مجموعه آموزش‌‌های مهندسی مخابرات

درس مخابرات ۱ یا سیستم های مخابرات آنالوگ 1، درس آشنایی با روش های پردازش سیگنال و آماده سازی سیگنال ها برای ارسال در یک کانال مخابراتی است. در این درس ابتدا انواع سیستم های مخابراتی، کانال های مخابراتی، سیگنال های مخابراتی و ابزارهای لازم برای تحلیل آنها بیان می شود. سپس در ادامه آموزش انواع روش های مدولاسیون و دمدولاسیون سیگنال های پیام، که اساس انتقال پیام در بسیاری از سیستم های مخابراتی است، ارائه می شود.

هدف اصلی در این فرادرس، طراحی و پیاده سازی سیستم تلفن تحت شبکه و نحوه مدیریت مرکز تماس است که در پایان آن قادر خواهید بود که مجموعه مخابراتی خصوصی درون سازمانی را راه اندازی نمایید. یادگیری این آموزش برای متخصصین بخش IT الزامی است چون که طراحی و پیاده سازی سیستم های تلفن مبتنی بر شبکه در کاهش هزینه های ارتباطات تلفنی هر سازمان، از اهمیت ویژه ای برخوردار است. از جمله مزایای آموزش ایزابل (Issabel) که می توان به ان اشاره کرد، ارزان تر بودن تماس های راه دور از طریق VOIP، عدم نیاز به کابل کشی خطوط تلفن، امکان برقرارسازی ارتباط دفاتر مختلف، یکپارچه سازی سیستم تلفنی و سهولت در مانیتورینگ مرکز تماس است.

این فرادرس به بررسی درس مدارهای مخابراتی که از جمله درس های اصلی رشته مهندسی برق در گرایش های الکترونیک و مخابرات است، می پردازد. پیچیدگی بالای مفاهیم درس از یک سو و فرصت محدود ارائه درس در دانشگاه از سوی دیگر، سبب می شود که دانشجویان در درک مطالب با مشکل مواجه شوند. در این آموزش تلاش شده است تا مفاهیم به همراه تصاویر و مثال های مختلف تحلیل شوند و با استفاده از بیان شیوا، ابهامات دانشجویان کاسته شود.

نرم افزار شبیه سازی HFSS که مخفف High Frequency Structure Simulation است یکی از کاربردی ترین نرم افزارهای موجود در زمینه مخابرات میدان به شمار می رود. از این نرم افزار برای شبیه سازی انواع ساختارهای فرکانس بالا از قبیل فیلترها، آنتن ها، کوپلرها و سایر محیط های انتشار موج استفاده می شود. برای داشتن حداقل های مورد نیاز برای اشتغال در زمینه مخابرات میدان، باید با این نرم افزار آشنا شویم.

آنتن های میکرواستریپ با استفاده از تکنولوژی Printed - Circuit ساخته شده اند و از لحاظ مکانیکی بادوام و از نظر هزینه ارزان هستند. این آنتن ها به علت سبکی وزن، ابعاد کوچک، انعطاف پذیری بالا و سهولت مجتمع شدن با مدارات مایکروویو در سیستم های مخابرات بی سیم، مانند: تلفن های سلولی، رادارها و مخابرات ماهواره کاربردهای فراوان دارند. در این فرادرس، پیش از آن که مباحث مقدماتی آنتن های پچ مایکرواستریپ مورد بررسی قرار گیرد، به معرفی پارامترهای ضروری آنتن ها پرداخته شده و سپس طراحی آن با نرم افزار​ ​​​CST مطرح می شود.

ابزار بسیار زیادی در برقراری ارتباط موثر هستند که آنتن یکی از مهمترین اجزا است. امروزه آنتن ها دارای اشکال مختلفی هستند که هر کدام به منظور کاربرد خاصی طراحی و ساخته می شوند، اما اصول طراحی آنتن در همه آن ها یکسان است، بنابراین یک مهندس مخابرات، ابتدا باید اصول طراحی آنتن را بداند و سپس متناسب با کاربرد مورد نظر یک مدل آنتن خاص را انتخاب کرده و طراحی کند. قبل از شناخت آنتن های مختلف نیاز است که با مفاهیم پایه و اساسی و اصول طراحی آنتن آشنا شویم. در این فرادرس، به بررسی درس آنتن ۱ می پردازیم تا دانشجویان رشته مهندسی برق علاقه مند به گرایش مخابرات بتوانند به سادگی با مفاهیم اولیه طراحی و تحلیل آنتن آشنا شوند و مطالب را با سرعت بیشتر و به صورت ساده تر از کلاس درسی خود یاد بگیرند.

در آموزش مخابرات ۱ به تحلیل و طراحی بخش مهمی از سیستم های مخابرات آنالوگ یعنی مدولاسیون پرداختیم. در این آموزش قصد داریم با استفاده از نرم افزار متلب (MATLAB) به پیاده سازی انواع مدولاسیون ها و دمدولاسیون هایی که در درس مخابرات ۱ به صورت کامل ارائه شد، بپردازیم.

یکی از مهم ترین متغیرهای موجود، متغیر تصادفی گوسی (Gaussian) است که در سیستم های مخابراتی جهت مدل کردن کانال AWGN به کار برده می شود. همچنین به منظور شبیه سازی انواع کانال در سیستم های مخابراتی Wireless و Wireline گاهی لازم است که انواع توزیع متغیرهای تصادفی مانند: Poisson, Rayleigh و Ricean را در نظر گرفت و کانال مدنظر را بر مبنای آن ها مدل کرد. به منظور دست یابی به اطلاعات کامل در مورد انواع متغیرهای تصادفی لازم است که تابع چگالی احتمال آن ها معرفی گردد. اهمیت این متغیرهای تصادفی تا آنجا است که در پایان نامه های دانشجویان نیز وارد شده و جزو جدایی ناپذیر آن ها محسوب می شود. در این آموزش سعی شده است تا انواع متغیرهای تصادفی شناخته شده تاکنون معرفی گردند و شبیه سازی آن ها در متلب به صورت کامل انجام پذیرد.

در زندگی روزمره، تکنولوژی پر قدرتی که امکان برقراری ارتباط تقریباً فوری با مردم سراسر دنیا را فراهم کرده است، تکنولوژی مخابرات می باشد. امروزه تکنولوژی های نوین مخابراتی چگونگی انجام کارها را تغییر داده است. صنایع مخابراتی با سرعتی باورنکردنی در هم ادغام می شوند و مرز بین فناوری آن ها و شرکت های سخت افزار کامپیوتری کمتر شده است. با این گسترش نمایی تکنولوژی، نمی توان با اطمینان گفت که پنجاه سال دیگر، دنیا چگونه خواهد بود ولی داشتن پایه ای قوی در نظریه مخابرات، حفظ خلاقیت و توجه به رسوم و کاربرد تکنولوژی و داشتن مهارت های قوی در حل مسئله، مهندس مخابرات را قادر می سازد تا به شکل دهی دنیای آینده بپردازد.

در این فرادرس، سعی بر آشنایی با محیط لی اوت، تعریف Substrate و... به همراه چندین مثال از جمله: طراحی و شبیه سازی یک تقسیم کننده توان، طراحی یک فیلتر پایین گذر و... به کمک خطوط مایکرواستریپ را داریم. لازم به ذکر است در این آموزش تمامی نکات و مهارت های عملی مورد نیاز برای ورود به دنیای طراحی لی اوت مدارات مخابراتی، به ساده ترین و روان ترین شکل ممکن و به صورت کاملا عملی به همراه مثال هایی، ارائه شده است.

از آن جا که بهبود ارتباطات ما و گسترش سیستم های ارسال و دریافت پیام، بر پایه پیشرفت عملکرد آنتن ها است، بنابراین ضروری است که نحوه عملکرد انواع ساختارهای آنتنی را به خوبی بشناسیم تا بتوانیم متناسب با نیاز خود، آنتن های مختلفی را طراحی و از آن ها استفاده کنیم. در این فرادرس، تمامی مباحث مربوط به درس آنتن پیشرفته مقطع کارشناسی ارشد، براساس سرفصل ها و مراجع معتبر ارائه شده در دانشگاه های برتر، قرار داده شده است. شما می توانید بدون نیاز به صرف وقت زیادی در کلاس درس و یا مطالعه کتاب های حجیم، به راحتی با مفاهیم پیچیده موجود در این درس از جمله، توانایی تحلیل، طراحی و ساخت یک آنتن با کاربردی خاص، آشنا شوید.

سونار (Sonar) سیستمی برای ناوبری و تشخیص فاصله توسط امواج صوتی (Sound Navigation and Ranging) است. سونار را می توان به نوعی رادار زیرآبی اطلاق کرد که با استفاده از صوت در تمامی فرکانس ها به جای امواج رادیویی، محیط را پایش می کند. در این آموزش به طور کامل اصطلاحات سوناری و مخابرات زیر آب تشریح می‌ شوند و انواع مختلف سونارها و نحوه عملکرد آن ها مطرح می ‌شود. تاریخچه آکوستیک زیر آب و مباحث صوت شناسی و رفتار صوت در محیط زیر آب از دیگر موضوع ‌هایی است که در این آموزش تشریح می ‌شوند. سرانجام برخی از مباحث محیطی زیر آب و عملکرد یک سونار با استفاده از نرم افزار متلب کدنویسی شده و شبیه ‌سازی می‌ گردد.

سیستم های مخابراتی زمینه ساز شگرف ترین تحولات در دو دهه اخیر در سراسر دنیا بوده اند، به گونه ای که دنیای کنونی بدون مخابره اطلاعات و ارتباطات غیر قابل تصور است. یکی از عوامل اصلی تحولات سیستم های مخابراتی، استفاده از فیبر نوری و به کارگیری فناوری های مخابرات نوری در زیرساخت های مخابراتی است. در این آموزش می خواهیم به بررسی و آموزش نرم افزار اپتی سیستم برای طراحی و آنالیز سیستم های مخابرات نوری که مناسب برای علاقه مندان به مباحث مهندسی برق و مهندسی اپتیک و لیزر است، بپردازیم. این آموزش به گونه ای است که اصلی ترین مباحث سیستم های نوری را در بردارد که در هر درس به توضیح، ذکر کاربرد و شبیه سازی آن می پردازیم. در انتهای این آموزش خواننده توانایی شبیه سازی و عیب یابی سیستم های مخابرات فیبر نوری را خواهد داشت.

در این درس ابتدا مفاهیم اولیه طراحی فیلتر و روش های سنتز مدار مورد بررسی قرار گرفته و سپس طراحی و پیاده سازی مداری فیلترهای آنالوگ فعال و غیر فعال ارائه می شود. در این آموزش، سعی بر آن است تا آموزش طراحی فیلتر، مناسب با دیدگاه یک مهندس طراح که علاقه مند به ساخت مداری فیلتر است، مطرح شود. در این راستا از نرم افزارهای موجود در زمینه مهندسی برق نظیر MATLAB و PSpice نیز استفاده شده است.

در این فرادرس آموزشی، کار با نرم افزار HFSS، طی انجام یک مثال کاربردی آموزش داده می شود. مثالی که در این آموزش، ارائه شده است، طراحی آنتن مایکرواستریپ ساده است. در این آموزش سعی شده است به صورت کامل و گام به گام، مفاهیم مرتبط با حل مثال، ارائه گردد.

زمان زیادی از اولین باری که گراهام بل اولین پیام مخابراتی را ارسال و دریافت نمود، نمی گذرد. اکنون و در عصر حاضر که به عصر ارتباطات معروف است، داشتن معلومات عمومی در حوزه علوم ارتباطات و در عمل مخابرات آنالوگ و دیجیتال، امری مفید بوده چه برسد که این معلومات تخصصی و فنی باشد. بر همین اساس، این آموزش به دادن اطلاعات بیشتر در حوزه مخابرات آنالوگ و به خصوص دیجیتال اختصاص داشته و مخاطبان خود را به کسب اطلاعات بیشتر در این حوزه تشویق و ترغیب می کند.

در این فرادرس ابتدا در خصوص ساختار موج برها و رفتار نور در آن و همچنین قوانین اپتیک خطی در فیبر نوری خواهیم پرداخت و در ادامه دو پدیده کاهندگی و پاشندگی را مورد بررسی قرار خواهیم داد. در پایان هر درس تمام فرایندهای یاد شده را با استفاده از نرم افزار MATLAB کدنویسی و اجرا خواهیم کرد. اهمیت آشنایی با مباحث عنوان شده در این آموزش از چند جهت قابل توجه است، اول این که برای استفاده از ابزار قدرتمند Simulink Models ابتدا خواننده باید با فیزیک موضوع و همچنین منطق نرم افزاری متغیرها و توابع موجود در مساله آشنا گردد که به همین منظور، در مرحله مقدماتی کلیه روابط و کمیت ها از طریق کدنویسی در MATLAB محاسبه خواهد شد و همچنین گسترش برنامه نویسی در کنار شبیه سازی Simulink فرصتی مناسب برای دانشجویانی خواهد شد که دسترسی به آزمایشگاه های مجهز مخابرات نوری ندارند که گاهی با صرف هزینه های سنگین مالی نیز، همراه خواهد بود.

در این آموزش روش های مختلف کدگذاری یک بردار پیام برای ارسال روی کانال و مقابله با رخداد خطا معرفی می شوند. روش های کدگذاری در مقابل روش ارسال های تکراری برای تصحیح خطا، سرعت ارسال را افزایش می دهند. برای هر روش کدگذاری، یک روش کدبرداری مناسب نیاز است که در این آموزش مورد بررسی قرار می گیرد، همچنین در مورد مشخصات هر کد، از جمله: طول کد، کمترین فاصله بردارهای کد، توانایی کد در تشخیص و تصحیح خطا که برای طراحی کد مناسب مورد نیاز است، بحث شده است.

در این آموزش سعی شده است تا تست های کنکور سراسری تجزیه و تحلیل سیگنال ها و سیستم ها تا سال ۹۶ حل شوند و در بعضی قسمت ها، تست های کنکور آزاد نیز حل شده است. همچنین تا حد ممکن، فرمول های استفاده شده به همراه اثبات آنها برای حل تست ها به کار برده شده است، به گونه ای که بعد از مشاهده این آموزش، روش حل کردن سؤالات را بدون نیاز به حفظ کردن فرمول های جانبی، خواهید آموخت.

مدل کردن جهان حقیقی، امری بسیار مشکل است. دانشمندان و مهندسان، محیط‌ های مختلفی را مورد مطالعه قرار داده اند و راهکارهایی جهت مدل‌ کردن آن ها ارائه‌ نموده اند. به عنوان نمونه سیگنال دریافتی را می‌ توان با استفاده از دو پدیده متعادل‌ سازی سیگنال دریافتی و بررسی اثر نویز شرح داد. در ادامه به معرفی برخی از مدل‌ ها و کاربرد آن ها می پردازیم. در این آموزش سعی می کنیم انتشار سیگنال در محیط‌ های مختلف را بررسی کنیم. در ادامه به منظور شبیه‌ سازی تاثیرات ناشی از پراش، بازتاب و پراکندگی سیگنال توسط سازه های اطراف در یک محیط شهری و شبیه‌ سازی محوشدگی رایلی (Rayleigh) و رایسین (Rician)، به سراغ مدل‌ های مطرح شده می رویم و به شبیه سازی آن ها در MATLAB می پردازیم.

.

طراحی و آنالیز سیستم های مخابرات نوری به شدت پیچیده و زمان بر است به طوری که تنها به کمک شبیه سازی های رایانه ای و نرم افزاری قادر به انجام این کار هستیم. نرم افزار آپتی سیستم (OptiSystem) یک شبیه ساز سیستم های نوری است که می توان از آن برای شبیه سازی، تست و بهینه سازی هر گونه سیستم های مخابرات نوری اعم از: آنالوگ و دیجیتال استفاده کرد. در این آموزش می خواهیم به بررسی و آموزش نرم افزار آپتی سیستم برای طراحی و آنالیز سیستم های مخابرات نوری که مناسب برای علاقه مندان به مباحث مهندسی برق و مهندسی اپتیک و لیزر است، بپردازیم. دروس این آموزش به گونه ای است که در برگیرنده اصلی ترین مباحث سیستم های نوری است و در هر درس به توضیح، ذکر کاربرد و شبیه سازی آن می پردازیم. در انتهای این آموزش، مخاطب توانایی شبیه سازی و عیب یابی سیستم های مخابرات فیبر نوری (Optical Fiber) را خواهد داشت.

آنتن های SIW موج برهایی برای استفاده در مایکروویو هستند که تمام معایب ساختارهای میکرواستریپی و موج بری از آن حذف و مزایای این ساختارها به آن اضافه شده است. HFFS از معروف ترین و قوی ترین شبیه ساز برای پیش بینی و شبیه سازی موج ها در فرکانس های بالا محسوب می شود. در این آموزش ساختار SIW، موارد انتشار، روش های ترسیم و در آخر روش های رسم و گزارش نتایج مطرح و بررسی می شود. هدف این فرادرس طراحی و شبیه سازی با استفاده از نرم افزار HFFS  است.

مدارات الکترونیک به گونه ای هستند که بین طراحی آن ها به صورت تئوری تا پیاده سازی آن ها فاصله زیادی است. در واقع اگر یک مهندس الکترونیک، مداری را بر روی کاغذ طراحی کند و بخواهد مستقیما این مدار را به صورت عملی پیاده سازی کند، احتمال اینکه مدار پاسخ صحیحی را بدهد، بسیار کم خواهد بود. به همین منظور برای اینکه طراح از بابت پاسخ صحیح مدار اطمینان حاصل کند، نیاز دارد تا توسط یک نرم افزار، مدار در محیطی شبیه سازی شود. برای اطمینان از نحوه عملکرد مدارات الکترونیکی، بهترین روش پس از طراحی، استفاده از نرم‌ افزارهای شبیه ‌سازی است. نرم افزارهای مختلفی جهت انجام این شبیه سازی طراحی شده اند. یکی از این نرم افزارها، AWR است. نرم افزار AWR، یک نرم افزار بسیار قوی برای انجام شبیه سازی های فرکانس پایین و بالا است. در این آموزش سعی می شود که یک معرفی کلی از این نرم افزار انجام شود و سپس با مثال های مختلف، کاربردهای مختلف این نرم افزار به دانشجویان عزیز آموخته شود.

در برخی دروس کارشناسی و کارشناسی ارشد، مانند: مخابرات دیجیتال، مخابرات آنالوگ و کدگذاری با انواع روش های ارسال داده آشنا می شوند و مبانی آن را به صورت دقیق مورد تجزیه و تحلیل قرار می دهند. امروزه مباحث آشکارسازی صحیح خطا و انواع روش های کدگذاری سیستم جهت کاهش خطا مورد پژوهش بسیاری از محققان است و بسیاری از مقالات بر روی تکنیک های کاهش هم شنوایی و تداخل به وجود آمده در سیستم های مخابراتی ارائه می گردند. در این آموزش به بررسی وقوع خطا در گیرنده های دیجیتال می پردازیم و برخی روش های ارسال و دریافت داده را مورد بررسی قرار می دهیم. ابتدا مباحث مورد نظر به صورت تئوری بررسی می شود و در ادامه تمام موارد، در نرم افزار متلب پیاده سازی می شود.

این مجموعه آموزشی به معرفی و آموزش یکی از شبیه سازهای قدرتمند شبکه های کامپیوتری به نام OPNET می پردازد. شبکه های کامپیوتری به کلاسی از سیستم های فیزیکی و منطقی تعلق دارند که این سیستم ها می توانند مدل شده و مورد بررسی قرار گیرند. OPNET یک محیط مجازی شبکه را مدل سازی می کند که شامل رفتار مسیریاب ها، سوئیچ ها، پروتکل ها، سرورها، کامپیوترهای شخصی و برنامه های کاربردی است.

در این فرادرس تصمیم داریم راجع به سیستم های مخابرات نوری و منبع نوری صحبت کنیم. انواع سوئیچ های نوری، مالتی و دی مالتی پلکسرها، نوع کارکردشان در سیستم های مخابرات نوری و همچنین راجع به مبدل های طول موج یا مدولاتورها و آشکارسازها بررسی می شوند. اینکه اصلا چه کاربردی دارند و چرا باید در سیستم های مخابرات نوری استفاده شوند. در واقع هدف ما در سیستم های مخابرات نوری انتقال نور با بهترین کیفیت و کمترین تلفات و بهترین سرعت است که با بررسی انواع سیستم ها به این موضوع رسیدگی می کنیم.

امروزه به دلیل امکان حذف اثرات سیگنال های مخرب بر روی سیگنال مطلوب، پردازش سیگنال در حوزه های آنالوگ و دیجیتال اهمیت فراوانی یافته است. به عنوان نمونه، می توان به پردازش سیگنال های تصویر، صوت، سیگنال های پزشکی و… اشاره نمود. پردازش سیگنال های ذکر شده با استفاده از تبدیل هایی نظیر تبدیل فوریه، تبدیل فوریه زمان کوتاه و تبدیل موجک (ویولت) صورت می گیرد. ساختار پایه ای این تبدیل ها، بانک های فیلتر FIR می باشند. با استفاده از این ساختار، تقریبی در حوزه آنالوگ صورت می گیرد که باعث افزایش سرعت پردازش می گردد.

در زمینه پردازش سیگنال دیجیتالی، جداسازی سیگنال های مرکب دریافتی و استخراج اطلاعات مورد نظر از آن ها، اهمیت ویژه ای دارد. از آن جایی که اطلاعات کافی از نحوه ترکیب سیگنال ها با یکدیگر در دسترس نیست و سیگنال های منبع غیرقابل مشاهده هستند، مساله جداسازی کور سیگنال ها را پیش رو خواهیم داشت که یکی از مهم ترین مسائل شاخه پردازش سیگنال های دیجیتالی محسوب می شود.

فیلترهای وفقی (تطبیقی) به فیلترهایی اطلاق می شود که می توانند پارامترهای خود را به نحوی تغییر دهند که توانایی پاسخ به تغییرات محیط اطراف خود با توجه به اهداف خاصی را دارا باشند. این فیلترها دارای کاربردهای وسیعی هستند که از جمله آن ها می توان به مواردی همچون: شناسایی سیستم ها، تخمین کانال، طراحی جبران ساز، تحلیل طیفی سیگنال ها و کنسل نمودن پژواک در خطوط تلفن اشاره نمود. هدف از ارائه این فرادرس، معرفی مفهوم فیلترهای وفقی دیجیتال، ساختارهای پیاده سازی این فیلترها و برخی از مهم ترین الگوریتم های وفقی به همراه بررسی برخی از کاربردهای آن ها است.

توسعه روزافزون سیستم های بی سیم و تبادل اطلاعات بین کاربران مختلف در اقصی نقاط دنیا، نیاز انسان به شناخت، توسعه و تکمیل دانش مخابرات را بیش از پیش نمایان می سازد. سیستم هایی که تحت عنوان مخابرات بی سیم شناخته می شوند، بسیار متنوع بوده و کاربردهای گوناگونی دارند. در این آموزش به ذکر مفاهیم پایه سیستم های مخابرات بی سیم پرداخته می شود و یک مدل بسیار پرکاربرد یعنی سیستم های مخابرات سلولی مورد ارزیابی قرار می گیرد. در انتهای آموزش، مخاطب توانایی شناخت سیستم های بی سیم، استانداردهای آن و نحوه مقابله با مشکلات را فرا گرفته و قادر است که یک سیستم مخابرات سلولی را تشریح کند.

در این فرادرس پیاده سازی سیستم های تشخیص شکاف در سازه های فلزی ارائه می شود. همچنین مقدمات آشنایی با سیستم های پایش آسیب و تئوری تشخیص و همچنین ادوات مایکروویوی به کار رفته در سیستم های SHM بخش های اصلی این آموزش را تشکیل می دهند که با استفاده از نرم افزار شبیه ساز CST Studio Suite، مدل سازی می گردند.