تعریف مدولاسیون در صنعت مخابرات

تعریف مدولاسیون در صنعت مخابرات:
مدولاسیون (Modulation) یکی از مباحث بسیار مهم در علم مخابرات است. 

یک سیگنال پیام (Message Signal) به دلیل توان بسیار پایین خود عملا نمی تواند مسافت های طولانی را طی کند.

علاوه بر این، محیط فیزیکی، اضافه شدن نویزهای خارجی و مسافت طولانی مسیر انتقال باعث می شوند که توان سیگنال پیام بیشتر و بیشتر تضعیف شود. بنابراین، به منظور ارسال سیگنال پیام به مسافت های طولانی، لازم است که توان سیگنال افزایش داده شود.

این کار با استفاده از یک سیگنال با انرژی بالا و یا یک سیگنال با فرکانس بالا انجام می شود و چنین سیگنالی را سیگنال حامل (Carrier Signal) می گویند.

یک سیگنال با انرژی بالاتر می تواند مسافت های طولانی تری را طی کند، بدون این که تحت تأثیر نویز های خارجی قرار بگیرد.

بنابراین می توان از این سیگنال پرانرژی بهره برد و با استفاده از آن سیگنال پیام را به مسافت های طولانی مخابره کرد. برای مخابره سیگنال به مسافت های دور، امری ضروری است که از یک سیگنال حامل با انرژی بالا و یا فرکانس بالا استفاده کنیم.

سیگنال پیامِ دارای انرژی پایین با سیگنال حاملِ دارای انرژی بالا (یا فرکانس بالا) ترکیب می شود و در نهایت یک سیگنال جدید با انرژی بالاتر حاصل می شود که می تواند پیام را به مسافت های طولانی منتقل می کند. اما سوالی که در این قسمت پیش می آید این است که نحوه ترکیب سیگنال پیام با سیگنال حامل به چه صورت است؟

در پاسخ به این سوال باید گفت که چنین عملی با تغییر در برخی از مولفه های سیگنال حامل، مانند تغییر در دامنه (Amplitude)، فاز (Phase) و یا فرکانس (Frequency)، انجام می پذیرد.

توجه کنید که این تغییرات در سیگنال حامل، باید به صورت منطبق بر دامنه سیگنال پیام انجام شود. چنین فرایندی را مدولاسیون می گویند. در واقع مدولاسیون در لغت به معنای تلفیق است.

سیگنال پیام حاوی اطلاعات است، در حالی که سیگنال حامل هیچ اطلاعاتی نبوده و صرفا برای انتقال اطلاعات به مسافت های طولانی مورد استفاده قرار می گیرد. در مقصد، سیگنال پیام مجددا بازیابی و مورد استفاده قرار می گیرد، در حالی که سیگنال حامل تلف خواهد شد.

در فرایند مدولاسیون، مشخصه های سیگنال حامل تغییر می کند، اما مشخصه های سیگنال پیام به هیچ وجه مورد تغییر قرار نخواهد گرفت.

سیگنال حامل، حاوی هیچ اطلاعات مفیدی نیست، بنابراین حتی اگر تغییری در آن ایجاد کنیم، اطلاعات سیگنال پیام در آن تغییری نخواهد کرد. اما سیگنال پیام حاوی اطلاعات است، پس اگر مشخصه های این سیگنال را تغییر دهیم، اطلاعات آن هم قطعا تغییر خواهند کرد.

بنابراین روند انجام مدولاسیون همیشه به این ترتیب است که مشخصه های سیگنال حامل را تغییر می دهیم، اما مشخصه های سیگنال پیام هرگز نباید تغییر کند. مدولاسیون این امکان را فراهم می کند که تبادل داده با فرکانس بالایی انجام گیرد، در نتیجه سیگنال پیام به صورت هم زمان (Simultaneously) منتقل می شود.

مدولاسیون در تعریف، به فرایند ترکیب یک سیگنال پیام دارای انرژی پایین با سیگنال انرژی بالای حامل اطلاق می شود.

در این فرایند یک سیگنال جدید انرژی بالا تولید می شود که می تواند اطلاعات را تا مسافت های زیاد منتقل کند. بر همین اساس تعریف دیگری نیز برای مدولاسیون وجود دارد. مدولاسیون فرایند تغییر مشخصه های سیگنال حامل مانند دامنه یا فاز یا فرکانس آن مطابق با سیگنال پیام است.

وسیله ای که مدولاسیون را انجام می دهد، مدولاتور (Modulator) نامیده می شود. فرایند مدولاسیون با یک مثال ساده بهتر درک می شود. تصویر زیر مدولاسیون دامنه (Amplitude Modulation) را نشان می دهد.

نمودار اول در تصویر زیر نشان دهنده سیگنال پیام یا سیگنال مدوله شده است. اما نمودار دوم نشان دهنده سیگنال حامل است که سیگنالی فرکانس بالا محسوب می شود. توجه کنید که این سیگنال حامل، حاوی هیچ اطلاعاتی نیست.

در نهایت، نمودار سوم نشان دهنده سیگنال حاصل از مدولاسیون دامنه است. با دقت در سه نمودار شکل بالا می توان به این نکته پی برد که دامنه سیگنال حامل متناسب با دامنه لحظه ای سیگنال پیام تغییر می کند.

در حالت کلی می توان گفت که سه نوع سیگنال در فرایند مدولاسیون وجود دارند که برای انتقال اطلاعات از مبدا به مقصد مورد استفاده قرار می گیرند. این سه نوع سیگنال عبارتند از:

• سیگنال پیام.
• سیگنال حامل.
• سیگنال مدوله شده.

سیگنال پیام:
یک سیگنال پیام حاوی اطلاعات مفید و مورد نظر کاربر است که باید به مقصد خاصی مخابره شود. سیگنال پیام را گاهی سیگنال باند پایه (Baseband) نیز می گویند. گستره فرکانس های اصلی مربوط به یک سیگنال پیام، باند پایه نام دارد.

اکثر سیگنال های پیام یا سیگنال های باند پایه قبل از این که در طول کانال های مخابراتی ارسال شوند، تحت فرایندی به نام مدولاسیون قرار می گیرند. به همین دلیل است که سیگنال پیام را می توان یک سیگنال تحت مدولاسیون نیز نامید.

سیگنال حامل:
سیگنال حامل، سیگنالی با انرژی یا فرکانس بالا است که دارای مشخصه هایی نظیر فرکانس، دامنه و فاز بوده، اما شامل هیچ اطلاعات مفیدی نیست.

گاهی برای سادگی این سیگنال را فقط حامل می گویند. سیگنال حامل برای حمل کردن سیگنال پیام از فرستنده به گیرنده مورد استفاده قرار می گیرد. به دلیل این که سیگنال حامل هیچ اطلاعات مفیدی در خود ندارد، می توان آن را سیگنال تهی نیز نامید.

سیگنال مدوله شده:
زمانی که سیگنال پیام با سیگنال حامل ترکیب شود، سیگنال جدیدی به وجود می آید. این سیگنال جدید، سیگنال مدوله شده نام دارد. در واقع سیگنال مدوله شده، ترکیبی از سیگنال حامل و سیگنال پیام است که قابلیت انتقال به مسافت های دور را دارد.