سیگنال های آنالوگ و دیجیتال

سیگنال های آنالوگ و دیجیتال، در هر سیستم ارتباطی، اطلاعاتی که قرار است منتقل شوند، عموماً به عنوان یک سیگنال الکتریکی در دسترس می باشند، که ممکن است به شکل آنالوگ یا دیجیتال باشد. در مورد آنالوگ، سیگنال (برای مثال، جریان الکتریکی) به طور پیوسته با زمان تغییر می کند، همانطور که به صورت شماتیک در شکل 1.1 (a) نشان داده شده است. مثال بهتری جهت درک شامل سیگنال‌ های صوتی و تصویری است که زمانیکه یک میکروفون صدا را تبدیل می‌کند یا یک دوربین فیلم‌برداری تصویر را به سیگنال الکتریکی تبدیل می نماید، به دست می‌آید. در مقابل، سیگنال دیجیتال تنها چند مقدار مجزا می گیرد. در نمایش دودویی یک سیگنال دیجیتال، تنها دو مقدار ممکن می باشد: صفر و یک. (0,1)

فهرست مطالب

1. سیگنال های آنالوگ و دیجیتال
   1. تعریف
   2. نمونه برداری و نویز کوانتیزاسیون
   3. محدوده دینامیکی

ساده ترین حالت یک سیگنال دیجیتال باینری، حالتی است که در آن جریان الکتریکی یا روشن است و یا خاموش می باشد، همانطور که در شکل 1.1 (b) نشان داده شده است. این دو احتمال “بیت 1” و “بیت 0” نامیده می شوند (بیت یک شکل انقباضی رقم دودویی یا binary است). هر بیت در یک دوره زمانی معین T_B پایداری دارد که به عنوان دوره بیت یا شکاف بیت شناخته می شود.

از آنجایی که یک بیت از اطلاعات در یک بازه زمانی T_B منتقل می شود، نرخ بیت B که به عنوان تعداد بیت در ثانیه تعریف می شود، به سادگی برابر B = T_B^-1 می باشد. یک مثال شناخته شده از سیگنال های دیجیتال توسط داده های کامپیوتری ارائه شده است. به هر حرف از الفبا همراه با سایر نمادهای رایج (اعداد اعشاری، علائم نگارشی و غیره) یک عدد رمز (کد ASCII) در محدوده 0-127 اختصاص داده می شود که نمایش باینری آن مربوط به یک سیگنال دیجیتال 7 بیتی است. کد ASCII اصلی جهت نمایش 256 کاراکتر ارسال شده از طریق بایت های 8 بیتی گسترش یافته است.

سیگنال های آنالوگ و دیجیتال هر دو با پهنای باندشان مشخص می شوند که اندازه گیری محتوای طیفی سیگنال است. پهنای باند سیگنال محدوده فرکانس های موجود در سیگنال را نشان می دهد و از طریق تبدیل فوریه آن به صورت ریاضی تعیین می شود.

سیگنال های آنالوگ و دیجیتال

یک سیگنال آنالوگ را می توان با نمونه برداری از آن در فواصل زمانی معین به شکل دیجیتال تبدیل نمود. شکل 1.2 روش تبدیل را به صورت شماتیک نشان می دهد. نرخ نمونه برداری توسط پهنای باند Δf سیگنال آنالوگ تعیین می شود. با توجه به قائده نمونه برداری، یک سیگنال محدود با پهنای باند را می توان به طور کامل با نمونه های گسسته، بدون اطلاعات افت، نشان داد، مشروط بر اینکه فرکانس نمونه برداری f_s معیار نایکوئیست f_s ≥ 2Δf را برآورده نماید. (Nyquist criterion)

اطلاعات تکمیلی

1. مالتی پلکسینگ DWDM
2. فناوری WDM
3. باند های طول موج
4. محاسبه پراکندگی
5. پراکندگی
6. پراکندگی رنگی
7. فیبر نوری سینگل مد
8. فیبر نوری مالتی مد
9. اصول ایمنی نور برای چشم

نمونه برداری و نویز کوانتیزاسیون

مرحله اول شامل نمونه برداری از سیگنال آنالوگ در فرکانس مناسب است. مقادیر نمونه برداری شده می توانند هر مقداری را در محدوده 0 ≤ A ≤ A_max  داشته باشند، که در آن A_max حداکثر دامنه سیگنال آنالوگ داده شده است. فرض نمایید که A_max به فواصل گسسته M (نه لزوماً با فاصله یکسان) تقسیم می گردد. هر مقدار نمونه، کوانتیزه می گردد تا مطابق با یکی از این مقادیر گسسته باشد. واضح است که این روش منجر به نویز اضافی می شود که به نویز کوانتیزاسیون معروف است، که در ولقع به نویز موجود در سیگنال آنالوگ می افزاید.

محدوده دینامیکی

اثر نویز کوانتیزاسیون را می توان با انتخاب تعداد سطوح گسسته به حداقل رساند به طوری که M > A_max/A_N، که در آن A_N دامنه نویز ریشه میانگین مربع سیگنال آنالوگ است. نسبت A_max/A_N محدوده دینامیکی نامیده می شود و به رابطه نسبت سیگنال به نویز (SNR) وابسته است.

SNR با واحد دسی بل (dB) بیان می گردد. هر نسبت R را می توان با استفاده از تعریف کلی 101og₁₀R به دسی بل تبدیل نمود.

معادله 1.1 حاوی ضریب 20 به جای 10 است، چراکه SNR برای سیگنال های الکتریکی با توجه به توان الکتریکی تعریف می شود، در حالی که A به جریان الکتریکی (یا ولتاژ) وابسته می باشد.

اطلاعات بیشتر (لینک های مرتبط):

1. کابل فیبر نوری
2. تفاوت فیبر مالتی مد و سینگل مد
3. تار فیبر نوری
4. لایه فیزیکی “Physical layer”
5. لایه پیوند داده “Data link layer”
6. لایه شبکه “Network layer”
7. لایه انتقال “Transport layer”
8. لایه نشست “Session layer”
9. لایه ارائه “Presentation layer”
10. لایه اپلیکیشن “Application layer”

مقادیر نمونه برداری کوانتیزه شده را می توان با استفاده از یک تکنیک تبدیل مناسب به فرمت دیجیتال تبدیل نمود. در یک طرح، که به عنوان مدولاسیون موقعیت پالس شناخته می شود، موقعیت پالس در شکاف بیت معیاری از مقدار نمونه برداری است. در تعریف دیگر، که به عنوان مدولاسیون مدت زمان پالس شناخته می شود، عرض پالس از بیتی به بیت دیگر مطابق با مقدار نمونه تغییر می نماید. این تکنیک‌ها به ندرت در سیستم‌های ارتباطی نوری به شکل عملی استفاده می‌شوند، چراکه حفظ موقعیت پالس یا عرض پالس با دقت بالا در طول انتشار در داخل فیبر نوری بسیار دشوار است. تکنیکی که تقریباً به شکل جهانی مورد استفاده قرار می‌گیرد، به عنوان مدولاسیون کد پالس (PCM) شناخته می‌شود، بر اساس یک طرح دودویی است که در آن اطلاعات از طریق نبود یا وجود پالس‌هایی که در غیر این صورت یکسان هستند، منتقل می‌شود.

یک کد باینری جهت تبدیل هر مقدار نمونه برداری شده به رشته ای از بیت های 1 و 0 استفاده می شود. تعداد بیت‌های m مورد نیاز جهت کدگذاری هر نمونه به تعداد سطوح سیگنال کوانتیزه‌ شده M وابسته است و توسط رابطه زیر نشان داده می شود.

بدیت ترتیب نرخ بیت مرتبط با سیگنال دیجیتال PCM به شکل زیر می باشد

که در آن معیار Nyquis به شکل  f_s ≥ 2Δf است. با توجه به  اینکه M > A_max/A_N، و استفاده از معادله (1.2) همراه با log₂ 10 ≈3.33،

بدین ترتیب، معادله (1.4) حداقل نرخ بیت مورد نیاز جهت نمایش دیجیتال سیگنال آنالوگ با پهنای باند Δf و یک SNR مشخص را فراهم می نماید. چنانچه SNR > 30 دسی بل باشد، نرخ بیت مورد نیاز از 10(Δf) فراتر می رود، که نشان دهنده افزایش قابل توجهی در پهنای باند مورد نیاز سیگنال های دیجیتال است. با وجود این افزایش، فرمت دیجیتال تقریباً همیشه برای سیستم های ارتباطی نوری مورد استفاده واقع می شود.

این انتخاب به دلیل عملکرد برتر سیستم های انتقال دیجیتال انجام شده است. سیستم‌های طول موجی در مقایسه با سیستم‌های امواج مایکروویو چنان افزایش عظیمی در ظرفیت (با ضریب 10^-5) را ارائه می‌دهند که می‌توان مقادیری را جهت بهبود عملکرد پهنای باند کسب نمود.

برای نمونه از معادله. (1.4)، تبدیل دیجیتال سیگنال صوتی تولید شده در تلفن را در نظر بگیرید. سیگنال صوتی آنالوگ دارای فرکانس هایی در محدوده 0.3تا3.4 کیلوهرتز با پهنای باند Δf = 3.1 KHz  و دارای SNR حدود 30 دسی بل است. معادله (1.4) نشان می دهد که B > 31 kb/s.

در عمل، یک کانال صوتی دیجیتال با سرعت 64 کیلوبایت بر ثانیه فعالیت می نماید. سیگنال آنالوگ در فواصل 125 μs
(نرخ نمونه برداری f_s = 8 KHz) نمونه برداری می شود و هر نمونه با 8 بیت نمایش داده می شود. نرخ بیت مورد نیاز جهت انتقال یک سیگنال ویدئویی دیجیتال دارای ضریبی 1000 برابر بیشتر می باشد. سیگنال تصویری آنالوگ دارای پهنای باند ~ 4 MHz با SNR حدود 50 دسی بل است. حداقل نرخ بیت از معادله (1.4) 66 مگابیت بر ثانیه می باشد. در عمل، یک سیگنال ویدئویی دیجیتال به نرخ بیتی معادل 100 مگابیت بر ثانیه یا بیشتر نیاز دارد، مگر اینکه با استفاده از یک فرمت استاندارد (مانند MPEG-2) فشرده شود.

اطلاعات بیشتر (لینک های مرتبط):

1. دسی بل dB
2. نویز SNR BER
3. طیف الکترومغناطیسی نور
   
4. فرمت های مدولاسیون در فیبر نوری
5. معماری سیستم های فیبر نوری
6. فرکانس در فیبر نوری
7. معماری PON در شبکه فیبر نوری FTTH
8. کل بازتاب داخلی نور
9. طول موج در فیبر نوری
10. جذب نور “absorption”

کابل های فیبر نوری

تجهیزات فیبر نوری

سوکت شبکه استاندارد