اتوماسیون سیستم های توزیع

مقدمه:
با گذشت بیش از یک قرن از طراحی و راه اندازی اولین شبکه انرژی الکتریکی با یک نیروگاه متمرکز و بار توزیع شده در سال 1882 توسط توماس ادیسون، که تعداد 59 مشترک را با ولتاژ 110 ولت مستقیم تغذیه می کرد و مقایسه آن با وضعیت کنونی شبکه های عظیم تامین انرژی الکتریکی می توان علاوه بر مشاهده ی پیشرفت سریع این صنعت به افزایش باور نکردنی تقاضای مصرف کنندگان برای این انرژی پی برد. با افزایش این نیاز شبکه های برق نیز دچار تغییر و گستردگی و پیچیدگی شدند و این گستردگی تا به حدی افزایش پیدا کرد که هم اکنون شبکه های برق رسانی، در سطح تولید، انتقال و توزیع به عنوان عظیم ترین ساخته دست بشر محسوب می شوند. مهم ترین ویژگی این شبکه، به هم پیوستگی آن است، به طوری که ناپایداری در نقطه ای کوچک از شبکه قادر خواهد بود تمام نقاط شبکه را تحت تاثیر قرار دهد و این امر لزوم کنترل و نظارت دقیق را بر قسمت های مختلف شبکه روشن می سازد.
از طرف دیگر انرژی الکتریکی نیز مانند سایر انرژی های دیگر پیرو نظام اقتصادی عرضه و تقاضا می باشد و لذا بالا بردن سود و کاهش هزینه از اصلی ترین ارکان حفظ بقاء آن است. انرژی الکتریکی همواره از سه سطح تولید، انتقال و توزیع مورد بررسی قرار می گیرد. برای افزایش بهره باید برق را با حداقل تلفات از نیروگاه ها به دست مصرف کننده رساند. که در این بین با خصوصی سازی و واگذاری مدیریت بخش های مختلف، هر کدام از سه بخش تولید، انتقال و توزیع باید حداقل تلفات را برای بالا بردن بهره اقتصادی خود ایجاد کنند. داده های آماری بیان گر این مطلب است که بخش عظیمی از تلفات انرژی الکتریکی در سطح توزیع صورت می گیرد، یعنی بخش کم تری از انرژی رسیده به سطح 20KV به مصرف کننده می رسد. این امر سبب شده تا بخش توزیع مورد توجه قرار گرفته و راه هایی برای بالا بردن کارایی آن ایجاد شود.
اتوماسیون یکی از راه هایی است که می تواند با نظارت و مانیتورینگ شبکه توزیع، امکان کنترل پذیری این شبکه را بیش تر کند.
طرح های اتوماسیون در سطوح تولید و انتقال از مدت ها پیش مورد توجه قرار گرفته و انجام شده اند. روند کلی اتوماسیون در سطح جهانی برای سیستم های توزیع از اواسط دهه ی 70 میلادی آغاز شد و تاکنون ادامه دارد.
پایان نامه ی حاضر با عنوان "اتوماسیون سیستم های توزیع" سعی دارد تا در سطحی مشخص به معرفی این سیستم و بررسی ویژگی های آن بپردازد. لازم به ذکر است که اتوماسیون زمینه ای گسترده داشته و پرداختن به همه جوانب آن در یک پایان نامه ی سطح کارشناسی ممکن نمی باشد. این پروژه شامل بیان کلیاتی در مورد اتوماسیون بوده و بیش تر جنبه تئوری دارد ولی در عین حال، هر کجا لازم بوده اشاره ای به پژوهش ها و پروژه های کاربردی و عملیاتی در این زمینه شده است.
پروژه حاضر به دلیل گستردگی مطلب، شامل گرایش های مختلفی ازجمله گرایش های مخابرات، الکترونیک و کنترل می باشد. البته زمینه ی اصلی اتوماسیون توزیع، بنابر کاربرد آن مربوط به گرایش قدرت است لذا آشنایی و تسلط بر مفاهیم مختلف هر گرایش در کنار درک عمیق از سیستم های قدرت زمینه را برای درک مفاهیم آماده می سازد. در طی انجام این پروژه از مساعدت و هم کاری شرکت ها و ارگان های مختلف بهره مند بودیم که از تمامی آن ها خصوصاً بخش "مهندسی توزیع توانیر" و هم چنین "دفتر فنی وپروژه برق منطقه ای خوزستان" کمال تشکر را دارم.
در انتها از لطف و زحمات بی دریغ استاد محترم راهنما، جناب آقای دکتر جمالی آرند کمال سپاس گزاری را دارم.

فصل اول

کلیات اتوما سیون
1-1-کلیاتی در مورد اتوماسیون
در ابتدا برای آشنایی با مفهوم اتوماسیون و وارد شدن به بحث اتوماسیون توزیع لازم است تا توضیحات و چشم اندازی کلی از اتوماسیون مطرح شود.
مفهوم اتوماسیون، مفهوم جدیدی نیست. بحث اتوماسیون در جنبه های مختلف زندگی بشر وارد شده و ریشه آن به ابتدای دوران انقلاب صنعتی بر می گردد. در واقع با اختراع ماشین بخار، ورود سیستم های اتوماتیک که بتوانند وظایف مختلفی را در سطوح گوناگون زندگی بر عهده گیرند، آغاز شد.
سیستم های مختلف ماشینی در زمینه های اداری و صنعتی نمونه هایی از اتوماتیکی شدن محسوب می شوند، اما با گذشت زمان و افزایش و گستردگی این شبکه های مختلف ماشینی با سطوح تکنولوژیکی متفاوت سبب شد تا توجه بهره برداران، به سوی سیستم هایی برای کنترل و بهره برداری از این شبکه های ماشینی معطوف شود. این سیستم های کنترلی و نظارتی در واقع با هدف کاهش خطای انسانی و بالابردن سرعت کنترل سیستم های مختلف بوجود آمده و روز به روز پیشرفت کردند. با گذشت زمان و آشکارشدن قابلیت این سیستم های کنترلی در ارتباط بین سیستم های مجزا و بعضاً ناهمگون، عرصه برای ورود سیستم های اتوماسیون به سطوح غیرماشینی نیز می باشد. از آن جمله می توان به سیستم های اتوماسیون اداری و بایگانی اشاره کرد. در اینجا همین نکته مهم را یادآور می شویم که با ورود اتوماسیون خواه ناخواه سیستم های ماشینی نیز به عرصه وارد می شوند. یعنی برای اجرای اتوماسیون برای سیستم بایگانی و ارتباط آن با دیگر مراکز، ابتدا باید این مراکز به تجهیزات مربوطه مجهز شوند که به این مجهز کردن در اصطلاح. مکانیزاسیون گفته می شود. پس اجرای هر طرح اتوماسیون با شرط اجرای مکانیزاسیون میسر خواهد بود.
شبکه های برق نیز با گستردگی و پیچیدگی خود شاید بیش از سایر سیستم ها به اجرای اتوماسیون محتاج باشند. در این راستا موضوع اتوماسیون در این زمینه مطرح شد. البته این نیاز در سطح توزیع، به خاطر پیچیدگی زیاد شبکه بیشتر احساس می شود.
هر طرح اتوماسیون بدون انجام مکانیزاسیون عملاً بازدهی نخواهد داشت. از همین رو مقدمه اجرای طرح، تغییر در وضعیت وسایل و تجهیزات موجود در سیستم توزیع خواهد بود. در این بخش به بررسی سطوح مختلف اتوماسیون توزیع می پردازیم.

1-2-انواع روشها و سیستم های اتوماسیون شبکه توزیع
در این قسمت به بررسی انواع طرح های اتوماسیون شبکه توزیع و قسمتهائی از شبکه توزیع که امکان اجرای اتوماسیون را دارند می پردازیم.
1-3-انواع سیستم های اتوماسیون شبکه توزیع (Distribution Monitoring)
سیستم مانیتورینگ توزیع اولین نسل از سیستم های اتوماسیون شبکه توزیع بوده و یک سیستم جمع آوری اطلاعات (Data Acquisition) و پردازش اطلاعات می باشد. با اجرای این سیستم، امکان نظارت بر سیستم توزیع و آگاهی از وضعیت تجهیزات شبکه نظیر کلیدها، سکسیونرها و.. نیز مقادیر کمیتهای مهم نظیر ولتاژ، جریان، ضریب قدرت و… در پستها و فیدرهای تحت نظارت ایجاد می شود.
سیستم جمع آوری اطلاعات و کنترل نظارتی توزیع (Distribution SCADA)
در این سیستم، علاوه بر جمع آوری اطلاعات و نظارت بر کمیتهای مهم، امکان ارسال فرمان از طرف اپراتور سیستم به تجهیزاتی نظیر کلیدها، سکسیونرها، تپ ترانسها و … وجود دارد.
این فرمانها برای تغییر توپولوژی شبکه به هنگام خطا، تعمیرات و… اعمال شده و باعث سهولت در بهره برداری و کاهش هزینه ها می شود. در عمل طرحهای انجام شده در سیستم توزیع در سطح جهان از این مرحله شروع می شوند و سیستم نظارت توزیع نسبت به این طرح توجیه اقتصادی کمتری دارد. مزایای اقتصادی سیستم های اتوماسیون توزیع در قسمتهای بعدی بررسی خواهد شد.

1-4-سیستم جمع آوری اطلاعات و کنترل خودکار توزیع (سیستم اتوماسیون توزیع)(Distribution Automation sysytem- DAS)
این سیستم نسل سوم از سیستم های اتوماسیون توزیع می باشد. این سیستم در واقع همان سیستم بند 2-1-2-3- می باشد که قابلیتهای جدیدی به آن اضافه شده است. ویژگی های این سیستم این امکان را می دهد که در مواردی نظیر وقوع خطا که نیاز به تصمیم گیریهای فوری و انجام یک سری از عملیات ضروری می باشد، خود سیستم با استفاده از قابلیتهای نرم افزاری و سخت افزاری، عملیات مورد نیاز را به منظور تسریع در کارها بدون دخالت اپراتور نیز بتوانند انجام دهد.
در حال حاضر سیستم های مدرن اتوماسیون توزیع موجود در سطح جهان عمدتاً از این نوع می باشند.
البته یادآور می شود که گاهی اوقات عبارات DAS و Distribution SCADA به عنوان معادل به کار می روند و مثلاً ممکنست سیستم SCADA اعمال خودکار را نیز انجام دهد.
به عنوان مثال تعریف IEEE از سیستم اتوماسیون توزیع عبارتست از: (سیستمی که شرکت توزیع برق را قادر به انجام نظارت، ایجاد هماهنگی در سیستم و بهره برداری از تجهیزات شبکه توزیع بصورت زمان حقیقی (Real- Time) و از راه دور می سازد). که این تعریف Distribution SCADA را هم میتواند شامل شود. در اکثر موارد موارد منظور از سیستم اتوماسیون توزیع همان سیستم DAS می باشد.
1-5-سیستم های اتوماسیون توزیع هوشمند
سیستم های اتوماسیون توزیع برای انجام وظائف خود نیاز به تصمیم گیری دارند و برای تسهیل در این امر از سیستم های هوشمند، نظیر سیستم های خبره، فازی و… استفاده می کنند. این مرحله از سیستم اتوماسیون توزیع در حال طی مراحل تکاملی است و در حال حاضر، جزء پیشرفته ترین نوع سیستم های اتوماسیون توزیع محسوب می شود.

1-6-اجزاء سیستم اتوماسیون توزیع
بطور کلی سیستم اتوماسیون توزیع به سه جزء مشخص تقسیم می شود:
1-6-1-اتوماسیون پست
اتوماسیون پست شامل کنترل نظارتی و بعضاً خودکار کلیدها (C.B)، سکسیونرها (DS) تپ چنجرهای زیر بار (OLTC)، رگولاتورها (AVR) و بانکهای خازنی پستها می شود. جمع آوری اطلاعات از راه دور برای استفاده اپراتور نیز جزء احتیاجات این بخش است.
1-6-2-اتوماسیون فیدر
اتوماسیون فیدر شامل جمع آوری دیتا و کنترل نظارتی یا خودکار تجهیزات خط از قبیل کلیدها، ریکلوزرها، رگولاتورهای خطوط، خازنها، سکسیونرها و مجزا کننده ها (Sectionalizers) می باشد. نظارت از راه دور بر نمایشگرهای خطا fault indicator) و تحلیل گرهای خطا (Fault Analyzer) نیز می تواند شامل این قسمت باشد.

1-6-3-اتوماسیون ارائه خدمات به مصرف کنندگان
اتوماسیون ارائه خدمات به مصرف کنندگان شامل قرائت کنتورها از راه دور، برنامه ریزی و قرائت کنتورهای چند تعرفه (Time Of Use- TOU)، سرویس قطع و وصل مصرف کننده ها، کنترل بارهای مصرف کنندگان و ارسال سیگنالهای TOU می باشد..
انتخاب وظایف موردنظر برای سیستم اتوماسیون شبکه توزیع
برای انتخاب وظایف موردنظر یک سیستم اتوماسیون توزیع (DAS) باید موارد زیر بررسی شود:
مشخصات شبکه
مشخصات بار
سیاستهای قیمت گذاری (تعرفه)
مسائل اجتماعی، اقتصادی و جمعیتی وظائف مناسب سیستم DAS باید برای هر مورد خاص پس از بررسی موارد فوق انتخاب شود اما به طور معمول موارد زیر توسط شرکتهای توزیع مورد بررسیقرارمی گیرند: 1-7-وظایف مناسب در اتوماسیون پست
نظارت بر وضعیت تجهیزات پست
نظارت بر ولتاژها و جریانها
کنترل نظارتی یا خودکار پست
جمع آوری اطلاعات آماری در مورد پست
مجزاسازی خطا، تشخیص اضافه بار و بازیابی سرویس
کاهش تلفات ترانسفورماتورها
تقسیم بار روی ترانسفورماتورها
تقسیم بار روی فازهای مختلف
کنترل جریان چرخشی ترانسها
کنترل ولتاژ باسها
1-8-وظائف مناسب در اتوماسیون فیدر
جداسازی خطا و بازیابی سرویس
کلیدزنی از راه دور
جمع آوری اطلاعات آماری در مورد فیدرها
کنترل از راه دور رگولاتورها

1-9-وظائف مناسب در اتوماسیون مصرف کننده ها
قرائت از راه دور کنتورها، کنتورهای چند تعرفه (TOU) و کنتورهای پیک بار
کشف دستکاری کنتور و انشعاب غیرمجاز
نظارت بر کارکرد صحیح کنتور
قطع و وصل مجدد برق از راه دور
بررسی مشخصات و ویژگیهای بارها (Load survey)
کنترل بار و مدیریت مصرف (Load Control and Demand side Management- DSM)
اعمال خاموشی در مواقع اضطراری (Load Shedding)
کنترل بارهای خاص مصرف کنندگان، نظیر سیستم های تهویه مطبوع، سرمایش و گرمایش و مصارف عمومی
1-10-کنترل ولتاژ و توان راکتیو
کنترل از راه دور تپ چنچرهای تحت بار (OLTC)
کنترل توان راکتیو فیدرها (کنترل بانکهای خازنی)
جبران افت ولتاژ فیدرها
کنترل توان راکتیو در پستها (کنترل بانکهای خازنی)
کنترل ولتاژ نقاط مهم در فیدرها بوسیله کنترل رگولاتورهای ولتاژ خط
1-11-حفاظت سیستم
کنترل ریکلوزرها
حفاظت باس بارها
حفاظت جریان زیاد (O.C) لحظه ای
حفاظت ترانس پست
حفاظت جریان زیاد (O.C) با منحنی زمان معکوس
در این بخش به بیان نکات تکمیلی در مورد هر سه سطح اتوماسیون می پردازیم.

1-12-اتوماسیون در سطح پست
در اتوماسیون پست می بایست تمام تجهیزات عظیم و جاگیر از قبیل رله ها، دستگاه های اندازه گیری، سوئیچ بردها و… با تجهیزات هوشمند جدید عوض شوند که این سیستم ها علاوه بر کارآیی و دقت بالا باعث افزایش طول عمر تجهیزات می شوند که وظیفه ی این تجهیزات هوشمند، جبران سازی افت ولتاژ، باز و بستن کلیدها از راه دور، متقارن کردن بار تراسنفورماتورها و غیره می باشد. دستگاهایی که برای کنترل به کار می روند بهتر است که از ساختمانی یکپارچه، قدرت پردازش بالا، محدوده ی عملکرد کنترلی و حفاظتی گسترده و دارای سیستم مخابراتی که برای ارسال و دریافت اطلاعات با کمترین نویز موجود باشد و حتی این دستگاه ها قادر به ثبت اتفاقات، خطاها و تغییر تپ ترانسفورماتورها و حفاظت باس های اطلاعاتی را نیز داشته باشد.
یکی از بهترین های کنترل در این قسمت اتوماسیون، کنترل ولتاژ و توان اکتیو می باشد که با کنترل از راه دور تپ چنجرهای زیر بار و کنترل بانک های خازنی ثابت و اتوماتیک صورت می گیرد.

فصل دوم

سیستم جمع آوری پردازش وانتقال اطلاعات
2-1-سیستم جمع آوری، پردازش و انتقال اطلاعات پست ها
در سال های اخیر در کشورهای مختلف طرح های زیادی در زمینه اتوماسیون شبکه توزیع اجرا شده است که مبنای آن ها تجهیز پست های MV/V موجود با کلیدهای دارای محرک های موتوری (operating mechanis.) که بعضاً با ولتاژ باتری تغذیه می شوند، افزودن نشان دهنده ای خطا (fault indicators) FI، پایانه های دوردست (RTUS) و تجهیزات مخابراتی به این پست ها می باشد.
یکی از روش های جدیدی که در سال های اخیر مورد استفاده قرار گرفته است، استفاده از یک کابینت telecontrol استاندارد می باشد. این کابینت RTU و تجهیزات اینترفیس پست از قبیل کنترل کننده محرک، interlocking و نشان دهنده خطا (FI) را یک جا جمع کرده است.
این روش کم هزینه است، به گونه ای که نیاز به محفظه جداگانه و منبع تغذیه جداگانه و نیاز به رله های interposing مجزا و سیم کشی های اضافی را برطرف می کند.

2-2-نیازهای یک پست زمینی جهت اجرای طرح های مانیتورینگ و کنترل از راه دور
1- محرک هایی که قادر به باز و بسته کردن کلیدها باشند.
2- کنتاکت های کمکی که مستقیماً توسط محور کلید عمل می کنند و برای نشان دادن وضعیت کلید به صورت مطمئن، به کار می روند.
3- میکروسوئیچی که با مکانیزم کلید عمل کند، جهت عمل interliocking بین محرک و کلیدزمین
4- رله های کمکی جهت فعال کردن محرک.
5- CTهایی جهت مانیتورینگ جریان فیدرهای MV و فعال کردن FI
6- PT جهت مانیتورینگ ولتاژ باس

2-3-نیازهای کابینت telecontrol:
هر یک از تجهیزات داخل کابینت باید نیازهای فنی زیر را برآورده کند.
=پایانه دور دست (RTU)
شرح کلی
در سال های اخیر اتوماسیون توزیع به سمت ساخت واحدهای هوشمندی که جهت وظابف اتوماسیون مشخص در پست ها نصب می شوند، رفته است. این واحدها اطلاعات مختلف پست از قبیل وضعیت کلیدها، آلارمها و سیگنال های ولتاژ و جریان را جمع آوری می کنند و با درخواست مرکز اطلاعات جمع آوری شده را به مرکز دیسپاچینگ ارسال می کنند. هم چنین فرامین مرکز را از طریق رله های خروجی جهت باز و بسته کردن کلیدهای قابل کنترل به تجهیزات پست اعمال می کنند. این ها واحدهای نسبتاً مستقلی هستند که خود قادر به تصمیم گیری و اجرای اعمال کنترلی در پایین ترین سطح می باشند. بنابراین لینک مخابراتی بین این واحدها و مراکز دیسپاچینگ به صورت غیرضروری و برای وظایف تکراری اشغال نمی شود.
این واحدها را پایانه های دوردست (RTU) و یا قطعات الکترونیک هوشمند (IED) می نامند.
پایانه در پست های MV.LV نصب می شود و به بهره برداران شبکه امکان می دهد تا از وضعیت اتصالات شبکه MV و پارامترهای دیگر شبکه اطلاع حاصل کند.
پایانه های مجاور باید بتوانند در ارتباط با یک دیگر، روی قسمتی از خط MV که تحت کنترل دارند به صورت خودکار اعمال تشخیص خطا انجام داده، قسمت خراب را از شبکه جدا کنند و به صورت خودکار انرژی الکتریکی را از مسیری که سالم است به مصرف کننده برسانند.
پایانه باید قادر به نمونه برداری از ورودی های دیجیتال و آنالوگ و اعمال فرامین کنترلی از طریق خروجی های رله باشد. از طرفی باید بتواند با یک کامپیوتر محلی و با مرکز دیسپاچینگ مربوطه از طریق پرت های سریال ارتباط برقرار کند.
ثبت ترتیب زمانی حوادث (sequence- of- events- SOE logging) نیز جزو وظایف پایانه به شمار می رود و پایانه باید اطلاعات ثبت شده را متناوباً به مرکز دیسپاچینگ ارسال کند.
علاوه بر این در پست های توزیع به علت تعداد زیاد و محدودیت فضا، RTU باید کم حجم، کم مصرف و کم هزینه باشد.

2-4-فهرست وظایف RTU
– جمع آوری اطلاعات وضعیت کلیدها و قطعات حفاظتی شبکه MV
– جمع آوری اطلاعات آلارم های پست
– جمع آوری اطلاعات مقادیر اندازه گیری (جریان فیدر و ولتاژ باس)
– انجام محاسبات و پردازش های لازم روی اطلاعات
– گزارش اطلاعات به مرکز دیسپاچینگ و (یا) یک کامپیوتر محلی
– اجرای فرمان با درخواست مرکز کنترل یا به صورت مستقل
– تشخیص و جداسازی قسمت خراب شبکه، توسط رویه های نرم افزاری به صورت محلی (با هماهنگی RTUهای مجاور)
– تبادل اطلاعات با RTUهای مجاور
2-5-ساختار و مشخصات اجزا
بردهای پایانه باید دارای مشخصات صنعتی باشند: ازجمله این که حداقل رنج درجه حرارت قابل تحمل آن ها باشد، رنج رطوبت تا 95% (non condensing) باشد، در مقابل لرزش و خوردگی مقاوم باشند، در مقابل تداخل الکترومغناطیس عمل کرد مطمئنی داشته باشند و بردهای PCB جهت مقاومت در مقابل شرایط محیطی با چاپ مناسب پوشانده شوند.
علاوه بر این بهتر است ولتاژ تغذیه بردها قابل انتخاب باشد تا بتوان از ولتاژهای 12VDC یا 24VDC استفاده نمود.
عموماً تمام تجهیزاتی که جهت مقاصد SCADA به کار می روند باید به طور مناسب زمین، شیلد و ایزوله شوند و در مقابل حالت های گذرا محافظت شوند.

قسمت های اصلی پایانه به صورت زیر می باشد:
– واحد پردازنده (CPU and memory):
واحد اساسی RTU قسمت پردازنده است که اطلاعات ورودی ها را جمع آوری می کند و به خروجی های کنترلی فرمان می دهد و نیز اطلاعات جمع آوری شده را در یک پایگاه اطلاعاتی قرار داده و به مرکز دیسپاچینگ و یا یک کامپیوتر محلی ارسال می کند.
این قسمت شامل انواع حافظه های (RAM, EEPROM, EPROM) جهت ذخیره سیستم عامل، برنامه های کاربردی، اطلاعات جمع آوری شده و پارامترهای ساختاری پایانه (از قبیل آدرس RTU، سرعت ارسال و دریافت، تعداد نقاط L/O و ضرایب scaling برای ورودی های آنالوگ) می باشد.
نرم افزار کاربردی و عیب یابی باید در EPROM ذخیره شود و پارامترهای پیکره بندی سیستم باید در EEPROM یا حافظه های RAM با باتری پشتیبان ذخیره شوند.
برخی از پارامترهای پیکره بندی سیستم را که در حین کار پایانه قابل تغییر هستند (پارامترهای دینامیک)، باید بتوان از طریق مرکز کنترل down load کرد.
جهت انجام SOE logging واحد پردازنده باید در برابر تغییر وضعیت های ورودی وقفه پذیر بوده و دارای زمان سنج حقیقی با دقت حداقل 1 میلی ثانیه باشد تا بتواند حوادث شبکه را برچسب زمانی (time- tag) ذخیره نماید. هم چنین زمان سنج پایانه می بایست در فواصل زمانی مشخص با زمان سنج مرکز هم زمان (synchron) شود.
این قسمت هم چنین باید دارای مدار power watch- dog و timer watch- dog جهت اطمینان از صحت عمل کرد سیستم باشد.
نرم افزار کاربردی باید توانایی تصمیم گیری و پردازش روی اطلاعات ورودی را داشته باشد. هر یک از ورودی های پایانه باید نرخ نمونه برداری خاص خود را داشته باشد. که این خود یکی از پارامترهای سیستم می باشد. نرم افزار کاربردی قبل از هر تصمیم گیری باید از هر ورودی به تعداد مشخصی نمونه بردارد. سپس طبق مکانیزم تصمیم گیری، مقدار اندازه گیری شده از این نمونه ها به دست می آید.
برخی از مکانیزم های تصمیم گیری می تواند به صورت زیر باشد:
– انتخاب نمونه ای که دارای بیش ترین مقدار است.
– انتخاب نمونه ای که دارای کم ترین مقدار است.
– صرف نظر کردن از ده درصد نمونه های مرتب شده که در نواحی ماکزیمم و مینیمم قرار دارند و متوسط گیری از بقیه نمونه ها
تمامی اعمال جمع آوری و ارسال رخ دادهای شبکه، دریافت و اعمال فرامی کنترلی، ایجاد پایگاه اطلاعاتی، نظارت بر سخت افزار و نرم افزار پایانه ، پردازش و تصمیم گیری در مورد ورودی ها باید به صورت online و در زمان های بسیار کوتاه انجام پذیرد. هم چنین پردازنده باید تعدادی از این وظایف متعدد را به صورت هم زمان انجام دهد. بنابراین در قسمت پردازنده علاوه بر استفاده از پردازنده قوی باید از هسته چندکاره زمان حقیقی (real time multi tasking kemel) که کارآیی آن در کاربردهای صنعتی مشابه به اثبات رسیده باشد، استفاده گردد
واحد L/O interface
این قسمت جهت اتصال به سیستم اینترفیس پست به کار می رود و وظایف آن عبارت اند از:
1- آماده سازی سیگنال های وضعیت و آلارم (signal conditioning)، به طوری که سیگنال های نهایی از طریق پردازنده قابل خواندن و ذخیره سازی باشند.
2- آماده سازی مقادیر اندازه گیری شامل ولتاژ و جریان خروجی ترانسدیوسرها و تبدیل آن ها به مقادیر دیجیتال، به طوری که اطلاعات حاصله از طریق پردازنده قابل خواندن و ذخیره سازی باشند.
3- آماده سازی فرمان های کنترلی به طوری که قابل اعمال به رله های پست باشند.
در پست های توزیع تعداد سیگنال های l/o محدود است و تمامی مدار این قسمت را معمولاً می توان روی یک برد جا داد و حتی ممکن است بتوان این قسمت را روی برد اصلی پردازنده جا داد. در هر حال درون کابینت و روی برد پردازنده باید فضای کافی جهت توسعه بردهای L/O در نظر گرفت.
سیگنال های ورودی دیجیتال می توانند مربوط به کنتاکت هایی باشند که وضعیت تجهیزات را نشان می دهند، که در این صورت در دو بیت نمایش داده می شوند، و می توانند مربوط به رله های آلارم و حفاظت باشند که در یک بیت نمایش داده می شوند.
ورودی های دیجیتال باید به روش نوری (opto coupler) ایزوله شوند و نیز در مقابل bounce حفاظت شوند، هرگونه تغییری در این ورودی ها باید از طریق یک کانال وقفه به پردازنده اعلام شود.
خروجی هی کنترلی که پایانه از طریق کنتاکت های رله اعمال می کند، از دو نوع مختلف می باشند:
– فرمان های راه دوری که به دنبال درخواست مرکز کنترل یا ترمینال محلی اعمال می شوند.
– فرمان هایی که در نتیجه پردازش های مستقل پایانه اعمال می شوند.
خروجی های کنترلی باید توسط باید توسط رله هایی با قابلیت اطمینان بالا و با استفاده از کنترل سه مرحله ای select- checkback- execute انجام شود. یعنی ابتدا با یک فرمان نقطه کنترلی موردنظر انتخاب می شود، سپس وضعیت کنتاکت رله انتخاب توسط پردازنده خوانده می شود و در صورت صحت انتخاب، با یک فرمان دیگر رله master جهت اعمال فرمان به کلید بسته می شود.
ایزولاسیون رله های خروجی با مدار منطقی باید حداقل 1000 VDC و بین دو رله حداقل 38OVDC باشد.
جهت حذف رله های interposing باید از رله های جریان بالا به عنوان رله های خروجی استفاده کرد.
ورودی های آنالوگ شامل ولتاژ باس و جریان فیدرها و ترانس سیگنال های سینوسی هستند که به صورت rms اندازه گیری می شوند و از خروجی ترانسدیوسرها خوانده می شوند.
دقت تبدیل آنالوگ به دیجیتال باید حداقل 12 بیت باشد و رنج ولتاژ یا جریان ورودی باید قابل انتخاب باشد (مثلاً +/-5V. 0-5V , 0-20Ma, 4- 20Ma).
مقادیر فرکانس، ضریب توان و هارمونیک های ولتاژ و جریان را می توان از سیگنال های ولتاژ و جریان به دست آورد.
به عنوان مثال برای اندازه گیری فرکانس می توان از مدار تشخیص دهنده عبور از صفر استفاده کرد. این مدار هنگامی که ولتاژ باس تغییر علامت می دهد یک سیگنال با لبه مثبت ایجاد می کند و به پردازنده وقفه اعمال می کند. در روتین وقفه پردازنده یک شمارنده را فعال می کند، به محض این که دومین وقفه به پردازنده اعمال شود، شمارنده را غیرفعال می کند و پردازنده زمان یک پریود را با ضرب مقدار شمارنده در زمان پریود پالس ورودی به دست می آورد و از آن جا فرکانس به دست می آید.
اندازه گیری ضریب توان مشابه اندازه گیری فرکانس می باشد، شمارنده با عبور از صفر ولتاژ باس فعال می شود و با عبور از صفر جریان فیدر متوقف می شود و یا بالعکس. منبع ایجاد اولین وقفه تعیین کننده leading یا lagging بودن ضریب توان است. اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان با ضرب عدد شمارنده در زمان پریود پالس ورودی به دست می آید.
هم چنین اولین 16 هارمونیک ولتاژ و جریان شامل مولفه DC، به وسیله الگوریتم (fast fourior transform) FFT محاسبه می شود. برای این کار 32 نمونه از ولتاژ باس و جریان ترانس در مدت یک پریود گرفته می شود و به عنوان ماتریس های ورودی الگوریتم FFT استفاده می شود.

2-6-واحد واسط مخابراتی (communication interace unit) CIU
کارت پردازنده حداقل باید دو پرت سریال داشته باشد، یکی برای ارتباط با مرکز دیسپاچینگ و دیگری برای ارتباط با یک PC محلی. پرت های سریال باید از نوع استاندارد باشند تا بتوانند با انواع محیط های مخابراتی از قبیل شبکه تلفن سوئیچ معمولی DLC, (PSTN) لینک رادیویی و رادیو سلولی به کار روند.
می توان از پرت سریال دوم استفاده کرده و با اتصال یک کامپیوتر PC که نرم افزار SCADA روی آن اجرا می شود، وضعیت پست را مشاهده کرد و در صورت نیاز فرامین کنترلی اعمال نمود. این کامپیوتر جهت مقاصد پیکره بندی، عیب یابی و آزمایش پایانه نیز مورد استفاده قرار می گیرد.
بسته به طراحی شبکه SCADA، این قسمت می تواند جهت ارتباط پایانه با پایانه های دیگر نیز به کار رود.
یکی از روش های مخابراتی که امروزه استفاده می شود، روش DLC می باشد. در این روش از خطوط انتقال MV جهت ارسال اطلاعات استفاده می شود. به این صورت که اطلاعات از طریق پرت استاندارد RS232 در اختیار مودم قرار می گیرد و مودم اطلاعات را از طریق خط MV به مرکز و یا یک (data concetrator) MRU در آن سوی خط می فرستد. سرعت مناسب در این روش 1200bit/ sec می باشد. در حالی که فیبر نوری، لینک های رادیویی و مایکرویو ظرفیت انتقال اطلاعات بیش تری دارند. انتخاب هر یک از روش های مخابراتی برحسب ملاحظات اقتصادی و فنی انجام می گیرد.
جهت انتقال اطلاعات هم چنین باید از پروتکل های استانداردی استفاده نمود که تا حد ممکن ترافیک شبکه مخابراتی را کاهش دهد. پروتکل استاندارد IEC 870- 5 برای این کار مناسب است.
=کابینت
کابینت باید برای کاربردهای درازمدت مناسب باشد و بدون نیاز به تعمیر و نگه داری باشد. علاوه بر این کابینت باید ضدآب و در برابر پوسیدگی مقاوم باشد. درجه حفاظت تابلو جهت نیل به مشخصات فوق نباید از IP42 کم تر باشد. جهت اجتناب از ایجاد رطوبت روی قطعات داخلی تهویه طبیعی باید انجام پذیرد. هم چنین درب کابینت باید قفل دار باشد و باید بتوان به روش های مختلف کابینت را نصب کرد.
=باتری
جهت تامین توان مورد نیاز محرک کلید، کنترل های الکتریکی و RTU از یک باتری استفاده می شود. عمر مفید باتری حداقل باید 5 سال باشد و از تعمیر و نگه داری بی نیاز باشد علاوه بر این باتری باید در رنج حرارتی نامی حداکثر جریان مورد نیاز کابینت را تامین کند.
=واحد کنترل توان و شارژر باتری
این قسمت می تواند شامل مبدل AC/DC، شارژر باتری، مبدل DC/DC، نشان دهنده وضعیت باتری و قسمت نظارت بر ولتاژ ورودی باشد.
شارژر باتری باید به باتری نظارت داشته و یا استفاده از شارژ جبرانی حرارتی از کهنگی باتری جلوگیری کند.
امکان استفاده از ورودی 110 VAC یا 220VAC برای این قسمت باید وجود داشته باشد. ولتاژ ورودی را می توان از طریق شبکه LV، تامین نمود.
واحد کنترل توان باید در مقابل ولتاژهای لحظه ای و تداخل تشعشعی حفاظت شود.
=مدار منطقی کنترل
وظیفه این قسمت فعال کردن محرک کلید است به گونه ای که کلید در جهت صحیح عمل کند. هم چنین این قسمت inter locking لازم را جهت اجتناب از زمین شدن مدار MV با فرمان remote فراهم می نماید و محرک را هنگامی که local mode انتخاب شود، غیرفعال می کنند.

=ترمینال ریلی جهت اینترفیس
این نوع ترمینال امکان آن را فراهم می سازد که سیگنال های اینترفیس به پست متصل شوند. هم چنین این ترمینال در جایی که نیاز باشد امکان اتصال به یک RTU خارجی را فراهم می نماید.
=پانل کنترل محلی
این پانل اینترفیس مناسب را جهت ارتباط با اپراتور، ایجاد می نماید و می تواند شامل قسمت های زیر باشد:
کلید انتخاب مد LOCAL/REMOTE، کنترل های پوش باتون OPEN و CLOSE که هنگام انتخاب مد LOCAL فعال می شوند، LEDهای نشان دهنده وجود تغذیه AC ورودی و حالت شارژ باتری.
Fault indicator
FI باید به وسیله CTهایی که در محل کلیدها نصب شده اند عمل کند و خطاهای زمین و فاز را به طور جداگانه تشخیص دهد. نمایش محلی عمل کرد آن باید از طریق LED باشد. برای نمایش remote باید از کنتاکت های بدون ولتاژ استفاده شود.
غیرفعال کردن FI (reset) باید از طریق remote و یا به طور خودکار هنگامی که تغذیه MV برقرار شود، انجام پذیرد.
مبدل جریان (current transducer)
این مبدل جریان ورودی AC در رنج صفر تا 5A را که از CT نصب شده در پست به دست می آید به یک سیگنال DC معمولاً بین 4 تا 20Ma جهت یکی از ورودی های آنالوگ RTU، تبدیل می کند.

=مبدل ولتاژ (voltage transducer)
این مبدل ولتاژ ورودی AC در رنج صفر تا 110V را که از PT نصب شده در پست به دست می آید به یک سیگنال DC معمولاً بین 4 تا 20Ma جهت یکی از ورودی های آنالوگ RTU تبدیل می کند.
=تجهیزات مخابراتی
کابینت telecontrol باید محفظه مناسب را جهت یک مودم (برای ارتباط PSTN، مخابرات سیمی خصوصی و DLC) یا فرستنده گیرنده (جهت ارتباط رادیویی) تامین کند.
تست کابینت
تمام کابینت شامل RTU و تجهیزات مخابراتی به جهت اطمینان از عمل کرد EMC، مطابق استانداردهای IEC255 و IEC801 باید تست شود.
تست های محیطی کامل مطابق استاندارد IEC68، شامل حرارت خشک، سرمای خشک و گرمای میرا باید انجام شود.
2-7-شبکه اتوماسیون توزیع
مهندس کنترل باید یک شمای کلی از وضعیت تمام کلیدهایی که قابل کنترل از راه دور هستند (و نشان دهنده های خطای مربوطه) داشته باشد جهت انجام این کار در مرکز دیسپاچینگ تمام اطلاعات باید درون یک database ذخیره شوند.
به علت تعداد زیاد پست های توزیع ارتباط تمامی پایانه ها در پست ها به یک یا چند مرکز دیسپاچینگ موجب بالا رفتن ترافیک شبکه مخابرای می شود و پاسخ زمانی سیستم را به شدت کاهش می دهد، به طوری که کارآیی سیستم اتوماسیون زیر سئوال می رود.
یکی از روش ها جهت اجتناب از این مشکل، استفاده از تجهیزاتی به نام (master RTU) MRU می باشد. این ها واحدهای کنترلی هستند که بر پایه مفهوم پردازش توزیعی، به عنوان data concentrator استفاده می شوند. این واحد کنترلی با چندین پروتکل سریال کار می کند و به طور هم زمان با پایانه های slave در محل کلیدها، مرکز دیسپاچینگ اصلی و یک واسط گرافیکی (GUI) که یک کامپیوتر PC می باشد، ارتباط دارد.
این واحدها اطلاعات چندین RTU را یک جا جمع کرده و پس از پردازش های لازم، اطلاعات فشرده را به مرکز دیسپاچینگ ارسال می کنند. به علاوه خود این ها می توانند قسمتی از بار پرداوشی سیستم SCADA را بر عهده بگیرند و قسمتی از ترافیک مخابراتی تا مرکز را به این صورت کاهش دهند، و نیز می توانند اطلاعات را به یک کامپیوتر PC محلی (یا یک شبکه کامپیوتری محلی) که یک بسته نرم افزاری SCADA جهت تامین GUI روی آن اجرا می شود، بفرستند.
مجموعه MRU و کامپیوتر (GUI) PC یک مرکز کنترل کوچک را برای تعدادی از پست های توزیع تشکیل خواهد داد و در صورتی که ایجاد یک مرکز دیسپاچینگ توزیع در اولین مرحله به صرفه نباشد، به عنوان یک راه حل میانی جهت مقاصد اتوماسیون می تواند مورد استفاده قرار بگیرد.
این واحد کنترلی می تواند به گونه ای برنامه ریزی شود که در صورت نیاز آرایش مجدد شبکه را پس از بروز خرابی به عهده بگیرد.
MRU را می توان در پست های فوق توزیع نصب کرد که در این صورت کلیدهای مربوط به شبکه MV که از پست فوق توزیع تغذیه می شوند را کنترل می کند.
فهرست وظایف واحد کنترلی MRU به صورت زیر است:
1- ارتباط با RTUهای slave که در کابینت های telecontrol گنجانده شده اند.
2- مدیریت پایگاه اطلاعاتی (data base management).
3- اجرای پروسه های کلیدزنی به صورت اتوماتیک برای آرایش مجدد شبکه MV.
4- ارتباط با PC (شبکه PC) جهت تامین محیط گرافیکی GUI.
5- ارتباط با مرکز دیسپاچینگ اصلی.

RTUCAN
در انتهای این بخش به معرفی واحد RTU طراحی شده در پژوهشگاه نیرو با نام تجاری RTUCAN می پردازیم.

این RTU که اکنون به مرحله ی تولید انبوه رسیده است در دو مدل indoor برای پست های زمینی و autdoor برای پست های هوایی ساخته شده است. از ویژگی های آن می توان به اندازه گیری مستقیم ولتاژ و جریان و محاسبه پارامترهایی نظیر توان اکتیو، راکتیو و ضریب توان اشاره کرد. پروتکل ارتباطی آن با مرکز طبق استاندارد IEC 60870- 5 101 و DNP3.0 می باشد. این واحد از شبکه صنعتی CAN با پروتکل لایه ی کاربرد CANOPEN به عنوان شبکه ارتباطی بین بردهای هوشمند پایانه بهره می برد. در سیستم آن از هسته نرم افزاری بلا درنگ mcos- II استفاده شده.
این واحد امکان پیاده سازی انواع پروتکل های سنکرون و آسنکرون نظیر mod BUS و LEC 60870- 5- 130 را برای ارتباط با مرکز کنترل و یا IED دارد.

مشخصات فنی:
ابعاد آن 60 cm *80 *212 است و در دمای محیطی و رطوبت نسبی کار می کند. ولتاژ تغذیه ورودی آن 24VDC یا 48 VDC با حدود تغییرات -20% و +15% می باشد.
در این RTU از پردازنده مخابراتی 32 بیتی mc68302 و میکروکنترلر 16 بیتی 68HC912D60 استفاده شده است.
واحد دارای بردهای هوشمند I/O دیجیتال و آنالوگ است، که ظرفیت هر برد دیجیتال I/O شامل 16 نقطه ورودی دیجیتال و 4 نقطه خروجی است و ظرفیت هر برد آنالوگ ورودی شامل 8 نقطه ورودی با رنج 4- 20Ma است. درجه حفاظت تابلو IP54 برای indoor و IP55 برای outdoor می باشد. تست عایقی و ضربه طبق استاندارد IEC 255- 5 صورت گرفته. تست fast transient bursts طبق استاندارد IEC 61000- 4- 4 صورت گرفته. تعداد بردهای RLO لازم برای نوع indoor شامل 2 برد DIO و 2 برد AI است و برای نوع outdoor شامل 1 برد DIO و 1 برد AI است.
دقت ثبت تغییر وضعیت ها 10 میلی ثانیه و قدرت تفکیک روی دادها 1 میلی ثانیه است. زمان نمونه برداری از کلیه ورودی های آنالوگ DC، معادل 500 میلی ثانیه و نمونه برداری از ورودی های آنالوگ AC، 520 نمونه در هر سیکل است.
RTU دارای منبع تغذیه اضطراری شامل 4 باتری است که تا 5 ساعت به طور کامل می توانند RTU را تغذیه کند.
هم چنین RTU دارای این ویژگی است که برای اشغال کم تر پهنای باند مخابراتی، اطلاعاتی را که ثابت هستند ارسال نمی کند بلکه فقط در صورت مشاهده ی تعیین وضعیت، آن ها را به مرکز منتقل می کند.

به طور کلی حفاظت از سیستم های توزیع از یک دیژنکتور (Circuit breaker) با تعدادی رله های حافظتی و یک ریکلوزر اتوماتیک و یک تعداد وسایل حفاظتی با کاربردهای گوناگون استفاده می شود و معمولاً مهمترین وسایل مورد استفاده عبارتند از ریکلوزرهای خط، سکشنالایزر، فیوزها، دیژنکتورها و… که برای مانیتورینگ آن ها از یک میکروپروسسورهایی استفاده می شود.
از سکشنالایزر برای جداسازی و ایزوله کردن بخش های سالم از معیوب استفاده می شود و از آن نمی توان برای قطع کردن خطا استفاده کرد و می توان از آن برای کمک کردن به دیژنکتور یا ریکلوزر استفاده کرد.
مدلی از یک سکشنالایزر به نام TVS در شکل آمده در این مدل یک دسته زرد رنگ برای باز و یا بستن به طور دستی موجود است و در زمان اتوماتیک اگر کاهش ولتاژ و یا تلفات ولتاژ و یا هر خطایی به هر دلیلی بوجود بیاید سکشنالایزر باز می شود و اگر قبل از این که سکشنالایزر ریست شود اتفاق بیفتد TVS باز و Lochoue می شود.

مکانیزم داده هایی از TVS 15 و TVS 27 با هم مقایسه شده است.

کنترل سکشنالایزر زمان – ولتاژ، برای هماهنگی با ریکلوزر طراحی شده است تا شبکه ی توزیع و تجهیزات را از خطاها و جریان های زیاد حفاظت کند که در این سیستم کنترل 4 پتانسیومتر قرار گرفته است که پتانسیومتر Voltage loss که ولتاژ را ثابت نگه می دارد و اگر ولتاژ از حد تنظیم اختلاف پیدا کرد سکشنالایزر باز و بسته می شود و حداقل ولتاژ برای بستن سکشنالایزر در Vac,TVSC 95 باری Vac 120 یا Vac190 برای Vac 240 است که پانل Close time و Open time برای تنظیم زمان باز یا بسته شدن سکشنالایزر بعد از کاهش و یا افزایش ولتاژ است.
با سیستم From 5 هزینه ی اتوماسیون توزیع کم می شود زیرا در یک کابینت، ابزارهای اندازه گیری، حفاظت و مخابراتی قرار گرفته اند و ابزارهای این سیستم همگی به جریان RMS حساس است.

وسایل حفاظتی این سیستم برای استفاده کننده بسیار آسان است و به راحتی می توان ریکلوزرها و دیگر تجهیزات را کنترل کرد که روی پانل آنها کلیه ها و LEDهایی برای مقاصد خاص تعبیه شده اند.

سیستم (Loop scheme / Universal Device protection) LS/UDP که برای تقسیم کننده های فیدر توزیع، کنترل تلفات ولتاژ و… به کار می رود و این سیستم می تواند باری هر سکشنالایزر و هر عملگر دیگر برنامه ریزی شود.

یکی دیگر از سیستم های FROM 5، Triple – single است. که کاربرد آندر اتوماسیون توزیع پست، فیدر خط می باشد که در پانل آن سه مد B,A و C موجود است که مد A، سه فاز را با هم قطع کرده و سه فاز را هم زمان در یک جریان زیاد قطع کرده و همچنین سه فاز را Lochove می کند.
در مد B یک فاز را قطع کرده و سه فاز را Lock out می کند و هر فاز مطابق با خطایی که در آن رخ می دهد قطع می شود. در مد C یک فاز را قطع و یک فاز را Lock out می کند که در این حالت هر فاز دستور قطع جداگانه و Lock out مستقل دارد و در روی پانل ها می توان هر فاز را به طور مستقل باز یا بسته کرد که LED ها نیز آنها را نشان می دهند. که این قطع کردن یک فاز یا فاز معیوب این حس را دارد که موجب کاهش دو سوم تعداد مشترکین دچار قطعی شده در اکثر خطاها خواهد شد اما یک مشکل وجود دارد و آن این است که مشترکین که با دستگاه سه فاز کارکرده و زمانی که دو فاز می شوند با مشکل روبه رو شده و بارهای آنها صدمه می بینند.
این سیستم برای اتوماسیون توزیع کامل استن و پورت انتقال 1 به طور موقتی کامپیوتر شخصی را به پانل کنترل قابل دسترس می سازد و پورت انتقال 2 برای داده های مهندسی و اطلاعات طراحی استفاده می شود و زمانی که پورت 1 فعال است پورت 2 غیرفعال است و پورت 3 برای انتقال اطلاعات به مرکز SCADA طراحی شده است.

و در سیستم اندازه گیری From 5 که توانایی برنامه ریزی با نیازهای سیستم اتوماسیون توزیع را دارد و همچنین به اندازه گیری توان های اکتیو، راکتیو و ظاهری را نیز دارد و اطلاعاتی را در مورد توالی های صفر ، مثبت و منفی، جریان و ولتاژ را نیز در اختیار قرار می دهد و اطلاعات بسیار زیادی را فراهم می کند.

برای این که سیستم بهتر عمل کند و کارکردن با آنها راحتر باشد و بتوان اطلاعات را به RTU انتقال داد و یا برعکس فرمان ها را به تجهیزات فرستاد می توان از سیستم NOVA استفاده کرد.

در مدل N-Series، گاز در ریکلوزر اتوماتیک قرار گرفته و اطراف کنتاکت ها خطا به طور کامل قرار گرفته و درون محفظه ی آن از گاز SF6 پر شده است.

و در قسمت انتقال آن یک پانل کنترل در محفظه ای قرار گرفته است که دارای باطری، خازن، ترانسفورماتورهای مهم و کلیدهای ولتاژ پایین است و یک مابرات رادیویی با مردم ویژه می تواند با سیستم کنترل آن در محفظه ای ویژه قرار بگیرد و در تجهیزات آن یک مردم V23FSK قرار گرفته شده است و یک سیستم کنترلی ومحافظتی CAPM در آن تعبیه شده است.

و در مدل U-Series، خلاء در کنتاکت های قطع کننده ریکلوزر اتوماتیک قرار گرفته و در آن یک ترانسفورماتور جریان و یک ترانسفورماتور ولتاژ (CVT) موجود است که در محفظه ی کنترل و انتقال قرار گرفته شده

در سکشنالایزر RL-Series که درون آن با گاز SF6 پرشده است و از دو طرح و ساختار تشکیل شده است.

که محفظه ی انتقال و کنترل و حفاظت آن نیز شبیه به N-Series است.

دستگاه Capacitor control برای کنترل بانک های خازنی طراحی شده که از قابلیت های آن کاربرد آسان و قابل اعتماد است و از آن برای ثابت کردن ولتاژ کنترل وضعیت خط و حفاظت بانک های خازنی استفاده کرد.

در زیر تعدادی کلیه کنترل آمده است که هر کدام دارای کاربرد متفاوتی با خواص متفاوتی هستند که بعضی از آنها تجهیزات مخابراتی نیز دارند.

در کلیه RTU, M-Series کنترل و مخابرات در یک کابینت قرار گرفته که دارای میکروپروسور نیز است که استفاده از آن قابلیت اطمینان را بالا برده و هزینه ها را کم می کند.

در دستگاه Omni- Rupter که با توجه به پایین بودن هزینه ی آن در شروع اتوماسیون مفید است که در هر سیستم آن یک کلیه و یک واحد کنترل قرار گرفته است که در آینده سعی بر این است که به آن دما، RTU تجهیزات مخابراتی پیشرفته را اضافه کنند.

فصل سوم

مخابرات اتوماسیون
3-1-مقدمه:
فرآیندهای انجام شده در مراحل مختلف یک سیستم با ارتباط قسمت های مختلف آن سیستم با یک دیگر قابل دسترسی است. در سیستم اتوماسیون توزیع نیز باید از ارتباط بین قسمت های مختلف صورت گیرد، این ارتباط توسط سیستم مخابراتی انجام می شود. با بررسی کلی اتوماسیون از دید مخابراتی می توان گفت در اتوماسیون، اطلاعات از منابع مختلف دریافت شده، توسط مسیری خاص به مرکز کنترل شده و پس از دریافت و تحلیل اطلاعات در صورت لزوم، سیگنال فرمان از همان مسیر به محل مربوطه منتقل شده و اجرای فرمان صورت می گیرد. نقش مخابرات در این فرآیند کاملاً مشخص و حیاتی است.
حال با شناخت جایگاه مخابرات به تشریح این سیستم مخابراتی می پردازیم.
شروع کار با جمع آوری اطلاعات از وسایل و تجهیزات اندازه گیری و هم چنین نشان گرهای وضعیت است این داده ها شامل ولتاژ و جریان خطوط، وضعیت سوییچ ها و کلیدها و دمای کار ترانس ها و… است که به وسیله رله های دیجیتال، CT، PT،PI یا آشکارساز خطا و… جمع آوری شده و به صورت سیگنال الکتریکی آماده می باشد. در این جا وسیله ای لازم است تا این داده های مختلف را جمع آوری و آماده ی ارسال کند. این وسیله باید بتواند مانند ترمینال اطلاعاتی عمل کرده و سیگنال های الکتریکی مختلف را با سطوح ولتاژی و جریانی متفاوت در یک رنج قابل قبول قرار داده و برای ارسال آماده کند و در عین حال باید بتواند سیگنال فرمان دریافتی را نیز برای اعمال به تجهیزات، به سطح ولتاژ موردنظر برساند. این وسیله، واحد ترمینال دور دست یا به اصطلاح RTU، نام دارد.
همان طور که اشاره شد اطلاعات مختلفی توسط RTU جمع آوری می شود، این اطلاعات شامل کمیات پیوسته مانند سطح ولتاژ خطوط، و هم چنین کمیات گسسته مانند باز یا بسته بودن قطع کننده ها می باشد. سیستم مخابراتی باید بتواند نوعی هم سان سازی بین این داده ها به وجود آورد. این عمل با نوع نمونه برداری صورت می گیرد. سیستم مخابراتی باید قادر باشد از اطلاعات مختلف طوری نمونه برداری کند که نتیجه ی آن، داده هایی هم گون باشد.
این داده های یک دست باید مسیر بین ترمینال و مرکز کنترل را طی کنند، و در حین این فرآیند دچار هیچ گونه خطایی نشوند برای این منظور ابتدا محیطی که اطلاعات باید از درون آن عبور کنند مشخص می شود و سپس اطلاعات توسط سیستم مخابراتی دچار تغییراتی می شوند تا برای انتقال از این محیط آماده شوند. این تغییرات به عمل مدولاسیون موسوم اند. پس از ارسال نیز عکس تغییرات اِعمالی روی سیگنال صورت می گیرد تا سیگنال پیام دوباره به شکل قابل فهم درآید.
در این بخش به تشریح هر یک از مراحل بالا می پردازیم و امکان های مختلف را از دیدگاه های تکنیکی، اقتصادی و اجرایی مقایسه می کنیم، اما در ابتدا به تشریح مقدمه ای از اصول مخابرات دیجیتال که لازمه فهم مطالب بعدی است می پردازیم و سپس به انواع روش های مدولاسیون پرداخته و مزایا و معایب هر یک را بررسی می کنیم و در ادامه نیز کانال های مخابراتی مختلف و امکان اجرای هر یک را تحلیل می کنیم.
3-2-مخابرات دیجیتال
هر سیستم مخابراتی مجموعه ای از قطعات و عناصر الکتریکی و الکترونیکی است که صرفاً برای انتقال سیگنال های مخابراتی طراحی شده است. هر سیستم مخابراتی در حالت ایده آل باید بتواند سیگنال های ورودی را دریافت و بدون تغییر به مقصد برساند. سیگنال های ورودی سیگنال های اند که حامل پیام مشخص می باشند، این پیام ها از انواع ورودی های آنالوگ و دیجیتال دریافت می شدند. به طور مثال جملاتی که توسط یک انسان بیان می شود یا تغییرات سرعت یک موتور الکتریکی و یا نوسانات شدت نور یک منبع نورانی همگی اطلاعاتی آنالوگ هستند که در طول زمان به طور پیوسته تغییر می کنند و هر دو تغییر متوالی در آن ها دارای فاصله ی زمانی حدی است. در مقابل، اطلاعات دیجیتال قرار دارند که در بازه های زمانی متفاوت دارای مقادیر مشخص و محدود هستند و در عبور از هر بازه ی زمانی با تغییرات ناگهانی و گسسته همراه هستند برای نمونه می توان به انواع تغییر وضعی کلیدها، قطع کننده ها، نشان گرها و آلارم ها اشاره کرد. با گذر زمان و پیشرفت علوم مختلف در بعضی موارد، مرز بین کمیات آنالوگ و دیجیتال دارای تغییر شد به طوری که مطابق با بعضی نظریات حدی می توان بسیاری از کمیات آنالوگ را به صورت گسسته مدل کرده و مورد تجزیه و تحلیل قرار داد. اهمیت این گونه تعاریف و شاخص ها صرفاً از این لحاظ است که یک سیستم مخابراتی عملاً برای ورودی های مختص به خود طراحی می شود و تمام محاسبات و طراحی ها به منظور انتقال نوع خاصی از اطلاعات صورت می گیرد لذا شناخت نوع اطلاعات انتقالی نخستین قدم در طراحی یک سیستم مخابراتی است. در طراحی و ایجاد سیستم مخابراتی اتوماسیون توزیع انرژی الکتریکی، عمده ی اطلاعات تبادلی به صورت دیجیتال است این اطلاعات به صورت متناوب توسط سنسورهای مربوطه دریافت و به ورودی سیستم مخابراتی داده می شود. اگر در این بین سیگنال های آنالوگ نیز وجود داشته باشد باید به صورت کدهای دیجیتالی منتقل شوند. قبل از پرداختن به جزئیات این سیستم، کلیات و تعاریفی در مورد سیستم مخابراتی ارائه می شود که در طول بحث مورد نیاز می باشند.
3-3-عناصر یک سیستم مخابراتی دیجیتال
چون در ادامه ی بحث مخابرات در این پروژه به مخابرات پرداخته شده لذا برای معرفی و نمونه نیز به یک سیستم دیجیتال اشاره می کنیم. در شکل زیر بلوک دیاگرام کلی یک سیستم مخابراتی دیجیتال داده شده.
هدف کلی سیستم، انتقال پیام های خرجی منبع به سمت مقصد با میزان (rate) حداکثر است. در حالت کلی منبع و مقصد در فضا از نظر الکتریکی جدا از یک دیگر بوده و توسط کانال مخابراتی به یک دیگر متصل می شدند. کانال سیگنال های الکتریکی و الکترومغناطیسی را دریافت می کند ولی چون ماهیتی غیرخطی دارد، سبب اعوجاج سیگنال ورودی در اثر تداخل با نویز و هم چنین تضعیف آن می شود. در نهایت مقصد سیگنال خروجی از کانال را دریافت کرده و اطلاعات موجود در آن را بازگشایی می کند. به طور مختصر به تعریف هر یک از عناصر می پردازیم.
3-4-منبع اطلاعات
منبع اطلاعات بر اساس ماهیت خروجی آن به دو گروه منابع اطلاعات آنالوگ و دیجیتال تقسیم می شوند که در مقدمه به آن اشاره شد. منبع اطلاعات دیجیتال (گسسته) توسط پارامترهای زیر مشخص می شوند:
1- سمبل ها (symbol)
2- میزان سمبل (symbol rate)
3- احتمالات سمبل های منبع
4- وابستگی آماری سمبل ها در یک رشته
با استفاده از این پارامترها می توان مدل آماری منبع را تولید کرده و آنتروپی و میزان اطلاعات آن را مشخص کرد.
– سمبل ها نمادهای انواع مختلف اطلاعات پایه ی منبع هستند به طور مثال یک ماشین تایپ ساده ی حروف انگلیسی با 26 حرف الفبا و 6 علامت خاص دارای 32 سمبل است که با فشردن هر کلید آن، 1 سمبل تولید می شود یا یک کلید مدار فرمان موتور التایی دارای سه سمبل برای حالات قطع، چپ گرد و راست گرد می باشد.
– میزان سمبل (symbol rate)، به تعداد سمبل تولید شده توسط منبع در یک بازه ی مشخص زمانی اشاره دارد، مثلاً یک تایپیست ماهر می تواند به طور تقریبی 4 حرف در ثانیه تایپ کند بنابراین میزان منبع (ماشین تایپ) 4 سمبل در ثانیه است.
– احتمالات سمبل ها و وابستگی آماری آن ها در بحث تشخیص و تصحیح خطا کاربرد دارد و بر پایه ی قضایای "شانون" استوار است.

اطلاعات منبع: (source inforation)
سمبل های تولیدی توسط منابع، دارای احتمالات مختلف تولید هستند مثلاً احتمال وجود حرف "E" در یک کلمه ی انگلیسی خیلی بیش تر از وجود حرف "Z" است. بنابر قوانین "شانون" هرچه احتمال وقوع یک پیش آمد تصادفی کم تر باشد، با وقوع آن پیش آمد، اطلاعات بیش تری دریافت می شود. فرمولی که شانون ارائه می دهد عبارت است از:

در این فرمول I اطلاعات مربوط به وقوع سمبل K اُم است و Pk احتمال وقوع آن است. اگر پایه لگاریتم عدد 10 باشد واحد اطلاعات، هارتلی (hartley) و یا دسیت (decit) خواهد بود، و اگر پایه لگاریتم 2 باشد. واحد اطلاعات بیت (bit) که مخفف رقم دوتایی است، خواهد بود. طبق رابطه ی اخیر اگر منبع ما وضعیت یک سکسیونر را در دو حالت باز یا بسته نشان می دهد و احتمال هر حالت برابر باشد، در این صورت میزان اطلاعات این منبع در هر حالت برابر bit 1 خواهد بود.
آنتروپی:
این شاخص، اطلاعات متوسط موجود در سمبل ها را در یک دنباله از سمبل ها بیان می کند واحد آن بیت بر سمبل است. با ضرب این شاخص در میزان سمبل می توان سرعت منبع را به دست آورد. سرعت منبع را با R و آنتروپی را با H نشان می دهیم.
Rs= تعداد سمبل تولید شده در یک ثانیه
کانال مخابراتی:
کانال مخابراتی به طور عام، وظیفه ارتباطی الکتریکی بین فرستنده و گیرنده را بر عهده دارد. کانال ممکن است یک زوج یا یک خط تلفنی یا خلاء و یا فیبر نوری باشد، در تمام حالات سیگنال حامل اطلاعات در کانال منتشر می شود. مشخصه های مختلفی برای بیان قابلیت های کانال های مختلف وجود دارد که کاربرد آن ها را از یک دیگر متمایز می کند. مهم ترین مشخصه ی کانال، ظرفیت کانال است.
واحد این مشخصه bit/ sec است و نشان می دهد که سیگنالی با فرکانس مشخص آیا قادر به عبور از این کانال هست یا نه با توجه به نوع امواج انتشار یافته در کانال های ارتباطی می توان برای هر کانال یک پهنای باند مشخص تعریف کرد. باید دانست که هر نوع سیگنالی که درون کانال ارتباطی به جز سیگنال پیام قرار گیرد، سیگنال ناخواسته یا نویز خواهد بود که علاوه بر اثرات نامطلوب روی سیگنال پیام، مقداری از ظرفیت کانال را نیز اشغال می کند. برای کانال های مخابراتی بانیری می توان ظرفیت کانال را به صورت زیر محاسبه کرد:

در این فرمول B، پهنای باند برحسب HZ و نسبت سیگنال به نویز است.
3-5-مدوله کننده و دمدوله کننده:
مدوله کننده یا مدولاتور (modulator) عمل مدولاسیون را پس از کد کردن سیگنال و قبل از ورود سیگنال به کانال مخابراتی انجام می دهد. این قسمت از سیستم مخابراتی خود می تواند از قطعات و تجهیزات بسیار پیشرفته تشکیل شده باشد. در سمت گیرنده نیز تجهیزاتی قرار داده شده اند که عکس عمل مدولاتور را انجام می دهد و سیگنال را بازیابی یا آشکار می کند به همین دلیل به دمدولاتور، آشکارساز نیز می گویند. عمل مدولاسیون، خواص، نتایج و روش های آن نیز به طور کامل در بخش مدولاسیون آورده شده است.
3-6-مدولاسیون (MODULATTON):
مدولاسیون دارای یک تعریف مشخص و ساده برای معرفی نیست، هم چنین نمی توان آن را با یک فرمول بیان کرد. برای شناخت مدولاسیون باید ضرورت انجام و فواید آن را بررسی کرد تا به نقش و اهمیت آن پی کرد ولی برای معرفی ساده می توان گفت: "مدولاسیون مجموعه ی اعمالی است که روی سیگنال پیام صورت می گیرد تا سیگنال پیام با حداقل اعوجاج و خطا و حداکثر کیفیت در گیرنده دریافت شود".
3-7-ضرورت مدولاسیون
3-7-1- مدولاسیون برای تسهیل در انتشار:
اگر کانال مخابراتی شامل فضای آزاد باشد، برای انتشار و دریافت سیگنال باید از آنتن استفاده کرد. انتشار موثر امواج الکترومغناطیسی به وسیله ی آنتن هایی صورت می گیرد که ابعادشان متناسب با طول موج سیگنال است. برای مثال اگر امواج صوتی را به طور مستقیم در فضا منتشر کنیم، برای این منظور به آنتنی با طول چندصد کیلومتر احتیاج داریم. در عمل مدولاسییون می توان سیگنال پیام را روی موجی با فرکانس چندصد مگاهرتز سوار کرده و سیگنال حاصله را منتقل کرده که در این صورت ابعاد آنتن قابل قبول خواهد بود.
3-7-2- مدولاسیون به منظور تسهیم:
به وسیله مدولاسیون می توان چندین سیگنال مختلف را از یک کانال واحد منتقل کرد. مثل سیگنال های مربوط به صوت، تصویر و رنگ در تلویزیون.
3-7-3- جبران کمبود تجهیزات:
می توان با تغییر مشخصه ی فرکانس و فازی سیگنال ها آن ها را به منظور استفاده در تجهیزات قدیمی یا موجود آماده کرد.
3-7-4- تخصیص فرکانس:
به وسیله ی مدولاسیون چندین سیگنال که ماهیت یکسان دارند را به وسیله ی شیفت فرکانسی می توان بدون تداخل منتقل کرد.

3-7-5- کاهش نویز و تداخل:
برخی روش های مدولاسیون با روش های خاص خود سبب کاهش اثر نویز در سیگنال می شوند، البته در این روش ها به پهنای باند بیش تری نیاز داریم.
3-8-انواع مدولاسیون:
از نظر کلی، مدولاسیون به دو دسته مدولاسیون سیگنال های آنالوگ و مدولاسیون سیگنال های دیجیتال تقسیم می شوند. به دلیل کاربرد در امر اتوماسیون به تشریح مدولاسیون سیگنال های دیجیتال می پردازیم. در انتها نیز اشاره می کنیم که برای ارسال سیگنال های آنالوگ ابتدا آن ها را به وسیله ی نمونه برداری به شکل پالس های گسسته درآورده و سپس با حامل موردنظر مانند سیگنال های دیجیتال منتقل می کنیم که اساس کار مدولاسیون PCM است. لازم به ذکر است که روش های بسیار زیادی برای مدولاسیون دیجیتال وجود دارد ولی به طور کلی مدولاسیون بر روی سه پارامتر اصلی سیگنال صورت می گیرد. فرض کنیم سینگنال دارای فرم کلی به صورت زیر باشد:
در رابطه ی بالا A(t) دامنه سیگنال، w فرکانس و اختلاف فاز سیگنال است و به طور کلی به مجموعه ی ، آرگومان یا فاز سیگنال می گویند.
عمل مدولاسیون می تواند تغییرات هر یک از سه پارامتر بالا را به تغییرات سیگنال پیام وابسته کند که در این صورت مدولاسیون های مختلف دامنه، فاز و فرکانس را خواهیم داشت.
در امر وابسته سازی تغییرات سیگنال پیام و هر کدام از سه المان فوق باید به ویژگی های طرح مخابراتی موردنظر توجه کرد، زیرا عواملی مثل پیچیدگی تجهیزات یا مسائل اقتصادی و هم چنین ضعف تکنیکی می تواند سبب ناکارآمدی طرح مخابراتی شود.
در محدوده ی اطلاعات گسسته همان طوری که اشاره شد ما با تعدادی بیت اطلاعات سروکار داریم، که هر کدام از این بیت های اطلاعاتی می تواند بسته ای از اطلاعات باشد. در مخابرات رقمی دوبیتی تنها اطلاعات ما شامل دو رقم 0 و 1 هستند لذا برای نشان دادن هر کدام از دو وضعیت فوق از یک سیگنال مشخصه متفاوت استفاده می کنیم. تعداد سیگنال های مشخصه ی مورد نیاز برای انتقال اطلاعات به تعداد حالات مختلف بسته های اطلاعاتی پایه بستگی دارد. مثلاً برای انتقال 4 قالب مختلف اطلاعاتی باید 16 سیگنال مشخصه در نظر گرفت. تعداد این قالب ها طبق رابطه ی محاسبه می شود. بنابراین برای انتقال اطلاعات دیجیتالی که دارای قالب های 4 بیتی می باشد 16 سیگنال به صورت مورد نیاز است تا بتواند به هر حالت اطلاعاتی یک سیگنال را اختصاص دهد. به چنین شمایی از مدولاسیون، مدولاسیون Mتایی گفته می شود. در حالت خاصی که اطلاعات ما شامل دو بیت 0 و 1 هستند باید دانست که ما دارای دو قالب مختلف اطلاعاتی هستیم که هر قالب از 1 بیت اطلاعاتی تشکیل شده که نحوه ی محاسبه ی تعداد بیت اطلاعاتی در بخش مقدمه آورده شد و لذا طبق فرمول اخیر ما برای انتقال حالات مختلع اطلاعات به 2 سیگنال نیاز داریم که این دو سیگنال می توانند با توجه به نوع مدولاسیون دارای تابع ریاضی مختلفی باشند. باید در مورد سیگنال های مشخصه ی موارد زیر را لحاظ کرد.
1- سیگنال های حامل پیام هستند لذا باید از نظر تولید و تشخیص ساده باشند.
2- این سیگنال ها باید در مقابل اعوجاج و نویز مقاوم باشند که در مورد اخیر باید گفت که مقاوم بودن یعنی این که تا حد استانداردی از نویز و اعوجاج را بدون از دست رفتن پیام بپذیرند.
3- آشکارسازی و ارسال این سیگنال ها دارای سرعت قابل قبول باشد.
3-9-سیگنال حامل (carrier signal)
همان طور که اشاره شد سیگنال انتقالی در کانال مخابراتی رابطه ای با سیگنال پیام دارد که آن را به سیگنال پیام وابسته می کند. این رابطه بر اساس تغییرات بی سیگنال پیام و فاز، دامنه یا فرکانس سیگنال انتقالی بیان می شود.
همواره در تمام حالات فوق علاوه بر سیگنال پیام، سیگنال دیگری نیز در ابتدای امر تولید می شود که به سیگنال حامل یا carrier موسوم است. در واقع تغییرات سیگنال پیام به سیگنال حامل تولیدشده اعمال می شود و سیگنال انتقالی یا مدوله شده ایجاد می شود. سیگنال حامل از نظر فرکانسی و دامنه دارای مشخصه های مختص به خود می باشد. مثلاً از لحاظ فرکانسی باید دارای فرکانسی بیش تر از سیگنال پیام باشد تا انتقال سیگنال پیام بهتر صورت گیرد و هرچه این فرکانس بیش تر باشد کیفیت ارسال پیام بهتر خواهد بود. البته خواهیم دید که افزایش فرکانس، با افزایش توان مورد نیاز نیز همراه خواهد بود.
3-10-مدولاسیون (amplitude shift keying) ASK
ساده ترین نوع مدولاسیون دیجیتال مدولاسیون ASK یا "کلیدزنی دامنه" است. این نوع مدولاسیون دیجیتال اولین بار در ابتدای قرن بیستم در سیستم های تلگراف بی سیم مورد استفاده قرار گرفت، اما امروزه در سیستم های مخابراتی جایگاه ویژه ای ندارد. در این نوع مدولسیون تغییرات دامنه سیگنال حامل با تغییرات دامنه سیگنال پیام رابطه ای خطی خواهد داشت. شکل زیر بیان گر این موضوع است.
پس از تشکیل سیگنال انتقالی ملاحظه می شود که چون سیگنال پیام در سیگنال حامل ضرب شده لذا دامنه ی سیگنال انتقالی به راحتی نشان دهنده وضعیت پیام است. در حالت ساده و بدون در نظر گرفتن نویز داریم:

در رابطه ی بالا سینگنال حامل به صورت با دامنه ی و فرکانس در نظر گرفته شده و سیگنال پیام x(t) در آن ضرب شده است.
3-11-مدولاسیون (phase shift keying) PSK
مدلاسیون پرکارد دیگری به نام PSK یا "کلیدزنی فاز" وجود دارد که روند ایجاد آن بر اساس وابستگی تغییرات فاز سیگنال حامل با تغییرات دامنه سیگنال پیام است. در این حالت برای انتقال پیام از دو سینگنال مشخصه، با اختلاف فاز متفاوت استفاده می شود. مثلاً برای بیت اطلاعاتی 0 سیگنال و برای بیت اطلاعاتی 1 سیگنال .
در حالت باینری به این نوع مدولاسیون، BPSK نیز گفته می شود.
مدولاسیون (frequency shift keying) FSK
مهم ترین نوع مدولاسیون غیرخطی، در مخابرات دیجیتال مدولاسیون FSK یا "کلیدزنی فرکانس" است. در این نوع مدولاسیون به واسطه ی وجود دو حالت 0 و 1 سیگنال انتقالی نیز دارای تغییرات فرکانس در دو سطح متفاوت است، که فرکانس در هر بازه ی زمانی مشخص بیان کننده ماهیت سیگنال پیام است.
چون سینگنال حامل به صورت مقابل تعریف می شود:

لذا این وابستگی تغییرات سینگنالی پیام، غیرخطی است. باید اشاره کرد که در این نوع مدولاسیون دامنه سیگنال حامل تغییری نمی کند.
فاز سیگنال به صورت مقابل تعریف می شود
یعنی فاز برابر است با مجموع تغییرات فاز به علاوه فرکانس. اگر از طرفین رابطه نسبت به زمان مشتق بگیریم داریم:

عبارت بالا بیان می کند که مشتق فاز برابر است با فرکانس به علاوه تغییرات فاز.
لذا داریم:
یعنی برای هماهنگی تغییرات فرکانس سیگنال حامل با سیگنال پیام با مستقیماً فرکانس سیگنال حامل را تغییر نمی دهیم بلکه از تغییرات انتگرال فاز استفاده می کنیم:

3-12-مدولاسیون (pulse coding modulation) PCM
مدولاسیون PCM یا رمز پالس یا کد پالس نوعی مدولاسیون داده های آنالوگ به وسیله حامل های دیجیتال یا پالس هستند. اهمیت این سیستم در کاربرد آن برای شبکه های گسترده و پیچیده مخابراتی و موبایل مشهود است. مبنای کار این سیستم بر اساس نمونه برداری از یک سیگنال پیوسته، توسط یک سیگنال گسسته است. از این رو در مطالعات بعدی اهمیت دارد. برای انتقال یک سیگنال پیوسته یا آنالوگ مثل صوت انسان یا روند تغییرات ولتاژ یک فیدر می توان از این سیگنال پیوسته در زمان، نمونه هایی با فواصل منظم در نظر گرفت و این نمونه ها را به عنوان داده های گسسته به وسیله ی مخابرات دیجیتال منتقل کرد. برای تشریح عمل کرد به شکل زیر می توان مراجعه کرد.

در این شکل قسمتی از یک سیگنال آنالوگ مثل صدای انسان نمایش داده شده، می توان مشاهده کرد که به هر سطح ولتاژ یک عدد باینری نسبت داده شده است و در فواصل منظم از سیگنال نمونه برداری به عمل آمده است.

هر سطح ولتاژ یک تراز دامنه نام دارد. هر نقطه ی نمونه بردای شده باید به نزدیک ترین سطح تراز دامنه گرد شود و این مقدار به عنوان عدد نمونه برداری در نظر گرفته شود. بدیهی است که در زمان آشکارسازی، شکل اصلی سیگنال از به هم پیوستن تقریبی نقاط نمونه برداری شده به دست می آید، لذا برای دقت بین سیگنال اصلی و سیگنال ارسالی باید از دو روش بهره جست.
اولاً می توان سطوح بیش تری برای ترازهای دامنه در نظر گر فت و ثانیاً می توان زمان های نمونه برداری را به یک دیگر نزدیک تر نمود. البته باید توجه کرد که با این روش ها علاوه بر افزایش دقت در سیگنال نمونه برداری شده، نیاز به توان و پهنای باند بیش تری برای انتقال اطلاعات خواهد بود.
پس از نمونه بردای سیگنالی شامل دنباله ای از بیت های اطلاعاتی خواهیم داشت که می توان آن ها را توسط هر یک از روش هی مدولاسیون دیجیتال انتقال داد.

یکی از عوامل مهم در تعیین پهنای باند موردنیاز در این روش شکل پالس نمونه برداری و سرعت آن است. سه نوع سیگنال پالسی شکل متداول برای نمونه برداری پالس قائم، پالس مثلثی و پالصس صعودی کسینوسی است. که در شکل های بعدی، به همراه طیف فرکانس آن ها آورده شده است.

از لحاظ تئوری همان طور که در شکل دیده می شود طیف این پالس ها تا بی نهایت ادامه دارد ولی در عمل پهنای باند آن ها تا اولین صفرشان محدود می شود. بنابراین بدون در نظر گرفتن اعوجاج و نویز پهنای باند برای این روش مناسب به نظر می رسد که البته در عمل این پهنای باند از مقدار مورد نیاز کمی هم بیش تر است. در مورد این سیستم باید توجه کرد که می توان با گذاشتن تکرار کننده در فواصل مناسب برد آن را افزایش داد نکته ی مهم در انتخاب فاصله ی بین تکرارکننده ها این است که این فاصله طوری انتخاب شود که دامنه ی نویز از نصف فاصله بین سطوح کم تر باشد. این مطلب در شکل آمده است.
یکی از ویژگی های مهم این سیستم این است که نویزها در فاصله ی هر تکرار تقریباً به صفر می رسند ولی اگر سیگنال آنالوگ مستقیماً منتقل می شد، در هر بار تکرار سیگنال که با تقویت آن همراه است، نویز واردشده نیز تقویت می شود که این موضوع محدودیت بزرگی برای سیستم های آنالوگ به شمار می رود. این امر در PCM علاوه بر ویژگی فوق، این مزیت را دارد که نسبت سیگنال به نویز کوچک پس از عبور از PCM بزرگ می شود.
از مزایای PCM کارکرد دوگانه آن هم برای سیستم های آنالوگ و هم سیستم های دیجیتال است. از دیگر مزایای این سیستم وجود قطعات و مدارات دیجیتال است که قابلیت اطمینان و ذخیره سازی اطلاعات را افزایش می دهد.

نسبت سیگنال به نویز:
یکی از پارامترهای مهم مخابراتی نسبت توان یا دامنه سیگنال ارسالی نسبت به توان یا دامنه نویز کلی موجود در کانال و محیط مخابراتی است. برای درک این کمیت از یک مثال استفاده می کنیم. فرض کنید شما یک سیستم ارتباط الکتریکی با ولتاژ متناوب با دامنه ی 2 ولت و فرکانس 50HZ در اختیار دارید و برای ارتباط گیرنده و فرستنده از یک آنتن تلسکوپی معمولی استفاده می کنید در حالت ایده آل باید تمام امواج ارسالی شما ولتاژی معادل 2 ولت روی آنتن مقابل القاء کند اگر شما در حوالی یک دکل انتقال قدرت 20KV قرار داشته باشید که شارهای متناوبی اطراف آن را فرا گرفته و این شارها هم فرکانس ولی با اختلاف فاز با منبع ارسال سیگنال شما باشد می تواند هم زمان با سیگنال پیام روی آنتن مقابل ولتاژی برابر با دامنه ی O.O2 ولت روی آن القاء کند که مقدار آن در هر لحظه خلاف علامت ولتاژ سیگنال اصلی را دارد لذا سیگنال اصلی دارای افت در هر لحظه به میزان O.O2 ولت خواهد شد. در این حالت میزان سیگنال به نویز را می توان برحسب دامنه ی ولتاژ سنجید که برابر 100 می شود.
این مقدار را همواره بر اساس دسی بل بیان می کنند که دارای دو فرم زیر است:

کاربرد این کمیت در طراحی سیستم های مخابراتی بسیار حیاتی است مثلاً برای محاسبه ی ظرفیت کانال ارتباطی از قانون "شانون- هارتلی" داریم:

نسبت سیگنال به نویز رابطه ی مستقیم با توان سیگنال دارد البته باید دانست که توان سیگنال را نمی توان بدون محدودیت زیاد کرد زیرا هزینه های بسیار سنگینی را به دنبال دارد. از دیگر کمیات مورد بررسی نویز موجود در کانال ارتباطی است درواقع وجود یا عدم وجود نویز بستگی شدیدی به نوع کانال ارتباطی دارد. مثلاً نویز الکتریکی از ویژگی های یک کانال ارتباطی تعبیه شده بر اساس یک زوج سیم است ولی این نویز در سیستم ارتباط تار نوری بی معنی است. برای نمونه در شکل بعدی یک نویز روی یک سیگنال سوار شده، به طوری که نسبت سیگنال به نویز برابر 8Db است.

– ISI و BER:
دو پارامتر برای میزان دقت یک سیستم مخابراتی مطرح می باشد که درواقع ناشی از نویز و ایده آل نبودن تجهیزات سیستم است، هر دو پارامتر یک مفهوم را بیان می کنند. فرض کنیم خروجی مولد پالس به صورت زیر باشد:

پالس پایه است که در مورد انواع آن بحث کردیم و دامنه پالس است که بستگی به k امین سمبل ورودی از منبع اطلاعات دارد. برای سادگی فرض می کنیم که pg(t) نرمالیزه شده باشد، به طوری که: Pg(0)=1

سیگنال پیام پس از عبور از انواع فیلترها و کدکننده ها و مدولاتور وارد محیط و کانال مخابراتی شده و در نهایت به گیرنده می رسد در آن جا مراحل ارسال را به صورت معکوس برای آشکارسازی انجام می دهد و قبل از وارد شدن به مبدل آنالوگ به دیجیتال به صورت سیگنال r(t) در می آید که می توان آن را به فرم زیر نمایش داد:
در این معادله، ، که ثابت نرمالیزاسیون است.
و هم چنین ناشی از اثر نویز در خروجی گیرنده است. مبدل A/D از سیگنال r(t) در لحظات نمونه برداری کرده و بیت m ام خروجی با مقایسه ی با یک آستانه تولید می شود.
ورودی مبدل A/D در لحظه ی نمونه برداری برای آشکارسازی اطلاعات، در برابر است با:

در عبارت بالا بیان گر رسیدن و آشکارسازی بیت m ام است که برای ما مطلوب است، از طرفی وجود نشان دهنده وجود نویز در سیستم است که آن را پیش بینی کرده بودیم ولی جمله دوم بیان گر وجود آثاری از بقیه ی بیت های ارسالی غیر از بیت m ام است که این امر در لحظه ی ، کاملاً نامطلوب است. این اثر باقی مانده را تداخل بین سمبل ها یا به اصطلاح (intersymbol interference) می نامند. البته در مورد اطلاعات دیجیتالی باینری این مفهوم به صورت میزان خطای بیت یا (bit errot rate) BER بیان می شود.
این دو پارامتر به صورت خطا در نظر گرفته شده و بر اساس آمار و احتمال برای هر سیستم تعریف می شوند. برای سیستم های عمومی با کانال ارتباطی هوا این مقدار خطا بین تا قابل قبول است البته برای سیستم هایی با کانال ارتباطی فیبر نوری این مقدار به صورت استاندارد خواهد بود. شمایی از خروجی با نویز در شکل آمده است.
برای رفع این حالت از شمای بانیری دوبل استفاده می شود. روش کار به این صورت است که در خروجی r(t) برای نمونه برداری، در لحظه ی نمونه برداری می کنیم بنابراین بدون در نظر گرفتن نویز خواهیم داشت:

برخلاف حالت قبل که آشکارسازی یک بیت به بیت های دیگر بستگی داشت و از همه ی بیت ها تاثیر می گرفت، این بار آشکارسازی بیت m ام فقط به بیت (m-1)ام بستگی دارد. در واقع آشکارسازی و خطا به نحوی کنترلب پذیر شده اند. با توجه به جمع دو بیت و حالت هر یک که می تواند +a به ازای 1 و -a به ازای 0 باشد بنابراین را به صورت زیر خواهیم داشت:

در رابطه ی بالا خروجی نمونه برداری دارای سه سطح شد ولی خطا میل به انتشار دراد یعنی اگر بیت m ام بر اساس بیت m-1 آشکارسازی شود، خود این بیت نیز قبلاً بر اساس بیت m-2 آشکارسازی شده و به همین ترتیب هر بیت از بیت قبلی تاثیر پذیرفته، اگر در این میان یکی از بیت ها غلط آشکارسازی شود چون آخرین مقدار آن غلط ثبت شده لذا از آن به بعد همه ی بیت ها غلط آشکارسازی می شوند. برای رفع این مساله lender روش جالبی را پیشنهاد کرد. در این روش با کد کردن مقدماتی داده ها در فرستنده که می تواند توسط کدکننده منبع صورت گیرد از انتشار خطا جلوگیری می شود. بدین ترتیب که دنباله ی بیت های ورودی یعنی را توسط رابطه ی زیر با دنباله ی دیگری مثل ترکیب می کنیم:

علامت نشان دهنده عملیات منطقی دیجیتالی XOR است.
اگر بیت ، 0 باشد، پس خواهد بود لذا دریافت می شود. اگر بیت ، 1 باشد، پس همواره مکمل خواهد بود لذا صفر می شود، پس به راحتی آشکارسازی می شود.
البته در عمل برای BER یا میزان خطای بیت همواره عددی در نظر گرفته می شود زیرا اجتناب ناپذیر است.

هم زمانی (synchronization)
یکی از پیچیده ترین مسایل در طراحی سیستم های مخابراتی، مساله ی هم زمانی یا سنکرون کردن گیرنده و فرستنده است. ابتدا به طرح مساله می پردازیم. در تمام مدولاسیون های ذکر شده در مطالب قبلی و هم چنین در مدولاسیون هایی که در آینده مطرح می کنیم، یان نکته وجود دارد که سیگنال حامل چه به صورت پیوسته با فرکانس و چه به صورت گسسته یا پالس نمونه برداری با فواصل از محل برخورد با سیگنال پیام نمونه برداری می کنند و سپس این نمونه ی گسسته به وسیله ی فیلترها و بقیه مدارات به صورت پیوسته در آمده و توسط فرستنده وارد کانال ارتباطی می شوند و درنهایت توسط گیرنده دریافت شده و در همان زمان هایی که در فرستنده نمونه برداری شده اند دوباره نمونه برداری شده و با حذف نویز و انجام عکس عمل فیلترهای فرستنده، اطلاعات پیام آشکار می شوند. اما نکته مهم همین جاست که گیرنده نقاط و زمان های نمونه برداری در فرستنده را تشخیص داده و درست در همان زمان ها نمونه برداری کند. چون با وجود اعوجاج، نویز و تضعیف کانال مخابراتی روی سنگنال، عملاً شکل سنگنال ارسالی و دریافتی متفاوت است و حال با اندکی خطا در امر نمونه برداری در گیرنده تقریباً اکثر اطلاعات از بین می رود. برای این منظور باید نوعی هم زمانی بین نمونه برداری در فرستنده و گیرنده انجام شود در غیر این صورت باید برای دریافت و آشکارسازی به صورت غیر هم زمان یا آسنکرون، پیش بینی های لازم صورت گیرد. عمل هم زمانی به سه صورت کلی انجام می شود:
1- گرفتن اطلاعات ساعت از یک معیار اولیه یا ثانویه، به عنوان مثال می توان فرستنده و گیرنده را در ارتباط با یک ساعت اصلی قرار داد. این روش غالباً در شبکه های بزرگ مخابره داده ها به کار گرفته می شود و در ارسال نقطه به نقطه اطلاعات ضرورتی ندارد و البته قیمت بالای آن نیز در این موارد توجیه ندارد.
2- ارسال سیگنال ساعت هم زمان کنند. در این روش سیگنالی که عمل نمونه برداری را انجام می دهد می توان آن را برای مقایسه زمان به کاربرد توسط فرستنده در کنار سیگنال پیام ارسال می شود. البته این روش مقداری از فضای کانال مخابراتی را اشغال می کند، که در مواردی که محدودیت کانال نداریم، بهترین و ارزان ترین روش هم زمانی است.
3- گرفتن سیگنال ساعت از خود شکل موج سیگنال دریافتی. این روش بسیار موثر و کارآمد است و ارتباط دقیقی بین گیرنده و فرستنده برقرار می کند. ویژگی این روش این است که چون سیگنال ساعت از خود سیگنال پیام استخراج می شود لذا نیازی به پهنای باند اضافی نیست البته تجهیزات گیرنده کمی پیچیده تر می شوند. عمل آشکارسازی سیگنال ساعت "clock recovery" نام دارد که خود به روش های گوناگونی انجام می شود. یکی از این روش ها استفاده از مدار قانون مربع است در این روش بعد از مربع کردن سیگنال دریافتی آن را از یک فیلتر میان گذر تیز یا sharp عبور می دهند و شکل موج حامل را با فرکانس 2 برابر فرکانس اصلی آن به دست می آورند. سپس با عبور دادن آن از یک تقسیم کننده فرکانس آن را نصف کرده و موج حامل به دست می آید حال با ضرب این سیگنال حامل در همان سیگنال دریافتی و عبور آن از یک فیلتر پایین گذر می توان سیگنال پیام x(t) را آشکارسازی کرد.
برای جمع بندی مطالب گفته شده و قبل از پرداخت به دیگر حالات پیشرفته مدولاسیون دیجیتال به مقایسه و جمع بندی مطالب ذکر شده در مورد سه نوع مدولاسیون اصلی دامنه، فرکانس و فاز می پردازم. این مقایسه در مورد پارامترهایی نظیر پهنای باند، احتمال خطا، پیچیدگی تجهیزات و کابرد آن در صنعت صورت می گیرد. توضیح این که نسبت S/N برای خطایی معادل محاسبه شده است.
ASK سنکرون: پهنای باند آن برابر است که نرخ بیت بر ثانیه است. مقدار خطای آن از رابطه ی تابع گاوسی به صورت زیر محاسبه می شود که در آن Tb مدت بیت و n/2 چگالی طیف توان نویز است.
نسبت سیگنال به نویز حدود است. در این نوع مدولاسیون پیچیدگی تجهیزات متوسط است. این روش کم تر کاربرد دارد.
ASK آسنکرون: پهنای باند یا BW تقریباً . فرمول محاسبه ی خطا از رابطه ی لگاریتم نپرین به دست می آید:

پیچیدگی تجهیزات آن کم است.

FSK سنکرون:

پیچیدگی تجهیزات آن زیاد است و به همین دلیل به ندرت به کار می رود، هرچند کارایی بالایی دارد.
FSK آسنکرون:

پیچیدگی تجهیزات آن کم است. برای انتقال داده ها با سرعت کم به کار می رود.
PSK سنکرون:

پیچیدگی تجهیزات زیاد است. برای انتقال داده با سرعت های زیاد به کار می رود.
در این بخش به معرفی چند نوع مدولاسیون کاربردی می پردازیم. این نوع مدولاسیون ها شامل QPSK، OQPSK، MSK، GMSK می باشند که مدولاسیون اخیر در امر اتوماسیون سیستم های توزیع به عنوان مدولاسیون باند پایه در مودم رادیویی UHF مورد استفاده قرار گرفته.
– مدولاسیون QPSK:
در مدولاسیون PSK عمل تغییر فاز برای دو سیگنال صورت می گرفت که در نتیجه برای دو حالت 0 و 1 کفایت می کرد. در مدولاسیون حاضر ما چهار سیگنال را با اختلاف فاز تعریف می کنیم که برای همین به نوع مدولاسیون "کلیدزنی فاز چهارگانه" یا quadrature phase shift keying می گوییم. دنباله بیت های ورودی در این حالت به صورت می آیند. در این روش این دنباله را بر اساس عدد بیت رسیده به دو قسمت تقسیم می کنیم یعنی بیت رسیده ی اولی، سومی، پنجمی و… در یک دسته و بیت هایی که به نوبت با شماره های صفر، دو، چهار، شش و… می رسند در دسته ی دیگری قرار می گیرند درواقع بیت ها بر اساس اولویت آمدن به دسته های زوج و فرد تقسیم می شوند که به ترتیب با شامل گروه زوج و شامل گروه فرد هستند.

هر کدام از این دنباله های شامل بیت های 0 یا 1 هستند با این تفاوت که زمان تناوب هر دنباله دو برابر شده یا به عبارت دیگر فرکانس آن نسبت به دنباله ی اصلی نصف شده است.

در این حالت سیگنال حامل با دنباله پیام ترکیب می شود. سیگنال حامل، شامل یک تابع کسینوس برای دنباله زوج و یک تابع سینوس برای دنباله فرد می باشد:

با استفاده از قضایای مثلثاتی داریم:
مقادیر برای A(t)، چهار حالت مختلف برای دنباله های زوج و فرد به وجود می آورد. در این مدولاسیون سیگنال های زوج و فرد بدون تداخل روی هم قرار گرفته و منتقل می شوند. سرعت سمبل ها برای QPSK نصف سرعت بیت ها است. یعنی به ازای هر دو بیت ورودی یک سمبل تولید می شود. در واقع در مقایسه با PSK می توان گفت در شرایط مشابه و پهنای باند یکسان، QPSK توانایی حمل دو برابر میزان اطلاعات را نسبت به PSK دارست.
تغییرات فاز در QPSK هر 2T صورت می گیرد. اگر یکی از دنباله ها تغییر کند، اختلاف فاز خواهد بود و اگر هر دو تغییر کند اختلاف فاز خواهد بود.

3-13-مدولاسیون OQPSK:
اگر در مدولاسیون QPSK دنباله های زوج و فرد نسبت به یک دیگر دارای هم پوشانی باشند یا به عبارتی یکی از آن ها نسبت به دیگری تاخیر داشته باشد و این تاخیر به اندا زه ی نصف فاصله ی بیت باشد در این صورت تغییرات فاز هرگز نخواهد بود. این مدلاسیون، offset quadrature phase shift keying نام دارد. حالت دنباله های زوج و فرد در شکل زیر آورده شده.
در این مثال دنباله ی بیت فرد نسبت به زوج تاخیر دارد. در این حالت محدوده ی تغییرات فاز شامل خواهد بود و امکان تغییر فاز حذف می شود. باید دانست شاخص BER برای هر سه نوع مدلاسیون QPSK و OQPSK و BPSK یکسان است.
3-14-مدولاسیون MSK:
در قسمت هی قبل دیدیم که با تاخیر دنباله های بیت زوج و فرد نسبت به هم یک نوع مدولاسیون جدید ایجاد شد ولی این تاخیر تاثیری روی خطا و هم چنین روی پهنای باند نداشت. مدولاسیون MSK یا minimum shift keying از مدولاسیون OQPSK ناشی می شود ولی دارای این تغییرات است که به جای پالس مستطیلی برای نمونه برداری از پالس سینوسی نیم موج که قبلاً توضیح داده شده استفاده می شود. سیگنال مدوله شده به وسیله ی رابطه ی زیر نشان داده می شود:

یا خواهیم داشت:

شکل های زیر گویای مطلب است.

ویژگی مهم و منحصربه فرد این مدولاسیون این است که اولاً تغییرات فاز محدود به است و هم چنین این تغییرات به صورت خطی است یعنی دارای تغییر ناگهانی نیست. این تغییرات خطی سبب می شود تا چگالی طیف توان سیگنال دارای شکلی باریک باشد که این موضوع به کنترل تداخل یا ISI کمک می کند و لذا خطا را کاهش می دهد.
3-15-مدولاسیون GMSK:
در مدولاسیون MSK ما برای بیت های 0 و 1 از پالس نیم موج سینوسی استفاده کردیم. در این مدولاسیون از یک فیلتر گاوسی برای تولید یک پالس نازک تر استفاده می کنیم. به همین دلیل به این نوع از مدولاسیون، GMSK یا gaussian minimum shift keying گفته می شود.
فیلتر گاوسی یک فیلتر پرکاربرد است. این فیلتر سیگنال ایجاد می کند که دارای چگالی طیف توان نسبتاً ایده آلی است یعنی قسمت اصلی آن نازک و قسمت های کناری آن بسیار کم و کوچک اند به طوری که از پالس مستطیلی ایده آل تر به نظر می رسد.
در این فیلتر، رابطه ی بین پهنای باند فیلتر ابتدایی و دوره تناوب بیت ها که به ترتیب با B و T نمایش داده می شوند، پهنای باند کل سیستم را تعریف می کند.
هماهنگی و تناسب بین BER و تداخل خروجی باند نازک فیلتر باعث افزایش ISI و کاهش قدرت و توان سیگنال می شود. برای انجام این نوع مدولاسیون دو نوع مدار متفاوت وجود دارد که هر کدام دارای ویژگی های خاص خود است.
اولین روش بر مبنای مدولاسیون کلیدزنی فرکانس یا PSK است. دیاگرام این روش در شکل نشان داده شده.
این دیاگرام بسیار ساده و بدون در نظر گرفتن جزئیات رسم شده و فقط روند کلی کار را بیان می کند. دو قسمت اصلی در این روند، فیلتر پایین گذر گاوسی و اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ است (VCO)، به همین دلیل به این روش، روش مستقیم یا روش استفاده از اسیلاتور کنترل ولتاژ نیز گفته می شود.
در این روش دنباله ای از بیت های اطلاعاتی از فیلتر گاوسی عبور می کنند که هر کدام از آن ها معادل یک پالس گاوسی می شوند. خروجی فیلتر وارد VCO می شود. خروجی VCO نیز سیگنال کلیدزنی فرکانس خواهد بود.
مزیت این روش سادگی آن است اما این روش برای ثابت کردن اندیس مدولاسیون روی 0.5 مناسب نیست. زیرا وابستگی شدیدی به زمان و حرارت محیط دارد. این روش معمولاً برای سیستم های آشکارسازی اطلاعات گسسته مناسب است.
تشریح روش دوم را از توضیح فیلتر گاوسی آغاز می کنیم. این روش به نام روش زوج و فرد یا I/Q یا روش مدولاسیون کلیدزنی فاز چهارگانه شهرت دارد.
دیاگرام انجام این روش در شکل دیده می شود:
فیلتر گاوسی پایین گذر (G- LPF) پاسخ ضربه ای در حوزه ی زمان به صورت زیر دارد:
که محدوده ی تغییرات از 0 تا بی نهایت است.
در رابطه ی بالا Q(t) تابع احتمال گاوسی با فرمول زیر است:

پهنای باند فیلتر پایین گذر است. T مدت زمان بیت است و برابر ، یا پهنای باند نرمالیزه است.
برای مثال یک پاسخ ضربه برای و میزان بیت T=1/2000 و رسم شده که نسبت به مبدا تقارن دارد.
شکل بالا مقیاس بندی و رُندشده است.
برای تشریح عمل کرد GMSK، دنباله ای از بیت های 0 و 1 را مثل شکل زیر در نظر می گیریم.
اطلاعات از درون فیلتر گاوسی عبور می کند و به ازای هر 0 یا 1 یک شکل پاسخ گاوسی ایجاد می شود که مثل حالت واقعی دارای عامل خطای تداخل سمبل ها یا ISI

می باشد. علت این امر به دلیل زوج و فرد بودن داده ها و جداسازی آن هاست که هر بیت زمانی معادل 2 برابر سمبل را طی می کند. به ازای این مطلب در شکل زیر آمده است.

پالس های تکی با یک دیگر جمع شده و نتیجه ای مثل شکل زیر را تولید می کنند.

در مرحله ی بعدی تابع تولید شده b(t) انتگرال گیری شده و محدوده ی انتگرال آن بین t و بی نهایت خواهد بود تا تابع c(t) نتیجه شود که شکل تابع c(t) در شکل زی آمده است.
حال تابع های سینوسی و کسینوسی در دو شاخه مجزا قرار دارند که c(t) به هر کدام از آن دو وارد شده و سینوس و کسینوس c(t) محاسبه می شود که در نتیجه این امر دو دنباله از بیت ها به صورت دنباله های I(t) و Q(t) به دست می آید.
پس داریم: I(t)=cos[c(t)]
شکل I(t) در زیر آورده شده است:
و هم چنین: Q(t)= sin [c(t)]

شکل گرافیکی این سیگنال نیز به صورت زیر است:
دو سیگنال تولید شده وارد مدولاتور I/Q می شوند که خروجی آن منجر به تولید سیگنال GMSK می شود که هدف ما بوده است. این سیگنال به فرم زیر خواهد بود:

شکل زیر نشان دهنده شکل نهایی سیگنال GMSK است:
باید اشاره کنم که مدولاتور I/Q از یک اسیلاتور تشکیل شده که موجی کسینوسی تولید می کند و آن را با شیفت زاویه ای به تابع سینوسی تبدیل کرده و مجموع حاصل ضرب هر یک را در دو دنباله موردنظر به دست می دهد.
در انتهای این قسمت ذکر این نکته ضروری است که فیلتر گاوسی، هر چه دارای لوپ اصلی نازک تر باشد مطلوب تر است. این نازگی به وسیله پارامتر BT تعیین می شود. مثلاً برای سیستم های مخابرات بی سیم که باید دارای راندمان بالایی باشند، استفاده از پهنای باند در کانال مخابرات رادیویی یا RF با BT مناسب سبب کاهش انرژی مصرفی می شود.
در شکل زیر دو نمونه از پاسخ ضربه فیلتر گاوسی با دو مقدار BT نشان داده شده است.
در مورد افزایش BT یک محدودیت مهم وجود دارد و آن هم فرکانس قطع، یا فرکانس -3Db است. رابطه ی این دو عبارت است از:

مثلاً یک منبع اطلاعاتی با سرعت 9.6kbps، که یک سرعت معمول در مخابرات داده های صنعتی است و با دانستن BT= 0.3، پهنای باند یا به عبارتی فرکانس قطع برابر 288OHZ خواهد بود.
-کدکننده و دکدکننده منبع:
یکی از اساسی ترین قسمت های سیستم، کدکننده است. برای توضیح این قسمت یک مثال را مطرح می کنیم. فرض کنیم اطلاعت مربوط به وضعیت دو رله ی دیجیتالی نصب شده در دو پُست مختلف، دریافت شده و در محل مربوطه توسط سیستم مخابراتی به مرکز ارسال شده حال برای تغییر وضعیت دل خواه روی بارهای الکتریکی، فرمان قطع یا وصل برای یک بریکر خاص فرستاده می شود. این فرمان توسط سیستم رادیویی در هوا منتشر می شود و توسط گیرنده های مختلف در پست های مختلف دریافت می شود در این حالت، فرمان ارسالی توسط تمامی بریکرها اجرا می شود، در حالی که ما این فرمان را برای یک بریکر بخصوص ارسال کرده بودیم. در این جا مسئله ارسال و دریافت بدون نقص صورت گرفته و اشکال کار در عدم وجود آدرس دهی و شناسایی فرمان ارسالی است. برای این منظور لازم است قبل از ارسال اطلاعات، آن ها را فرم داده و در بسته های مشخصی برای آدرس موردنظر فرستاد. این عمل توسط کدکننده صورت می گیرد. کدکننده با افزودن تعدادی بیت به ابتدا و انتهای پیام، علاوه بر جداسازی و بسته بندی اطلاعات، می تواند در هماهنگی کامل با گیرنده موردنظر باشد. به گونه ای که یک دکدکننده در گیرنده نسبت به آرایش خاصی از بیت های ابتدایی و انتهای عکس العمل نشان داده و فرمان موجود در بسته اطلاعاتی را اجرا کند. اما خارج از بحث آدرس دهی کد کردن اطلاعات منبع می تواند در کاهش خطا و یا تشخیص و تصحیح خطا، (error correction error detection) برا داده های دیجیتال مورد استفاده قرار گیرد. مثلاً وقتی دنباله ای طولانی از یک های متوالی باید ارسال شوند، این موضوع می تواند گیرنده را پس از چند سیکل دچار خطا کند. با عمل کد کردن می توان مثلاً پس از هر تعداد بیت مشخصی، تعدادی بیت با قالب قراردادی گذاشته و بین هر بسته و قالب تفاوت قائل شد.
یا در بحث تشخیص خطا می توان از الگوهای آماری بهره جست. در این الگوها از انواع کدهای کنترل کننده خطا استفاده می شود. اما اساسا کار تمام این روش ها این طور است که ما تعدادی بیت را به صورت آگاهانه به بیت های اصلی منبع اضافه کرده یا تغییراتی در بیت های منبع ایجاد می کنیم به طوری که، انتظار دریافت سیگنال مشخصی را در گیرنده داشته باشیم و در صورت عدم دریافت بسته اطلاعاتی موردنظر متوجه خطا می شویم. برای مثال با شمارش 7 بیت از منبع و با اضافه کردن 0 یا 1 به آن 8 بیت می سازیم به طوری که تعداد صفرها یا 1ها در آن بسته اطلاعاتی زوج یا فرد باشد. در این صورت با تغییر تنها یک بیت، گیرنده می تواند به وجود خطا در آن بسته اطلاعاتی پی برده و در صورت امکان تقاضای ارسال مجدد آن را بکند.
البته روش هی بسیار پیچیده ای که مبتنی بر ریاضیات گسسته و ماتریس ها هستند برای این منظور وجود دارند که حتی می توانند در صورت تغییر، خطا، یا از دست گرفتن اطلاعات ارسالی، مستقیماً در گیرنده، بدون تماس با فرستنده اقدام به تصحیح داده های دریافتی بکنند.
-کدهای کنترل خطا:
کدهای کنترل خطا به مجموعه کدهایی گفته می شود که توسط فرستنده به عمد در بیت های ارسالی گنجانده شده و سبب تشخیص خطا می شوند.
روش های مختلفی برای تعیین نوع این کدگذاری وجود دارد که بنا به شرایط طراحی سیستم انتخاب می شود. ازجمله این شرایط می توان به انواع خطای موجود در سیستم، انواع نویز، میزان اهمیت اطلاعات ارسالی، محدودیت هی اقتصادی و محدودیت های تکنیکی و اجرایی اشاره کرد.
– انواع کدها:
کدهای کنترل کننده خطا به دو دسته بزرگ تقسیم می شوند: کدهای قالبی (block codes)- کدهای کانولوشن (convolutional codes). در کدهای قالبی، یک قالب مرکب از k بیت اطلاعات توسط یک گروه مرکب از r بیت کنترل که از روی قالب بیت های اطلاعات به دست می آیند دنبال می شود. در گیرنده، بیت های کنترل دارای اولویت نسبت بیت های اطلاعات هستند.
در کدهای کانولوشن، بیت های کنترل به صورت پیوسته لابه لای بیت های اطلاعاتی قرار می گیرند، در این حالت بیت های کنترل فقط برای کنترل اطلاعات یک قالب مورد استفاده قرار نمی گیرند.
در واقع تفاوت اصلی دو گروه در این است که در کدهای قالبی هر دسته از بیت هی کنترل برای یک سری خاص از بیت های اطلاعات استفاده می شوند ولی در روش کانولوشن تولید یک قالب n رقمی خاص در یک واحد زمانی وابسته یه قالب های تولید شده در زمان های قبل نیز هست.
نمونه ای از کدهای قالبی در قسمت قبل ذکر شد. در مورد کدهای کانولوشن می توان به شیوه تصحیح ISI در قسمت هی قبل اشاره کرد.
از روش های مختلف کدهای قالبی می توان به روش های زیر اشاره کرد:
– کدهای قالبی ماتریسی
– کدهای همینگ
– کدهای گردشی باینری
– کدهای تصحیح خطای قطاری
– کدهای تصحیح خطای قطاری و تصادفی.
در ادامه به چند قالب استاندارد اشاره می شود.
3-16-فرمت داده (data format)
اطلاعات منبع پس از کد شدن به بسته های کوچک تری تقسیم می شوند که بسته های اطلاعاتی نام دارند. قالب و فرمت این بسته های اطلاعاتی تا حدود زیادی بستگی به نوع کدگذاری منبع دارد. اما امروزه این قالب ها طبق استانداردهایی تعیین می شوند. مدولاسیون می تواند تعیین کننده نوع فرمت داده ها باشد. مدولاسیون GMSK توسط اکثر سیستم های مخابراتی راه دور (telecommunication) و ارتباط بی سیم به عنوان یک پروتکل پذیرفته شده و به دلیل استفاده در مخابرات اتوماسیون به آن می پردازیم.
دو فرمت برای این مدولاسیون وجود دارد: اطلاعات بسته ای دیجیتالی سلولی یا cellular digital packet data که به اختصار "CDPD" نامیده می شود. و فرمت داده موبیتکس (mobitex).
CDPD از زمان خالی روی سیستم های سلولی استفاده می کند و بسته های اطلاعاتی را روی فضای خالی کانال صوتی مخابره می کند. اطلاعات با سرعت 19.2 kbps و BT=o.5 ارسال می شوند. در سیستم های صوتی مثل ارتباط تلفنی همواره صدا بر اطلاعات تقدم دارد و ارسال اطلاعات تا قطع صدا متوقف شده و سیستم CDPD به دنبال مسیر جدیدی می گردد. این سیستم به صورت فراگیر در شبکه های مخابراتی پیشرفت کرده. نقطه قوت این سیستم راحتی و پوشش خوب آن است.
سیستم موبیتکس دارای سرعت کم تری نسبت به CDPD در حدود 8 kbps است و فضای مشترکی با سیستم صوتی ندارد. فضای مناسب برای کانال CDPD، حدود 30KHZ است ولی این فضا برای موبیتکس 12.5 KHZ است. اما تداخل ISI در موبیتکس بیش تر از CDPD است.
هر دو سیستم برای تصحیح مستقیم خطا به کار گرفته می شوند. شکل های زیر ساختار پاکت های اطلاعاتی هر کدام را نشان می دهد.

در ادامه این بخش نمونه هایی عملی از مدارات مخابراتی ذکرشده را مطرح می کنیم. فیلتر گاوسی می تواند به صورت شکل مداری زیر طراحی شود. در مدار زیر از OP- AMP و مقاومت استفاده شده، این مدار توسط شرکت نیمه هادی phigips طراحی شده.
تابع تبدیل و مشخصات مداری سیستم به شکل زیر است:

در این جا نیز یک مدولاتور CMSK ساخته شرکت philips به همراه جدول مشخصات برای نمونه ی واقعی ذکر شده است.

3-17- مودم رادیویی UHF، NRM- 400
پس از ویژگی های گفته شده در مورد اصول مخابراتی و مسایل طراحی و تجهیزات، با در نظر گرفتن سیستم توزیع انرژی الکتریکی به عنوان منطقه مخاباتی برای جمع آوری و ارسال اطلاعات به معرفی و بررسی عمل کرد مودم طراحی شده برای این پروژه می پردازیم. مودم وسیله ای برای انجام عمل تکنیکی مدولاسیون و مدولاسیون است (modulation and demodulation) به همین علت به آن modem گفته می شود. یک مودم رادیویی ترمینال اتصال و محل ورود و خروج اطلاعات از گیرنده و فرستنده به محیط کانال ارتباطی می باشد.
تمام عملیات پردازش داده ها، مدولاسیون، نمونه برداری، کد کردن و حتی تشخیص و تصحیح خطا می تواند درون مودم صورت گیرد یعنی برخلاف نام آن فقط عملیات مدولاسیون و دمدولاسیون را انجام نمی دهند.
این مودم رادیویی توسط بخش مخابرات و تله متری پژوهشگاه نیرو زیر نظر پژوهش کده کنترل و مدیریت شبکه پژوهشگاه طراحی شده و نمونه های تحقیقاتی آن نیز ساخته شده است.
این وسیله اطلاعات جمع آوری شده توسط تجهیزات نصب شده در سیستم توزیع را که به RTU واردشده به وسیله آنتن به محیط مخابراتی منتقل کرده و اطلاعات ارسالی از مرکز کنترل را دریافت و پس از رمزگشایی به RTU منتقل می کند.
اولی ویژگی این مودم، باند فرکانس کاری آن است که همان طوری که از نام آن مشخص است در محدوده UHF که بین 300MHZ- 3GHZ قرار دارد کار می کند، البته باند اختصاص داده شده بنا به تایید شرکت مخابرات باشد تا از تداخل رادیویی جلوگیری شود. باند اختصاص داه شده بین 403 MHZ تا 419 MHZ می باشد، که با در نظر گرفتن فاصله ی کانال در این مودم که 25 KHZ است می تواند به صورت نرم افزاری تنظیم شود که این عمل از مرکز کنترل صورت می گیرد و از قابلیت های انعطاف پذیری این مودم محسوب می شود.
حتلت کار سیستم به صورت نیمه دوطرفه یا halt duplex می باشد که اشاره به نحوه تبادل اطلاعات بین مودم و خارج آن دارد.
توان تشعشعی خروجی آنتن بین 1 تا 5 وات است که باز هم می تواند توسط نرم افزار کنترل شود.
حساسیت گیرندگی یا receiver sensitirity، برای مودم در شرایط کاری SINAD=12 برابر با -117 dbm است، که dbm واحد توان برحسب میلی وات دسی بل است. این شاخص می تواند برد گیرندگی را برای مودم تعریف کند.
سرعت انتقال اطلاعات بین 4800 bps تا 9600 bps قابل تغییر است که باز هم می تواند به صورت نرم افزاری تنظیم شود.
نوع مدولاسیون باند پایه، GMSK است که به همراه روابط و تعاریف در بخش های قبل توضیح داده شد.
فرمت قالب داده به صورت غیر هم زمانی یا آسنکرون است و قالب بسته های اطلاعاتی از نوع packet می باشد که مانند دنباله بیت ها به صورت سریال پردازش می شوند.
حداکثر نرخ خطای بیت یا VER که قبلاً توضیح داده شد برای این مودم می باشد که برای حالت سیگنال ضعیف ورودی با توان -07 dbm اندازه گیری شده است.
نوع کانکتور، (data intet face) برای ارتباط بین مودم و RTU از نوع RS- 232 است که یکی از عمومی ترین کانکتورها محسوب می شود.
ولتاژ تغذیه مورد نیاز برای کارکرد صحیح مودم 12VDC با نوسان مجاز 15% می باشد.
امپدانس خروجی آنتن می باشد.
نوع کانکتور اتصال دهنده آنتن به مودم از نوع BNC است. محدوده ی دمایی کار سیستم بین است که این دما مخصوص کار در شرایط محیطی سیستم های توزیع که تقریباً با دمای محیط یکسان است می باشد.
مودم دارای سه LED با رنگ های متفاوت است که بیان گر سه وضعیت power، px و tx می باشد. یعنی هر کدام از نشان گرها در حالت فعال بودن مودم و هم چنین ارسال و دریافت اطلاعات روشن خواهد بود. از کاربردهای دیگر مودم علاوه بر سیستم های توزیع می توان به موارد زیر اشاره کرد:
– قرائت کنتورها از راه دور
– انتقال داده میان شعبه های بانک ها و دفاتر مسافرتی
– مانیتورینگ شبکه هی هشداردهنده
– سیستم های تله متری مثل راه آهن، منابع و لوله هی نفت و…
– انتقال داده در حالت سیار
در دو شکل زیر نمایی از مودم دیده می شود.

ابعاد فیزیکی مودم بدون آنتن برابر 20cm* 8* 12 است.

3-18-کانال و سیستم های مخابراتی:
در این بخش به معرفی و مقایسه سیستم های مخابراتی مختلف پرداخته و کانال ارتباطی هر سیستم را بررسی می کنیم.
بدیهی است که ایجاد شبکه مخابراتی صرفاً جهت مبادله اطلاعات موردنیاز برای کنترل و مونیتورینگ بوده و طراح شبکه مخابراتی می باشد طرح مخابراتی را با توجه به توپولوژی شبکه شبکه توزیع ارائه کند. بنابراین در نظر گرفتن موارد زیر ضروری است:
1- شکل بندی پست های توزیع و وضعیت فعلی سیستم.
2- تعداد و موقعیت جغرافیایی مراکز و شبکه های فرعی تحت پوشش یک مرکز.
3- حجم و سرعت مبادله اطلاعات و اولویت های مدیریت شبکه.
4- مشخصات فنی سیستم های جمع آوری اطلاعات مورد نظر در پست ها.
5- گسترش و توسعه شبکه توزیع در آینده.
3-19-روش های مخابراتی
با توجه به مشخصات هر یک از شبکه ها و نیازهای آن ها، روش های مخابراتی متفاوتی مورد استفاده قرار می گیرد. هر کدام از این روش ها مزایا و معایب خاص خود را دارند و شکرت های مختلف از روش های مختلف برای ایجاد ارتباطات مورد نیاز خود استفاده کرده اند که در بخش بعدی نمونه هایی از آن ذکر خواهد شد. در این جا توضیح مختصری درباره هر کدام از روش های مخابراتی آورده می شود.
-سیستم های رادیویی
یکی از محیط های مخابراتی برای انتقال علائم و سیگنال ها فضای آزاد است که سیستم های رادیویی این سیگنال ها را از نقاط مبدا به نقاط مقصد و بالعکسی انتقال می دهند. سیستم های رادیویی از دیرباز یکی از انواع معمول و متداول انتقال صوت مطرح بوده اند لیکن با پیشرفت تکنولوژی انتقال دیتا به قابلیت های این سیستم ها افزوده شده است. با توجه به گستردگی استفاده از این سیستم ها پیشرفت و رشد آن به مراتب بیش از روش های دیگر مخابراتی بوده است. به طوری که برای کاربردهای متفاوت، در باندهای فرکانسی مختلف و در محیط های با شرایط غیریکسان جغرافیایی سیستم های متنوعی تولید و به بازار عرضه شده است.
در دیسپاچینگ توزیع تبادل اطلاعات در دو سطح انجام می گیرد: 1- بین مراکز فرعی و اصلی 2- بین پست ها و مراکز فرعی. برای هر دو سطح ارتباطی فوق سیستم های رادیویی مختلفی وجود دارد که بسته به حجم اطلاعات ارسالی و سرعت مورد نیاز پیشنهاد می شوند. برای مبادله حجم زیادی از اطلاعات (عمدتاً در ارتباط بین مراکز فرعی و اصلی) از سیستم های نقطه به نقطه (point- to- point) و برای مبادله اطلاعات کم و ارتباط بین پست ها و مراکز فرعی از سیستم های نقطه به چند نقطه (piont- to- multi point) استفاده می شود. سیستم های رادیویی را می توان از جنبه های گوناگون مثل باند فرکانسی مورد استفاده، نقطه به نقطه یا چند نقطه و… تقسیم بندی نمود. در ادامه سیستم های مهم رادیویی به صورت مختصر تشریح می شود.
شبکه های رادیویی نیز مثل سایر شبکه های مخابراتی نیاز به تجهیزات خاص خود دارند. مهم ترین تجهیزات شبکه های رادیویی شامل فرستنده، گیرنده، آنتن و تجهیزات کنترلی و واسط سیستم های دیسپاچینگ با سیستم مخابراتی می باشند.
3-20-مایکرویو
رادیوهای مایکرویو سالیان زیادی است که در صنعت برق مورد استفاده قرار گرفته اند. این سیستم ها عموماً در باندهای فرکانسی 2 گیگاه هرتز به بالا بوده و سازندگان مختلفی در داخل کشور نیز آن را عرضه می کنند. این سیستم ها برای ارتباط مراکز فرعی و مرکز اصلی دیسپاچینگ توزیع مناسب هستند. ترمینال های این سیستم ها قبلاً به صورت آنالوگ و با سرعت های کم (حدود 1200 بیت بر ثانیه) بودند لیکن با گسترش مخابرات دیجیتال امروزه سیستم های مایکرویو به صورت دیجیتال و با سرعت های بالاتری به بازار عرضه و سیستم های آنالوگ قبلی عملاً از رده خارج شده اند.
در حال حاضر رادیوی مایکرویوی عرضه شده است که هیچ گونه تجهیزات فرکانس بالای درونی نداشته و کلیه تجهیزات رادیویی آن روی آنتن قرار دارد.
سیستم های مایکروویو دیجیتال، از نظر تکنولوژی سیستم انتقال شامل دو گروه PDH و SDH هستند. مایکروویو PDH، ظرفیت انتقال 2mb/s تا 34mb/s و مایکروویو SDH ظرفیت انتقال 155mb/s (STM1) را دارا می باشد.
سیستم های مایکروویو MINI link در رنج فرکانسی 7- 38 GHz کار می کنند و قابلیت انتقال سیگنال های PDH و SDH یعنی از 2Mb/s تا 155Mb/s را برای فواصل کوتاه دارند.

رادیوهای VHF و UHF
از این رادیوها می توان برای انتقال داده از پست های توزیع به مراکز فرعی استفاده نمود. طراحی شبکه با استفاده از این سیستم های به این صورت می باشد که پست های فوق توزیع به گروه هایی تقسیم می شوند و به هر گروه یک کانال تخصص داده می شود با روش نظرخواهی و پروتکل سیستم دیسپاچینگ اداره می شود. بدین صورت که مراکر اصلی پیام ها را به کلیه ایستگاه ها به صورت همگانی ارسال می کند یا ایستگاه ها در فواصل منظم زمانی اطلاعات خود را به مرکز ارسال می نمایند. بدیهی است که هر یک از استگاه ها دارای آدرس خاصی خواهند بود.
با این روش ارتباط تعداد محدودی پست (حدود 30 پست) را می توان با مرکز مربوطه در یک کانال برقرار نمود.
باندهای فرکانسی معمول در VHF، MHZ 88- 66 و MHZ 174- 146 و در UHF، MHZ، 470- 400 و MHZ 900- 800 هستند.
(time ditision multiple access) TDMA
سیستم های رادیویی TDMA از یک ایستگاه مرکزی و ایستگاه های دور و در صورت عدم دیدی غیر مستقیم بین مرکز و پست ها از تکرارکننده تشکیل می شود. این سیستم ها در باند UHF و مایکرویو کار می کنند. برای هر ایستگاه یا تکرارکننده جهت ارتباط با ایستگاه های مرتبط با آن دو فرکانس (یکی برای ارسال و دیگری برای دریافت) اختصاص داده می شود. در ایستگاه مرکزی، داده ها برای ایستگاه های مختلف به صورت تقسیم زمانی مالتی پلکس و بر روی فرکانس ارسال می شوند. اطلاعات ایستگاه مرکزی ارسال می گردند. آنتن ایستگاه مرکزی تمام جهت و آنتن ایستگاه ها جهت دار می باشند. تخصیص شکاف های زمانی به ایستگاه ها معمولاً به شکل ثابت و از پیش تعیین شده صورت می گیرد.
3-21-سیستم رادیو بسته ای (packet radio system)
در سیستم رادیو بسته ای ارتباطات بر روی یک کانال انجام شده و نیازی به استخوان بندی پرظرفیت و پرهزینه مخابراتی نیست و پیام از مبدا تا مقصد به صورت بسته ای انتقال می یابد.
هر بسته اطلاعاتی یک بلوک با طول ثابت است که دارای قسمت های آدرس، بررسی خطا و پیام اصلی می باشد.
در سیستم رادیو بسته ای در مسیرهای چند قسمتی، بعضی از ایستگاه ها به عنوان تکرارکننده عمل می کنند و بسته های داده بین مبدا، و مقصد در آن ها تکرار یا ارسال مجدد می شوند.
استفاده از پهنای باند فرکانسی کم تر نسبت به سایر روش های مخابراتی از مزایای عمده این سیستم ها می باشد از طرف دیگر در این سیستم ها لازم است مکانیزم های قابل اطمینانی برای مسیریابی سیگنال ها به کار برده شود که این مسئله هزینه فرستنده و گیرنده ها را بالا می برد لیکن در جاهایی مثل تهران که محدودیت استفاده از فرکانس وجود دارد استفاده از آن و گرانی سیستم های مربوطه توجیه کننده خواهد بود. مسیریابی در شبکه های رادیویی بسته ای به صورت یک سطحی و یا چند سطحی انجام می گیرد. برای شبکه های بزرگ که تعداد بسیار زیادی گره دارند در مسیریابی سطحی، سربار برای مبادله اطلاعات مسیریابی زیاد و جداول مسیریابی بسیار بزرگ و پاسخ به شرایط مغییر شبکه بسیار کند می شود. مسیریابی سلسله مراتبی یا چند سطحی برای این شبکه ها مناسب تر است در این سیستم ها هر ایستگاه شامل یک فرستنده و گیرنده رادیویی و یک واحد کنترل دیجیتالی می باشد.
واحد کنترل دیجیتالی وظایف عمده ای هم چون تشخیص مسیر بسته، نوع بسته، صحیح بودن بسته دریافتی و ارسالی را به عهده دارد.
مدیریت دست یابی به کانال در شبکه های رادیو بسته ای به روش های مختلفی انجام می گیرد که معمول ترین آن ها استفاده از روش نظرخواهی (polling) می باشد.
3-22-سیستم های رادیویی سلولی
در سیستم های رادیو سیار سلولی ناحیه تحت پوشش به تعدادی ناحیه کوچک به نام سلول تقسیم شده و برای هر سلول یک مرکز در نظر گرفته می شود. ایستگاه های تحت پوشش هر سلول از طریق مرکز سلول می تواند با مرکز دیسپاچینگ ارتباط برقرار نمایند. فرکانس های سیستم که در باندهای VHF یا UHF قرار دارند به سه دسته تقسیم می شوند و دسته ها با نظم خاصی که از تداخل فرکانس جلوگیری شود به سلول ها تخصیص می یابند. شعاع سلول و وسعت ناحیه تحت پوشش هر مرکز با توجه به توان فرستنده ایستگاه ثابت، حساسیت گیرند ه ها، بهره انتهای گیرنده و فرستنده و تلفات مسیرهای سلول تعیین می گردد. در شهرهای بزرگی مثل تهران که موانع متعددی در مسیر سیگنال ها وجود دارد تلفات مسیرها عمدتاً به صور تجربی تعیین می شود.
سیستم های رادیویی سلولی اساساً برای ارتباطات صوت در نظر گرفته شده اند لیکن در حال حاضر در بعضی از سیستم های سیار سلولی امکان ارسال داده در حین مکالمه پیش بینی شده است.

3-23-مودم رادیویی:
معمولاً یک منبع تولید دیتا (سیستم های دیسپاچینگ) از طریق یک رابط (که اغلب رابط استاندارد RS232 می باشد) اطلاعات را در اختیار DCE (data communication equipment) که همان مودم می باشد، می گذارد. در سیستم های کابلی، مودم اطلاعات را به صورت آنالوگ در باند 0 الی 4 کیلوهرتز تبدیل نموده و از طریق کابل مخابراتی (عمدتاً خط تلفن) ارسال می نماید ولی در سیستم های رادیویی مودم داده های دیجیتال را توسط سیگنال های رادیویی ارسال می نماید.
مودم های رادیویی عمده ترین جزء یک شبکه رادیویی برای انتقال دیتا بوده و شامل دو بخش عمده باند پایه و باند رادیویی (فرستنده و گیرنده) می باشند.
ملاحظات عمده ای که در مورد مودم ها باید مدنظر قرار گیرد عبارت اند از:
– نرخ بیت ارسالی
– ولتاژ تغذیه
– حداکثر میزان خط
– درجه حرارت کار
– سرعت سوئیچ از حالت فرستندگی به گیرندگی و بالعکس
– قابلیت کار از نظر point- to- point و point- to- multipoint
– توان خروجی
– حساسیت گیرندگی
مودم های رادیویی در باندهای UHF و VHF و طیف گسترده (spread spectrum) ساخته و عرضه شده آند.
برخلاف شبکه های مخابراتی کابلی که از مودم های معمولی استفاده شده و به صورت دو طرفه (full duplex) می باشند مودم های رادیویی به صورت یک طرفه (half duplex) بوده و پارامتر سرعت سوئیچ از حالت فرستندگی به گیرندگی و بالعکس مشخصه مهمی در این مودم می باشد. هم چنین لازم است سیستم های دیسپاچینگ سازگار با این مودم ها و سرعت سوئیچ آن ها باشند.

3-24-مختصری در مورد تکنولوژی spread spectrum:
در سال 1985، FCC، سه باند فرکانسی را برای تکنیک انتقال رادیویی به نام مخابرات spread srectrum اعلام نمود. این تکنیک انتقال در مقایسه با روش های انتقالی رادیویی مرسوم ایمنی خیلی زیادی در مقابل تداخل و نویز دارد. به علاوه تعداد زیادی مشترک می توانند از یک فرکانس استفاده کنند. (شبیه مخابرات سلولی)

3-25-روش های رادیویی مرسوم:
روش معمول سیستم های رادیویی ارسال سیگنال رادیویی باند باریک است. در این سیگنال ها تمام توان در یک قسمت خیلی باریک از پهنای باند فرکانسی رادیویی متمرکز می شود.
به همین دلیل یک سیگنال ناخواسته با فرکانس نزدیک می تواند به آسانی این سیگنال را غیر کاربردی نماید.

3-26-روش رادیویی spread spectrum:
تکنیکی است که یک سیگنال باند باریک را در بخش وسیعی از باند فرکانس رادیویی، گسترده می نماید. این روش باعث می شود که سیگنال در مقابل تداخل بسیار مقاوم شود.
FCC مجوز استفاده از این تکنولوژی را در سه باند رادیویی 902- 928MHz ،-2400 2483. 5MHx و 5752. 5- 5850MHz برای ارسال با قدرت 1 وات داده است. این توان تداخل در مسافت های طولانی جلوگیری می نماید.
3-27-پنج روش تکنیک spread spectrum:
1- سیستم های direct sequence:
این روش شناخته شده ترین و کاربردی ترین روش spread spectrum می باشد. کاریر باند باریک توسط یک روش کدینگ مدوله می شود. فاز کاریر سیگنال ارسالی توسط این روش کدینگ تغییر می کند.
2- سیستم هی frequency hopping:
در این روش، فرکانس کاریر فرستنده با استفاده از یک روش کدینگ، تغییرات ناگهانی دارد.
3- سیستم های time hopping:
پریود duty cycle یک پالس کاریر RF توسط یک روش کدینگ تغییر می کند. ترکیب دو روش time hopping و frequency hopping، یک سیستم TDMA spread spectrum را ایجاد می نماید.
4- سیستم هی pulsed FM:
سیگنال کاریر RF با یک پریود و duty cycle ثابت مدوله می شود. نوع مدولاسیون، مدولاسیون فرکانس است. الگوی مدولاسیون فرکانس بستگی به تابع spreading انتخابی دارد.
5- سیستم های هایبرید:
این سیستم ها از ترکیبی از روش های spread spectrum استفاده می کنند. دو ترکیب معمول، direct sequence و frequency gopping است. فایده ترکیب این دو روش قوی کردن خصوصیاتی است که در یکی از روش ها وجود ندارد.
فواید روش spread spectrum:
1- استفاده از محصولات spread spectrum نیازی به اخذ مجوز فرکانسی از شرکت مخابرات ندارد.
2- ایمنی در مقابل تداخل
3- قابلیت چند کاناله بودن:
این سیستم رادیویی فرصت داشتن چندین کانال را ایجاد می کند که این کانال ها توسط نرم افزار می توانند به صورت dynamic تغییر کنند. این خاصیت کاربردهای زیادی را مثل تکرارکننده ها، ایستگاه پایه و… را فراهم می کند.
3-28-نیازهای مخابراتی دیسپاچینگ توزیع و امکانات سیستم های رادیویی
همان گونه که پیش تر ذکر گردید، سیستم های رادیویی در مقایسه با سایر روش های مخابراتی شناخته شده تر می باشند. برای برقراری ارتباطات موردنیاز دیسپاچینگ توزیع استفاده از سیستم های رادیویی در دسترس ترین روش بوده و تنوع تجهیزاتی برای برپایی سیستم مخابراتی امکانات گسترده ای را در اختیار طراحان شبکه مخابراتی قرار می دهد. اما می بایستی در نظر داشت که برای ایجاد یک شبکه مخابرات رادیویی در منطقه ای با وسعت نه چندان زیاد و با وجود تاسیسات مختلف شهری و دستگا ه های رادیویی موجود در سطح منطقه نباید انتظار داشت که بتوان شبکه ای یک دست و بهینه را به دست آورد. مشکلات موجود فنی شبکه ای را به دست می دهد که دارای سیستم های مختلف رادیویی خواهد بود و چنان که صرفاً استفاده از رادیو مدنظر بوده باشد باید هزینه قابل توجهی را پرداخت نمود. به مشکلات فنی مذکور باید مشکلات اداری و توجیه مسئولین شرکت مخابرات جهت صدور مجوز فرکانس را نیز اضافه کرد. علاوه بر این که طراحی اولیه چنین شبکه گسترده رادیویی مستلزم حصول اطمینان از وجود ارتباط دائمی و مطمئن بین تک تک نقاط (پست ها) با مراکز مربوطه است و در این مورد نیز نتیجه اولیه دست یابی به چنین قابلیت اطمینان بالایی صرف هزینه خوهد بود. توسعه و گسترش شبکه نیز همواره موجد مسائل فراوانی می باشد و چه بسا در مواردی طرح های قبلی نتوانند پاسخ گوی نیازهای بعدی بوده و لزوماً طراحی جدید و تجیزات متفاوت با قبلی را بطلبد.

3-29-(very small aperture terminal) VSAT
کم تر از نیم قرن از استفاده ماهواره ای برای مقاصد مخابراتی می گذرد، اما با توجه به پیشرفت و رشد سریع تکنولوژی و تکنیک های جدید طراحی و ساخت المان های دقیق و تجهیزات کاراتر و متعاقب آن هزینه های تمام شده، استفاده از ماهواره آن چنان شبکه های مخابراتی را تحت تاثیر قرار داده است که تقاضا برای استفاده از این امکان مخابراتی روز به روز در حال گسترش می باشد.
در همین راستا و طی یکی دو دهه اخیر شبکه های ماهواره ای (VSAT) به عنوان محیطی سهل الوصول، کم هزینه و مطمئن برای شبکه هی خصوصی و توپولوژی های با وسعت زیاد و ترافیک کم معرفی شد و دامنه نفوذ خود را آن چنان وسیع نمود که با کانال های زمینی شرکت های مخابرات در دنیا رقابت نمود. با ظهور VSAT در دنیای مخابرات و ورود ترمینال های ماهواره ای ارزان قیمت به بازار راه برای ورود ماهواره به شبکه های خصوصی تجاری و صنعتی هموار گردید.
ترکیب عمومی پست های توزیع و نیازهای دیسپاچینگ توزیع مبنی بر کنترل چندین پست از یک مرکز و مطابقت این موضوع با طبیعت ذاتی (point- to- multipoint) شبکه های VSAT بررسی امکان استفاده از این روش مخابراتی را لازم می نماید.
پایین آمدن هزینه ساخت ماهواره ها چه در بخش فضایی و چه در بخش تجهیزت زمینی و نیاز روزافزون به کانال های ارتباطی، به خصوص برای ارتباطات بین قاره ای و ایجاد امکانات استفاده از ماهواره ها باعث دگرگونی در ارتباطات شد.
در سال های 1980 میلادی دو موضوع در زمینه ارتباطات ماهواره ای مورد توجه منابع عمده ماهواره ای و استفاده کنندگان دستگاه های ارتباطی قرار گرفت. اولین موضوع پایانه های زمینی خیلی کوچک VSAT برای سیستم های ارتباطات ماهواره ای ثابت و دیگری پایانه های متحرک برای سیستم های ارتباطی ماهواره ای متحرک موسوم به MSAT (mobile satellite) می باشد.
عوامل اصلی توسعه این سیستم ها کاربردهای جدید تکنولوژی ماهواره ای، گرایش به سمت خصوصی کردن مخابرات، هزینه بالای ارتباطات زمینی (خطوط اجاره ای)، نصب سریع، تقاضای بازار برای شبکه های ارتباطی جدید داده ها و تقاضای ارتباط تلفنی برای نقاط دور و روستایی در کشورهای در حال توسعه می باشند.
در این بخش دربارهی کاربردها، مشخصات ایستگاه های HUB, VSAT و مقایسه این تکنولوژی با تکنولوژی های دیگر بحث خواهد شد.

3-30-باندهای فرکانسی VSAT
معمولاً در شبکه های VSAT از دو باند فرکانسی (4-6 GHZ) C,(11-14 GHZ)KU استفاده می شود. نزولات جوی باعث تضعیف سیگنال های باند KU می شوند ولی روی VSATهای باند C تاثیری ندارند. لازم به ذکر است که باند اختصاص داده شده برای شبکه های محلی و اختصاصی در ایران KU می باشد.
3-31-کاربردهای VSAT:
تکنولوژی VSAT برای ظرفیت های پایین داده و نقاط پراکنده به خصوص برای کاربردهای point- to- multipoint مناسب است. با توجه به همین موضوع می توان کاربردهای زیر را برای VSAT در نظر گرفت:
– ایجاد شبکه بین شعب بانک ها
– ایجاد شبکه های مخابراتی جهت کنترل و نظارت خطوط لوله گاز و نفت
– ایجاد شبکه بین فروشگاه های زنجیره ای
– ایجاد شبکه جهت رزرواسیون هتل ها و بلیط
– دریافت سیگنال های تلویزیونی در نقاط دورافتاده و کوهستانی
– تامین ارتباطات لازم جهت کنترل شبکه برق یا SCADA
3-32-مشخصات ایستگاه های VSAT:
ایستگاه های VSAT معمولاً دارای اجزاء زیر می باشند:
– آنتن
– واحد بیرونی
– واحد داخلی
الف- آنتن
ایستگاه های VSAT از آنتن هایی با قطر از 60% متر الی 4/2 متر استفاده می کنند که دارای مزیت های مثل ارزانی، سادگی در نصب و وزن سبک است. جنس این آنتن ها معمولاً از آلومینیم می باشد. اندازه آنتنی که برای یک محل جغرافیایی در نظر گرفته می شود با توجه به گین مورد نیاز بستگی به مکان ماهواره، سرعت دینا و وضعیت آب و هوایی و نزولات جوی ناحیه موردنظر دارد.
ب- واحد بیرونی:
واحد بیرونی شامل طبقات (radio frequency) RF در دو جهت ارسال و دریافت است.
تقویت کننده HPA (high power amplifier) یکی از اجزاء مهم فرستنده VSAT می باشد. خروجی HPA قدرت لازم برای ارسال سیگنال تا ماهواره را تامین می کند.
(low noise amplitier) LNA و down converter به همراه یک اسیلاتور تشکیل یک (low noise block down convertor) LNB را می دهند. وظیفه این LNB پائین آوردن فرکانس ورودی از باند KU یا C به باند L (حدود یک گیگاهرتز) می باشد.
ج- واحد داخلی
تکنیک مدولاسیون دیجیتال مورد استفاده در سیستم های VSAT معمولا PSK می باشد. واحدهای مدولاسیون و دیمدولاسیون PSK از اجزاء مهم واحد داخلی می باشند. کدینگ و پردازش اطلاعات در باند پایه در این بخش انجام می گیرد. استفاده از میکروپروسورها اجازه کنترل و تنظیم از راه دور را به HUB می دهد.
3-33-مشخصات ایستگاه HUB
ایستگاه HUB از سیستم های فرعی زیر تشکیل می شود:
– آنتن
– سیستم دریافت
– سیستم دریافت
– مودم
– سیستم پردازش دیجیتال
– سیستم مانیتور و کنترل
– سیستم تغدیه و پشتیبان
قطر آنتن HUB برای باند KU معمولاً 6 الی 9 متر است. برای شبکه های دیتا اندازه آنتن معمولاً به وسیله سطح دهانه مورد لزوم جهت دریافت مطلوب سیگنال ها از VSAT و با توجه به قیمت ایستگاه VSAT و قسمت فضایی تعیین می شود. سیستم ارسال شامل up convertor و تقویت کننده های قدرت می باشند و سیگنال IF مدم را که 70 مگاهرتز است به فرکانس باند KU افزایش می دهند.
سیستم دریافت تقریباً مشابه ایستگاه های VSAT می باشند.
جهت مدولاسیون سیگنال هی خروجی و مدولاسیون سیگنال های ورودی به کار می رود.
سیستم پردازش دیجیتالی ترافیک ماهواره و کریرها را کنترل کرده و پاسخ دریافت صحیح دیتا از ایستگاه ها را دریافت و پیغام هایی را که به HUB می رسد بافر (buffer) می کند.
سیستم نظارت و کنترل وظیفه مراقبت از شبکه و ایستگاه HUB را بر عهده دارد. سیستم کنترل قادر است VSATها را برنامه ریزی نماید.
سیستم تغذیه شامل یک سوئیچ power و یک UPS و یک موتور ژنرانور است. سیستم پشتیبان از مدارات و مکانیزم هایی تشکیل شده تا آنتن را در جهت درستی نسبت به ماهواره قرار دهد.
3-34-نیازهای مخابراتی دیسپاچینگ توزیع و امکانات VSAT
تبادل اطلاعات و دیتای مورد نیاز دیسپاچینگ توزیع یا به معنای عام، مخابرات دیسپاچینگ توزیع، دارای ویژگی های خاصی است که می توان اهم آن ها را به صورت زیر فهرست نمود:
– نیاز به شبکه نقطه به چند نقطه
– حجم کم اطلاعات پست های توزیع
– افزایش تعداد پست ها در نتیجه گسترش شبکه توزیع
– نیاز به پروتکل های خاص
– نیاز به ارتباط با ضریب اطمینان بالا
همان گونه که ملاحظه می شود موارد مذکور دقیقاً جزء مشخصات شبکه های VSAT می باشد و شبکه VSAT می تواند به طور کامل نیازهای فوق را پوشش دهد. بدین معنی که در صورت استفاده از VSAT برای برقراری ارتباطات مورد نیاز دیسپاچینگ توزیع لزومی به استفاده از سایر روش های مخابراتی نخواهد بود. این مطلب باعث دست یابی به شبکه مخابراتی هم گون و یکسانی می باشد که می تواند مزایای عمده ای هم چون سهولت تعمیر و نگه داری را به دنبال داشته باشد. لازم به ذکر است که تاخیر موجود در شبکه VSAT (ms 250) از زمان نمونه برداری در دیسپاچینگ (حدود 2 ثانیه) کم تر می باشد و هم چنین با توجه به امکان استفاده از سرعت های بالاتر از bps 600 (نرخ معمول و مقبول تبادل داده در دیسپاچینگ) در VSAT تا حدود زیادی تاخیر فوق جبران می شود.
3-35-(distribution line carrier) DLC
در پست های شبکه فوق توزیع و انتقال خطوط فشار قوی، لاین تراپ، خازن کوپلاژ یا CVT و LMU، به همراه ترمینال های PLC به عنوان یک کانال مخابراتی مورد استفاده قرار می گیرند. در شبکه توزیع نیز خطوط توزیع با بهره گیری از تجهیزات خاص خود به عنوان یک محیط مخابراتی برای انتقال سیگنال های مخابراتی سیستم های اتوماسیون توزیع به کار می روند. مزایای مهم روی DLC را می توان آماده بودن محیط مخابراتی، انحصاری بودن آن برای مدیریت شبکه توزیع و دسترسی الکتریکی به تمام نقاط شبکه بر شمرد. در مقابل امپدانس غیر منطبق و متغیر، نویز القایی از بارهای مختلف و تغییرات مداوم توپولوژی شبکه، مشکلاتی هستند که باید در صورت استفاده از DLC بدان ها توجه نمود. شبکه مخابراتی در این روش می بایستی هوشمندی کافی برای تشخیص مسیرهای مناسب انتقال داده را داشته و بتواند بدون هیچ گونه مشکلی وظیفه خود را انجام دهد.
3-36-مشخصه مخابراتی خطوط توزیع
امپدانس مشخصه ای حدود 200 الی 300 اهم برای کابل های هوایی و 20 الی 50 اهم برای کابل های زمینی در نظر گرفته می شود. به دلیل تغییرات زیاد توپولوژی شبکه توزیع رفتار تضعیف سیگنال و نویز تا حدودی غیر قابل پیش بینی هستند. تضعیف اندازه گیری شده در شبکه هی توزیع در حدود 5 الی dB/Km 10 بوده است.

3-37-اجزاء سیستم مخابراتی DLC
اجزاء سیستم مخابراتی در شبکه های مخابراتی DLC به طور کلی عبارت اند از:
1- مرکز کنترل
2- جمع کننده های داده
3- تجهیزات کوپلینگ
4- کنترل کننده های گره های مخابراتی و تعیین کنندگان مسیرهای مخابراتی
5- مودم
مرکز کنترل وظیفه مدیریت سیستم مخابراتی شبکه توزیع را بر عهده دارد و اطلاعات را از طریق کانال مخابراتی دریافت می کند.
جمع کننده های داده در پست های مراکز فرعی جهت جمع آوری و ارسال داده به مرکز بالا دست قرار داده می شوند.
کنترل کننده های گره های مخابراتی و تعیین کننده های مسیرهای مخابراتی با در نظر گرفتن این موضوع که توپولوژی شبکه توزیع به علت عملیات تعمیر و نگه داری و بهره برداری دائماً در حال تغییر است، تمهیدات زیر را منظور می دارد:
– اطلاعات توپولوژی مربوط به وضعیت اتصالات الکتریکی را در رابطه با هر شکل بندی برای برقراری مسیرهای ارتباطی جدید فراهم می سازد.
– جداول مسیردهی را به روز کرده و بین گروه های ارتباطی مرکز کنترل و جمع کننده های داده پست های اولیه و ثانویه توزیع می کند.
بر اساس نمونه های مطالعه شده مدولاسیون در سیستم ارتباطی FSK و در فرکانس های 10 الی 100 کیلوهرتز بوده و عمدتاً در حدود 72 کیلوهرتز متمرکز است.
هزینه تجهیزات بالا در فرکانس های پایین و تضعیف زیاد سیگنال در فرکانس های بالا دو مسئله مهم در انتخاب باند فرکانسی فوق می باشد.
مودم های مورد استفاده در شبکه های توزیع می بایستی شرایط خاصی داشته باشند چراکه مودم های با پیچیدگی کم و با مولاسیون های باند باریک مثل ASK و FSK نمی توانند با شرایط ناشناخته روی خطوط برق کاملاً تطبیق یابند و از طرف دیگر مودم های با پیچیدگی های زیاد مثلاً با مدولاسیون های طیف گسترده به دلیل گرانی، کل سیستم را از نظر اقتصادی زیر سئوال می برد. یکی از روش های مدولاسیون مورد استفاده در مودم های شبکه توزیع استفاده از مدولاسیونی تحت عنوان (spread- FSK) S- FSK می باشد. این روش هم مزایای مدولاسیون FSK و هم مدولاسیون spread spectrum را دارد. فرکانس های (برای 0 و 1) دور از هم قرار می گیرند و در نتیجه کیفیت ارسال برای دو سیگنال مستقل شده و شدت تداخل باند باریک و تضعیف سیگنال در دو فرکانس مستقل از هم خواهد بود.
در پست های توزیع (برخلاف پست های فوق توزیع و انتقال که سیگنال مخابراتی روی خط فشار قوی کوپله می شود.) سیگنال های مخابراتی به دلیل کاهش هزینه به جای اعمال روی هر یک از فیدرها باس بارهای ولتاژ متوسط تزریق می شود. در شبکه های DLC کوپلینگ های مختلفی مورد استفاده قرار می گیرد. یک نوع کوپلینگ سلفی می باشد که در آن تجهیزات کوپلینگ به شیلد کابل های زمینی متصل می شود. این نوع کوپلینگ برای کابل های زیرزمینی مناسب می باشد.
نوع دیگر کوپلینگ خازنی می باشد که عمدتاً روی شبکه های توزیع با خطوط هوایی استفاده می شود. البته بسته به نوع شبکه و شکل بندی آن می توان از کوپلینگ مختلط (ترکیبی از خازنی و سلفی) استفاده نمود. کوپلینگ می تواند بین دو فاز یا فاز به زمین انجام می گیرد ولی نوع مرسوم فاز به زمین است.
3-38-نیازهای مخابراتی دیسپاچینگ توزیع و سیستم DLC
هم چنان که از نام و کاربرد سیستم DLC برمی آید این سیستم صرفاً برای استفاده در شبکه های توزیع می باشد. لیکن استفاده و بهره برداری مفید از آن منوط به وجود شرایط خاصی در شبکه توزیع است. وجود انشعابات مختلف، فرسودگی شبکه توزیع برق، قطعی های مکرر و استفاده شدن مفاصل مختلف با مشخصه های متفاوت در شبکه، جزو عواملی هستند که پارامترها و مشخصه های خطوط توزیع را تحت تاثیر قرار داده و سیستم DLC را که وابستگی کامل به شرایط شبکه توزیع دارد به صورت یک روش نامناسب برای شبکه حاضر در می آورد. از طرف دیگر انحصاری بودن این محیط مخابراتی برای شرکت توزیع و امکانات بالقوه سهولت توسعه شبکه مخابراتی همواره اندیش استفاده از این سیستم را قابل تامل می نماید. لازم به یادآوری است که افزایش یک پست و قرار گرفتن آن تحت پوشش دیسپاچینگ توزیع می تواند در برخی موارد پیچیدگی نرم افزارهای مورد استفاده را تا حد زیادی افزایش دهد. با در نظر گرفتن موارد فوق این سیستم مخابراتی نمی توند به عنوان یک آلترناتیو جدی مدنظر قرار گیرد.
3-39-امکانات شرکت مخابرات ایران
شرکت مخابرات ایران دارای سرویس هایی است که از آن ها می توان برای ارتباطات مورد نیاز دیسپاچینگ توزیع استفاده کرد. این شبکه مخابراتی در همه نقاط شهری پراکنده بوده و به صورت نقطه به نقطه می توان آن ها را مورد استفاده قرار داد. امکانات شرکت مخابرات دارای دو بخش عمده می باشد:
3-40-شبکه تلفن عمومی
شبکه تلفن عمومی از طرف شرکت مخابرات ایران به صورت خطوط اجاره ای (leased line) در اختیار متقاضیان قرار داده می شود، بدین ترتیب که شرکت مخابرات در دو نقطه مبدا و مقصد یک زوج سیستم اختصاص می دهد که این زوج سیم بدون عبور از مراکز سوئیچ (در بخش MDF) هر مرکز تلفن به هم وصل می شوند و داخل مراکز تلفن (PABX) نمی شوند. البته شبکه تلفن عمومی برای ارتباطات صوت طراحی شده است لیکن با استفاده از مودم می توان از آن برای ارتباطات دیتا نیز استفاده کرد. علت این امر آن است که خطوط تلفن دارای باند 4- 0 کیلوهرتز می باشند و برای انطباق باند فرکانس دیتا (که خیلی بیش تر از باند 4- 0 کیلوهرتز است) باید مودم به کار برد.
به علت وجود تجهیزاتی از قبیل فیلترهای مختلف، مالتی پلکسرهای صوتی و محیط های مختلف مخابراتی موجود در شرکت مخابرات (مثل مایکرویو، فیبر نوری و…) کانال های صحبت تلفنی دارای اختلالاتی هستند که روی اطلاعات مورد مبادله تاثیرات منفی می گذارند.
علاوه بر اختلالات فوق نویز عامل تاثیرگذار دیگری روی ارسال داده می باشد. این نویزها عبارت اند از نویز حرارتی (تصادفی و با توزیع گوسی)، نویز هشمنوایی (cross talk) نویز انترمدولاسیون و نیز ایمپالسی (impulse noise) ناشی از منابع نویز مختلف در سطح شبکه تلفن عمومی.
خطوط اجاره ای قابلیت گسترش خیلی کمی داشته و در هر مورد چنان چه لازم باشد پستی را به شبکه دیسپاچینگ افزود کلیه مراحل اداری برای اخذ یک کانال را مجداً باید طی کرد.
یکی دیگر از مسائل مهم و قابل توجه در شبکه تلفن عمومی عدم امکان استفاده بهینه از کانال اجاره ای می باشد. در رابطه با مخابرات دیسپاچینگ توزیع و با توجه به این که شبکه تلفن در کلیه نقاط شهری گسترده است این روش به دلیل هزینه های استفاده از آن و هم چنین به دلیل این که کنترل و مدیریت آن توسط شرکت هی برق انجام نمی شود قابل توصیه نمی باشد و صرفاً در نقاطی که امکانات ارتباطی دیگری موجود نبوده و یا نیاز به کانال پشتیبان باشد و یا در لینک های پرظرفیت می تواند قابل توجیه و توصیه بوده باشد. هم چنان که ذکر شد مدیریت این روش و امکان مخابراتی خارج از کنترل شرکت های برق می باشد.
3-41-شبکه داده (X.25)
شرکت مخابرات ایران از چندین سال بیش اقدام به برپایی شبکه داده عمومی در سطح کشور نموده است. این شبکه از پروتکل X.25 استفاده می کند صرفاً برای ارتباطات دیتا مورد استفاده قرار می گیرد.
در این شبکه ارتباط مشترکین به صورت مالتی پلکس آماری انجام می گیرد بدین ترتیب که یک کانال به صورت دینامیکی در اختیار مشترکین قرار داده می شود و به همین جهت از کانال مربوطه استفاده بهینه می گردد. از طرف دیگر در این شبکه امکان دست یابی به سرعت های بالای انتقال داده وجود دارد. هم چنین به دلیل استفاده از مسیرهای چندگانه در شبکه داده احتمال قطع کانال خیلی پایین آمده است. البته این شبکه نیز چون برای ارتباطات نقطه به نقطه طراحی شده است برای کاربردهای وسیع در دیسپاچینگ توزیع قابل توصیه نمی باشد.
سرمایه گذاری اولیه برقراری ارتباطات از طریق شبکه تلفن و داده عمومی هزینه چندانی لازم ندارد لیکن این روش ها دارای هزینه های ماهیانه که معمولاً هم به صورت زمانی و هم به صورت حجمی دریافت می شوند، هستند. و این امر امکان استفاده از این روش ها را به جز موارد خاص تا حد زیادی غیرعملی می سازد.
3-42-کابل مخابراتی
یکی از روش های مخابراتی برای ایجاد ارتباط بین نقاط مختلف نصب کابل مخابراتی بین دو نقطه مذکور است. این روش در حقیقت ایجاد یک شبکه مخابراتی تلفن عمومی می باشد با این تفاوت که این روش سرمایه گذاری اولیه هنگفتی را می طلبد و در مقابل هزینه های آبونمان و شارژ ماهیانه را نخواهد داشت. عیب یابی چنین شبکه مخابراتی مشکل بوده و هزینه بالایی خواهد داشت. یکی از مشکلات عمده اداری برای این روش جلب نظر مسئولین اداره شهری برای انجام حفاری ها می باشد. توسعه شبکه مخابراتی در این روش به سادگی امکان پذیر نیست. اما باید در نظر داشت که استفاده محدود از این روش می تواند مشکل نقاط کور (رادیویی) را به طور کامل حل نماید و چون هزینه برپایی شبکه مخابراتی در این روش با فاصله نقاط از هم دیگر رابطه مستقیم دارد در بعضی موارد می تواند مقرون به صرفه اقتصادی نیز بوده باشد.
3-43-مخابرات فیبر نوری
سیستم مخابرات فیبر نوری یکی از روش هایی است که می تواند برای انتقال دیتا استفاده شود.
استفاده از فن آوری انتقال داده ها در محیط فیبر نوری و خواص مخابراتی آن از قبیل ظرفیت بسیار زیاد، سرعت بالای انتقال داده ها، خاصیت عایقی خوب و اعوجاج پذیری بسیار کم، کیفیت بالای سیستم مخابراتی را تضمین می کند.
با توجه به ظرفیت قابل توجه فیبر نوری امکان واگذاری یا اجاره برخی از کانال های مخابراتی آن به شرکت مخابرات، صدا و سیما، بانک ها و سازمان ها و مشترکین دیگر برای ارسال صوت، تصویر و دیتا وجود دارد. با استفاده از این سیستم امنیت و قابلیت اطمینان شبکه مخابراتی افزایش قابل ملاحظه ای می یابد.
نوع فیبر مورد استفاده عموماً single mode یا non zero dispertion fiber می باشد.
روش های کابل کشی فیبر نوری در خطوط، AD- LASH, (optical ground wire) OPGW (کابل فیبر نوری در مجاورت سیم محافظ یا سیم فاز)، ADSS (کابل هوایی حاوی فیبر نوری) یا MASS (کابل فلزی حاوی فیبر نوری) و OPPC سیم فاز حاوی فیبر نوری می باشد.
سیستم مخابراتی فیبر نوری بر اساس سیستم انتقال PDH و SDH می باشد. پایین ترین سطح سیگنال ارسالی در SDH، (155 Mb/s) STM-1 است. سیگنال های ورودی PDH مختلف 34Kb/s, 6. 3 Mb/s, 1.5 Mb/s و 139 Kb/s امکان مالتی پلکس شدن و رسیدن به سطح STM- 1 و بالاتر را دارند.
به همین ترتیب N سیگنال STM-1 امکان مالتی پلکس شدن و ایجاد سیگنال STM-N را دارند. N می تواند اعداد 64, 16, 4 و… (مضاربی از 4) باشد. سرعت 1Gb/s STM- 16, 655Mb/s STM- 4 و 10Gb/s STM- 64 است. برای داشتن سیگنال هایی با سرعت بالاتر از STM- 64 معمولاً از روش (dense wavelength division multiplexing) DWDM استفاده می شود.
کابل کشی فیبر نوری در تعداد زیادی از خطوط انتقال 400KV, 230KV و هم چنین در برخی از مسیرهای توزیع انجام شده است. به عنوان مثالی از شبکه توزیع، شرکت توزیع نیروی برق مرکز تهران در طرح اجرای کابل فیبر نوری منطقه بازار اقدام به کابل کشی در برخی از مسیرها و هم چنین نصب ترمینال های نوری نموده است.
ایجاد لینک های نوری هزینه بسیار بالایی دارند. از آن جایی که سیستم انتقال نوری ظرفیت بسیار بالایی دارد و حجم اطلاعات ارسالی دیسپاچینگ پایین می باشد، استفاده از این روش مخابراتی در صورتی مقرون به صرفه است که از ظرفیت باقی مانده سیستم، جهت سایر نیازهای مخابراتی شرکت برق و یا اجاره کانال به ارگان ها و سازمان های دیگر استفاده شود.
فیبر نوری تحول عظیمی در عرصه ی ارتباطات به وجود آورد. فیبر نوری یا تار نوری دارای میزان تضعیف تا حد 0.2 Db/km است.
در سیستم های تار نوری از قطعات اپتوالکترونیکی به عنوان ارتباط دهنده ی نور و الکتریسیته استفاده می شود. قطعات اپتوالکترونیکی، قطعات الکترونیکی هستند که مشخصه های الکتریکی آن ها تحت تاثیر امواج نوری قرار می گیرد. به طور مشابه قطعاتی به نام الکترواپتیکی وجود دارند که در اصل قطعات نوری هستند که مشخصه های نوری آن ها تحت تاثیر میدان های الکتریکی و مغناطیسی تغییر می کند.
تار نوری یک موج بر عایق است. تارهای موجود را از مواد سیلیسیمی و اساساً شیشه های با کیفیت بسیار بالا می سازند. موج نوری وارد شده به یک سرِ تار، با تضعیف کم در داخل آن منتشر شده و مسیرهای دور تا بیش از 100 کیلومتر را بدون نیاز به تقویت میانی طی می کند.
دو عامل در محدودیت استفاده از تار نوری وجود دارد، یکی تضعیف است و دیگری تلف کلی توان انتقال است. همواره یک حداکثر تراز توان فرستنده و یک حداقل تراز توان دریافتی قابل استفاده وجود دارد.
نسبت اختلاف این دو مقدار حداکثر میزان افت را مشخص می کند. مثلاً توان حداکثر ارسال 1mw و حداقل دریافت 1uw تضعیف کلی، برابر 1000 را نتیجه می دهد که معادل 30Db است. در صورتی که تضعیف متوسط تار نوری برابر 105Db/km باشد حداکثر طول این تار بدون تقویت کننده برابر 20km خواهد بود. البته پهنای باند نیز از عوامل محدودکننده به شمار می رود.
در سیستم های نوری، اساساً به جای سیگنال الکتریکی از امواج نوری استفاده می شود. معمولاً فرستنده از دیود پیوندی نیمه هادی با بایاس مستقیم، مانند دیود نورگسیل یا لیزر نیمه هادی تشکیل می شود. شدت نور خروجی از دیود در هر حالت می تواند تابعی تقریباً خطی از جریان دیود باشد.
برای آن که تمام نور با توان مناسب وارد تار نوری شود باید قطر منبع نوری با قطر تار قابل مقایسه باشد که در این صورت تزویج مناسب بین آن دو صورت می گیرد.
گیرنده نیز آشکارسازی نوری است که در بیش تر موارد از دیود نیمه هادی پیوندی بابایاس معکوس تشکیل می شود. چه در مورد گیرنده و چه فرستنده پیشرفت در مورد تکنولوژی مواد نیمه هادی می تواند سبب بهبود کیفیت در آن ها شود. در این سیستم مخابراتی نیز مدولاسیون سیگنال صورت می گیرد با این تفاوت که تغییرات دامنه و فرکانس و فاز که در مورد سیگنال الکتریکی مطرح شد جای خود را به مشخصه های نوری می دهند. در مورد موج نوری، بردار الکتریکی E را به عنوان حاملی که باید مدوله شود در نظر می گیریم. اگر موج نوری را به صورت مقابل تعریف کنیم:
باز هم همان مدولاسیون های موج حامل را خواهیم داشت.
اساس حرکت نور درون تار نوری بر اساس قوانین اسنل و معادله های فرنل استوار است. بنابراین روابط هر محیط شفاف که دارای چگالی مشخص است دارای ضریب شکست معینی در مرز خود می باشد به طوری که شعاعی از نور که در امتداد خط مستقیم حرکت می کند در اثر برخورد با این مرز که فصل مشترک دو محیط است دچار شکست می شود و با زاویه ای مشخص، تغییر راستا در حرکت خود می دهد. به طوری که اکر خطی فرضی عمود بر مرز دو محیط در نقطه برخورد رسم کنیم، شعاع نوری هنگام ورود به محیط غلیظ تر دچار شکست شده و به خط عمود نزدیک تر می شود. این مساله در هنگام ورود نور به محیط شفاف به صورت معکوس رخ می دهد. اما بنا بر قوانین اسنل، زاویه بین شعاع نور و خط عمود نیز اهمیت دارد به طوری که اگر نور با زاویه صفر وارد شود بدون شکست عبور می کند و اگر این زاویه از حد مشخصی بیش تر شود، تمام نور منعکس می شود. در سیستم های نوری از همین مساله استفاده شده و نور مدوله شده با زاویه ای مناسب وارد تار نوری می شود به طوری که در هر بار برخورد با سطح تار، تقریباً تمام موج نوری دوباره به درون تار منعکس می شود و به این ترتیب موج نوری درون تار حرکت می کند.

دو نوع ار نوری دیگر وجود دارد: تار ضریب شکت پله ای- تار ضریب شکست تدریجی.
در نوع پله ای، تار از دو استوانه ی هم مرکز با ضریب شکست متفاوت تشکیل شده به طوری که ضریب شکست تار داخلی از تار بیرونی بزرگ تر است.
در نوع تدریجی ضریب شکست تار با فاصله گرفتن از مرکز تار تغییر می کند. در طراحی این نوع سیستم های مخابراتی باید تضعیف را یکی از مهم ترین عوامل دخیل در طراحی دانست. این تلفات و تضعیف می تواند ناشی از موارد زیر باشد:
– رابط ها و جوش ها: رابط ها ارتباط بین دو تار مختلف را میسر می سازند. این رابط ها از گیره های خاصی تشکیل شده که دو سر تارها را به صورت کاملاً دقیق هم محور کرده و مقابل یک دیگر، با فاصله ی بسیار کم قرار می دهد. در این مورد باید دانست که مقاطع تارها باید کاملاً صاف و صیقلی باشند. تلفات هر رابط به طور متوسط 1Db است. در روش جوش، دو تار کاملاً هم محور شده و سپس با استفاده از پلاسم های الکتریکی یا منبع انرژی دیگر به هم جوش می خورند. در روش دیگر جوش، دو تار کاملاً هم محور شده و در فاصله ی کمی قرار داده می شوند و سپس فاصله ی بین آن ها را با ماده ی تطبیق دهنده ی ضریب شکست پر می کنند. با تجهیزات دقیق می توان جوش هایی با متوسط تلفات 0.1 Db ایجاد کرد.
– تلفات خمش: در بعضی مسیرهای خاص می توان کابل نوری را خم کرد و مسیر را تغییر داد ولی باید دانست که خم کردن تار نوری نباید خیلی تیز باشد، مقدار این تیزی توسط حداکثر شعاع خمش تعیین می گردد. در پدیده ی خم کردن تار دو مشکل وجود دارد. یکی وجود سطح ناهموار در شعاع داخل خم است و ثانیاً در اثر خم کردن تار در سطح شعاع بیرونی آن در اثر کشش مکانیکی، ترک های میکروسکوپی به وجود می آید که سبب تضعیف شعاع نوری می شود.
باید دانست که هزینه قطعات خاص طراحی سیستم و هم چنین تعمیر و نگه داری آن از نظر تکنیکی سبب شده تا کابل های نوری در موارد ویژه که توجیه دارد مورد استفاده قرار گیرند.
3-44مزایا و معایب روش های مختلف مخابراتی
در این بخش مزایا و معایب هر کدام از روش های ذکرشده در بخش های قبلی به صورت خلاصه ذکر می گردد.
VSAT
الف- مزایا:
– مستقل از شبکه توزیع و تغییرات شبکه
– عدم وابستگی به فاصله جغرافیایی
– قابلیت توسعه بالا
– طراحی شبکه مخابراتی بدون هیچ گونه بازدیدی قابل انجام است و نصب و برپایی سریع و راحت.
– دارای قابلیت ذاتی نقطه به چند نقطه و بالعکس، که دقیقاً با نیازهای دیسپاچینگ توزیع منطبق است.
– کاربرد در ظرفیت های مختلف
– قابلیت پشتیبانی پروتکل های متفاوت (X.25, Async, Bsync,…)
– قابلیت بالا در مدیریت شبکه مخابراتی
معایب
– وابستگی و نیاز به بخش فضایی
– اجاره سالیانه به بخش فضایی
– تاخیر محسوس لینک ماهواره (بررسی نیازهای دیسپاچینگ توزیع با توجه به ظرفیت بالا می توان تا حدود زیادی از آن صرف نظر کرد.)
– عدم شناخته شده بودن سیستم در داخل کشور.

DLC
الف- مزایا
– مهیا بودن محیط مخابراتی (خطوط فشار متوسط برق)
– کنترل و مدیریت مستقل شبکه توسط شرکت توزیع برق
– وجود محیط مخابراتی در هر نقطه از شبکه
ب- معایب
– پهنای باند و ظرفیت محدود
– صرفاً به صورت نقطه به نقطه می باشد.
– مشکلات عیب یابی
– پیچیدگی زیاد شبکه مخابراتی با توجه به تعدد انشعابات شبکه توزیع بق
– عدم شناخته شدن سیستم در داخل کشور (هنوز در هیچ شبکه ای مورد استفاده نبوده است.)
– تغییرات مداوم امپدانس خط به علت مانورهای شبکه توزیع
– متاثر شدن از منابع خارجی و مجاور شبکه برق و نویزایمپالس تصادفی و نویز ایمپالس همبسته به سیگنال توان فشار قوی (50 Hz)
3-45-سیستم های رادیویی:
الف- مزایا:
– عدم وابستگی به شبکه برق
– مدیریت و کنترل مستقل توسط شرکت برق
– در دسترس بودن تکنولوژی
– امکان ارتباط نقطه به چند نقطه و بالعکس
– قیمت ارزان نسبت به سایر روش های مخابراتی
– شناخته شده بودن در داخل کشور
ب- معایب:
– وابستگی شدید به شرایط جغرافیایی
– نیاز به انجام آزمایشات موج وتر سیم پروفایل برای اطمینان از وجود ارتباط بین نقاط مورد نظر
– محدودیت اخذ مجوز فرکانس از اداره ارتباطات رادیویی شرکت مخابرات
– تغییرات شکل بندی های شهری طراحی های اولیه برای ارتباطات را دست خوش تغییراتی می نماید که در برخی موارد حتی ممکن است به قطع ارتباط نیز منجر گردد.
– امکان محو سیگنال مخابراتی تبدیل به دریافت از مسیرهای گوناگون
3-46-کانال های اجاره ای از شرکت مخابرات
الف- مزایا:
– عدم وابستگی به تغییرات شبکه برق.
– هزینه برپایی شبکه کم است.
– در نقاط شهری تقریباً در دسترس می باشد.
– نیاز به تجهیزات پیچیده ای برای انتقال دیتا ندارد.
– نیاز به پرسنل جهت تعمیر و نگه داری ندارد چون توسط شرکت مخابرات انجام می گیرد.
ب- معایب:
– عدم مدیریت و کنترل از طرف شرکت های برق
– قابلیت اطمینان کم
– گسترش شبکه در هر بار نیاز به جلب موافقت شرکت مخابرات دارد.
– هزینه های جاری و آبونمان ماهیانه در سطح بالاست و همه ساله به قیمت آن با توجه به تورم در جامعه افزایش می یابد.
– امکان جابه جایی وجود نداشته و یا به سختی امکان پذیر است.

3-47فیبر نوری
الف- مزایا:
– قابلیت اطمینان بالا
– ظرفیت بالا
– استقلال از شبکه برق
– امکان استفاده برای کاربردهای دیگری غیر از انتقال دیتا به علت ظرفیت بالای سیستم
– مصونیت نسبت به امواج الکترومغناطیس
– نرخ خطا خیلی کم است.
ب- معایب:
– در صورت پارگی فیبر در هر نقطه از مسیر اتصال مجدد باعث افت های اضافی می شود و کیفیت لینک پایین می آید.
برای نصب فیبر در شبکه لزوماً می بایستی مشکلات اداری فنی زیادی را متحمل شد.
هزینه سرمایه گذاری اولیه (خرید تجهیزات و نصب) سیستم بالاست.
3-48-کابل مخابراتی
الف- مزایا:
– عدم وابستگی به تغییرات شبکه برق.
– هزینه جاری و آبونمان ماهیانه ندارد.
– مدیریت و کنترل مستقل از طرف شرکت توزیع
– طراحی خاص پیچیده های لازم ندارد.
– عدم وابستگی به شرایط جغرافیایی
ب- معایب
– هزینه سرمایه گذاری اولیه بالا
– عیب یابی سخت
– توسعه شبکه با مشکل روبروست.
– حفاری لازم دارد و این امر به سادگی امکان پذیر نیست.
– پهنای باند و ظرفیت محدود.
3-49-نتیجه ارزیابی اقتصادی
بررسی های انجام شده نشان می دهد که اتوماسیون پست، کنترل بار و اتوماسیون فیدر به ترتیب بیشترین توجیه اقتصادی را داشته است و افزودن اتوماسیون مصرف کننده به طرح کلی توجیه اقتصادی پروژه را کاهش می دهد.

منابع و مآخذ:

1. William B. Jones , "introduction to optical fiber communication Systems", translated into
persian by Qassem shahabolmiki.
2. Fred kostedt, James C.Kemerling, "Practical GMSK data transmission", MX. Com, INC., www. Mxcom. Com., 1998.
3. Yanpeng Guo, "Philips FM/IF Systems for GMSK/GFSK receivers" philips semicon ductors, 1994.
4. Jim coates, "TLC 320 AD 77C clock and timing issues", Texas intruments, 2002.
5. J.frosrt, "Digital Modulation and GMSK", University of Hull, 1999.
6. R.B.yet, "FSK modem", TDK semiconductor corp, April 2000.
7. K. Murota and K. Hirade, "GMSK modulation for digital radio" IEEE transactions on communications, July 1981.
8. "Cellurar Digital packet data system Specification", 1993.
9. Lee, Jae Hun, "Operation & maintenance of distribution lines" KEPCO Headg uarter.
10. D.S.chauhan, Abhishek sing, "Distribution Automation for improved Energy Management", Banaras Hindu University.
11. Oliver K. Hung & William A. Gough, "Elements of a power system risk analysis and reliability study". Universal dynamice technologies Inc.

129