کتاب اصول و مبانی سیستم‌های مخابراتی اثر پروکیس ترجمه قاضی مغربی ناشر فدک ایساتیس

 ارسال به شبکه‌های اجتماعی: (با استفاده از لینک‌های زیر این صفحه را برای دوستان خود در یاهو، گوگل، فیس بوک، گوگل پلاس، تویتر و ... بفرستید)

مقدمه مترجمین
 
 خداوند متعال را به‌واسطه‌ی نعمت دانشی که بخشید و توفیق ادای زکات آن را عنایت فرمود، بسیار سپاسگذاریم. کتاب حاضر که ترجمه‌ی کتاب؛ Fundamental of Communication Systems
 است، توسط انتشارات Prentice Hall در سال 2005 چاپ و در اختیار متقاضیان قرار گرفت. کتاب حاضر نسبت به کتب مشابه ویژگی‌های قابلی دارد و با توجه به تدریس کتب مختلف مخابرات در سنوات گذشته و کاستی‌های آن‌ها در تفهمیم مطالب، این کتاب نسبت به کتب مشابه برای تدریس در رشته‌های مهندسی برق مناسب‌تر دیده شد؛ لذا مصمم بر ترجمه‌ی ویرایش جدید آن شدیم.
 از آنجا که هدف از ترجمه‌ی کتاب حاضر، تدوین کتابی برای دروس مخابرات 1 و مخابرات 2 رشته‌های مهندسی برق است، لذا از 13 فصل کتاب مرجع زبان اصلی، دو فصل آن که شامل موضوعات دروس مصوب نبوده، حذف شده است که حذف آن دو فصل، هیچ‌گونه خدشه‌ای بر موضوعات آموزشی نخواهد داشت.
 با توجه به سرفصل مصوب شورای عالی برنامه‌ریزی پیشنهاد می‌شود که فصول 1 لغایت 6 به درس مخابرات 1 و فصول 7 لغایت 11 به درس مخابرات 2 اختصاص یابند.
 در ترجمه‌ی کتاب سعی شده ضمن حفظ امانت و رعایت نکات فرهنگستان زبان و ادب فارسی از واژگانی استفاده شود که دانشجویان بیش‌تر با آن مأنوس هستند. قطعاً این ترجمه کامل نیست و نواقصی دارد، لذا بسیار خرسند خواهیم بود که از نقطه نظرات خواننندگان محترم بهره‌مند شویم تا در چاپ‌های بعدی اشکالات مرتفع شوند.

 
 سعید قاضی مغربی
 میثم امیراحمدی

پیشگفتار

 این کتاب به‌عنوان یک کتاب درسی پیشرفته در زمینه‌ی سیستم‌های مخابراتی برای تمام شاخه‌های رشته‌ی مهندسی برق طراحی شده است. هدف اصلی این کتاب شناساندن روش‌های اساسی مورد استفاده در سیستم‌های مخابراتی و بیان اصول و ابزار اساسی مورد استفاده درتحلیل و طراحی چنین سیستم‌هایی است. اگرچه این کتاب در اصل به‌عنوان یک کتاب درسی برای سطح کارشناسی نوشته شده، اما می‌توان از آن به‌عنوان کتاب تمرین مهندسی مخابرات و یا خودآموز نیز استفاده کرد.
 تأکید این کتاب روی سیستم‌های مخابرات دیجیتال است که به‌صورت کامل در فصل‌های 7 لغایت 11 شرح داده شده است. سیستم‌های مخابرات دیجیتال هم‌اکنون اسکلت اصلی سیستم‌های مخابرات پیشرفته‌ای همچون نسل‌های جدید سیستم‌های مخابرات بی‌سیم، سیستم‌های مخابرات ماهواره‌ای و شبکه‌های انتقال داده را تشکیل می‌دهند.
 جزئیات کامل سیستم‌های مخابرات آنالوگ مرسوم در فصل‌های 3، 4 و 6 ارائه شده است. ضمناً جزئیات کاملی به‌عنوان پیش‌نیاز این درس در دو فصل این کتاب ارائه شده است. یک فصل درباره‌ی تحلیل سیستم‌های خطی در حوزه‌ی فرکانس و استفاده از روش‌های فوریه (فصل 2) و فصل دیگر (فصل 5) درباره‌ی مطالعه‌ی احتمالات، متغیرهای تصادفی و فرآیندهای تصادفی است. اگرچه هریک از این مباحث در اکثر دانشگاه‌ها به‌صورت مجزا در شاخه‌های مهندسی برق و به‌طور کامل پوشش داده می‌شوند، اما براساس تجربیات نویسندگان این کتاب، دانشجویان شدیداً نیاز به مرور مجدد این سرفصل‌ها در درس مخابرات دارند؛ زیرا این فصل‌ها به دانشجویان کمک زیادی در دسترسی سریع به نکات مورد نیاز می‌کنند.
 در طراحی این کتاب فرض شده دانشجویانی که این درس را انتخاب نموده‌اند در جبر خطی، مدارهای الکتریکی ساده ، نظریه‌ی سیستم‌های خطی، احتمال و فرآیندهای تصادفی، زمینه‌ی کافی را دارند. این دو موضوع آخر، در دو فصل این کتاب دوره خواهند شد.
 ساختار کتاب
 این کتاب با نگاهی مختصر و کوتاه به سیستم‌های مخابراتی در فصل اول شروع و با شیوه‌های نمایش سیگنال و تحلیل سیستم‌های خطی در حوزه‌ی زمان و حوزه‌ی فرکانس در فصل دوم ادامه می‌یابد. در این فصل بیشتر بر سری‌های فوریه و نمایش تبدیل فوریه سیگنال‌ها و استفاده از این تبدیل‌ها درتحلیل سیستم‌های خطی، تأکید شده است.
 فصل‌های 3 و 4 به مسائل مربوط به مدولاسیون و دمدولاسیون سیگنال‌های آنالوگ پرداخته است. در فصل 3 مدولاسیون دامنه‌‌ (AM) و در فصل 4 مدولاسیون فرکانس (FM) و مدولاسیون فاز (PM) شرح داده شده‌اند. موارد مربوط به پخش تلویزیونی و رادیویی و سیستم‌های مخابرات سلولی آنالوگ نیز در این فصل‌ها مورد بررسی قرار گرفته‌اند.
 در فصل 5 نیز به مرور تعریف‌های اساسی و مفاهیم مربوط به احتمالات و فرآیندهای تصادفی پرداخته شده است. هم‌چنین دراین فصل تأکید ویژه‌ای روی فرآیندهای تصادفی گوسی شده است؛ زیرا مدل‌هایی از نظر ریاضی قابل رهگیری را برای اغتشاشات ناشی از نویز جمع‌شونده ارائه می‌کنند. ضمناً در این فصل نمایش سیگنال‌های تصادفی هم در حوزه‌ی زمان و هم در حوزه‌ی فرکانس نشان داده شده است.
 در فصل 6، مباحث مربوط به اثر نویز جمع‌شونده در دمدولاسیون سیگنال‌های آنالوگ مدوله‌شده‌ی دامنه (AM) و سیگنال‌های آنالوگ مدوله‌شده‌ی فاز و فرکانس (PM , FM)، مطرح شده است. همچنین در این فصل‌ مقایسه‌ای بین مدولاسیون‌های سیگنال‌های آنالوگ برحسب نسبت عملکردی سیگنال به نویز آنها انجام شده است. موضوع دیگر در این فصل، مسأله‌ی تخمین فاز حامل با استفاده از حلقه‌ی قفل‌شده‌ی فاز (PLL) است و نهایتاً ویژگی‌های نویز حرارتی و اثرات تلفات انتقال در سیستم‌های مخابراتی مطالعه شده‌اند.
 فصل 7 به‌تبدیل آنالوگ به دیجیتال اختصاص دارد. مباحث مربوط به نمونه‌برداری و روش‌های کوانتیزاسیون در ابتدا شرح داده شده و با شیوه‌های کدگذاری شکل‌موج مانند PCM، PPCM و DM دنبال می‌شوند. این فصل با بحث مختصری درباره‌ی روش کدگذاری صوت به روش LPC و استاندارد JPEG در فشرده‌سازی تصویر، به پایان می‌رسد.
 فصل 8 به بحث درباره‌ی روش‌های مدولاسیون برای کانال‌های AWGN باند پایه پرداخته‌شده است. انواع مختلفی از روش‌های مدولاسیون دودویی و غیردودویی، بر اساس نمایش هندسی سیگنال‌ها توضیح داده شده و عملکرد آنها نیز برحسب احتمال خطای حاصل، محاسبه شده است. آخرین موضوع این فصل بر روش‌های همزمان‌سازی در سیستم‌های مخابرات دیجیتال تأکید شده است.
 در فصل 9 به بررسی مشکلات مخابرات دیجیتال در کانال‌های AWGN باند محدود پرداخته شده است. ضمن اینکه اثرات اعوجاج‌های کانال روی سیگنال ارسالی که موجب تداخل بین سمبلی (ISI) می‌شوند، بررسی شده است. چگونگی طراحی متعادل‌کننده‌های وفقی برای حذف ISI نیز در این فصل توضیح داده شده است.
 درفصل 10، ارسال سیگنال دیجیتال توسط مدولاسیون حاملی توضیح داده شده است. این فصل شامل مدولاسیون دامنه‌ی پالس (PAM)، کلیدزنی جابه‌جایی فاز (PSK)، مدولاسیون دامنه‌ی تربیعی (QAM)، کلیدزنی جابه‌جایی فرکانس (FSK) و کلیدزنی تغییر پیوسته فرکانسی (CPFSK) است.
 در فصل 11، بررسی محدودیت‌های اساسی مخابره‌ی اطلاعات که دربرگیرنده مطالبی درباره‌ی محتوای اطلاعاتی منابع بدون حافظه و ظرفیت کانال AWGN است، پرداخته شده است. دو الگوریتم بسیار متداول در کدگذاری خروجی منابع دیجیتال به‌نام‌های الگوریتم کدگذاری هافمن و الگوریتم کدگذاری لمپل ـ زیو نیز در این فصل توضیح داده شده‌اند.
 در سراسر این کتاب مثال‌های حل‌شده‌ی متنوعی وجود دارد که تأکیدی بر استفاده از روش‌های استفاده شده در مبانی و مسائل نظری ارائه شده است. انتهای هر فصل شامل مسائل زیادی با سطح‌های دشواری مختلف است. در این میان مجموعه‌ای برگزیده از مسائل رایانه‌ای وجود دارند که درباره‌ی شبیه‌سازی الگوریتم‌های مختلف ارائه شده در هر فصل به‌کمک نرم‌افزار MATLAB است. پاسخ این مسائل نرم‌افزاری در وب‌سایت اختصاصی Prentice Hall موجود است.
 گزینه‌هایی برای روش‌های ارائه‌ دوره
 این کتاب را می‌توان به‌عنوان کتاب درسی در زمینه‌ی سیستم‌های مخابراتی در مدت یک یا دو نیم‌سال استفاده کرد. ملاحظه‌‌ای که در طراحی دوره‌ی آموزشی این درس باید به آن توجه شود این است که آیا دانشجویان در گذشته درسی تحت نام احتمالات و فرآیندهای تصادفی را به انجام رسانده‌اند یا خیر؟ ملاحظه‌ی دیگر در طراحی این دوره‌ی آموزشی این است که آیا شیوه‌های مدولاسیون و دمدولاسیون آنالوگ در دوره‌های قبل توسط دانشجویان فراگیری شده‌ است یا خیر؟ در زیر سه سناریو برای تدریس این کتاب ارائه شده است. علاوه بر این گزینه‌ها، روش‌های دیگری نیز امکان‌پذیر هستند.
 با عنوان درسی مخابرات آنالوگ و دیجیتال که در طول یک نیم‌سال تدریس شود. در این شیوه می‌توان بخش‌هایی از فصل 2 و 5 را به‌عنوان یادآوری و تمام فصل‌های 4، 6، 7 و 8 و گزیده‌ای از فصل‌ 11 را انتخاب کرد.
 با عنوان‌ درسی مخابرات که درطول یک نیم‌سال تدریس شود. در این شیوه می‌توان بخش‌هایی از فصل 2 و 5 را به‌عنوان یادآوری و فصل‌های 11 ـ 7 را برای تدریس انتخاب کرد.
 با عنوان درسی مخابرات آنالوگ و دیجیتال درمدت دو ترم متوالی ارائه شود. در این شیوه
 در ترم اول فصل‌های 2 تا 6 برای تدریس انتخاب شوند.
 در ترم دوم نیز فصل‌های 7 تا 11 برای تدریس انتخاب شوند.

فهرست مطالب

فصل اول مقدمه 1

1.1 مرور تاریخی 3
2.1 اجزای یک سیستم مخابراتی الکتریکی 7
3.1 کانال‌های مخابراتی و مشخصه‌های آنها 15
4.1 مدل‌های ریاضی برای کانال‌های مخابراتی 22
5.1 مطالعه‌ی بیشتر 24

فصل دوم سیگنال‌ها و سیستم‌ها 25

1.2 مفاهیم پایه 27
2.2 سری‌ فوریه 50
3.2 تبدیل فوریه 65
4.2 طراحی فیلتر 92
5.2 توان و انرژی 96
6.2 تبدیل هیلبرت و خواص آن 103
7.2 سیگنال‌های پایین‌گذر و میان‌گذر 106
8.2 مطالعه‌ی بیشتر 109
مسائل 110
مسائل رایانه‌ای 119

فصل سوم مدولاسیون دامنه 121

1.3 مقدمه‌ای بر مدولاسیون 124
2.3 مدولاسیون دامنه (AM) 125
3.3 پیاده‌سازی مدولاتورها و دمدولاتورهایAM 143
4.3 مالتی پلکس سیگنال 150
5.3 پخش رادیویی AM 153
مسائل 158
مسائل رایانه‌ای 163

فصل چهارم مدولاسیون زاویه 165

1.4 نمایش سیگنال‌هایFM وPM 168
2.4 مشخصه‌های طیفی سیگنال‌های مدوله‌شده‌ی زاویه 172
3.4 پیاده‌سازی مدولاتورها و دمدولاتورهای زاویه 178
4.4 پخشFM رادیویی و تلویزیونی 186
5.4 سیستم‌های تلفن بی‌سیم همراه 198
6.4 مطالعه‌ی بیشتر 200
مسائل 201
مسائل رایانه‌ای 204

فصل پنجم احتمالات و متغیرهای تصادفی 207

1.5 مروری بر احتمالات و متغیرهای تصادفی 209
2.5 فرآیندهای تصادفی ـ مفاهیم اصلی 228
3.5 فرآیندهای گوسی و سفید 244
4.5 مطالعه‌ی بیشتر 253
مسائل 254
مسائل رایانه‌ای 261

فصل ششم تاثیر نویز روی سیستم‌های آنالوگ 265

1.6 تأثیر نویز بر سیستم‌های مدولاسیون دامنه (AM) 267
2.6 تأثیر نویز بر مدولاسیون زاویه 276
3.6 مقایسه‌ی سیستم‌های مدولاسیون آنالوگ 291
4.6 تخمین فاز حامل از طریق حلقه‌ی قفل‌شده‌ فاز (PLL) 293
5.6 اثرات تلفات انتقال و نویز در سیستم‌های مخابرات آنالوگ 302
6.6 مطالعه‌ی بیشتر 312
مسائل 313
مسائل رایانه‌ای 316

فصل هفتم تبدیل آنالوگ به دیجیتال 319

1.7 نمونه‌برداری از سیگنال‌ها و بازسازی سیگنال از نمونه‌ها 322

2.7 کوانتیزاسیون عددی
3.7 کدگذاری 337
4.7 کدگذاری شکل‌موج 338
5.7 روش‌های تحلیل و سنتز 348
6.7 ارسال صوت دیجیتال و ضبط صوت دیجیتال 351
7.7 استاندارد کدگذاری تصویر JPEG 358
8.7 مطالعه‌ی بیشتر 362
مسائل 363
مسائل رایانه‌ای 367

فصل هشتم مدولاسیون دیجیتال در کانال باند پایه با نویز سفید گوسی جمع‌شونده 369

1.8 نمایش هندسی شکل‌موج سیگنال 372
2.8 مدولاسیون پالس دودویی 376
3.8 گیرنده‌ی بهینه برای سیگنال‌های مدوله‌شده‌ی دودویی در حضور نویز گوسی سفید جمع‌شونده 381
4.8 مدولاسیون پالس M تایی 399
5.8 احتمال خطای مدولاسیون پالس M تایی 423
6.8 همزمان‌سازی سمبل 437
7.8 مطالعه‌ی بیشتر 446
مسائل 447
مسائل رایانه‌ای 454

فصل نهم انتقال دیجیتال از طریق کانال‌هایAWGN باندمحدود 461

1.9 ارسال دیجیتال ازطریق کانال‌های باندمحدود 463

2.9  طراحی سیگنال برای کانال‌های باندمحدود   470

3.9 احتمال خطا در آشکارسازی PAM دیجیتال 481
4.9 طراحی سیستم در حضور اعوجاج کانال 491
5.9 مطالعه‌ی بیشتر 513
مسائل 514
مسائل رایانه‌ای 519

فصل دهم انتقال اطلاعات دیجیتال از طریق مدولاسیون حاملی 525

1.10 سیگنال‌های دیجیتال مدوله‌شده‌ی دامنه 527
2.10 سیگنال‌های دیجیتال مدوله‌شده‌ی فاز 53
3.10 سیگنال‌های دیجیتال مدوله‌شده‌ی دامنه‌ی تربیعی 553
4.10 سیگنال‌های دیجیتال مدوله‌شده‌ی فرکانس 565
5.10 مقایسه‌ی روش‌های مدولاسیون 588
6.10 همزمان‌سازی سمبل برای سیگنال‌های مدوله‌شده‌ی‌ حاملی 592
7.10 مطالعه‌ی بیشتر 592
مسائل 594
مسائل رایانه‌ای 599

فصل یازدهم‌ مقدمه‌ای بر تئوری اطلاعات 605

1.11 مدل‌سازی منابع اطلاعات 608
2.11 قضیه کدگذاری منبع 618
3.11 الگوریتم‌های کدگذاری منبع 621
4.11 مدل‌سازی کانال‌های مخابراتی 628
5.11 ظرفیت کانال 630
6.11 کران‌های مخابراتی 638
7.11 مطالعه‌ی بیشتر 642

مسائل 643

مسائل رایانه‌ای 649

فهرست الفبایی 651