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.
پيشگفتار
مبنای اصلی این کتاب، کتاب اصول و مبانی سیستمهای مخابراتی نوشته پروکیس، ترجمه اینجانب و آقای مهندس میثم امیر احمدی است که توسط همین ناشر در سال 1390 چاپ شده است. از آنجا که سر فصل وزارت علوم، تحقیقات و فناوری در مجموعه دروس رشتههای برق در سال 1403 تغییر کرد، برآن شدم با استفاده از کتاب مذکور و تعدادی مراجع معتبر کتابی براساس سرفصل جدید تدوین کنم. تقریباً میتوان گفت که کلیه مطالب این کتاب برگرفته از مراجعی است که در انتهای هر فصل آورده شده است، لذا کتاب جنبه ترجمه، گردآوری و تدوین دارد و مولف از ارائه نقطه نظرات خویش اجتناب کرده است. از آنجا که مراجع مختلف از نمادهای مختلف برای روابط و فرمولها استفاده کردهاند. لذا بهمنظور یکسانسازی روابط و تکمیل مطالب و ارائه مثالهای مختلف وقت زیادی صرف شد. از ویژگیهای بارز این کتاب وجود مثالهای متعدد و متنوع است، بهنحویکه 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 MATAB آورده شده است که برای استنباط بیشتر دانشجویان از مفاهیم سخت ارائه شده است. بدیهی است این نرمافزار وسیله کمک آموزشی مهمی در درک مفاهیم مخابراتی به حساب میآید. برای تکمیل این مهم در انتهای هر فصل چند مسالهی رایانهای با استفاده از نرمافزار MATAB آورده شده است. دانشجویان برای فراگیری سریع و کاربردی این نرمافزار میتوانند از کتابی که پروکیس در این همین زمینه دارد استفاده نمایند. البته لازم به یادآوری است که کتاب حاضر، نسخه بازنگری شده کتاب اصول سیستمهای مخابراتی 1 است که قبلاً براساس سرفصل مصوب 1400 تألیف شده بود.
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 سیگنالها، 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 و نیز آشنایی با PLL 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، 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 یک پیوند 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 و 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.
سعید قاضی مغربی
s_ghazi2002@yahoo.com
فهرست مطالب
فصل 1: مقدمه 1
1.1 مروری مختصر بر تاریخچه مخابرات 2
1.2 اجزای یک سیستم مخابرات الکتریکی 4
1.2.1 سيستمهاي مخابرات ديجيتال 10
1.2.2 تلاشهاي انجامشده در مخابرات ديجيتال 12
1.3 کانالهای مخابراتی و مشخصههای آنها 13
1.4 مدلهای ریاضی برای کانالهای مخابراتی 20
1.5 مراجع فصل اول 23
1.6 مطالعهی بیشتر 23
فصل 2 : سیگنالها و سیستمهای خطی 25
2.1 مفاهيم پايه 26
2.1.1 عمليات اصلي روي سيگنالها 27
2.1.2 دستهبندي سيگنالها 29
2.1.3 بعضي سيگنالهاي مهم و خواص آنها 38
2.2 سيستمها 46
2.2.1 دستهبندي سيستمها 46
2.2.2 تحليل سيستمهاي LTI در حوزه زمان 50
2.3 سري فوريه 52
2.4 تبديل فوريه 60
2.4.1 از سري فوريه تا تبديل فوريه 60
2.4.2 محاسبه ضرایب سری فوریه سیگنال با استفاده از تبدیل فوریه آن 63
2.5 اندازهگیری سطح سیگنال 66
2.6 توابع خود همبستگی و همبستگی متقابل 70
2.6.1 تابع خود همبستگي 70
2.6.2 تابع همبستگي متقابل 72
2.7 اعوجاج سيگنال 74
2.7.1 اعوجاج دامنه 75
2.7.2 اعوجاج فاز 77
2.8 متعادل كننده 79
2.9 اعوجاج غيرخطي 81
2.10 توان و انرژي 84
2.10.1 سيگنالهاي انرژي 85
2.10.2 چگالي طيف انرژي 86
2.10.3 سيگنالهاي توان 89
2.11 تبديل هيلبرت و خواص آن 92
2.12 سيگنالهاي پايينگذر و ميانگذر 98
2.13 مثالهای رایانهای 100
2.14 مسائل 106
2.15 مسائل رايانهاي 113
2.16 مراجع فصل دوم 116
فصل 3 : مدولاسیون دامنه 117
3.1 مقدمهای بر مدولاسیون 118
3.2 مدولاسيون دامنه (AM) 120
3.2.1 مدولاسیون دامنه باند جانبی دوگانه با حامل محذوف 122
3.2.2 مدولاسیون دامنهی متداول 138
3.2.3 مدولاسیون AM تک باند جانبی 152
3.2.4 مدولاسیون AM باند جانبی اثری (VSB) 165
3.3 پیادهسازی مدولاتورها و دمدولاتورهای AM 172
3.4 مالتی پلکس سیگنال 178
3.4.1 مالتی پلکس تقسیم زمانی (TDM) 178
3.4.2 مالتی پلکس تقسیم فرکانسی (FDM) 180
3.5 مثالهای رایانهای 182
3.6 مسائل 197
3.7 مسائل رایانهای 203
3.8 مراجع فصل سوم 205
فصل 4 : مدولاسیون زاویه 207
4.1 مدولاسیون زاویه 208
4.2 نمايش سيگنالهاي و 211
4.3 مشخصههای طیفی سیگنالهای مدوله شدهی زاویه 222
4.3.1 مدولاسيون زاويهي سيگنال پيام سينوسي 222
4.3.2 مدولاسيون زاويهي يك سيگنال پيام دلخواه 233
4.4 پیادهسازی مدولاتورها و دمدولاتورهای زاویه 233
4.4.1 مدولاتورهاي زاويه 234
4.4.2 دمدولاتورهاي زاويه 239
4.5 پخش FM رادیویی و تلویزیونی 257
4.5.1 پخش راديويي 257
4.5.2 پخش تلويزيوني 260
4.6 سیستمهای تلفن بیسیم همراه 262
4.7 مثالهای رایانهای 264
4.8 مسائل 272
4.9 مسائل رایانهای 276
4.10 مطالعهی بیشتر 278
4.11 مراجع فصل چهارم 278
فصل 5 : احتمالات، متغیریها و فرآیندهای تصادفي 279
5.1 مروری بر احتمالات 280
5.1.1 فضاي نمونه، رخدادها و احتمال 280
5.1.2 احتمالات شرطي 283
5.2 متغیرهای تصادفی 288
5.2.1 متغيرهاي تصادفي مهم 296
5.2.2 توابعي برحسب متغير تصادفي 313
5.2.3 آمارگانهای ریاضی 315
5.2.4 متغيرهاي تصادفي چندگانه 322
5.2.5 همبستگی و کوواریانس متغیرهای تصادفی 328
5.2.6 توابع متغير تصادفي چندگانه 332
5.2.7 مجموع متغيرهاي تصادفي 336
5.3 فرآیندهای تصادفی- مفاهیم اصلی 337
5.3.1 متوسطهاي آماري 343
5.3.2 فرآيند ايستان 347
5.3.3 فرآيند ايستان با تسامح (WSS) 349
5.3.4 فرآيند تصادفي ارگوديك 350
5.3.5 فرآيندهاي تصادفي چندگانه 355
5.3.6 فرآيندهاي تصادفي و سيستمهاي خطي تغییرناپذیر با زمان (LTI) 356
5.3.7 چگالي طيف توان فرآيندهاي ايستان 360
5.3.8 چگالي طيف توان فرآيند مجموع 368
5.4 فرآیندهای گوسی و سفید 370
5.4.1 فرآيندهاي گوسي 370
5.4.2 فرآيندهاي سفيد 373
5.4.3 فرآيندهاي نويز فيلترشده 375
5.5 مثالهای رایانهای 382
5.6 مسائل 389
5.7 مسائل رایانهای 396
5.8 مراجع فصل پنجم 399
فصل 6 : اثر نویز بر سیستمهای مخابراتی آنالوگ 401
6.1 تاثير نویز بر سیستمهای مدولاسیون دامنه (AM) 402
6.1.1 تأثير نويز بر سيستم باندپايه 404
6.1.2 تأثير نويز بر 405
6.1.3 تأثير نويز بر 408
6.1.4 تأثير نويز بر مدولاسيون متداول 410
6.2 تاثیر نویز بر مدولاسیون زاویه 416
6.2.1 اثر آستانه در مدولاسيون زاويه 425
6.2.2 فيلتركردن پيشتأكيد و واتأكيد 432
6.3 مقایسه سیستمهای مدولاسیون آنالوگ 436
6.4 تخمین فاز حامل از طریق حلقهی قفل شدهي فاز 439
6.4.1 اثر نويز جمعشونده در تخمين فاز 443
6.5 اثرات تلفات انتقال و نویز در سیستمهای مخابراتی آنالوگ 448
6.5.1 توصيف منابع نويز حرارتي 449
6.5.2 دماي مؤثر نويز و عدد نويز 454
6.5.3 تلفات انتقال 460
6.5.4 استفاده از تكراركنندهها در ارسال سيگنال 466
6.6 مثالهای رایانهای 471
6.7 مسائل 475
6.8 مسائل رایانهای 479
6.9 مطالعهی بیشتر 482
6.10 مراجع فصل ششم 482
فصل 7 : تبدیل آنالوگ به دیجیتال 483
7.1 نمونهبرداري از سيگنالها و بازسازي سيگنال از نمونهها 485
7.1.1 قضيه نمونهبرداري 485
7.1.2 نمونهبرداري برشي 495
7.2 كوانتيزاسيون 500
7.2.1 كوانتيزاسيون عددي 501
7.3 کدگذاری 514
7.4 کدگذاری شکل موج 515
7.4.1 مدولاسيون كد پالس 516
7.4.2 مدولاسيون كد پالس تفاضلي 523
7.4.3 مدولاسيون دلتا 525
7.5 مثالهای رایانهاي 529
7.6 مسائل 533
7.7 مسائل رایانهای 537
7.8 مراجع فصل هفتم 538
فصل 8 : انتقال اطلاعات ديجيتال از طريق مدولاسيون حاملي 541
8.1 سیگنالهای دیجیتال مدوله شدهي دامنه 543
8.2 سیگنالهای دیجیتال مدوله شدهي دامنه M تایی 546
8.3 سیگنالهای دیجیتال مدوله شدهي فاز دودویی 549
8.4 سیگنالهای دیجیتال مدوله شدهي فاز M تایی 553
8.5 سیگنالهای دیجیتال مدوله شدهي فرکانس 559
8.6 سیگنالهای دیجیتال مدوله شدهي فرکانس M تایی 563
8.7 مثالهای رایانهای 564
8.8 مسائل 569
8.9 مسائل رایانهای 571
8.10 مراجع فصل هشتم 572
ضمائم 573
