تضعیف سیگنال (Attenuation) و اعوجاج سیگنال (Distortion) چیست و چرا اتفاق می‌افتد؟

سیگنال‌ها اعم از سیگنال‌های الکتریکی، الکترومغناطیسی و نوری دچار عارضه‌های مختلفی می‌شوند که دو گونه مهم از آن‌ها عبارتند از:

1. تضعیف (Attenuation): در اثر آن، قدرت سیگنال دریافتی کمتر از سیگنال ارسالی خواهدبود
2. اعوجاج  یا کژی (Distortion): در اثر آن، شکل موج سیگنال دریافتی متفاوت از شکل موج سیگنال ارسالی خواهدبود

در ادامه، تضعیف و اعوجاج  سیگنال بیشتر توضیح داده می‌شود و نیز به مفهوم تقویت سیگنال که راه‌کاری برای جبران تضعیف سیگنال است اشاره می‌شود.

تصویر 1: شکل‌موج سیگنالی که رفته‌رفته تضعیف می‌شود (جهت حرکت موج از چپ به راست)

تضعیف سیگنال (Attenuation) چیست و چرا اتفاق می‌افتد؟

سیگنال‌ها بسته به نوع‌شان و نیز بسته به فضا و مسیری که در آن حرکت می‌کنند، برد مشخص و محدودی دارند. وقتی سیگنال در هوا یا در کابل مسی یا در فیبر نوری حرکت خود را آغاز می‌کند، از عوامل درونی و بیرونی مختلفی تاثیر می‌پذیرد. برای مثال، در شبکه‌های کامپیوتری کابلی، مقاومت سیم‌های مسی بخشی از انرژی سیگنال را به‌صورت گرما هدر می‌دهد. هرچه طول کابل و میزان مقاومت سیم بیشتر باشد، و هر چه سیگنال مسافت بیشتری بپیماید، انرژی بیشتری از دست می‌دهد و ضعیف‌تر و حتی خوانش‌ناپذیر می‌شود، یعنی حتی اگر دستگاه گیرنده سیگنال، آن را دریافت ‌کند، نمی‌تواند آن را بخواند.

سیگنال‌های وای‌فای نیز از عارضه تضعیف مصون نیستند. به همین علت وقتی گوشی یا لپ‌تاپ‌ بیش از حد از ‌روتر یا اکسس‌پوینت وای‌فای دور شود، یا سیگنال‌ ضعیفی دریافت می‌کند و یا اصلا سیگنالی دریافت نمی‌کند، زیرا سیگنال‌های بی‌سیم نیز برد محدودی دارند و نمی‌توانند بی‌نهایت به حرکت خود ادامه دهند.

در فیبرهای نوری، تضعیف سیگنال دو علت دارد: یکی جذب نور (absorption) است که طی آن مولکول‌های مواد به کار رفته در‌ فیبر نوری بخشی از نور را جذب می‌کنند. علت دیگر، پراکنش نور (scattering) است. برای مثال، حتی ناهمواری‌های جزئی در رشته‌های شیشه‌ای فیبر نوری می‌تواند پرتوها را در جهات مختلف بازتاب دهد و تداوم این روند در مسافت‌های طولانی از قدرت سیگنال‌های نوری می‌کاهد.

پس تضعیف سیگنال در رسانه‌های مختلف انتقال داده و شبکه‌های باسیم و بی‌سیم اتفاق می‌افتد از جمله در:

• کابل‌های مسی
• کابل‌های فیبر نوری
• ارتباطات ماهواره‌ای
• سیگنال‌های رادیویی
• شبکه‌های بی‌سیم

اگر نرخ تضعیف سیگنال بیش از حد باشد، دستگاه گیرنده سیگنال نمی‌تواند آن را تشخیص دهد یا ممکن است در خوانش آن دچار خطا شود.

معیار سنجش تضعیف سیگنال

تضعیف سیگنال برحسب دسیبل (dB) سنجیده می‌شود. دسیبل استانداردی است که در سامانه‌های ارتباطی برای سنجش نرخ ولتاژ و توان الکتریکی یا دیگر کمیت‌های مرتبط با سیگنال به کار می‌رود. برای مثال، اگر سیگنال 3 دسیبل تضعیف شود، قدرت آن 50 درصد کاهش می‌یابد. و اگر سیگنال 6 دسیبل تضعیف شود، قدرت آن 75 درصد کم می‌شود. مقدار تضعیف سیگنال برای رسانه‌های کابلی برحسب دسیبل ‌بر واحد طول (مثل کیلومتر) سنجیده می‌شود.

هنگام سنجش تضعیف سیگنال در شبکه باسیم (کابلی)، هرچه قدرت سیگنال در طول کابل بیشتر باشد بدین معنی است که بازده کابل بیشتر است. کابل‌های کم‌بازده‌تر سیگنال را بیشتر تضعیف می‌کنند و شاید مدیر شبکه ناچار شود کابل مناسب‌تری برگزیند یا برای تقویت سیگنال از آمپلیفایر یا ریپیتر کمک بگیرد. البته هرچه تعداد آمپلیفایرها بیشتر باشد، سرعت حرکت سیگنال بین نقاط دریافت، کاهش می‌یابد.

کابل‌های مسی در مقایسه با کابل‌های فیبر نوری، نرخ تضعیف بیشتری دارند. لذا از کابل‌های مسی فقط برای مسافت‌های نسبتا کوتاه استفاده می‌شود. مقدار تضعیف سیگنال در کابل‌های مسی Cat5 بسته به فرکانس سیگنال متفاوت است و در جدول 1 نشان داده شده است. کابل‌های کم‌کیفیت‌تر، بیشتر سبب تضعیف سیگنال می‌شوند. لذا میزان تضعیف سیگنال، یکی از معیارهایی است که کیفیت کابل را مشخص می‌کند.

اگر نرخ تضعیف سیگنال بیش از حد باشد، دریافت‌کننده سیگنال نمی‌تواند آن را تشخیص دهد یا ممکن است در خوانش آن اشتباه کند و لذا دچار خطا شود. ضمنا میزان تضعیف در بخش‌های مختلف فرکانس سیگنال، یکسان نیست. برخی فرکانس‌ها به‌شدت و برخی کمتر تضعیف می‌شوند.

نقطه مقابل پدیده تضعیف، تقویت (Amplification) است. اگر تضعیف شدید باشد، سیگنال نامفهوم می‌شود. به همین علت در فواصل معین از آمپلیفایر یا از تکرارگر (ریپیتر) استفاده می‌شود تا سیگنال را تقویت کند.

تقویت سیگنال (Amplification) چیست؟

تضعیف سیگنال با تقویت سیگنال جبران می‌شود. البته تقویت سیگنال به‌‌شیوه amplification  شاید موجب بروز نویز شود و کیفیت سیگنال را کاهش دهد. نویز می‌تواند به‌شکل فرکانس الکترومغناطیسی، جریان الکتریکی، سیگنال بی‌سیم و... باشد.

در شبکه‌های کامپیوتری، می‌توان با استفاده از نرم‌افزارهایی نویز کلی را کاهش داد تا سیگنال دچار اعوجاج  نشود. مدیریت تضعیف و تقویت سیگنال از مهم‌ترین مهارت‌ها و وظایف کارشناسان عیب‌یابی شبکه است.

تقویت یا آمپلیفیکیشن می‌تواند به چند شیوه انجام شود. یکی از رایج‌ترین و مناسب‌ترین شیوه‌ها استفاده از تکرارگر (ریپیتر) است. ریپیتر، سیگنال دریافتی را بازتولید و سپس به مقصد ارسال می‌کند. برخلاف آمپلیفایر، ریپیتر می‌تواند نویز را تشخیص دهد و آن را از سیگنال حذف و سپس سیگنال را بازتولید و ارسال کند.

اعوجاج  یا کژی سیگنال (Distortion) چیست و چرا اتفاق می‌افتد؟

تضعیف (Attenuation) و اعوجاج (Distortion)، دو پدیده نامطلوب اما متفاوت هستند که سیگنال دچارشان می‌شود (جدول 2). تفاوت تضعیف با اعوجاج  این است که در تضعیف، سیگنال بخشی از انرژی خود را از دست می‌دهد و برد آن کاهش می‌یابد. اما در اعوجاج یا کژی، شکل موج سیگنال در اثر عوامل محیطی یا در اثر عواملی در خود مدار، تغییر می‌یابد. تضعیف کانال ارتباطی نیز می‌تواند در فرکانس سیگنال سبب اعوجاج ‌شود. در اعوجاج، شکل سیگنال و فرکانس آن تغییر می‌یابد و به ترکیبی از فرکانس‌های مختلف تبدیل می‌شود. 

اعوجاج نیز مانند تضعیف می‌تواند در اثر عوامل بیرونی یا درونی رخ دهد. مثلا نویز (Noise) می‌تواند شکل موج سیگنال را تغییر دهد و سبب اعوجاج  آن شود. در سامانه‌های ارتباطی، هرگونه خطا یا اختلال ناخواسته در سیگنال اصلی و نیز هر سیگنال غیرمفید را نویز می‌نامند. نویز در اثر عوامل مختلفی مانند تداخل سیگنال (Interference) پدید می‌آید و سپس خود، به آسیب‌های دیگری مانند اعوجاج منجر می‌شود.

تصویر 2. شکل‌موج بالایی، مربوط به سیگنال اصلی است. شکل موج پایینی، مربوط به همان سیگنال است اما دچار اعوجاج شده است. 

ویژگی‌های رسانه انتقال داده نیز می‌تواند به اعوجاج سیگنال منجر شود. گاهی حتی دستگاه تقویت‌کننده سیگنال می‌تواند موجب اعواج سیگنال شود. مثلا اگر آمپلیفایر تمام چرخه موج سیگنال را تقویت نکند، یا اگر سیگنال ورودی چنان بزرگ باشد که ترانزیستورهای آمپلیفایر نتوانند ولتاژ آن را تامین کنند، یا اگر تمام دامنه فرکانس سیگنال ورودی، یکسان تقویت نشود، می‌تواند سبب بروز اعوجاج شود. اعوجاج گونه‌های مختلفی دارد مثل اعوجاج در دامنه موج و اعوجاج در فاز موج.