این کتاب ارزشمند به رهبر معظم انقلاب اسلامی تقدیم میشود که با رهبری و هدایت حکیمانه و مدبرانه خویش فضای مناسب و امنی را برای محققین و پویندگان دانش فراهم کردند تا بتوانند دستاوردهای پژوهشی و علمی خویش را در سراسر میهن اسلامی گسترش دهند.
مقدمه نویسنده
به انسان آنچه را نميدانست، آموخت (قرآن كريم، سورهي علق)
خداوند متعال را بهواسطهي نعمت دانشي كه بخشيد و توفيق اداي زكات آن را عنايت فرمود، بسيار سپاسگزار هستم. از آنجا که درک عمیق و اساسی از مفاهیم مهندسی برق خصوصاً مباحث مخابراتی، مستلزم تمرینات کافی و وافی است، پس از ترجمهی کتاب اصول و مبانی سیستمهای مخابراتی نوشته پروکیس و صالحی و نیز تدوین و گردآوری کتاب مبانی سیستمهای مخابراتی بر آن شدم که کتابی گردآوری شود که اولاً دربرگیرنده کلیه مفاهیم مصوب سال 1403 وزارت علوم، تحقیقات و فناوری باشد و ثانیاً مشتمل بر مثالهای فراوان برای درک بیشتر مفاهیم باشد و ثالثاً حتیالمقدور مختصر و با بیان ساده باشد و حتیالمقدور از اثبات روابط ریاضی پرهیز شود.
کلیه مباحث کتاب از مراجع اصلی و ارزشمند اخذ شده و سعی بر آن بوده که دریافتهای شخصی وارد موضوعات نشود. در ویرایش جدید، اشکالات قبلی برطرف شده است.
از سرکار خانم مهندس مهسا حسنی که در پیادهسازی مثالهای رایانهای کمک شایستهای داشتهاند سپاسگزاری میشود. همچنین از سرکار خانم مهندس سپیده قاضی مغربی و سرکار خانم مهندس فاطمه قاضی مغربی که در تصحیح و ویرایش کتاب کمک شایانی را داشتهاند سپاسگزاری میشود. در خاتمه از ریاست و کارکنان شریف موسسه انتشاراتی دانشبنیاد بابت تحمل مشکلات چاپ کتاب به خرج دادهاند سپاسگزاری ویژهای به عمل میآید.
سعيد قاضي مغربي
s_ghazimaghrebi@iau.ac.ir
s_ghazi2002@yahoo.com
ساختار کتاب
مبنای اصلی این کتاب، کتاب سیستمهای مخابراتی 1 است که توسط اینجانب تدوین و گردآوری شده است در سال 1399 توسط همین ناشر چاپ شده است. این کتاب براساس سرفصل وزارت علوم، تحقیقات و فناوری تدوین شده است. کلیه مطالب این کتاب برگرفته از مراجعی است که در انتهای هر فصل آورده شده است. در این کتاب سعی شده است مطالب بهصورت خلاصه و موجز بیان شود و حتیالمقدور از اثبات روابط در آن خودداری شده است. در واقع این کتاب، مختصر شده کتاب سیستمهای مخابراتی 1 است که در آن اثبات فرمولها و تفضیل مطالب حذف شده است. علیرغم این اختصار، یکی از ویژگیهای بارز این کتاب وجود مثالهای متنوع و زیاد است بهنحوی که دانشجویان بتوانند بهراحتی مطالب درسی را درک کنند و از آنها در حل مسائل کمک بگیرند. در انتهای هر فصل چند مثال با استفاده از نرمافزار MATLAB آورده شده است که برای استنباط بیشتر دانشجویان از مفاهیم دشوار ارائه شده است. بدیهی است این نرمافزار وسیله کمک آموزشی مهمی در درک مفاهیم مخابراتی بهحساب میآید.
البته کتاب سیستمهای مخابراتی 1 و نیز کتاب اصول سیستمهای مخابراتی (ویرایش دوم) نوشته پروکیس که همین ناشر چاپ کرده است میتوانند بهعنوان کتابهای مکمل برای این کتاب بهحساب آیند.
این کتاب شامل هشت فصل است.
فصل اول مقدمه است. پیشنهاد میشود دانشجویان حتماً این فصل را بخوانند، زیرا با برخی مبانی و مفاهیم اولیه و تاریخچه مخابرات آشنا میشوند. فصل دوم به توصیف سیگنالها پرداخته و انتقال سیگنال در باند پایه را در بر دارد. فرض بر این است که دانشجو درس تجزیه و تحلیل سیگنالها و سیستمها را گذرانده است و با مفاهیم اساسی آن درس آشنا است. بههمین منظور در این فصل به برخی مطالب ضروری مانند عملیات روی سیگنالها، دستهبندی سیگنال، دستهبندی سیستمها، تحلیل سیستمهای LTI در حوزه زمان، تابع دلتا، سری فوریه، تبدیل فوریه، سیگنالهای پایینگذر و میانگذر، تبدیل هیلبرت، خود همبستگی، تعامد، اعوجاج و روشهای جبرانسازی پرداخته شده است.
در فصل سوم به مدولاسیون دامنه، تجزیه و تحلیل آن و انواع آنها و کاربرد هر یک پرداخته شده است. تجزیه و تحلیلها در هر دو حوزهی زمان و فرکانس انجام شده است. در انتهای این فصل تجزیه و تحلیل انواع مدولاتورها و دمدولاتورها، مولتیپلکس و انواع آن نیز ارائه شده است. در فصل چهارم به مدولاسیون فرکانس و دو نوع اصلی آن یعنی FM و PM پرداخته شده است. تجزیه و تحلیل مدولاتور و دمدولاتور و پیادهسازی آنها و ارتباط این دو مدولاسیون با هم در این فصل آورده شده است.
در فصل پنجم مقدمهای بر آمار و احتمالات ارائه شده است. در این فصل نیز فرض بر این است که دانشجو قبلاً درس آمار و احتمالات مهندسی را گذارنده است. متغیرهای تصادفی، فرآیندهای تصادفی، انواع توزیعهای آماری و استفاده از متغیرها و فرآیندهای تصادفی در سیستمهای LTI در این فصل ارائه شده است. در این فصل به مفاهیمی چون استقلال، همبستگی، فرآیندهای ارگودیک، چگالی طیف توان توابع، فرآیندهای گوسی و سفید، PDF و CDF پرداخته شده است.
در فصل ششم مفهوم نویز و چگونگی تولید نویز حرارتی و ویژگیهای انواع مختلف نویز همانند نویز سفید، نویز AWGN، ... ارائه شده است. اثر نویز در انواع مدولاسیونها تحلیل شده است و میزان نویزپذیری این سیستمها نسبت به سیستم باند پایه با شاخص SNR مقایسه شده است. اثر نویز در PLL نیز بهطور کامل بررسی شده است. نهایتاً اثرات نویز در انتقال از فرستنده تا گیرنده، بررسی شده و نحوهی استفاده از تکرارکنندههای آنالوگ نیز ارائه شده است.
فصل هفتم به چگونگی تبدیل یک سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال اختصاص دارد. برای این تبدیل لازم است سیگنال ابتدا نمونهبرداری شود، سپس کوانتایز شود و در نهایت کدگذاری شود. روشهای کدگذاری منبع مانند PCM، DPCM، DM نیز توصیف شده است.
در فصل هشتم مدولاسیون دیجیتال حاملی تعریف شده و نحوهی استفاده از منظومه برای نمایش سیگنالهای حوزه زمان در فضای برداری ارائه شده است. سه مدولاسیون اصلی ASK، PSK و FSK هم بهصورت مدولاسیون دودویی و هم بهصورت مدولاسیون Mتایی توصیف شده است. سیگنالهای ارسالی، چگالی طیف توان سیگنالها از موضوعاتی است که در این فصل در مورد آنها بحث شده است.
فهرست مطالب
فصل 1 : مقدمه 1
1.1 مرور مختصری بر تاریخچه مخابرات 2
1.2 اجزاي يك سيستم مخابرات الكتريكي 4
1.2.1 سيستمهاي مخابرات ديجيتال 8
1.2.2 تلاشهاي انجامشده در مخابرات ديجيتال 9
1.3 كانالهاي مخابراتي و مشخصههاي آنها 10
1.4 مدلهاي رياضي براي كانالهاي مخابراتي 15
1.5 مراجع فصل اول 17
1.6 مطالعهي بيشتر 17
فصل 2 : سیگنالها و سیستمهای خطی 19
2.1 مفاهيم پايه 20
2.1.1 عمليات اصلي روي سيگنالها 21
2.1.2 دستهبندي سيگنالها 23
2.1.3 بعضي سيگنالهاي مهم و خواص آنها 32
2.2 سيستمها 38
2.2.1 دستهبندي سيستمها 38
2.2.2 تحليل سيستمهاي LTI در حوزه زمان 42
2.3 سري فوريه 44
2.4 تبديل فوريه 51
2.4.1 از سري فوريه تا تبديل فوريه 51
2.4.2 محاسبه ضرایب سری فوریه سیگنال با استفاده از تبدیل فوریه آن 53
2.5 اندازهگیری سطح سیگنال 55
2.6 توابع خود همبستگی و همبستگی متقابل 59
2.6.1 تابع خود همبستگي 59
2.6.2 تابع همبستگي متقابل 61
2.7 اعوجاج سيگنال 62
2.7.1 اعوجاج دامنه 63
2.7.2 اعوجاج فاز 63
2.8 متعادل كننده 65
2.9 توان و انرژي 67
2.9.1 سيگنالهاي انرژي 67
2.9.2 چگالي طيف انرژي 68
2.9.3 سيگنالهاي توان 70
2.10 تبديل هيلبرت و خواص آن 73
2.11 سيگنالهاي پايينگذر و ميانگذر 76
2.12 مثالهای رایانهای 77
2.13 مسائل 80
2.14 مراجع فصل دوم 84
فصل 3 : مدولاسیون دامنه 85
3.1 مقدمهاي بر مدولاسيون 86
3.2 مدولاسيون دامنه (AM) 87
3.2.1 مدولاسيون دامنه باندجانبي دوگانه با حامل محذوف 88
3.2.2 مدولاسيون دامنهي متداول 100
3.2.3 مدولاسیون AM تكباندجانبي 108
3.2.4 مدولاسیون AM باندجانبي اثري (VSB) 113
3.3 پيادهسازي مدولاتورها و دمدولاتورهاي AM 118
3.4 مالتي پلكس سيگنال 123
3.4.1 مالتيپلكس تقسيم زماني (TDM) 124
3.4.2 مالتي پلكس تقسيم فركانسي (FDM) 126
3.5 مثالهای رایانهای 127
3.6 مسائل 141
3.7 مراجع فصل سوم 145
فصل 4 :مدولاسیون زاویه 147
4.1 مدولاسیون زاویه 148
4.2 نمايش سيگنالهاي FM و PM 150
4.3 مشخصههاي طيفي سيگنالهاي مدولهشدهي زاويه 160
4.3.1 مدولاسيون زاويهي سيگنال پيام سينوسي 160
4.3.2 مدولاسيون زاويهي يك سيگنال پيام دلخواه 168
4.4 پيادهسازي مدولاتورها و دمدولاتورهاي زاويه 168
4.4.1 مدولاتورهاي زاويه 169
4.4.2 دمدولاتورهاي زاويه 174
4.5 مثالهای رایانهای 180
4.6 مسائل 188
4.7 مطالعهي بيشتر 191
4.8 مراجع فصل چهارم 191
فصل 5: احتمالات، متغیرها و فرآیندهای تصادفي 193
5.1 مروری بر احتمالات 194
5.1.1 فضای نمونه، رخدادها و احتمال 194
5.1.2 احتمالات شرطی 197
5.2 متغیرهای تصادفی 201
5.2.1 متغیرهای تصادفی مهم 207
5.2.2 توابعی بر حسب متغیر تصادفی 215
5.2.3 آمارگانهای ریاضی 217
5.2.4 متغیرهای تصادفی چندگانه 220
5.2.5 همبستگی و کوواریانس متغیرهای تصادفی 222
5.2.6 توابع متغیر تصادفی چندگانه 226
5.2.7 مجموع متغیرهای تصادفی 230
5.3 فرآیندهای تصادفی- مفاهیم اصلی 231
5.3.1 متوسطهای آماری 235
5.3.2 فرآیندهاي ایستان 239
5.3.3 فرآیندهاي ایستان با تسامح (WSS) 240
5.3.4 فرآیندهاي تصادفی ارگودیگ 242
5.3.5 فرآیندهای تصادفی چندگانه 244
5.3.6 فرآیندهای تصادفی و سیستمهای خطی تغییرناپذیر با زمان (LTI) 245
5.3.7 چگالی طیف توان فرآیندهای ایستان 246
5.3.8 چگالي طيف توان فرآيند مجموع 252
5.4 فرآیندهای گوسی و سفید 253
5.4.1 فرآیندهای گوسی 253
5.4.2 فرآیندهای سفید 255
5.4.3 فرآیندهای نویز فیلتر شده 257
5.5 مثالهای رایانهای 261
5.6 مسائل 268
5.7 مراجع فصل پنجم 272
فصل 6 : اثر نویز بر سیستمهای مخابراتی آنالوگ 273
6.1 تأثير نويز بر سيستمهاي مدولاسيون دامنه (AM) 274
6.1.1 تأثير نويز بر سيستم باندپايه 275
6.1.2 تأثير نويز بر DSB-SC AM 276
6.1.3 تأثير نويز بر SSBAM 279
6.1.4 تأثير نويز بر مدولاسيون AM متداول 280
6.2 تأثير نويز بر مدولاسيون زاويه 285
6.2.1 اثر آستانه در مدولاسيون زاويه 290
6.2.2 فيلتركردن پيشتأكيد و واتأكيد 294
6.3 مقايسهي سيستمهاي مدولاسيون آنالوگ 297
6.4 تخمين فاز حامل از طريق حلقهي قفلشده فاز (PLL) 299
6.5 اثرات تلفات انتقال و نويز در سيستمهاي مخابراتي آنالوگ 304
6.5.1 توصيف منابع نويز حرارتي 305
6.5.2 دماي مؤثر نويز و عدد نويز 309
6.5.3 تلفات انتقال 314
6.5.4 استفاده از تكراركنندهها در ارسال سيگنال 320
6.6 مثالهای رایانهای 324
6.7 مسائل 327
6.8 مطالعهي بيشتر 331
6.9 مراجع فصل ششم 331
فصل 7 : تبدیل آنالوگ به دیجیتال 333
7.1 نمونهبرداري از سيگنالها و بازسازي سيگنال از نمونهها 335
7.1.1 قضيه نمونهبرداري 335
7.2 كوانتيزاسيون 344
7.2.1 كوانتيزاسيون عددي 344
7.3 کدگذاری 353
7.4 کدگذاری شکل موج 354
7.4.1 مدولاسيون كد پالس 355
7.4.2 مدولاسيون كد پالس تفاضلي 360
7.4.3 مدولاسيون دلتا 361
7.5 مثالهای رایانهاي 363
7.6 مسائل 367
7.7 مراجع فصل هفتم 370
فصل 8 : انتقال اطلاعات ديجيتال از طريق مدولاسيون حاملي 371
8.1 سیگنالهای دیجیتال مدوله شدهي دامنه دودویی 373
8.2 سيگنالهاي ديجيتال مدولهشدهي دامنه M تايي 375
8.3 سيگنالهاي ديجيتال مدوله شدهي فاز دودویی 378
8.4 سيگنالهاي ديجيتال مدولهشدهي فاز M تايي 381
8.5 سیگنالهای دیجیتال مدوله شدهی فرکانس 388
8.6 سيگنالهاي ديجيتال مدولهشدهي فركانس M تایی 391
8.7 مثالهای رایانهای 392
8.8 مسائل 397
8.9 مراجع فصل هشتم 398
ضمائم 399
