فرستنده چیست؟ اجزا، طرز کار و انواع فرستنده

فرستنده (Transmitter) دستگاهی است که اطلاعاتی مانند صدا، تصویر یا داده را به سیگنالی تبدیل می کند که بتواند از طریق یک محیط انتقال به مقصد برسد. در بیشتر سیستم های مخابراتی، فرستنده سیگنال الکتریکی را به امواج الکترومغناطیسی یا سیگنال نوری تبدیل می کند تا از طریق هوا، کابل یا فیبر نوری منتقل شود.

فرستنده ها در رادیو، تلویزیون، تلفن همراه، شبکه های بی سیم، ارتباطات ماهواره ای، رادار و بسیاری از دستگاه های روزمره مانند کنترل از راه دور به کار می روند. در طرف دیگر هر ارتباط، یک [گیرنده] قرار دارد که سیگنال را دریافت و اطلاعات را از آن استخراج می کند. به دستگاهی که هم فرستنده و هم گیرنده دارد، فرستنده گیرنده (Transceiver) گفته می شود؛ مانند گوشی همراه و مودم وای فای.

در این مقاله با طرز کار فرستنده، اجزای آن و انواع مختلف فرستنده آشنا می شوید.

فرستنده چگونه کار می کند؟

رایج ترین نوع فرستنده، فرستنده رادیویی است که با کمک یک آنتن، امواج رادیویی را برای ارسال اطلاعات تولید می کند.

1. فرستنده انرژی را از منبع تغذیه می گیرد و آن را به یک جریان متناوب با فرکانس رادیویی تبدیل می کند. این جریان بسته به باند کاری فرستنده، میلیون ها تا میلیاردها بار در ثانیه جهت خود را تغییر می دهد.

2. اطلاعات (صدا، تصویر یا داده) از طریق فرایند مدولاسیون روی این سیگنال قرار می گیرد.

3. سیگنال مدوله شده تقویت شده و به آنتن فرستاده می شود.

4. جریان متناوب سریع در آنتن، امواج الکترومغناطیسی را به فضا تابش می کند.

5. این امواج توسط آنتن گیرنده دریافت و به سیگنال الکتریکی تبدیل می شوند.

اجزای فرستنده

منبع تغذیه

منبع تغذیه انرژی الکتریکی لازم برای تولید سیگنال فرکانس رادیویی و کار سایر مدارهای فرستنده را تامین می کند. پایداری منبع تغذیه برای عملکرد قابل اعتماد فرستنده اهمیت زیادی دارد. انواع رایج منبع تغذیه در فرستنده ها عبارت اند از:

• باتری

• مبدل AC به DC

• منبع تغذیه بدون وقفه (UPS)

• منبع تغذیه سوئیچینگ

• منبع تغذیه خطی

نوسان ساز

نوسان ساز موج حامل را تولید می کند؛ یعنی سیگنالی با فرکانس مشخص که اطلاعات روی آن قرار می گیرد. فرکانس موج حامل باید بسیار دقیق و پایدار باشد تا فرستنده دقیقا روی کانال مجاز خود کار کند و گیرنده بتواند سیگنال را درست دریافت کند. انواع رایج نوسان ساز در فرستنده ها عبارت اند از:

نوسان ساز کریستالی

این نوسان ساز از یک بلور کوارتز به عنوان تشدیدگر استفاده می کند و فرکانسی بسیار دقیق و پایدار تولید می کند.

نوسان ساز کنترل شده با ولتاژ (VCO)

در VCO، فرکانس خروجی با تغییر یک ولتاژ کنترلی تنظیم می شود. این کار معمولا با قطعه ای مانند دیود وراکتور انجام می شود که ظرفیت آن با ولتاژ تغییر می کند. VCOها در فرستنده های FM و در مدارهای سنتز فرکانس کاربرد دارند.

حلقه قفل فاز (PLL)

حلقه قفل فاز یک سیستم بازخوردی است که فرکانس خروجی یک VCO را به یک فرکانس مرجع بسیار دقیق، معمولا از یک نوسان ساز کریستالی، قفل می کند. با PLL می توان فرکانس های مختلف را با دقت و پایداری بالا تولید کرد و به همین دلیل در بیشتر فرستنده های امروزی برای سنتز فرکانس استفاده می شود.

مدولاتور

مدولاتور اطلاعات را روی موج حامل قرار می دهد. این کار با تغییر دامنه، فرکانس یا فاز حامل مطابق با سیگنال اطلاعات انجام می شود. انتخاب نوع مدولاسیون به عواملی مانند کیفیت سیگنال مورد نیاز، پهنای باند و مقاومت در برابر نویز و تداخل بستگی دارد:

• مدولاسیون دامنه (AM): دامنه حامل متناسب با دامنه سیگنال اطلاعات تغییر می کند. در رادیو AM استفاده می شود.

• مدولاسیون فرکانس (FM): فرکانس حامل متناسب با دامنه سیگنال اطلاعات تغییر می کند. در رادیو FM استفاده می شود.

• مدولاسیون فاز (PM): فاز حامل متناسب با دامنه سیگنال اطلاعات تغییر می کند. شکل دیجیتال آن (PSK) در ارتباطات دیجیتال و ماهواره ای بسیار رایج است.

• مدولاسیون دامنه تربیعی (QAM): ترکیبی از مدولاسیون دامنه و فاز که برای انتقال داده دیجیتال با سرعت بالا در تلویزیون کابلی دیجیتال، وای فای و شبکه های تلفن همراه استفاده می شود.

برای آشنایی دقیق تر با این روش ها، مقاله مدولاسیون را بخوانید.

تقویت کننده RF

تقویت کننده فرکانس رادیویی توان سیگنال مدوله شده را پیش از ارسال به آنتن، به سطح لازم برای پوشش ناحیه مورد نظر می رساند. این تقویت کننده تلفات خط انتقال، کانکتورها و فیلترها را نیز جبران می کند. محدوده کاری آن بسته به کاربرد، از کمتر از یک مگاهرتز تا چندین گیگاهرتز است.

در مدولاسیون هایی که اطلاعات در دامنه سیگنال قرار دارد، مانند AM و QAM، تقویت کننده باید خطی باشد تا شکل سیگنال حفظ شود. اما در FM که دامنه ثابت است، می توان از تقویت کننده های غیرخطی با بازده بالاتر استفاده کرد.

تقویت کننده های RF با فناوری های مختلفی ساخته می شوند؛ از لامپ های خلأ در فرستنده های پرقدرت قدیمی تا ترانزیستورهای دوقطبی، ترانزیستورهای اثر میدان (FET) و ترانزیستورهای نیترید گالیم (GaN) در فرستنده های امروزی. این تقویت کننده ها معمولا مدارهای فیلتر برای حذف هارمونیک ها، تطبیق امپدانس و حفاظت در برابر اضافه بار ورودی و آسیب دارند.

مدار تطبیق امپدانس (تیونر آنتن)

مدار تطبیق امپدانس امپدانس آنتن را با امپدانس خروجی فرستنده هماهنگ می کند تا بیشترین توان از فرستنده به آنتن منتقل شود. امپدانس خروجی فرستنده معمولا مقدار استانداردی مانند ۵۰ اهم دارد، اما امپدانس آنتن به ساختار و فرکانس کاری آن بستگی دارد.

اگر این دو امپدانس با هم تطابق نداشته باشند، بخشی از توان به سمت فرستنده بازتاب می شود. این کار هم توان ارسالی را کاهش می دهد و هم ممکن است به تقویت کننده آسیب بزند. مدار تطبیق امپدانس از قطعاتی مانند سلف، خازن و ترانسفورماتور ساخته می شود که می توان آنها را برای تطبیق امپدانس تنظیم کرد.

آنتن

آنتن سیگنال الکتریکی فرکانس رادیویی را به امواج الکترومغناطیسی تبدیل کرده و آن را در فضا منتشر می کند. اندازه و شکل آنتن به فرکانس کاری و الگوی تابش مورد نیاز بستگی دارد.

مشخصات مهم فرستنده

• توان خروجی: تعیین کننده برد و محدوده پوشش فرستنده

• محدوده و پایداری فرکانس: دقت فرستنده در کار روی کانال مجاز

• نوع مدولاسیون: تعیین کننده کیفیت، سرعت انتقال و مقاومت در برابر نویز

• بازده: نسبت توان ارسالی به توان مصرفی

• انتشار ناخواسته: میزان هارمونیک ها و سیگنال های ناخواسته که نباید با کانال های دیگر تداخل ایجاد کنند

استفاده از فرستنده های رادیویی تابع مقررات ملی و بین المللی تخصیص فرکانس است. در ایران، سازمان تنظیم مقررات و ارتباطات رادیویی بر استفاده از طیف فرکانسی نظارت می کند و بسیاری از فرستنده ها برای کار نیاز به مجوز دارند.

انواع فرستنده

بسته به کاربرد و استاندارد ارتباطی، انواع مختلفی از فرستنده ها وجود دارد. بسیاری از دستگاه های امروزی، مانند گوشی همراه، همزمان چند فرستنده مختلف مانند وای فای، بلوتوث، NFC و فرستنده شبکه تلفن همراه دارند.

فرستنده رادیویی

فرستنده رادیویی امواج رادیویی را برای ارسال صدا یا داده از یک نقطه به نقطه دیگر تولید می کند. برای مثال، در یک ایستگاه رادیویی، سیگنال صوتی از میکروفون یا منابع صوتی دیگر تامین و تقویت می شود، سپس روی فرکانس حامل تولید شده توسط نوسان ساز مدوله شده و در نهایت از طریق آنتن به صورت امواج رادیویی منتشر می شود.

فرستنده تلویزیون

فرستنده تلویزیون سیگنال های صوتی و تصویری را از ایستگاه پخش به گیرنده های تلویزیون می رساند. این فرستنده سیگنال ها را روی فرکانس کانال مشخصی مدوله و تقویت کرده و از طریق آنتن منتشر می کند تا در فواصل دور توسط آنتن های خانگی دریافت شود. امروزه بیشتر فرستنده های تلویزیونی به صورت دیجیتال کار می کنند.

فرستنده بلوتوث

فرستنده بلوتوث داده و صدا را در فاصله کوتاه و به صورت بی سیم منتقل می کند. یک کاربرد رایج آن، دستگاه های کوچکی است که به تلویزیون، سیستم صوتی یا رایانه فاقد بلوتوث وصل می شوند تا صدا را به هدفون یا بلندگوی بلوتوثی بفرستند.

برد رایج بیشتر دستگاه های بلوتوث حدود ۱۰ متر است، اما برخی دستگاه ها برد بیشتری دارند. بلوتوث در باند ۲.۴ گیگاهرتز کار می کند.

فرستنده ماهواره ای

ارتباطات ماهواره ای دو بخش فرستنده دارند:

• فرستنده ایستگاه زمینی (آپ لینک): سیگنال ها را از زمین به ماهواره ارسال می کند و معمولا آنتن های بزرگ و پرقدرتی دارد.

• فرستنده ماهواره (داون لینک): سیگنال دریافتی را پس از تقویت و تغییر فرکانس، به سمت زمین بازمی فرستد.

ارتباطات ماهواره ای برای انتقال سیگنال های تلویزیون و رادیو، اطلاعات هواشناسی، داده های مخابراتی و ارتباط در مناطق دورافتاده استفاده می شود.

فرستنده وای فای

روتر یا نقطه دسترسی بی سیم شامل فرستنده و گیرنده وای فای است. این دستگاه داده ها را از طریق کابل یا شبکه از اینترنت دریافت می کند و به صورت بی سیم به دستگاه های اطراف می فرستد. وای فای معمولا در باندهای ۲.۴ و ۵ گیگاهرتز کار می کند.

فرستنده NFC

NFC (ارتباط میدان نزدیک) فناوری ارتباط بی سیم بسیار کوتاه برد است که در فرکانس ۱۳.۵۶ مگاهرتز کار می کند. فرستنده NFC یک میدان الکترومغناطیسی ایجاد می کند که می تواند داده یا حتی انرژی را بین دستگاه هایی که در فاصله چند سانتی متری هم قرار دارند منتقل کند.

یک سیستم NFC از آنتن، تراشه کنترل و نرم افزار تشکیل شده است و برای پرداخت بدون تماس، کارت های هوشمند و تبادل سریع اطلاعات بین گوشی ها استفاده می شود.

فرستنده مادون قرمز

فرستنده مادون قرمز با یک LED مادون قرمز یا دیود لیزری، نور نامرئی در ناحیه فروسرخ تولید می کند. این نور برای انتقال اطلاعات مدوله می شود و توسط گیرنده مادون قرمز دریافت می شود.

رایج ترین کاربرد آن، کنترل از راه دور تلویزیون، کولر و سایر وسایل الکترونیکی است. در این کنترل ها، نور مادون قرمز معمولا با فرکانسی حدود ۳۸ کیلوهرتز مدوله می شود تا از نور محیط تشخیص داده شود. پروتکل IrDA نیز برای انتقال داده با نور مادون قرمز استفاده می شد.

ردیاب GPS

ماهواره های GPS سیگنال هایی ارسال می کنند که گیرنده GPS با دریافت آنها، موقعیت، ارتفاع و سرعت خود را محاسبه می کند. دستگاهی که به آن ردیاب GPS یا گاهی «فرستنده GPS» گفته می شود، یک گیرنده GPS به همراه یک فرستنده شبکه تلفن همراه یا ماهواره ای است که موقعیت محاسبه شده را به یک سرور، گوشی یا رایانه ارسال می کند.

ردیاب های GPS در مدیریت ناوگان، ردیابی خودرو و کالا، ردیابی افراد و حیات وحش کاربرد دارند.

فرستنده رادار

فرستنده رادار پالس ها یا سیگنال های رادیویی پرقدرتی تولید می کند که پس از برخورد به اجسام بازمی گردند. ویژگی هایی مانند شکل، فرکانس و مدت پالس طوری تنظیم می شوند که سیستم رادار بتواند فاصله، سرعت و جهت اهداف را تعیین کند. در فرستنده های رادار از قطعاتی مانند مگنترون، کلیسترون یا تقویت کننده های حالت جامد استفاده می شود.

فرستنده لیزری

فرستنده لیزری سیگنال های الکتریکی را به یک پرتو لیزر بسیار متمرکز تبدیل می کند و در کاربردهای زیر استفاده می شود:

• ارتباطات فیبر نوری: انتقال داده با سرعت و پهنای باند بسیار بالا در فواصل طولانی

• سیستم های اندازه گیری لیزری: اندازه گیری دقیق فاصله و موقعیت بر اساس اصل زمان پرواز، یعنی زمان رفت و برگشت پرتو لیزر پس از بازتاب از هدف، مانند سیستم های لایدار

• حکاکی لیزری و نشانگرهای لیزری

سوالات متداول درباره فرستنده

فرستنده چه کاری انجام می دهد؟

اطلاعاتی مانند صدا، تصویر یا داده را روی یک موج حامل قرار داده، تقویت کرده و از طریق آنتن یا فیبر نوری ارسال می کند.

اجزای اصلی فرستنده کدام اند؟

منبع تغذیه، نوسان ساز، مدولاتور، تقویت کننده RF، مدار تطبیق امپدانس و آنتن.

تفاوت فرستنده و فرستنده گیرنده چیست؟

فرستنده فقط ارسال می کند، اما فرستنده گیرنده (ترنسیور) هم ارسال و هم دریافت می کند؛ مانند گوشی همراه.

چرا تطبیق امپدانس در فرستنده مهم است؟

چون بدون آن بخشی از توان به فرستنده بازتاب می شود، توان ارسالی کاهش می یابد و ممکن است تقویت کننده آسیب ببیند.

نوسان ساز کریستالی چه مزیتی دارد؟

فرکانس بسیار دقیق و پایداری تولید می کند که برای کار فرستنده روی کانال مجاز ضروری است.

جمع بندی

فرستنده دستگاهی است که اطلاعات را روی یک موج حامل قرار داده، تقویت کرده و از طریق آنتن یا فیبر نوری ارسال می کند. اجزای اصلی آن شامل منبع تغذیه، نوسان ساز، مدولاتور، تقویت کننده RF، مدار تطبیق امپدانس و آنتن هستند. فرستنده ها در انواع رادیویی، تلویزیونی، بلوتوث، وای فای، NFC، ماهواره ای، مادون قرمز، رادار و لیزری عرضه می شوند و پایه تقریبا همه ارتباطات امروزی هستند.

برای آشنایی با محصولات بلورآزما و دانلود رایگان کاتالوگ ها، به صفحه محصولات مراجعه کنید.

منابع

• R. Fernandes, Transmitter and Receiver