تلفن همراه

امروزه میلیون‌ها نفر در سراسر جهان از تلفن‌های سلولی (همراه) استفاده می‌کنند . در واقع تلفن‌‌های همراه نوع پیشرفته رادیو تلفن‌های دهه 1880 هستند که در آن زمان روی خودروها نصب و استفاده می‌شد . این سامانه دارای یک یا چند دکل آنتن مرکزی برای هر شهر بود وهر دکل می‌توانست تا 25 کانال ارتباطی را تا شعاع 40 الی 50 مایل پوشش دهد . اما به علت محدودیت  کانال‌های ارتباطی امکان مشترک شدن برای  همه وجود نداشت. تلفن همراه سامانه ای  سلولی است زیرا مناطق تحت پوشش آن به سلول‌های تقریباً 6 گوش تقسیم بندی می شود. بدین ترتیب کل فضای مورد نظر تحت پوشش سلول‌های مختلف قرار می‌گیرند . در مرکز هر سلول یک دکل آنتن به نام (BTS ) نصب می‌شود و بر حسب ظرفیت هر سلول  تعداد مشترکان تغییرمی کند.معمولاً هر سلول آ‌نالوگ قادر است تا 56 کانال رادیویی را پشتیبانی کند به عبارت دیگر هر سلول می‌تواند همزمان مکالمه‌ی 56 نفر با تلفن همراه را در محدوده‌ی تحت پوشش خود اداره نماید . اما این ظرفیت در روش‌های ارتباطی دیجیتالی امروزه افزایش یافته است . برای مثال درسامانه ی دیجیتالی TDMA  می توان تا سه برابر ظرفیت آنالوگ یعنی تقریباً 168 کانال را پوشش داد.

 تلفن همراه یک سامانه ی کم توان رادیویی است . اکثر تلفن های همراه دارای دو سطح توان خروجی 0.6 وات و 0.3 وات هستند. به همین ترتیب ایستگاه‌های مبنای هر سلول نیز با توان کم کار می‌کنند. عملکرد با توان کم دارای دو مزیت است:

1-تبادل سیگنال‌ در محدوده‌ی هر سلول بین ایستگاه و گوشی با آنتن همان سلول انجام می‌پذیرد و سیگنال‌ها از حیطه‌ی سلول فراتر نرفته بنابر این هر گوشی فقط با یک دکل آنتن ارتباط برقرار می‌سازد و از این جهت کانال‌های BTS‌های دیگر برای یک نفر اشغال نخواهد شد.

2- مصرف انرژی باتری گوشی تلفن بهینه و نسبتاً کم می‌شود.

شبکه‌ی سلولی همچنان که گفته شد نیازمند نصب دکل‌های زیادی است. یعنی یک شهر بزرگ ممکن است دارای هزاران دکل جهت پوشش سرتاسری باشد و هزینه‌ی سنگینی را در بر دارد، ولی از جهتی که امکان استفاده از این سامانه برای تعداد زیادی از مردم را فراهم می‌آورد هزینه‌ی لازم به مرور جبران خواهد شد.

جابجایی سلولی

هر تلفن یک کد شناسه‌ی مختص خود دارد. این کد‌ها جهت شناسایی مالک تلفن و شرکت خدمات دهنده است. هنگامی‌که گوشی روشن می‌شود، منتظر دریافت سیگنال‌ از یک کانال کنترل می‌ماند. این کانال یک کانال ارتباطی مخصوص جهت ارتباط گوشی و نزدیک‌ترین ایستگاه BTS است. اگر تلفن به هر دلیلی نتواند چنین سیگنالی را دریافت و شناسایی نماید، پیغام خارج از محدوده « No Service» خواهد داد. در صورت دریافت این سیگنال گوشی آماده‌ی برقراری ارتباط می‌شود. کاربر چه در حال صحبت و چه در حال آماده باش حرکت و جابجایی داشته باشد، ممکن است از حیطه‌ی یک سلول خارج و وارد محدوده‌ی سلول دیگر شوید. سامانه‌های سلولی می توانند بدون قطع ارتباط تلفنی، آن را از سلولی به سلول دیگر هدایت نماید.

سامانه ‌های آنالوگ اولیه در سال 1983 با عنوان (سامانه پیشرفته تلفن متحرک) Amps مجوز ایجاد خود را از کمیسیون فدرال ارتباطات آمریکا دریافت نموده و با بسامد 824 الی 894 مگاهرتز آغاز به کار کردند. این تلفن‌ها دارای 832 کانال به صورت جفت بودند، 790 کانال برای انتقال صوت و 42 کانال جهت تبادل داده، در واقع هر جفت بسامد (یکی جهت ارسال و دیگری جهت دریافت) در این سامانه ‌ها تشکیل یک کانال ارتباطی را می‌دادند که پهنای باند هر کانال نیز برابر 30 کیلوهرتز تعیین شده بود.

نسل جدید

تلفن‌‌های سلولی دیجیتالی مشابه نوع آنالوگ اما متفاوت از آن کار می‌کنند و قادر به ایجاد کانال‌های ارتباطی بیشتر و با کیفیت مطلوب‌تری هستند. این سامانه ‌ها اطلاعات مورد تبادل را به صورت 0 و 1 و فشرده شده ارسال و دریافت میکنند به این دلیل حجم سیگنال اشغالی در شبکه‌ی دیجیتالی توسط هر گوشی برابر 1/3 تا 1/10 سامانه آنالوگ است.

فناوری دسترسی سلولی

سه نوع روش معمول جهت انتقال اطلاعات توسط شبکه‌های تلفن سلولی عبارتنداز:

-       دسترسی چند‌گانه‌ی تقسیم بسامدی (FDMA): که هر تماس را برروی یک بسامد مجزا قرار می‌دهد.

-       دسترسی چندگانه‌ی تقسیم زمانی (TDMA): هر تماس را به بخشی از یک زمان روی یک بسامد واگذار می‌کند.

-       دسترسی چندگانه‌ی تقسیم کدی (CDMA): که به هر تماس یک کد منحصر اختصاص داده و به کل طیف پخش می‌کند. در قسمت اول هر یک از این سه روش عبارت «دسترسی چندگانه» را می‌بینیم، این بدین مفهوم است که هر سلول امکان برقراری ارتباط بیش از یک نفر را در یک زمان فراهم می‌آورد.

1-        FDMA: در این روش کل طیف بسامد به چندین کانال تقسیم می‌شود، این روش اکثراً جهت سامانه‌های آنالوگ به کار می رود ولی قابلیت طراحی به صورت دیجیتال را نیز دارد، اما جهت سامانه ‌های دیجیتالی کارآیی موثر نخواهد داشت.

2-      TDMA: از یک پهنای باند نازک 30khz کیلوهرتز و به طول 6.7 میلی‌ثانیه جهت تقسیم زمان به سه بخش استفاده می‌کند. هر مکالمه 1/3 حجم زمانی معمول را در این حالت اشغال نموده و موجب فشرده‌سازی و افزایش بهره‌وری می‌گردد و باعث افزایش تعداد کانال‌های هر سلول خواهد شد. این سامانه در باند‌های 900 و 1800 مگاهرتز در اروپا و آسیا و نیز 1900 مگاهرتز در آمریکا مورد استفاده قرار دارد. متأسفانه باند 1900  Gsm)) که در آمریکا کاربرد دارد با سامانه ‌های جهانی همساز نیست.

3-      CDMA: یک تفاوت کلی با سامانه TDMA  دارد. در این روش بعد از تبدیل سیگنال‌ها به دیجیتال آن‌ها را بر روی کل پهنای باند موجود انتشار می‌دهند و همچنین به هر تماس و سیگنال‌ یک کد منحصر به فرد اختصاص می‌دهند. در این حالت گیرنده‌ نیز جهت بازیابی اطلاعات از کد مشابه مختص هر تلفن استفاده می‌نماید. بازده‌ی این سامانه 8 الی 10 برابر سامانه ‌های آنالوگ (AMPS) است و ظرفیت را به میزان چشم‌گیری افزایش خواهد داد.

مختل کننده‌ی تلفن همراه

وسیله‌ای است که با ارسال سیگنال‌های همسان با بسامد کار تلفن و با ایجاد تناوب‌های نامنظم، با توانی بیشتر از یک تلفن سلولی، مانع ارتباط بین گوشی و BTS سلول خواهد شد و ایجاد ارتباط و مکالمه را غیر ممکن می‌سازد.

این وسیله غالباً در مواردی که استفاده از تلفن همراه مخاطرات امنیتی در بردارد به کار می‌رود، مثلاً در مکان‌هایی مانند مراکز نظامی ، تالارهای همایش و جلسات مهم از نظر حفظ امنیت، این وسایل می‌توانند ثابت و یا قابل حمل باشند.

تقویت کننده تلفن همراه

این دستگاه وسیله‌ای است که قادر است سیگنال‌های بسامدی مربوط به تلفن همراه را که از طرف سلول (BTS) پخش می‌شود، حتی اگر بسیار ضعیف باشند، به‌ طوری‌که گوشی تلفن قادر به تشخیص و دریافت آن‌ها نباشد، دریافت نموده و پس از تقویت دوباره ارسال نماید، این وسایل تقریباً شبیه تکرار کننده‌ها‌ی رادیویی عمل می‌کنند. تقویت  کننده‌ها معمولاً در نقاطی که سیگنال‌ها بسیار ضعیف اند (نقاط کور) مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین می‌توان از آن‌ها جهت انتقال گستره‌ی سیگنال مثلاً انتقال سیگنال‌ تا چندین طبقه زیرزمین ساختمان که در حالت عادی امکان پذیر نیست و یا مسیر‌های مترو زیرزمین استفاده نمود.

اجزای سازنده ارتباطات رادیویی

" اعلام خبر به دنیا ! به همه قلمروها ، تماس مستقیم " این عبارت اولین پیام تلگرافی ضبط شده است که توسط " اف . بی . مورس " در سال 1838 از یک خط 16 کیلومتری ارسال شد و اینگونه بود که مرحله جدید از تاریخ عصر ارتباطات بنیانگذاری شد . در طول سال های اخیر مخابرات و ارسال اطلاعات از جایی از دنیا به جای دیگر تاثیر بسیار زیادی در زندگی بشر داشته است و نقش عمده آن در زندگی انسان ها انکار ناپذیر است . اگر در زندگی روزمره خود دقت بیشتری داشته باشیم خواهیم دید که سرتاسر زندگی ما پر از ارتباط مخابراتی و ارسال و دریافت سیگنال است . تلویزیون ، رادیو ، تلفن ، اینترنت ، موبایل و ... جملگی از این فناوری و تکنولوژی استفاده می کنند و سیستم مخابراتی از زندگی انسان غیر قابل حذف شده است . دستگاههای مخابراتی ، دستگاههایی هستند که اطلاعات را ارسال یا دریافت می کنند . این اطلاعات که به صورت سیگنال های الکتریکی می باشند با روش های خاصی که در ادامه گفته خواهد شد ارسال و دریافت می شوند . سیگنال های الکتریکی را می توان به دو نوع تقسیم کرد :
1. سیگنال های آنالوگ
2. سیگنال های دیجیتال

1. سیگنال های آنالوگ :
کمیتی فیزیکی که به صورت روان و مداوم با زمان تغییر می کند و پیوسته است . مثل صدای صحبت کردن یک انسان از پشت تلفن
 
2. سیگنال های دیجیتال :
توالی منظمی از نمادهایی است که از دسته محدودی از عناصر گسسته انتخاب شده است . مثل متن یک SMS

فیلترها :
یکی از مهمترین مدارات مخابراتی اند که می توانند فرکانس های خاصی را از خود عبور دهند و یا مانع عبور فرکانس های دیگر شوند . این فیلترها که به چند دسته اصلی تقسیم می شوند تشکیل یافته از عناصر مقاومت و سلف و خازن هستند و شکل عمومی زیر را دارند .

اصطلاحات مربوط به فیلترها به چهار بخش اصلی تقسیم می شود :

1. فرکانس قطع ( Cut Off ) :
این بخش از فیلترها وظیفه انتقال ولتاژ از حالت ماکزیمم در ورودی به مقدار ولتاژ موثر ( Vrms ) در خروجی می باشد .

ولتاژ موثر

2. باند عبوری ( Pass band ) :
این بخش از فیلترها ، بسته به نوع فیلتر وظیفه عبور دادن فرکانس های مشخص را دارد و این فرکانس ها را از فرکانس های دیگر جدا می کند .

3. باند توقف ( Stop band ) :
این بخش از فیلترها وظیفه جداسازی آن دسته از مقادیر فرکانس را که نباید از فیلتر عبور کند ، بر عهده دارد .

4. پهنای باند ( Band Width ) B . W :
فرکانسی که بالاترین مقادیر ولتاژ و جریان را از فیلتر عبور می دهد فرکانس تشدید یا رزونانس نامیده می شود که با fr نشان داده شده که محدوده بالای آن fH و محدوده پایین آن fL می باشد . به محدوده فرکانسی بین fL و fH که ولتاژ خروجی بزرگتر از ولتاژ موثر است ( V ? Vrms ) پهنای باند گفته می شود .

انواع فیلترها :
فیلترها به چهار دسته زیر تقسیم می شوند :

1) فیلتر پایین گذر(Low Pass Filter) :
وظیفه این فیلتر ها جذب فرکانس های fr و fH بوده و فقط فرکانس های fL و ماقبل آن راعبور می دهد .

2) فیلتر بالا گذر (High Pass Filter):
وظیفه این فیلتر فرکانس های بالا یعنی fH و بالاتر را از خود عبور داده و فرکانس های میانی یعنی fr و پایین یعنی fL را از خود عبور نمی دهد .

3) فیلتر میان گذر(Band Pass Filter) :
فیلتری است که وظیفه عبور دادن فرکانس های میانی fr و حذف دیگر فرکانس ها یعنی fH و fL را دارد و کاربرد بسیار زیادی در گوشی های تلفن همراه دارد که چه در بخش RX و چه TX تلفن ها از این فیلترها بسیار استفاده شده است .

4) فیلترهای میان نگذر (Band Stop Filter):
این فیلترها بر خلاف فیلترهای میان گذر همه فرکانس ها را انتقال می دهند بجز فرکانس میانی fr

اسیلاتور ( نوسان ساز ) :
در سیستم های رادیویی ، نوسان سازها که معمولا سینوسی هستند موج حامل فرستنده را به وجود می آورند . طبقه های مخلوط کننده را تحریک می کنند و سیگنال را از یک گستره فرکانس به گستره دیگر می برند . در واقع نوسان ساز یا اسیلاتور مداری است که در صورت کوچکترین تحریکی در حد یک نویز یا چند میلی ولت شروع به نوسان و تولید موج سینوسی می کند . اسیلاتورها در مدارات موبایل استفاده بسیار زیادی دارند مثلا اسیلاتور VCO که نقش تولید موج حامل برای مدولاسیون سیگنال ارسالی را بر عهده دارد یا کریستال اصلی که یک موج سینوسی با فرکانس مشخص برای کلاک پالس بخش های دیجیتال تولید می کند که این موج سینوسی در خود CPU یا آی سی RFSP تبدیل به یک پالس مربعی می شود و از کریستال ساعت نیز به عنوان یک اسیلاتور می توان یاد کرد . در حالت کلی می توان یک اسیلاتور ساده را به شکل زیر نشان داد :

در شکل بالا که rn یک مقاومت غیر خطی منفی است دارای مشخص جریان – ولتاژ مشخص زیر می باشد :

که در صورت بروز نویز حرارتی در این مقاومت مدار شروع به تولید موج سینوسی می کند . لازم به ذکر است که اسیلاتورهای بکار گرفته شده در مدارات الکترونیکی ساختاری پیچیده تر دارند و نکته قابل توجه این است که اسیلاتورها غالبا احتیاج به ورودی ندارند و با نویز موجود در محیط نوسان می کنند .

حلقه قفل شده در فاز PLL ( Phase - Locked - Loop ) :
این مدار که یکی از مهمترین مدارات مخابراتی است و استفاده زیادی در دستگاه های مخابراتی دارد دارای بلاک دیاگرام زیر می باشد :

در مورد نحوه عملکرد مدار PLL می توان گفت که وقتی حلقه بر روی سیگنال ورودی قفل باشد فرکانس نوسان ساز کنترل شده با ولتاژ ( VCO ) دقیقا با فرکانس سیگنال ورودی برابر است .
آشکار ساز فاز یک سیگنال dc یا فرکانس پایین، متناسب با اختلاف فاز بین سیگنال ورودی و سیگنال خروجی VCO به وجود می آورد . ( اختلاف فاز فاصله بین نقطه شروع در سیگنال سینوسی است ) این سیگنال حساس به فاز، از یک فیلتر گذشته و پس از تقویت به ورودی VCO اعمال می شود و این روند تا آنجا ادامه می یابد که فرکانس سیگنال ورودی با فرکانس VCO برابر شود که سیگنال خروجی روی سیگنال ورودی قفل شود . مدار PLL یکی از مدارات پر کاربرد در گوشی های تلفن همراه است که به صورت یک آی سی جداگانه یا قسمتی از RFSP به کار می رود و برای این است که گوشی روی فرکانس کانال خالی BTS قفل شود .

مخلوط کننده ها ( Mixer ) :
مخلوط کننده یک عنصر غیر خطی است که سیگنال مدوله شده دریافتی از آنتن را به سیگنال میانی برده و برای دمدولاسیون آماده می کند که این سیگنال دریافتی در واقع سیگنال اصلی سوار بر موج حامل ( کریرCarrier ) می باشد . در واقع یک میکسر عنصری است که موج دریافتی را می توانیم به هر فرکانس دلخواه که خودمان میکسر را روی آن فرکانس تنظیم می کنیم ببریم یک نمونه بسیار ساده از میکسر را در شکل زیر می بینیم :

مدار بالا سیگنال RF و LO را روی فرکانس میانی IF می برد . قابل به ذکر است که میکسرهای استفاده شده در گوشی های موبایل که در قسمت گیرنده آی سی RFSP قرار دارند و در امر دمدولاسیون کار می کنند ساختاری پیچیده تر دارند .

منبع :آزمایشگاه الکترونیک