش ولتاژ براي دستيابي به سيگنال ب��ه ن��ویز قوی��تر از بين رفت.( خوش��بختانه بعضي روشهاي مدوالسيون ديگر ويژگيهاي با ارزشي از لحاظ حذف نويز و تداخل دارند. این خاصيت كاهش نويز پهن باند نام دارد، زيرا پهناي باند الزم براي انتقال بسيار بزرگتر از پهناي باند سيگنال مدوله كننده اس�ت. مدوالس�يون پهن بان�د ب�ه ط�راح اين امك�ان را مي دهد كه كاهش توان سيگنال را با افزايش پهناي باند جبران كن��د، اين ب��ده بس��تان در قانون هارتلي- شنون نيز ديده مي شود. توجه كنيد كه براي دستيابي به مدوالس��يون پهن

باند به حاملي با فركانس باالتر نياز داريم.

مدوالسيون براي تخصیص فركانس - هر ايستگاه فركانس حامل اختصاص��ي خ��ود�را دارد، سيگنال مطلوب را مي توان با فيلتر كردن جدا كرد.

مدوالسيون براي مالتي پلكس كردن - مالتي پلكس فرآين��د ت��ركيب چن��د س��يگنال� ( ازFDMب��راي ارس��ال همزم��ان روي ي��ك كان��ال اس��ت. در م��التي پلكس فركانس��ي )

( از مدوالس�يونTDM اس�تفاده می ش�ود و در در م�التي پلكس زم�اني )CWمدوالسيون پالسي براي قرار دادن نمونه هاي سيگنالهاي مختل��ف در ش��كافهاي زم��اني ناهمپوش��ان استفاده مي شود. از كاربردهاي مالتي پلكس مي توان پخش استريوي راديويي، تلويزيون

كابلي، و تلفن راه دو را بر شمرد.

( گون��ه اي از م��التي پلكس اس��ت. در م��التي پلكس ب��ه ه��رMAدستيابي چندگانه )� سيگنال بخش ثابتي از امكانات مخابراتي محلي اختصاص داده مي ش��ود )مثال بخش��ي از

از اشتراك دور منابع اس��تفاده مي ش��ود. مثال در دس��تيابيMAطيف فركانسي(، ولي در ( به هر كابر تلفن همراه يك كد يكتا اختص��اص داده مي ش��ود،CDMAچندگانه تقسيم كد )

و ارتباط خصوصي با همبستگي بين كدهاي ش��خص فرس��تنده و ش��خص گيرن��ده برق��رار كاربران مختلف مي توانند از يك باند فركانسي به طور همزمانCDMAمي شود. چون در

استفاده كنند، بدین ترتیب راه ديگري براي افزايش بهره وري فراهم مي شود.

روشها و مزاياي كدگذاري

مدوالسيون را به عنوان يك عمل پردازش سيگنال براي افزايش ب��ازده مخ��ابراتي�توصيف كرديم.

41

براي بهبود مخابره در هنگام ديجيتال بودن پيامنماد يك عمل پردازش كدگذاري� يا هنگامي كه مي توان پيام را به شكل نمادهاي مجزا تق��ريب زد مي باش��د. ممكن اس��ت هم كدگذاري و هم مدوالسيون براي مخابره قابل اعتماد ديجيتال به نقاط دوردست الزم

باشد.

عمل كدگذاري پيام ديجيتال را به رشته جديدي از نمادها تبديل مي كند. كدگشايي،� رشته كدشده را به شكل اصلي پيام برمي گرداند؛ البته ممكن اس��ت اين ك��ار ب��ه خ��اطر

آاليش توسط كانال انتقال با خطا همراه باشد.

نم��اد در نظ��ر بگيري��د. ارس��ال پي��امMيك كامپيوتر يا يك منب��ع ديجيت��ال ديگ��ر ب��ا � شكل موج متف��اوت، ب��راي ه��ر نم��ادMكدگذاري نشده از اين منبع مستلزم به كارگيري

رقم دودويي نش�انKيكي، است. ولي مي توان هر نماد را با يك ك�د دودويي متش�كل از نم��ادM كد مختل��ف تش��كيل داد، ب��راي ك��دكردن K2 رقم دودويي مي توان Kداد. چون با

نم��اد ايج��اد كن��د، ك��دr رقم تشكيل شود. اگ��ر منب��ع در ه��ر ثاني��ه Kمنبع بايد هر كلمه از برابر پهن��اي بان��د س��يگنالK رقم خواهد داشت، و پهناي باند الزم Krدودويي در هر ثانيه كد نشده مي شود.

نمادي در قبال افزايش پهن��اي بان��د دو م��زيت دارد. اولMكدگذاري دودويي منبع � كاهش پيچيدگي سخت افزاري، زيرا براي كار ب�ا س�يگنالهاي دودويي متش�كل از تنه�ا دو شكل موج متف��اوت س��خت اف��زار س��اده تري الزم اس��ت. دوم اين ك��ه ن��ويز آالين��ده اث��ر

ش��كل م��وج متف��اوت دارد. بن��ابراينMكمتري بر سيگنال دودويي، نسبت به سيگنالي با � يك روش ديجيتال كاهش ن�ويز خطاي ناشي از نويز كاهش مي يابد. پس كدگذاري اساسا

پهن باند است.

روشي است كه ب��راي اف��زودن حش��ويات كن��ترل ش��ده، ب��رايكدگذاري كانال� پ���ا را دركدگذاري كنترل كننده خطا عملكرد مطمئن تر كانال نويزي به كار مي رود.

رقمهاي وارسXXيزمينه كاهش نويز پهن باند فراتر مي گذارد. در اين روش با افزودن ب��ه ه��ر ك��د دودويي امك��ان تش��خيص و ح��تي تص��حيح خطاه��اي غ��الب ممكن مي ش��ود. كدگذاري كنترل كننده خطا هم پهناي باند را زياد مي كند و هم پيچيدگي سخت افزاري را،� عاري از خطا، حتي با نس�بت س�يگنال ب�ه ن�ويز كم ج�بران ولي اين امر با مخابره تقريبا

مي شود.

حال اجازه دهيد ديگر محدوديت بنيادي سيستم، يعني پهناي باند را بررس��ي ك��نيم.� بسياري از سيستمهاي مخابراتي براي انتقال از شبكه تلفن استفاده مي كنند. چون پهناي باند اين سيستم انتقال توسط مشخصات قديمي چند دهه گذش��ته مح��دود ش��ده اس��ت، براي افزايش آهن�گ داده باي�د پهن�اي بان�د س�يگنال را كم ك�رد. مودمه�اي س�ريع يكي از

ازكدگXXذاري منبXXعكاربرده��ايي اس��ت ك��ه چ��نين كاهش��ي را مي طلب��د. در روش��هاي مشخصات آماري منبع سيگنال براي كدگذاري پربازده اس�تفاده مي ش��ود. پس كدگ�ذاري منبع را مي توان همزاد كدگذاري كانال در نظر گرفت، زيرا در آن براي دستيابي به بازده

كاسته مي شود. حشوياتمورد نظر از

اس��تفادهآنالوگسرانجام از مزاياي كدگذاري ديجيتال مي ت��وان ب��راي مخ��ابرات �كرد. به اين منظور از يك روش تبديل آنالوگ ب�ه ديجيت�ال مث�ل مدوالس�يون ك�د پ�الس )

PCM استفاده مي شود. سيگنال )PCMبا نم��ونه برداري از پي��ام آن��الوگ، ديجيت��الي ك��ردن )كوانتش( مقادير نمونه ها و كدگذاري رش��ته نمونه ه��ا ايج��اد مي ش��ود. ب��ه خ��اطر ق��ابليت

در مخ��ابرات آن��الوگ اهميت بس��زايي يافت��هPCMاعتماد، تنوع و ب��ازده انتق��ال ديجيت��ال،

42

پردازش با تركيب ميكروپروسس��ورهاي س��ريع امك��ان ج��ايگزيني PCMاست. به عالوه به جاي عمليات آنالوگ را فراهم مي كند. سيگنالهاي ديجيتال

مدوالسیون و دمدوالسیون �

روشهای متنوعی برای مدوالسیون وجود دارد.از جمله مدوالسیون های انالوگ میتوان به (اشاره کرد. که میتوان سیگنالهای ص��دا را توس��طAM,FMمدوالسیون دامنه و فرکانس )

اشاره ک��رد. ک��ه درPSK و FSKانها مدوله کرد. و از مدوالسیون های دیجیتال میتوان به انتقال پیامهای دیجیتال کاربرد دارند.

FSK: frequency shift keying

PSK: phase shift keying

نوع مدوالسیون معموال به عوامل زیر بستگی دارد:

محدوده انتشاری

فرکانس عملکرد

بازده مورد نیاز

پیچیدگی تجهیزات ، وزن و قیمت انها

حجم داده و اطالعات الزم

قوانین حاکم

پیچیدگی های مدوالسیون

43

برای دستگاه هایی که حساسیت زیادی الزم ندارند از مدوالسیون های ساده ن��یز می توان استفاده کرد که باعث کاهش قیمت و پیچیدگی این دستگاه ها می گ��ردد . ام��ا در مورد دستگاه های حساس تر و پیچیده تر باید از روش مدوالس��یون پیچیی��ده ت��ری

استفاده کرد.

حوزه های دیجیتال و آنالوگ

قبل از اینکه به بررسی جزئیات روشهای مدوالس��یون در ح��وزه هوان��وردی ب��پردازیم ب��دنیست آشنایی مختصری با تبدیل آنالوگ به دیجیتال پیدا کنیم.

در ارتباطات مدرن برای ارس��ال ص��دا و تص��ویرابتدا انه��ا را ب��ه س��یگنال دیجیت��ال تب��دیل میکنند که در این فرآیند ه��دف حف��ظ کیفیت ث��ابت اس��ت و پس از ارس��ال اطالع��ات ب��ا مدوالسیونها و کانالهای مناسب در گیرنده دوباره اطالعات را در ص��ورت ل��زوم ب��ه ف��رم

آنالوگ اولیه تبدیل می کنند.

( در صورتی که اطالعات از نوع دیجیتال باشد، دیگر نیازی به تبدیلdataدر ارسال داده )انالوگ به دیجیتال وجود ندارد.

44

در سیستم های رادیویی صدا اغلب از نوع ان��الوگ اس��ت ب��ه ط��وری ک��ه در مدوالس��یوننیز،تبدیل از نوع انالوگ به انالوگ بوده و هنگام دمدوالسیون نیز به انالوگ برمیگردد.

.

(:AM مدوالسیون دامنه)

هر گاه دامنه موج حامل متناسب با سیگنال مدوله کننده)پیام( تغی��یر کن��د ، مدوالس��یون DSB-AM ن��وع AMدامنه صورت گرفته است . ساده ترین و قدیمیترین نوع مدوالس��یون

باشد.

DSB-AM

fc(t) = A)t (cos(2π fct + ϕ)

A(t) = K + fm(t)

45

فرض کنید:

A = K + fm(t)

base س��یگنال پی��امfm(t) دامنه موج حام��ل مدول��ه نش��ده اس��ت و K که در آن band میباشد.

بنابر این:

با جایگذاری در معادله باال داریم : φ=0حال فرض کنیم

46

با توجه به معادالت بدست امده ، در حوزه فرکانس به جمالت به وجود ام��ده در معادل��هباال ساید بند می گویند.

از معادالت و نمودار بدست آمده نتایج زیر بدست می آید.

پهنای باند DSB-AMدو برابر پهنای باند سیگنال باند پایه اس��ت ک��ه این ب��ه عم��ق مدوالسیون وابسته نیست.

.توان زیادی روی موج حامل ارسال می شود که اطالعاتی در بر ندارد

DSB-AMمزیت های

س��ادگی ایج��اد این ن��وع مدوالس��یون )توس��ط قطع��ات غ��یر خطی مانن��د دی��ود و ترانزیستور

سادگی دمدوالسیون

آسانی عیب یابی و کار با آن

همواره سیگنال حامل وجود دارد حتی اگ��ر پی��امی فرس��تاده نش��ود.یع��نی گیرن��ده میتواند به اسانی این فرکانس را پیدا کرده و اماده دریافت اطالعات باشد.

چون اطالعات در دامنه سیگنال نهفته است اث��رات داپل��ر ت��اثیری در ایج��اد خط��ا دراین نوع مدوالسیون ندارد.

47

DSB-AM معایب مدوالسیون

در بهترین حالت عملکرد فقط یک سوم قدرت ارسالی مربوط به فرس��تادن پی��ام است و ما بقی توسط موج حامل جذب شده و کاربردی ن��دارد.این ح��الت زم��انی

( که عمال رس��یدن ب��هm=100%رخ می دهد که عمق مدوالیون صد در صد باشد ) 25چنین شرایطی امکان پذیرنیست و در عمل مقدار قدرت ارسالی م�وثر ح�دود

درصد است.

مدوالسیون به روش DSB-AMبه عرض باند فرکانسی بیش�تری نی�از دارد. هم�ان دو برابر پهنای باند اطالعات اس��ت. ی��کDSB-AMطور که قبال ذکر شد پهنای باند

روش مدوالسیون خوب به نصف این میزان پهنای باند نیاز دارد.

امنیت در این روش مدوالسیون پایین است . زی��را س��یگنالها قاب��ل تب��دیل ب��ه ک��د نیستند.

Route (Service (AM(R)S)( در هواپیمایی VHFارتباطات سیار

به دلیل سادگی، مقاومت، قدمت و نبودن محدودیت پهن�ای بان�دAM(R)Sدر خدمات استفاده می شود. DSB-AMاز روش

48

مسیر فرستنده:

صدایی که توسط خلبان یا مراقب پرواز یا دیگران به میکروفون هدایت میشود ابت��دا ب��ه ت��وازنی در س��یگنالcompandingسیگنال های الک��تریکی تب��دیل می ش��ود و طی فراین��د

صحبت بوجود می اید تا رنج تغییرات دامنه را مح��دود کن��د. مجم��وع این فراین��دها ب��اعث می گردد. SNRکاهش نویز و در نتیجه افزایش

( ب��ا بان��دLPFسپس سیگنال وارد بلوک تقویت کننده می شود. در ابتدای این طبقه ی��ک ) وجودRF برای کاهش پهنای باند سیگنال باند پایه و در نتیجه پهنای باند Hz 80-4800عبور

است که شیب ناحیه گذر آن کند است. rised cosineدارد. نوع فیلتر در اینجا اغلب

Companding = compressing & expanding

مدوالتور:

49

( ، مخل��وط می ش��ود.intermediateطی فرایندی سیگنال صدا با فرکانس حامل میانی ) سیگنال حامل میانی را میتوان توسط اسیالتورهای کریستالی با پایداری باال تولی��د ک��رد.

( ب��ه هم��راه انتخ��ابگر فرک��انس این امک��ان را می ده��د ک��ه فرکانس��هایsynthesisمدار )متنوعی را از اسالتور مربوطه به تناسب انتخاب کنیم.

عمل ترکیب موج حامل و موج پیام معموال توس��ط قطع��ات غ��یر خطی مانن��د دی��ود و ی��اترانزیس��تور ص��ورت میگ��یرد. س��یگنال حاص��له توس��ط ی��ک تق��ویت کنن��ده می��ان گ��ذز )

amp+BPFتقویت شده و در عین حال سیگنالهای ناخواسته تولید ش��ده توس��ط عملی��ات ) مهیا است. در اینجاIF( نیز حذف می شود. اکنون سیگنال disturtionغیر خطی)اعوجاج

فرض شده از دو مرحله مخلوط کننده اس��تفاده ش��ده این روش ب��اعث اف��زایش کیفیتسیگنال و سادگی حذف سیگنالهای ناخواسته می شود.

Final Upconverting

نه�اییRFاکنون این سیگنال را با فرک�انس حام�ل نه�ایی مخل�وط می ک�نیم.ت�ا س�یگنال شکل بگیرد.

fc = 117.975 + (n × 0.025) − fIF MHz,

25w تا ح��دود RFاین سیگنال توسط تقویت کننده قدرت (RMS)تق��ویت می ش��ود و از RFیک فیلتر میان گذر عبور می کند که باعث می شود سیگنال ارسالی فقط یک کان��ال

raised( را اشغال کند. دوباره از فیلتری با مشخصه )25Khzبا پهنای ) cosineاس��تفاده ) میگردد.

Push-to-talk switch

half-douplex و ی��ا Simplexسیستم های فرکانس باال و پهن باند هواپیمایی در دو حالت کار میکنند.

( بین فرستنده و گیرنده ه��ا م��وردtime-shared به صورت اشتراکی)RF یعنی یک کانال استفاده قرار می گیرد.

زمانی که خلبان یا مراقبان پرواز بخواهند صحبت کنند باید دکم��ه ای را فش��ار دهن��د ک��ه باعث فعال سازی تقویت کننده و انتن و ... می گ��ردد ب��ه ط��ور همزم��ان گیرن��ده ب��رای مدتی کوتاه قطع میگردد. در مقابل زمانی که دکم��ه م��ذکور فش��ار داده نش��ود،دس��تگاه فرستنده و گیرنده به طور اتوماتیک انتن را به قسمت گیرن��ده متص��ل میکن��د و قس��مت

dummyفرستنده به یک بار مجازی ) loadمتصل میگردد. بن�ابر این انتن در ه�ر لحظ�ه ) فقط میتواند به گیرنده یا فرستنده متص��ل ش��ود . این مجموع��ه در م��واردی از تجه��زات

زمینی دارای دو سیستم مجزا میباشد.

مسیر گیرنده:

50

در ساده ترین بیان میتوان گفت عملکرد گیرنده معکوس عملک��رد فرس��تنده اس��ت. این بخش وظیفه استخراج سیگنال پیام از سیگنال مدوله شده آغش��ته ب��ا ن��ویز را ب��ر عه��ده

دارد.

Final Stage Down Converting

مربوط��ه از انتن ب��هRF فشرده نباشد س��یگنال push-to-talkزمانی که دکمه مربوط به کابل کواکسیال و از انج��ا ب��ه فیل��تر می��ان گ��ذر متص��ل میگ��ردد. فیل��تر می��ان گ��ذر فق��ط

( ، بعد از فیلتر سیگنالMhz 137-118 را عبور می دهد)VHFفرکانسهای در محدوده باید تقویت شود و سپس وارد اولین مرحله دمدوالتور میشود.

طبقه آشکارساز

مخل��وط می ش��ود ک��ه منج��ر ب��ه تولی��دfC-fIFدر این مرحله س��یگنال ورودی ب��ا فرک��انس فرکانس میانی و در عین حال انتخاب کان�ال م�ورد نظ�ر می ش�ود. این س�یگنال دوب�اره برای پاالیش از سیگنالهای ناخواسته ناشی از عمیالت غیر خطی و نویز فیلتر می شود و

وارد م��دار آشکارس��از )دم��دوالتور(squelchدر نهایت این سیگنال پس از عب��ور از م��دار می شود.

قطع و وصل تقویت کننده گیرنده با توجه به سطح س�یگنال دری�افتی بع�دsquelchنقش مخلوط کننده است.

این سیگنال وارد آشکارساز می شود که عملی برعکس مدوالتور را انجام می ده��د. این عمل به دو صورت سنکرون و آسنکرون انجام پذیر است. ساده ترین ن��وع آشکارس��ازی

است.RC عادی استفاده از آشکارساز پوش بکمک یک دیود و یک فیلتر AMسیگنال

Signal Shaping

پس تاکید برای اصالحات فرکانس��ی و ح��ذف ن��ویز عب��ورLPFسیگنال آشکار شده از فیلتر انج�ام می ش�ود و درexpandingک�رده و تق�ویت می ش�ود. بع�د روی این س�یگنال عم�ل

نهایت وارد بلندگو و گوشی می شود.

DSB-SC

این است که در آن موج حامل به مق�دار قاب�لDSB-AMتنها تفاوت این نوع مدوالسیون با بان�د کن��اری ک�ه ح�اوی پی��ام هس�تند ارس��ال می2مالحظه ای تضعیف شده. بنابراین تنها

معمولی که توان مص��رفی باالس��ت ح��لAMشود. در این نوع مدوالسیون یکی از عیبهای شده ولی مشکل بازده کم در پهنای باند پابرجاست.

AMدر عین حال در این نوع مدوالسیون ساختار فرستنده و گیرن��ده ه��ر دو پیچی��ده ت��ر از معمولی است.

51

�

چگونه ضريب توان افزايش پيدا مي كند؟�

(DSB-SCسيگنال)�

مثال :مدوالسيون سينوسي�

طيف �

52

Single side band modulation

با بررسی طیفDSB-AMمتوجه می ش��ویم ک��ه س��اید بن��د ب��اال و پ��ایین اطالع��ات کامال یکسانی دارند و ظاهر انها کامال شبیه به سیگنال پیام بان�د پای�ه اس�ت. بن�ابر این با حذف یک سایدبند ونیز با حذف حامل اطالعات پی��ام هن��وز موج��ود اس��ت و

نسبت سیگنال به نویز نیز افزایش می یابد )چرا؟(

)ضمنا تمام قدرت به کار گرفته شده در فرستنده صرف انتق��ال اطالع��ات )پی��ام ( بود. بنا به همین دالیل اس��تفادهSSBخواهد شد. این عملکرد اساس مدوالسیون )

از این نوع مدوالسیون کاربرد وسیعی در مخابرات دارد بخص�وص در م�واقعی ک�همشکل محدودیت توان و پهنای باند جدی باشد.

معمولی است و دو روش برای ایج��اد این مدوالس��یونAM پیچیده تر از SSBساختار وجود دارد.

تولید سیگنالDSB-AM،و فیلتر کردن حامل و س��اید بن��د SSBو نگ��ه داش��تن یکی از باندهای کناری.

تولید مستقیم سیگنال SSB .)با استفاده از مدوالتور متعامد )تبدیل هیلبرت

53

SSB-AM مزایای

تمام قدرت فرستنده صرف ارسال سیگنال پیام می شود. ب��ازده ت��وان این روش از درصد است. 70 درصد و در عمل حدود 100نظر تئوری

کارایی پهنای باند در این روش دو برابر DSB-AM .است

بنا به همین دالی�ل اس�تفاده از این ن�وع مدوالس�یون ک�اربرد وس�یعی در مخ�ابرات داردبخصوص در مواقعی که مشکل محدودیت توان و پهنای باند جدی باشد.

SSB-AMمعایب

.سخت افزار اجرای عملیات مدوالسیون و دمدوالسیون پیچیده تر است

( امکان ایج��اد اعوج��اج ف��ازphase distortionناش��ی از ع��دم تط��ابق فرکانس��های ) فرستنده و گیرنده یا اسیالتور های فرستنده و گیرنده و یا تغییر

54

مدوالسیون فرکانس

فرکانس حامل متناسب با دامنه پیام تغییر می کند.

سیستمهای نظامی خاص

فاصله سنجی هوانوردی

( ت��ا117.975 ناوبری و 117.975 تا 108 در باندهای مجاور سیستمهای هوانوردی ( ب��ه همین دلی��ل بررس��ی108 ت��ا 88 تج��اری )FM ارتب��اط رادی��ویی( در رادی��و 137

سازگاری کانالهای مجاور در این باند اهمیت دارد.

55

س��اخته می ش��ود. ب��ه لح��اظ ت��اریخی ازVCOاین سیگنال اغلب توسط مداری به نام AMدارای کیفیت بهتری است ولی در عوض اثر داپلر در آن باعث تخ��ریب اطالع��ات

می شود و به همین دلیل در ارتباطات سیار چندان کاربرد ندارد. البت��ه هم��انطرو ک��هنشان داده شد این مشکل در حوزه هوانوردی چندان موضوعیت ندارد.

Capture Effect (Hysteresis)

شناخته شده ولی مستقل از ن�وع مدوالس�یون اس�ت.FMاگرچه این مفهوم بیشتر با در این شرایط وقتی گیرنده روی یک کتنال قوی قفل شد برای آنکه از این کانال جدا شده و به کانال دیگری متصل شود باید کانال جدی��د حتم��ا از کان��ال قبلی ح��داقل ب��ه مقدار معینی قویتر باشد. در واقع مهندسی این حلق��ه هیس��ترزیس در بعض��ی م��وارد

.GPS یا DSB-AMبسیار مهم است. مثال در بعضی کانالهای

56

مدوالسیونهای دیجیتال

امروزه و در آینده بیشتر این نیاز احساس می شود که ب��رای اف��زایش کیفیت و حجم داده های ارسالی از سیگنالهای دیجیتال به جای آنالوگ ب��رای ارس��ال پی��ام اس��تفاده

ضروری است. دقت کنی��د ک��ه هن��وز م��وجD/A و A/Dکنیم. بنابراین استفاده از تبدیل حامل سینوسی و آنالوگ است.

ASK (Amplitude Shift Keying) مدوالسیون

، یک موج سینوسی با دامن��ه ث��ابت ارس��ال1در این نوع مدوالسیون مثال برای ارسال می شود و برای ارسال صفر فرستنده خ��اموش می ش��ود. این ن��وع مدوالس��یون ب��ه ندرت در سیستمهای هوانوردی بکار می رود بجز در بعضی لینکهای دیجیتال خاص در

.VHFباند

اس��ت. مثال وق��تی ب��ا دور1و0 شناسایی آس��تانه ASKمهمترین دلیل کم شدن کاربرد ن��یز تغی��یر1و0شدن از منبع سیگنال ضعیفتر می شود بای��د س��طح آس��تانه تش��خیص

کند. یعنی سطح آستانه باید تابعی از طول مسیر باشد و این موضوع هم به نظر غیر عملی می رسد و هم اینکه وقتی روشهای دیگر دچار این مشکل نیس��تند دلی��ل ب��رای

استفاده از این روش وجود ندارد.

57

Binaryاین ن�وع مدوالس�یون ک�ه گ�اهی آن را ASKمی نامن�د می توان�د مع�ادل ن�وع تلقی شود. AMدیجیتال مدوالسیون

برابر سرعت انتقال اطالعات بر حسب بیت بر ثانیه ) در2پهنای باند در این شرایط گفته می شود( است. به عنوان مث��الbaudاین حالت خاص عالمت بر ثانیه که به آن

پهنای باند نیاز داریم. KHz 19,2 به Kbit/s 9.6برای ارسال نرخ اطالعات

Amplitude Modulated Minimum Shift Keying (AM–MSK)

ب��دینf1در این نوع مدوالسیون از دو فرکانس استفاده می ش��ود. ارس��ال فرک��انس بدین مع�نیf2معنی است که بیت جاری با بیت قبلی تفاوتی ندارد و ارسال فرکانس

است که بیت جاری با بیت قبلی متفاوت است. این ن��وع مدوالس��یون در سیس��تمهایACARS و VDL1.بکار می رود

58

Baud/Bit Rate and ‘M-ary’ ASK

Symbol: تع��داد عالیم ارس��الی در ه��ر ثانی��ه را ن��رخ عالمت )نرخ عالمت Rate OR Baud)

تعداد بیتهای ارسالی در هر ثانیه که تبعا برابر حاصلض��رب تع��داد عالیم درنرخ بیت: ثانیه و تعداد بیتها به ازای هر عالمت می باشد. در حالت خاص ارسال ب��اینری ک��ه دو

بیت نمایش داد و بنابراین ن��رخ1عالمت بیشتر وجود ندارد هر عالمت را می توان با بیت و نرخ عالمت با هم برابرند.

:M-ary ASK 2ب��رای سیس��تمی ب��اM( عالمت M>=2 تع��داد عالیم براب��ر )2Mب��وده و براب��ر2Mبنابراین اگر تعداد عالیم ارسالی در ثانیه ثابت باشد حجم اطالعات ارس��الی

خواهد شد.

ولت( برای ارسال داش��ته6و4و2و0 سطح ولتاژ متفاوت )مثال 4به عنوان مثال اگر M=4باشیم ) ASK بیت می توانیم کد کنیم. بن��ابراین ب��ا ارس��ال2 عالمت را با 4( این

بیت ارسال شده. البت��ه تحت این ش��رایط ج��دا ک��ردن س��طوح مختل��ف2هر عالمت استفاده نمی شود.M-ary ASKولتاژ پیچیده تر است. در لینکهای رادیویی از سیستم

59

)Bipolar and Differential )سیگنالهای دوقطبی و تفاضلی

ولت برای بیانv و سیگتال –0 ولت برای معرفی vمعرفی سیگنال مثال دوقطبی : برای ایجاد توازن.1سطح

در سیگنالینگ تفاضلی اگر ک�د ج�اری ب�ا ک�د قبلی تفت�وتی نداش�ته باش�دتفاضلی : ارسال می1صفر ارسال می شود و در صورتیکه کد جاری با کد قبلی تفاوت داشت

ش��ود. در این روش دقت همزم��انی فرس��تنده و گیرن��ده از اهمیت کم�تری برخ�ورداراست.

Frequency Shift Keying (FSK)

فرکانس0 است، برای ارسال FM در اینحالت که معادل فرمت دیجیتال مدوالسیون f1 فرکانس 1 و برای ارسال f2 ارسال می شود. پهنای باند اشغالی برای Binary FSK

برابر است با:

B=(1/t1) symbol rate, θ = f/B modulation index (Max θ =1) BFSK = 2B(1 + θ)

برابر نرخ عالمت است. 4 پهنای باند اشغالی θ =1در حالت

60

61

PSK)) Phase Shift Keying

در این نوع مدوالسیون که می توان آن را مدل دیجیتال مدوالسیون فاز دانست برای از0 استفاده می شود و ب��رای ارس��ال 0 از سیگنالی سینوسی با فاز اولیه 1ارسال

را ب��ه هم�راه دی��اگرام ف�از2PSK درجه. شکل یک مدوالتور 180سیگنالی با فاز اولیه مربوطه نشان می دهد.

باشد. M-ary و نیز DPSKاین نوع مدوالسیون نیز می تواند دارای فرمهای

62

63

64

اختالف سیگنالها با هم کاهش می یابد و بنابراین به هم شبیهMبطور طبیعی با افزایش تر می شوند و در نتیجه شناسایی کد ارسالی در گیرن��ده س��خت ت��ر میش��ود و ب��ه همین

افزایش یابد..SNRدلیل برای شناسایی باید

Bitدر شکل زیر نرخ خط��ای بیت ) Error Rateب��رای مدوالس��یونهای مختل��ف دیجیت��ال ) از هم��ه مدوالس��یونهاPSK ه��ای یکس��ان SNRنشان داده شده و به نظر می رسد ک��ه در

وضعیت بهتری دارد.

65

8DPSK برای بعضی لینکهای اطالعاتی باند VHF نظ��یر VDL2,VDL3بک��ار گرفت��ه ش��ده اس��ت. داده ه��ای ب��اینری ورودی بگون��ه ای پ��ردازش می ش��وند ک��ه طی��ف مناس��بی

بدست آید. 1و0مستقل از محتویات

سپس اطالعات از فرم سریال به موازی تبدیل می شود و ه��ر س��ه بیت مع��ادل ی��ک عالمت منظور می شود و طیف سیگنال نهایی برای کاهش باندهای کناری تولید شده

اینMPSK اصالح می شود. مزیت استفاده از Rised Cosinتوسط فیلتری با مشخصه تغییر نمی کند. RFاست که نرخ ارسال اطالعات باال می رود ولی پهنای باند

حساسیت سیستم به اعوجاج فاز باالتر می رود و با فرض یک نرخMالبته با افزایش های باالتری نیاز پیدا می کنیم.SNRعالمت ثابت برای ثابت نگه داشتن نرخ خطا به

دارای باریکتر است و به دامنه نیز حساس��یت ن��داردASK,FSK در مقایسه با PSKطیف و این موارد مهمترین دالیل کاربرد وسیع آن محسوب می شوند.

66

Quadrature Amplitude Modulation (QAM) and Trellis Code Modulation (TCM)

بر تعداد360این نوع مدوالسیون نوعی مدوالسیون فاز است. تعداد حالتها برابر تقسیم تغییرات بکار رفته می باشد. فرآیند آشکارس��ازی نس��بتا پیچی��ده اس��ت ولی ب��ا امکان��ات مدرن امروز دور از دسترش نیست. از این روش در انتقال اطالعات نقطه ب��ه نقط��ه ب��ا

512QAM,256QAM,128QAMظ��رفیت ب��اال اس��تفاده می ش��ود. ان��واع ,64QAMاز این مدوالتور ساخته شده و بکار می رود. واضح است ک��ه این ن��وع مدوالس��یون دارای به��ره

می باشد ولی بدیهی است که ب��رایRFدر میزان اطالعات ارسالی در یک باند وری باال باال داریم. SNRآشکارسازی با خطای پائین نیاز به

67

Trellis Code Modulation

68

در این روش قبل از اعمال مدوالسیون کدهای پیام را تحلی��ل می کنن��د و فاص��له ان��رژی عالیمی که احتم��ال وق��وع مت��والی انه��ا زی��اد اس��ت را ح��داکثر می کنن��د. این ک��دینگ در

ه��ایBER دارای تقویت کدینگ باالتری اس��ت و ب��ه همین دلی��ل ب��ه ازای QAMمقایسه با پائینتری نیاز دارد.SNRیکسان به

Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK)

69

در این روش پالسهای دوقطبی از یک فیلتر خاص گوسی عبور می کنند تا طیف آنه��ا ب��ه شکلی اصالح شود که باندهای کناری سیگنال مدوله شده حداقل شود و در یک مح��دوده

می ش��ود. این ن��وعFSKتع��یین ش��ده ان��رژی متمرک��ز ش��ود و س��پس وارد م��دوالتور مدوالسیون دارای مزایای زیر است

بهره وری توان مناسب بخاطر پوش تقریبا ثابت که ناشی از متمرکز شدن طی��ف ت��وان•حول باند انتقال است.

نرخ ارسال عالیم ثابت می ماند.•

تعداد عالیم و در نتیجه نرخ بیت باال می رود زیرا باند اشغالی هر عالمت کاهش یافت��ه و•می توان فرکانسهای دیگری را نیز به عنوان عالیم جدید بکار برد.

مورد نیاز برای آشکارسازی کاهش می یابد. SNR تغییری نمی کند و RF پهنای باند •

بهتر برحس��بBER هموارتر است و این باعث بوجود امدن PSK,FSK از طیف GFSKطیف SNR می شود. این نوع مدوالسیون برای VDLهای نسبتا جدید انتخ��اب ش��د اس��ت نظ��یر

VDL4 .

70

Shannon’s Theory

تئوری شانون در واقع حد بXاالی ظXرفیت انتقXال اطالعXات بXدون خطXابرای یک کانال مخابراتی را تعیین می کند.

پهنای باند بر حس��بB معرف ظرفیت کانال بر حسب بیت بر ثانیه، Cدر رابطه فوق ن��رخ اطالع�ات و ب��رای سیس�تمR نسبت توان سیگنال به نویز می باشد. S/Nهرتز و

حتما خطا در سیستم وجودR>C خواهد بود. با فرض Cبدون خطا همواره کوچکتر از به شکل زیر است.S/N و Mخواهد داشت. رابطه تئوری

71

Non-Errorless Transmission

اگر پذیرش خطا در سیستم برای ما مهم نبود تئوری شانون هیچ کاربردی نداشت. ب�ا اینحال در بسیاری از موارد انتقال اطالعات ب��دون خط��ا از نظ��ر عملی امک��ان پ��ذیر نیست )یعنی خطا رخ می دهد(. این خطا ممکن است در فرستنده، کان��ال و ی��ا ح��تی

بخشی از گیرنده رخ دهد.

تئوری شانون به ما می گوید که با کاهش نرخ اطالعات ارسالی از ح��داکثر ظ��رفیت CRC و FECکانال می ت�وان خطاه�ا ر ا شناس�ایی و اص�الح نم�ود. این ک�ار ب�ا ک�دهای

امکان پذیر است. در واقع در این روشها ما بخش��ی از ظ��رفیت کان��ال را ب��ه ارس��الکدهای اصالحی اختصاص می دهیم.

forward error correction (FEC)

cyclic redundancy coding (CRC))

Multiplexing and Trunking

به مفه��وم ق��رار دادن چن��د کان��ال مخ��ابراتی روی ی��ک کان��المالتی پلکس کردن:رادیویی یا یک کانال پر ظرفیت تر نظیر فیبر نوری است.

Frequency Division Multiplexing (FDM)

در این حالت ما یک کانال با پهنای باند وسیع داریم و تعدادی کانال کم ظرفیت ت��ر راروی باند فرکانسی این کانال جدید توزیع می کنیم.

Trunking

بدین معنی است ک��ه م��ا کاناله��ای موج��ود را بین ک��اربران متع��ددی ب��ه اش��تراک میگذاریم.

72

ویژگی عدم استفاده از ترانک این است که کاربران مختل��ف ک��اری ب��ا وض��عیت فع��الیت در شکل سمت چپ غیر فعال شود اتفاقی3کانالهای دیگر ندارند. در مثال باال اگر باجه

به باج��ه ه��ای دیگ��ر مراجع��ه نمی3برای کاربران دیگر نمی افتد )در واقع کاربران باجه کنند(.

مهمترین ویژگی ترانکینگ این است که از منابع استفاده بهینه تری می کند و می تواند باپهنای باند خیلی کمتری کار کند.

Time Division Multiplexing (TDM)

ب��ا زمانبن��دی کن��ترل ش��ده در اختی��ار ک��اربران مختل��ف ق��رارRFدر این حالت یک کان��ال میگیرد. در واقع در اینجا ما زمان را بین کاربران مختل�ف ب�ه اش�تراک گذاش�ته ایم. اگ�ر فرکانس نمونه برداری از کانالهای مختلف به اندازه ک��افی ب��اال باش��د، ک��اربران لحظ��ات

جدا شدن از کانال را حس نمی کنند.

73

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) and COFDM

در این روش اطالعات روی تعداد زیادی حامل ب��ا فاص��له ه��ای یکس��ان از هم توزی��ع می شود. این فاصله فرکانسی تعامد حاملها را ب��دنبال دارد ک��ه در ن��ام این مدوالس��یون ن��یز آمده است، و ب��اعث می ش��ود ک�ه دم��دوالتورها بج��ز فرکانس�های خ�اص خ�ود فرک�انس

دیگری را نبینند.

این روش دارای بهره وری طیف باال، مقاومت در مقابل ت��داخل و ایم��نی ب��اال در مقاب��ل discrete ی��ا multicarrierدری��افت چن��د مس��یره اس��ت. این ن��وع مدوالس��یون را گ��اهی

multitone modulationنیز می نامند این ن��وع مدوالس��یون ب��رای تلوزیونه��ای دیجیت��ال در IEEEاروپا و نیز استاندارد 802.xx .بکار گرفته می ش�ود Coded OFDMن�یز ن�وع توس�عه

یافته ای است که بطرز موثری طیف را گسترش می دهد.

Access Schemesروشهای دسترسی

74

در حوزه رادیوهای دیجیتال، منجر به پیدایش مفهوم دیگ�ری ب�ه ن�امTDM و FDMتوسعه ( به معنی استفاده غیر پیوسته از بازه های زمانی کانالهای فرکانس��یAccessدسترسی )

شد.

Frequency Division Multiple Access (FDMA)

بین ک��اربران مختل��ف ب��ه اش��تراک گذاش��تهFDMدر این حالت یک منبع رادیویی بصورت می شود. هر کاربر ممکن است از یکی از کانالهای فرکانسی موجود برای م�دت معی�نی استفاده کند. در واقع این نوعی ترانکینگ است. این روش در کاربردهای مخابرات س��یار

AMPsبسیار بکار گرفته می شود. تلفنهای موبای��ل نس��ل اول ) , TACاز این تکنول��وژی ) demandاس��تفاده می کردن��د. نس��ل اول و دوم موبایله��ای م��اهواره ای از assigned

multiple access or DAMA.استفاده می کنند. این کانالها عموما کانالهای آنالوگ هستند ( است. broadcasting یکطرفه )FDMA نیز نوعی VHF AM(R)Sسیستم مخابراتی

Time Division Multiple Access (TDMA)

اس��ت. در این روش زم��ان بین ک��اربرانTDMاین روش در واق��ع توس��عه یافت��ه هم��ان مختلف تقسیم می ش��ود. این تکنول��وژی تقریب��ا همیش��ه دیجیت��ال اس��ت و گ��اهی ب��ه آن تکنولوژی نسل دوم و یا نسل دوم تکنولوژی مخابرات سیار نامی��ده می ش��ود این روش

GSM,PCSدر سیس��تمهای 1800,DECT,TETRAو موبایله��ای م��اهواره ای ن��یز بک��ار می آنالوگ ارائه می کن��د. همچ��نینFDMAرود..این روش بازدهی طیف بهتری در مقایسه با

دارای امنیت و سرعت باالتری در ارائه خدمات است.

75

Code Division Multiple Access (CDMA)

حال فرض کنید بخواهیم از هر دو حوزه زمان و فرکانس بصورت پیوسته اس��تفاده ک��نیم یعنی کاربران مختلف درهمه باند ودر تمام زمانها ممکن است سیگنال ارسال کنن��د و ب��ا اینحال ما می خواهیم این کاربران مختلف را از هم تفکی��ک ک��نیم. در این روش از ارائ��ه کدهای منحصر بفرد به هر کاربر استفاده می کنیم و از طری��ق ک��دها آنه��ا را از هم ج��دا

(. CDMAمی کنیم )

فرض کنید داده های ورودی در یک سلسله کدهای شبه تصادفی ض��رب ش��وند در نتیج��ه یک سیگنال شبه نویز بوجود می آید و منتشر می شود. در گیرنده از ضرب این س��یگنال شبه نویز در همان کد اولیه دوباره داده های ورودی بدست می ایند. این روش را گ��اهی طیف گسترده می نامند. در این روش سیگنال ما در واق��ع ک��ل بان��د در دس��ترس را می پوشاند ولی با دامن��ه خیلی کم و ب��ه همین دلی��ل توس��ط کس��انی ک��ه آن ک��د اولی��ه را در دست ندارند به سادگی قابل جدا کردن از نویز نیست و به همین دلیل دارای ایم��نی ب��اال

از نظر شنود نیز می باشد.

در سیستمهای نظامی از این روش به همراه جهش فرکانس��ی زی��اد اس��تفاده می ش��ود. ,GPS( و همچنین سیستمهای موقعیت ی�ابی جه�انی نظ�یر 3Gنسلهای بعدی تلفن همراه )

GALILEO .از این تکنیک استفاده می کنند

76

CDMA اصول

یکس��انیFRمطابق شکل زیر ف��رض کنی��د هم��ه ک��اربران در فرک��انس یکس��انی در بان��د Kسیگنال ارسال می کنند و تنها کدها بین انها تفاوت خواهند گذاشت. ح��ال ف��رض کنی��د

ایستگاه موبایل در سلول مورد نظر وجود دارد.

برای بهینه سازی توان دریافتی در ایستگاه اصلی توس��ط کان��ال کن��ترل ایس��تگاه اص��لی بگونه ای تنظیم می شود که سطح توان همه تماسهای دریافتی یکسان شود. این ت��وازن

موضوع مهمی است. CDMAدر سیستمهای

77

در جهت عکس نیز سعی می شود همین قاعده رعایت شود)از ایستگاه اصلی به گیرنده ت��وان دری��افتیCهای سیار( ولی فعال از موبایل به ایستگاه اصلی را در نظر بگیرید. اگر

78

تعداد کل موبایلهاk باشد و dBWایستگاه اصلی از فرستنده موبایل مورد نظر بر حسب کل توان تداخلی دریافتی توس��ط ایس��تگا اص��لی باش��د در ح��التIدر سلول مورد نظرو

متوازن داریم:

Frequency Domain Duplex (FDD) and Time Domain Duplex (TDD)

کردن مسیر ارتباطی وجود دارد:Duplexدو روش برای

FDDدر این حالت دو باند فرکانس��ی مختل��ف ب��رای ارس��ال و دری��افت پیش بی��نی می : شود.

TDDدر این حالت یک کان��ال وج�ود دارد ک�ه دایم بین فرس��تنده و گیرن��ده س��وئیچ می : کند.

79

CDMA کاربردهای

نسل سوم موبایل دیجیت��ال ن��یز اطالق می ش��ود.CDMAهمانگونه که گفته شد گاهی به این روش در ابتدا برای سیستمهای نظامی و سپس ب��رای ش��بکه عم��ومی موبای��ل بک��ار گرفته شد. در حوزه ارتباطات سیار استانداردهای متعددی تهی��ه ش��د ک��ه مهم��ترین آنه��ا

CDMA 2000 and IS 95. CDMA2000 گاهی به نام IMT2000نیز خوانده می شود. در این 5MHzاستاندارد از کانال بندیهای (WCDMA) و ی��ا N × 1.25MHzاس��تفاده می ش��ود و

ن��یزFDD برای برقراری ارتباط دو طرفه اس��تفاده می ش��ود ولی می توان��د TDDنوعا از باشد.

FDD در مد 1.25MHz نیز بود از کانالبندی 3G CDMA که اولین استاندارد IS 95استاندارد استفاده می کند. استانداردهای دیگری نیز وج��ود داردن��د ک��ه در اینج��ا دیگ��ر م��ورد بحث

محدودتی برای ناحیهTDD این است که بر خالف FDDقرار نمی گیرند.مزیت استفاده از ب��رایRF این است که فقط یک بان��د TDDپوشش سلول ایجاد نمی کند. در عوض مزیت

رفت و برگشت سیگنال الزم است منظور شود.

Mitigation Techniques for Fading and Multipath

تکنیکهای مختلفی برای اصالح مشکالت بوجود آمده روی س��یگنال دری��افتی بک��ار گرفت��همی شود که ما در اینجا با بعضی از آنها آشنا می شویم.

Equalization

80

در اغلب سیستمهای مخابراتی به دالیل مختلف بعضی از مولفه های فرکانسی س��یگنال بیش�تر محس�وس خواهن�دfadingاطالعات بیشتر دچار تضعیف می شوند که در زمانهای

شد بخصوص تضعیف ناشی از دریافت چند مسیره. مثال در شکل زیر دیده می شود ک��هفرکانسهای خاصی از سیگنال ارسال دچار تضعیف ناگهانی یا انتخابی شده اند

( fast fading or selective fadingکه الزم است برای استخراج صحیح اطالعات روی آنها ) در گیرنده عملیات اصالحی انجام پذیرد..

روش��های مختلفی ب��رای ایج��اد این ت��وازن وج��ود دارد. در سیس��تمهای آن��الوگ اغلب این رخ می دهد.IFفرآیند در حوزه

در سیستمهای دیجیتال با توجه به ماهیت دینامیک این تضعیفها اغلب یک دنباله مش��خص ارسال می شود و در گیرنده با دریافت این دنباله ب��اینری بص��ورت غل��ط و پ��ردازش آن

وFECمشخصات نوع تضعیف استخراج شده توازن متناظر روی سطرهای بعدی قب��ل از Block Coding اعمال می شود. گاهی این نوع ایجاد توازن را transversal equalization

می نامند و در لینکهای مایکروویو ظرفیت باال و موبایل بسیار متداول است.

81

Forward Error Correction and Cyclic Redundancy Checking

This is where a known amount of bits is set aside for error detecting and correcting of a data stream. With FEC, there are two stages to the process: The code enables a certain amount of errors to be detected and usually to a lesser degree a number of errors that can be corrected for any given block size.

Convolutional coding is usually an extended version of FEC, involving more overhead but

82

an even better ability to detect and correct errors. It is an extremely powerful tool. This can be put as a frame buffer or in some of the redundant end bits of the data frame.

This uses polynomial algorithms for optimizing the coding correction ability on a block of

data. It should be noted that with FEC and block coding, potentially the data throughput of a system is reduced; however, the BER is usually improved, and the trade-off is an engineering optimization (Figure 2.78). This gives a very basic introduction to signal processing and coding gain advantages. This discipline and practice, which is highly mathematical and probabilistic is becoming increasingly popular and useful with the availability and economy of increased computer processor power; however, the detailed application is outside the scope of this book.

Interleaving

این روش اغلب در زمانهایی بکار می رود که محیط انتشار دچار دریافت چن��د مس��یره و یا تضعیف ناگهانی باشد. در این روش بلوک اطالعات قبل از ارسال به قطع��اتی تقس��یم شده و در حوزه زمان )و یا فاز در مدوالتور متعامد( جابجا می شود. در این روش بج��ای آنکه در چنین محیطی کل اطالع��ات ی��ک بل��وک از بین ب��رود بخش ک��وچکی از اطالع��ات بلوکه�ای مختل��ف از بین می رود و ممکن اس��ت بت��وان ب��ا روش��های شناس��ایی و اص��الح

خطار آنها را نیز بازیافت نمود.

83

( کم در بخشهای مختلف اطالعات از اختالل کلیBERدر مجموع کاهش کیفیت )افزایش در یک بخش از اطالعات قابل تحمل تر است.

Space Diversity

This is when two or more receive antennas are used, separated in space, using the unlikelihood that fading or multipath will occur to two geometric receive points simultaneously. In fact, there is a statistical relationship between the spatial separation of two receiving antennas and the likelihood of both receiving faded signals simultaneously.

There is a formula called the space diversity improvement factor, denoted I, which is a

function of the wavelengths between the two receiving antennas, path length, frequency and the type of combining employed, (be it baseband or IF combining.) This is not discussed further here but is the subject of much study within ITU-R – particularly the study group defining the propagation studies (Figure 2.80). (See ITU-R. Precommendations).

Space diversity combining can be done in the IF stages of the amplifier in the analogue domain (called IF combining) or alternatively, a quality detection circuit can switch the better signal path in or out (called baseband switching) (Figure 2.81). It can also be considered to a degree as a form of equipment protection because it gives an increased reliability of the system (as at least the receivers must be duplicated).

84

This technique is used frequently for microwave point-to-point links. It is also used by passive receivers and soft handovers in the CDMA environment.

Space diversity combining can be done in the IF stages of the amplifier in the analogue domain (called IF combining) or alternatively, a quality detection circuit can switch the better signal path in or out (called baseband switching) (Figure 2.81). It can also be considered to a degree as a form of equipment protection because it gives an increased reliability of the system (as at least the receivers must be duplicated).

This technique is used frequently for microwave point-to-point links. It is also used by passive receivers and soft handovers in the CDMA environment.

85

Frequency Diversity

Frequency diversity means sending the same information simultaneously on two or more frequency channels (say N + 1 systems) (Figure 2.82). This method provides protection against multipath anomalies (in that it is unlikely to occur on two separate frequencies simultaneously) and it also provides active equipment protection, although usually antennas used are the same for both systems and hence the new weak point. This technique is used frequently by terrestrial LOS systems and also satellite links, (particularly the hub station in a network)(Figure 2.83).

86

87

Passive Receiver Diversity

Another technique to mitigate against multipath problems, poor coverage or equipment reliability is the concept of placing a receiving antenna at a separate geographical location. This could be hundreds of metres away, could be kilometres away or in some cases, even over the

horizon. The ability to pick up reception at multiple places, compare and correlate can provide an overall gain in availability and reliability (Figure 2.85).

This technique is exploited by the military systems, which have the added advantage of being able to receive only and hence their location is not given away to the enemy. These systems usually require phenomenal processing power to correlate receive data

88

This principle can be extended to N + 1 working of a digital bearer, where N unduplicated channels basically share the last channel as a common protection channel in case one of the N channels fails )Figure 2.84(.However additional RF spectrum is the penalty required to achieve frequency diversity.

streams and options. It is also exploited for the legacy VHF communications system in a concept called extended coverage or climax operation. This will be discussed further in Chapter 3 of this book.

Bandwidth Normalization

For any given radio system, the transmitter is known to transmit its signal within a given RF

bandwidth. The actual profile of the transmitted spectrum can be described by the spectral density of the emission masked by frequency (Figure 2.86).

As shown previously, the relative shape of the emitted spectrum is a function of modulation type but also the RF amplifier transfer function and the spectrum shaping carried out by the RF filtering just prior to the antenna. On the receiving side, there is a similar RF receive filter characteristic. When defining a receiver bandwidth, usually the frequency range is described between the 3-dB points. (The 3-dB points are the points where the cut-off receiver filter is attenuating the incoming frequency components by a relative 3 dB when compared to receive centre frequency.) (Figure 2.87).

This 3-dB bandwidth is a useful piece of information; however, it does not give the designer

or system planner all the information required.

89

The actual receiver characteristic would be needed for this and it would show how fast the signals are attenuated when going out of band. (Out of band usually refers to when the signals are in frequency beyond the 3-dB points.) While studying a receiver characteristic and trying to understand the effects another transmitting source (other than the one wanted) may have on the receiver under study, it may be found that the transmitter and receiver are operating in different 3-dB bandwidths. Thus in order to understand what is happening to a ‘victim’ receiver, the signal from the unwanted transmitter needs to be redefined in the receiver bandwidth. This process is called normalization. This technique is particularly necessary for carrying out compatibility studies, interference studies, etc., when unlike signals need to be compared on a common basis (Figure 2.88).

90

Normalization is also a useful technique to benchmark various RF systems to a frequency.

Quite often, 1MHz is chosen as a benchmark bandwidth, also 3 kHz or 25 kHz are other

commonly occurring reference bandwidths.

91

92

2.14 Antenna Gain2.14.1 Ideal Isotropic AntennaTo recap from Section 2.4, remember the concept of the isotropic antenna as being one withthe following properties: uniformly radiating in all directions; pinpoint source of no volume; a reference antenna; Ideal (cannot exist); 0-dBi gain by reference or definition.

2.14.2 Practical RealizationsIn practice, all antennas have a radiation pattern envelope (RPE), which is defined as the gain geometry of an antenna relative to the isotropic ideal; i.e. an antenna that has more gain in some directions than others. The RPE can be presented as a polar pattern of gain versus angle for the azimuth direction (horizontal scanning through the 360◦) and the elevation aspect (scanning 360◦ vertically about the antenna centre point) (Figure 2.89).

93

Sometimes an all-round (as close to isotropic as possible) or omnidirectionalRPEis preferred to give good overall radio coverage (this is a typical mobile application). Or sometimes it suits the design engineer to have a focused antenna: focusing the RF energy in a convenient direction or equally importantly, rejecting RF energy coming form an nwanted angle to the antenna (see Figures 2.95 and 2.97). This is often the case for point-to-point communications or communications where the RF spectrum is highly utilized or shared and the RF resource can be considered ‘at a premium’.

94

2.14.3 Some Common Antennas Used for Aeronautical Communications

2.14.3.1 The DipoleProbably the most basic type of antennas, the dipole has two terminals or ‘poles’ (Figure 2.91). For resonance the conductor is an odd number of λ/2 in length (1, 3, 5, etc.), but usually just one λ/2. It is centre-fed, at the centre of the standing wave voltage.Centre current is maximum where the voltage is at a minimum. It has a low impedance feedpoint 73.13, which is easy to match to 75- feeder coaxial cable. The feed impedance can be changed by introducing a number of proximate metal elements; this changes matching and VSWR. It is slightly shorter than λ/2, with antenna gain of 2.14 dBi (= 0 dBd).Its polarity is dependent on the direction of orientation. It is usually used in vertical mode.

95

The Folded DipoleThis has its conductors folded back ‘like a coat hanger’. Its electrical properties give it a fourfold increase in feed impedance to around 300. Thus it is less prone to impedance variations than the dipole.It is λ/2 in length, fed at the midpoint and has a wider RF bandwidth of use.It has the same radiation pattern as a dipole antenna.Again the polarity is a function of the oriented direction. It is usually used in vertical mode (Figure 2.92).

Quarter-Wave Vertical AntennaThis antenna is used regularly from MF to VHF. It is a quarter wave or quarter wave above a ground plane antenna. It is omnidirectional in the horizontal plane. It consists of a single end-fed element. In elevation, with most energy concentrated on horizontal ‘lobe’, making it very suitable for mobile type applications. It has a low impedance around 20.

The grounding is important (RF mat at tower or large metal body, car or aircraft). Alternatively quarter-wave horizontal radials can be used to simulate the ground plane. If radials are bent downwards, impedance increases; i.e. a 50- match can be made with a down angle of 42◦ (Figure 2.93). Or alternatively, it can use an impedance-matching element in the antenna (usually a coil). Can also fold the quarter wave antenna to increase impedance by fourfold, which can get the impedance close to 75, or by using smaller diameter grounded elements you can bring it to 50.Its polarity is in the direction of orientation. It is nearly always used in vertical mode. It iswidely used, simple and versatile.

96

5/8 λ Vertical AntennaThis vertical antenna is used in applications where an all-round radiation pattern is required, not just in horizontal; however, greater gain is afforded in the horizontal orientation.The peak gain is close to 4 dBd (relative to a dipole). This makes it particularly attractive forfleet mobile communications (Figure 2.94).Matching is achieved by placing a small loading coil at the base to make it look electricallylike 3/4 element, which has an impedence of 50. It should be kept vertical and rigid to the ground plane to preserve the impedence.

97

Yagi AntennaThis is a more focused antenna. It comprises reflector elements which are about 5% longerthan the driven elements. The driven elements are arranged along a boom (Figure 2.95).Parasitic elements (reflectors add inductance by coil or by lengthening element 5 %) reflectthe main lobe. Parasitic elements (director add capacitance by capacitor or shortening element 5 %) reinforce and add gain to the main lobe.The gain is a function of frequency, not of number of elements. These days the antennas arecomputer-designed, using the physics of finite elements to optimize antenna.Altering the element spacing is bound to affect impedance more than the polar pattern. They can be tuned to 75, but more commonly they are tuned to 50.If elements are spaced at intervals less than 0.2 λ, impedance falls rapidly away.One can use folded dipole as driven element to increase the lowest frequency of operation.It has a very narrow RF bandwidth and a good front-to-back ratio. (This is sometimes writtenas F/B ratio and is a measure of how much antenna gain goes out the front of theantenna compared with the back. The delta difference in the gains is called the F/B ratioin decibels.)

98

Log Periodic AntennaNot really used in mainstream aeronautical communications other than for testing applications and in some HF applications (Figure 2.96).It has a very wide frequency bandwidth, typically 2:1 times its centre frequency to the 3-dBPoints. Ideal for HF where frequency range considerable.Still retains directivity and gain.Good F/B ratio.Generally less gain for size than its Yagi antenna equivalent.Log periodic dipole array most common (elements diminish in size from back to front).Element at the back of array where elements are largest is a λ/2 at back largest element (i.e.the cross metal objects).Feed phasing alternated per element.Stub matching or variable transformer for variable frequency use.Typically 4–6 dB of gain over a bandwidth of 1:2, VSWR > 1.3:1.

99

2.14.3.7 Parabolic Dish AntennasThese antennas exhibit the properties of light. The gain of such an antenna is given by theequation G (dB) = 10 log10 k (πD)2/λ2 (2.42)where D is the antenna parabolic diameter and λ is the wavelength of operation (Figure 2.97). Most antenna efficiencies (k) are in the order of 55–65 %.The antennas can be vertical or horizontally polarized (depending on the feed arrangementfeeding the antenna). There are many variations of this antenna, for example, the high-performance antenna (has a shroud that attenuates the off-centre beam radiation coming into the antenna) (Figure 2.98).Also, there are low-wind-loading or GridPack versions of this (Figure 2.99).

100

101

The Link BudgetConsider a transmitter transmitting PTx. From Figure 2.100, the consequential receive powerPRx can be found to be

PRx = PTx − Lf1 + G1 − fspl + G2 − Lf2 (2.43)Also, effective isotropic radiated power (EIRP) = PTx − Lf1 + G1 (2.44)And to recap from Section 2.4,S (power flux density at input to receive antenna) = EIRP − 10 log (4π) − 20 log d(m)

And the field strength at a point d from transmitter antenna

E(dBμV/m) = EIRP(dBW) − 20 log d(km) + 74.8

102

2.16 IntermodulationIntermodulation is an extension to the principles of modulation; however, it is usually anunwanted process. It can be found to occur typically anywhere within a radio system transmitter, receiver or antenna system. Following are a few examples: where non-linear discontinuities exist such as in the non-linear part of a diode or transistor in a power amplifier when working in ‘saturation’; in a modulator that is not working properly (i.e. filtering characteristics are not properlyfiltering off wanted signal and rejecting unwanted signals.); where metallic elements or bad connections/junctions exist (e.g. with corroded feeder connections or bad grounding) in an antenna system; or from induction from adjacent high-power antennas into the antenna system; or through badly shielded receiver systems.

It is found that the odd harmonic products of the two or more input signals are most significant and harmful (Figure 2.101). In particular, third-order harmonics are generally considered to be the most problematic ones.

103

2.16.1 Third-order, Unwanted HarmonicsConsider two input tones A and B. (Figure 2.102) The unwanted, third-order, two-stationcomponents lie at

2A − B (2.45)2B − A (2.46)

Also usually out-of-band, third-order, two-station components lie at

2A + B2B + A

104

Extending this example to a three-station example: third-station, third-order, unwanted products.Assume the three primary frequencies of operation are A, B and C. Then the third-orderintermodulation products will be

105

(double-product terms)2A − B2B − A2A + B2B + A2A − C2C − A

(triple-product terms)2A + B − CA + 2B − 2C2A − B + 2CA − 2B + 2C2B + C − 2A2C + B − 2A

2A + C2C + A2B − C2C − B2B + C2C + B

2A − B 125MHz 2B − A 134MHz2A + B 387MHz 2B + A 390MHz2A − C 123MHz 2C − A 138MHz2A + C 389MHz 2C + A 394MHz2B − C 129MHz 2C − B 135MHz2B + C 395MHz 2C + B 397MHz

Triple-product components

2A + B − C 254MHzA + 2B − 2C 124MHz2A − B + 2C 391MHzA − 2B + 2C 132MHz2B + C − 2A 139MHz2C + B − 2A 141MHz

106

Thus in analysis, seven of these products fall into the VHF communications band (between118 and 137 MHz) and could be problematic to other users.Higher Order HarmonicsOdd harmonics seem to predominate in interference problems in radio systems. Generallythe 5th harmonics have a lesser power spectrum than the 3rd harmonics and the 7th harmonics have an even lesser power spectrum than the 5th harmonics and so on and so forth.However, even 9th and 11th harmonic components can find their way into very sensitive receiver systems (for example, GPS receivers which work in CDMA below the noise floor)(Table 2.8). Of course the same process can be extracted to three or more inputs, ad infinitum.

مخابرات ماهواره

برای کار در این حوزه باید با مفاهیم افت فضای آزاد، هزینه لینک، آنتن ه��ا و ن��ویز آش��نامی شدیم.

ویژگیها:

نیاز داریم.LNA(B) سیگنالها خیلی ضعیف هستند بنابراین به •

فرستنده های قوی و آنتنهای با گین باال نیاز داریم، بخصوص در سطح زمین ک��ه امک��ان•فراهم کردن آن بیشتر است.

محاسبات لینک بسیار مهم و حیاتی هستند.•

باندهای فرکانسی این حوزه عمدتا با پدیده های طبیعی محدود می شوند و چن��د پنج��ره•–1.4 بین Lقابل استفاده در طیف وجود دارد که تلفات در آنها نس��بتا کم اس��ت. )بان��د

107

2.17 Noise in a Communication System2.17.1 Thermal NoiseNoise can be generated by several sources, including background noise (sometimes calledthermal or white noise). This noise is that present in electronic circuitry by free electronsmoving randomly in a conductor. It is a function of temperature; that is why it is called thermalnoise. Nthermal (sometimes called N0) = kTB (2.47)where k is Boltzmann’s constant, T is the temperature of operating in kelvin (K) and B is thebandwidth of the system under consideration in hertz (Hz).2.17.2 Natural NoiseThere are many other sources of noise, for example, natural sources, which include naturallyoccurring phenomena such as galactic noise and solar flare noise, weather activity (such aslightening discharges) and static discharges. These have to be considered individually in thebands that they affect.

2.17.3 Man-made Noise and InterferenceElectrical noise can be generated from man-made sources such as industrial activity (e.g. industrial induction furnaces, microwave ovens, electrical motors and ignition systems, industrial electronics). Its attributes can usually be compared with those of white noise or an equivalent white noise source. Noise caused by other man-made sources can directly interfere into a radio receiver. Thecharacteristics can be such that they come straight in through the receiver bandwidth (e.g. electrical equipment with poor electromagnetic compatibility (EMC)). Also, other radio systems

can produce noise or interference to the wanted radio system(s). These latter subjects will bediscussed in much more detail in Chapter 12.2.17.4 Sky NoiseSky noise is the composite noise aggregation when looking from a receiver input up the antennasystem. It includes the atmospheric noise components and the apparent amplification of theseby a receiving antenna system.

1.6 GHz و بان��د C 6- 4 بین GHz و بان��د Ku 14-12 بین GHzهم��ه این بان��دها بط��ور ) مستقیم یا غیر مستقیم در هوانوردی بکار می روند.

Extended Noise Equation

N=kTBقبال در معادله نویز حرارتی دیدیم که

N0 (unit noise in 1 Hz of bandwidth) = kTsystem (2.48)

بر حسب لگاریتم:

N0 = −228.6dBW + 10 log Tsystem (2.49)

داریم:Cبا فرض توان ورودی

C/N0 = C/kT system

می نامند و معرف توانایی و کیفیت گیرنده در آشکارسازیfigure of merit را G/Tنسبت ک��ل دم��ای مع��ادل ن��ویز سیس��تمT گین آنتن گیرن��ده و Gسیگنال اس��ت. در این عب��ارت

است. یعنی جمع دمای معادل نویز آنتن ( کل نویز ورودی ب��ه آنتن و تولی��د ش��ده در آنتن

108

خواهد بود( و نویز تولید شده در گیرنده )ن��ویز تولی��دLNAکه در عمل کل نویز ورودی به تا انتهای آشکار ساز( . LNAشده از

G/T = G (dB) − 10 log Tsystem (2.51)

Tsystem = Tantenna + TRx (2.52)

:محاسبات لینک

( داریم :N0با اصالح معادالت بدست آمده در قسمتهای قبلی )تقسیم کل عبارت بر

C/N0 = EIRP − fspl − (other losses) +G/Tsystem (dB/K) − k(dBW)

تلفات دیگر می تواند ش��امل تلف��ات پالریزاس��یون، تض��عیف اتمس��فر، تض��عیف ناش��ی ازبارش و دیگر موارد باشد.

Noise Temperatures

در بعضی موارد بهتر است که با مفهوم دمای نویز معادل به جای ت��وان ن��ویز ک��ار ک��نیم.noiseرابطه بین دمای معادل نویز و figure به شرح زیر است که در آن Teدمای م��وثر

نویز قطعه می باشد.

دمای معادل نویز چند عنصر که پشت سر هم بسته شده اند را از رابط��ه زی��ر می ت��وانمحاسبه نمود.

در یک تضعیف کننده مثل خط انتقال دمای معادل نویز یک تضعیف کننده پسیو با رابطهTe = T (L − 1) (2.56) زیر مشخص می شود.

. در صورت نیاز می توانdB تلفات است ولی نه بر حسب L دمای محیط و Tکه در آن این معادله را در معادله سیستمهای متوالی استفاده نمود.

109

Antenna Side of the Reference Point

کل تلفات بین آنتن و نقطه مرجع است. Lدر معادله فوق

110

111

112

113

Availability and Reliability

Definitions

Availability and reliability are different things. Availability provides information of how time is used and for what proportion of the time a system is operational or can be successfully used.

Reliability conveys information about the failure-free interval. Both are normally quoted as percentages or decimals. For example,

114

The Reliability Bathtub Curve

It is well understood in the manufacturing industries, the aeronautical sector being no exception, that when equipment is manufactured, it is built to a design specification that has been written to optimize the quality of a product for a given price and attempts are made to ensure that it has a minimal failure rate and will last for a certain life span. When the products of a sample are analysed as to how well they performed over a given period of time, it is often found (if the sample is large enough) that products generally follow the bathtub reliability curve (Figure 2.110); i.e. in the first instance there can be quite a high failure rate as products are ‘burnt in’. To visualize this let us consider a mechanical exampl such as a piston in an engine. It takes a while for the surface areas of the piston and its new rings to adjust to other surface areas of the engine, and a gentle abrasion takes place on the brittle rings with the help of the oil.

Some Reliability Concepts

Building on the idea of taking samples of an established product, one can build up the bathtub curve associated with each product. In addition, there are a number of statistical measures or concepts that form a basis for reliability engineering:

115

If inspected a few months later, the rings and piston would be a lot smoother to the touch. In the first few months or up to the first 10 000 km, motorists are encouraged not to over rev the engine and to take it easy whilst the motor settles down. Historically it is relatively likely for a machine to fail in its infancy due to an engine hotspot or in this ‘burn in’ process. Avionics and aeronautical radios are no exception. In the steady-state period, the product is considered to have settled down and if it has survived the onerous stage of burn in, it is likely to survive the less onerous steady-state phase where the equipment is generally still new and durable. At the end of the life of most equipment, failure is due to aging of components from the continual wear and temperature cycling. This phase can be called ‘wear out’ or ‘burn out’.

Mean time between failures (MTBF):

This is usually measured in hours, and for a discrete component or system, it is the average lifetime of that component/system before complete failure. This figure comes from the manufacturer and can be extrapolated from aging testing and also from feedback statistics as the product becomes mature. Obviously a fairly large sample of the product is needed to get something meaningful and representative. It is always interesting how a manufacturer is able to release statistics of the equipment sometimes before it has even gone to market. This should of course be questioned.

Mean time to repair (MTTR):

This is the average time taken between a system ‘failing’ – till the fault is repaired – and the system being restored. It is measured in hours. With hardware, this normally involves a modular swap out or equipment change, which is a function of where equipment is deployed and where spares are held, getting them to site, etc. Usually it is of the order of a few hours. For the aeronautical case, a useful figure here can be the average flight time for the aircraft involved for a single sector. With software, normally it will be a system reboot so is of the order of minutes.

Taking both of these concepts into account, it is possible to predict the equipment availability.

Disaster recovery: This concept is the ability for a system or function to prevail after a major catastrophic event. In the ultimate reliability scenarios, complete duplication of all critical functions is carried out (e.g. control rooms, control towers).

116

117

2.19.4 Overall Availability of a Multicomponent SystemThis is straightforward mathematics.2.19.4.1 Serial Chain (Figure 2.111)This is where failure of any one component will render overall system unavailable. All elementsare unduplicated and therefore unavailabilities are accumulative.

So overall availability of A system = 1 − (U1 + U2 + ··· + Um)

(2.61)

2.19.4.2 Parallel Chain (Figure 2.112)This is where elements of a system are duplicated and standby module takes over in the event of component failure. In this instance un availabilities are multiplied together.

So overall availability of A system = 1 − (U1 × U2 × ··· × Um) (2.62)

Serial chains and parallel chains can be considered to be analogous to resistors in series andparallel.

118

2.19.4.3 The Reliability Block DiagramThis is when you lay each of the components out in a diagram with each of the reliabilities,showing which elements are serial functions and which are parallel functions. From this anoverall reliability can be computed.

119