संचार एवं प्रकाशिक यंत्रीकरण
1. अनुरूप मॉड्यूलेशन व बहुसंकेतन
आयाम मॉड्यूलेशन (AM) संदेश-संकेत के साथ कदम मिलाकर वाहक के आयाम को बदलता है; आवृत्ति मॉड्यूलेशन (FM) इसके बजाय वाहक की आवृत्ति बदलता है, आयाम स्थिर छोड़ते हुए। यही एक अंतर है जिस कारण FM उस आयाम-क्षेत्र रव के प्रति कहीं अधिक प्रतिरोधी है जो अधिकांश प्रेषण-मार्गों को पीड़ित करता है — रिसीवर का लिमिटर FM संकेत से आयाम-विविधताएँ (रव) सूचना को बिना छुए हटा सकता है, क्योंकि सूचना कभी आयाम में कूटबद्ध थी ही नहीं; AM रिसीवर के पास कोई तुल्य बचाव नहीं, क्योंकि रव व संकेत एक ही क्षेत्र में रहते हैं।
स्पंद कोड मॉड्यूलेशन (PCM) वह तरीका है जिससे कोई अनुरूप संकेत प्रेषण हेतु अंकीय बनता है: प्रतिचयन, क्वांटीकरण, फिर हर क्वांटीकृत प्रतिदर्श को द्विआधारी कोड-शब्द के रूप में कूटबद्ध करना — यह ठीक वही ADC संक्रिया है जो खंड 7 में थी, बोर्ड-पर संसाधन के बजाय संचार हेतु लागू। आवृत्ति-विभाजन बहुसंकेतन (FDM) कई संकेतों में से हर एक को अपनी अलग वाहक-आवृत्ति देता है ताकि वे बिना अतिव्यापन एक भौतिक चैनल साझा कर सकें; काल-विभाजन बहुसंकेतन (TDM) इसके बजाय हर संकेत को पूरी चैनल-बैंडविड्थ देता है, पर केवल उसके अपने संक्षिप्त समय-खंड हेतु, अन्य संकेतों के खंडों के साथ अंतरगुंफित।
2. अंकीय मॉड्यूलेशन, ट्रांसीवर व उपकरण-संजाल
| योजना | आँकड़ा किसमें वहन | टिप्पणी |
|---|---|---|
| ASK (आयाम पारी कुंजीयन) | वाहक आयाम | सरलतम, रव के प्रति सर्वाधिक असुरक्षित |
| FSK (आवृत्ति पारी कुंजीयन) | वाहक आवृत्ति | 4-20 mA लूप के ऊपर HART प्रोटोकॉल द्वारा प्रयुक्त |
| PSK (कला पारी कुंजीयन) | वाहक कला | समान शक्ति हेतु ASK से बेहतर रव-प्रतिरक्षा |
| QAM (चतुर्भाजी आयाम मॉड्यूलेशन) | आयाम और कला दोनों साथ | प्रति संकेत कई बिट वहन करता है, समान बैंडविड्थ हेतु उच्चतर आँकड़ा-दर |
ट्रांसमीटर की कार्यात्मक शृंखला है मॉड्यूलेट करना, फिर प्रवर्धित करना, फिर माध्यम से युग्मित करना; रिसीवर की उल्टे क्रम में पढ़ी गई वही है — चयन (वांछित चैनल पर ट्यून करना), कमज़ोर प्राप्त संकेत का प्रवर्धन, संदेश प्राप्ति हेतु विमॉड्युलेशन, तथा भार हेतु अनुकूलन। 4-20 mA द्वि-तार ट्रांसमीटर वह औद्योगिक मानक है जिस तक यह पूरी संरचना अपने सरलतम रूप में सिमट जाती है: प्रक्रिया-चर को 4 व 20 mA के बीच धारा के रूप में एक ही मुड़ी-जोड़ी तार पर कूटबद्ध किया जाता है जो क्षेत्र-ट्रांसमीटर को शक्ति भी देती है, 4 mA (कभी 0 नहीं) को जीवंत-शून्य के रूप में जानबूझकर चुना जाता है ताकि टूटा तार (0 mA) वास्तविक निम्न पठन से तुरंत भिन्न पहचाना जा सके।
3. प्रकाशिक स्रोत, संसूचक व इंटरफ़ेरोमेट्री
LED स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन द्वारा मध्यम-चौड़े वर्णक्रमी बैंड में असंगत प्रकाश उत्सर्जित करता है; लेज़र अनुनादी कोटर के भीतर उद्दीप्त उत्सर्जन द्वारा संगत, संकीर्ण-बैंड, अत्यंत दिशिक प्रकाश उत्सर्जित करता है — संगतता व दिशिकता, केवल चमक नहीं, वही है जो लेज़र LED पर खरीदता है, और दोनों इंटरफ़ेरोमेट्री व फ़ाइबर-प्रकाशिक प्रक्षेपण-दक्षता हेतु सीधे मायने रखते हैं। संसूचन पक्ष पर, फ़ोटोडायोड व प्रकाश-निर्भर प्रतिरोधक (LDR) दोनों प्रकाश के प्रति अनुक्रिया करते हैं, पर भिन्न क्रियाविधियों व बहुत भिन्न गतियों से: फ़ोटोडायोड की संधि मॉड्युलित प्रकाशिक संचार हेतु पर्याप्त तेज़ अनुक्रिया करती है, जबकि LDR का स्थूल प्रतिरोध-परिवर्तन धीमा है और केवल स्थिर-अवस्था प्रकाश-स्तर संवेदन हेतु उपयुक्त है।
इंटरफ़ेरोमीटर विस्थापन, पृष्ठ-समतलता या अपवर्तनांक मापता है किसी संगत किरण को दो पथों में बाँटकर व पुनः मिलाकर, ताकि दोनों भुजाओं के बीच प्रकाशिक पथ-लंबाई का कोई भी अंतर व्यतिकरण फ्रिंज-प्रतिरूप में एक शिफ़्ट के रूप में दिखे — पथ-अंतर में ठीक एक तरंगदैर्घ्य का परिवर्तन प्रतिरूप को ठीक एक फ्रिंज खिसकाता है, यही वह है जो इंटरफ़ेरोमीटर को स्वयं में एक लंबाई-मानक बनाता है, प्रकाशिकी की मात्र एक जिज्ञासा नहीं। मूल फ़ाइबर-प्रकाशिक संवेदन वही विचार, या सरल तीव्रता-आधारित युग्मन, प्रयोग करता है, फ़ाइबर से गुज़रते प्रकाश के किसी गुण (तीव्रता, कला, या अंतर्निहित ग्रेटिंग से परावर्तित तरंगदैर्घ्य) को मापांक के प्रति अनुक्रियाशील बनाकर — फ़ाइबर ब्रैग ग्रेटिंग पर विकृति उसकी परावर्तित तरंगदैर्घ्य को इस तरह खिसकाती है जो उस विद्युतचुंबकीय व्यतिकरण से प्रतिरक्षित है जो उसी वातावरण में तुल्य विद्युत संवेदक को बिगाड़ देती।
4. वर्णक्रमी यंत्रीकरण
UV-VIS स्पेक्ट्रोफ़ोटोमीटर मापता है कि कोई नमूना पराबैंगनी व दृश्य परास में कितना प्रकाश अवशोषित करता है, और जिस संबंध पर यह निर्भर करता है — बीयर-लैम्बर्ट नियम — कहता है कि अवशोषण नमूने की सांद्रता व प्रकाश द्वारा तय पथ-लंबाई दोनों के अनुपाती है, यही ठीक वह है जो अंशांकन के बाद साधारण अवशोषण-पठन को सांद्रता-मापन में बदल देता है। निकट-अवरक्त (NIR) संवेदन लंबी तरंगदैर्घ्यों पर उसी अवशोषण-सिद्धांत पर काम करता है, जहाँ आणविक बंधों (विशेषतः C-H, O-H, N-H) के अधिस्वर व संयोजन बैंड अवशोषित करते हैं, इसी कारण खाद्य, कृषि व औषधि में शीघ्र, अ-विनाशी संघटन-जाँच में NIR मुख्य आधार है।
द्रव्यमान वर्णक्रममापी किसी पदार्थ की पहचान व परिमाणन पूर्णतः भिन्न मार्ग से करता है: यह नमूने को आयनित करता है, आयनों को त्वरित करता है, उन्हें उनके द्रव्यमान-आवेश अनुपात से क्रमबद्ध करता है (सामान्यतः चुंबकीय या विद्युत क्षेत्र से, या उड़ान-काल से), और परिणामी वर्णक्रम को इस बात के अँगुलीछाप के रूप में पढ़ता है कि कौन-से अणु या खंड किस सापेक्ष प्रचुरता में उपस्थित हैं — द्रव्यमान व आवेश सीधे मापते हुए, इस बात पर बिना कोई निर्भरता कि पदार्थ प्रकाश कैसे अवशोषित या उत्सर्जित करता है, यही वह है जो इसे उपरोक्त प्रकाशिक-अवशोषण तकनीकों का प्रतिस्थापन नहीं, पूरक बनाता है।
मुख्य बिंदु
- FM की रव-प्रतिरक्षा सूचना को आयाम से पूर्णतः हटाने से आती है, ताकि लिमिटर संदेश छुए बिना आयाम-रव हटा सके — पर यह किसी दहलीज़ वाहक-से-रव अनुपात से नीचे तीव्रता से टूट जाती है।
- QAM आयाम व कला दोनों संयोजित कर प्रति संकेत कई बिट वहन करता है, समान बैंडविड्थ हेतु अकेले ASK, FSK या PSK से उच्चतर आँकड़ा-दर देता है।
- 4-20 mA लूप 0-4 mA को उस क्षेत्र के रूप में सुरक्षित रखता है जिसमें स्वस्थ लूप कभी प्रवेश नहीं करती, अतः टूटा तार वास्तविक निम्न पठन से तुरंत भिन्न पहचाना जाता है — जानबूझकर सुरक्षा-अभिकल्प, यादृच्छिक ऑफ़सेट नहीं।
- LED पर लेज़र का लाभ उद्दीप्त उत्सर्जन से संगतता व दिशिकता है, केवल चमक नहीं — और दोनों इंटरफ़ेरोमेट्री व फ़ाइबर-युग्मन हेतु सीधे मायने रखते हैं।
- इंटरफ़ेरोमीटर पथ-लंबाई अंतर को फ्रिंज-शिफ़्ट में बदलता है — पथ-अंतर का एक तरंगदैर्घ्य ठीक एक फ्रिंज है — जो इसे स्वयं में एक लंबाई-मानक बनाता है।
- UV-VIS/NIR अवशोषण-मापन व द्रव्यमान वर्णक्रममिति पूरक हैं, प्रतिस्पर्धी नहीं: एक पढ़ता है कि पदार्थ प्रकाश से कैसे अंतःक्रिया करता है, दूसरा आयनों को सीधे द्रव्यमान-आवेश अनुपात से क्रमबद्ध करता है।
अभ्यास प्रश्न (9)
उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।
FM आयाम-क्षेत्र रव के प्रति AM से अधिक प्रतिरोधी मुख्यतः इसलिए है क्योंकि
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उत्तर: B — संदेश आवृत्ति में कूटबद्ध है, अतः लिमिटर संदेश प्रभावित किए बिना आयाम-रव हटा सकता है
क्योंकि संदेश पूर्णतः वाहक की आवृत्ति-विविधता में रहता है, लिमिटर चरण आयाम-उतार-चढ़ाव (जहाँ अधिकांश चैनल-रव पड़ता है) को आवृत्ति-सूचना छुए बिना काट सकता है। वाहक-आवृत्ति चयन व प्रसार-गति कारण नहीं हैं, और FM सामान्यतः रव-मुक्त नहीं है — यह किसी निश्चित वाहक-से-रव अनुपात से नीचे तीव्र दहलीज़-प्रभाव पतन भुगतता है।काल-विभाजन बहुसंकेतन (TDM), आवृत्ति-विभाजन बहुसंकेतन (FDM) के विपरीत, हर संकेत को देता है
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उत्तर: B — पूरी चैनल-बैंडविड्थ, पर केवल उसके अपने संक्षिप्त समय-खंड हेतु
TDM का परिभाषित विनिमय काल-खंडित पूर्ण-बैंडविड्थ पहुँच है, FDM की एक साथ पर आवृत्ति-खंडित पहुँच के विपरीत — हर संकेत को पूरी चैनल-बैंडविड्थ मिलती है, पर केवल उसके अपने आबंटित समय-खंड में, अन्य के साथ अंतरगुंफित। FDM वह है जो अलग, एक साथ वाहक-आवृत्तियाँ आबंटित करता है।4-20 mA औद्योगिक ट्रांसमीटर मानक में, 0 mA को जीवंत-शून्य के रूप में प्रयोग करने के बजाय दोष-संकेतक के रूप में सुरक्षित रखा जाता है क्योंकि
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उत्तर: B — न्यूनतम पठन हेतु 0 mA प्रयोग करने से टूटा तार वास्तविक न्यूनतम मान से अभेद्य हो जाएगा
यदि न्यूनतम प्रक्रिया-मान 0 mA के रूप में कूटबद्ध होता, तो टूटा तार या विसंबद्ध ट्रांसमीटर (जो भी 0 mA पढ़ता है) वास्तविक न्यूनतम पठन से कभी अलग न बताया जा सकता। 4 mA को जीवंत-शून्य के रूप में सुरक्षित रखना, सामान्य प्रचालन में 0-4 mA कभी न आना, टूटी लूप को तुरंत निदान-योग्य बनाता है — इस चयन का पूरा कारण। 0 mA उत्पन्न करना आसान है (यह मात्र कोई धारा नहीं है), और 4 mA न्यूनतम है, 20 mA अधिकतम, उल्टा नहीं।अकेले ASK या PSK की तुलना में, QAM का लाभ यह है कि यह
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उत्तर: B — आयाम व कला संयोजित कर समान बैंडविड्थ पर प्रति संकेत कई बिट वहन करता है
QAM आयाम व कला दोनों को एक साथ मॉड्युलेट करता है, अतः हर प्रेषित संकेत एक से अधिक बिट निरूपित कर सकता है, केवल आयाम या केवल कला प्रयोग करने वाली योजना की तुलना में दी गई बैंडविड्थ हेतु आँकड़ा-दर बढ़ाते हुए। यह अब भी वाहक प्रयोग करता है और रव से प्रतिरक्षित नहीं — यह सामान्यतः उच्चतर आँकड़ा-दर हेतु कुछ रव-उपांत का विनिमय करता है।प्रकाश-स्रोत के रूप में LED पर लेज़र का मुख्य लाभ है
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उत्तर: B — उद्दीप्त उत्सर्जन से संगतता व दिशिकता
अनुनादी कोटर के भीतर उद्दीप्त उत्सर्जन लेज़र प्रकाश को संगतता व कड़ी दिशिकता देता है, LED के स्वतःस्फूर्त, असंगत, व्यापक-बैंड उत्सर्जन के विपरीत — और ठीक संगतता ही वह है जिस पर इंटरफ़ेरोमेट्री व कुशल फ़ाइबर-युग्मन निर्भर हैं। लेज़र सामान्यतः सस्ता नहीं, इसका वर्णक्रमी बैंड LED से संकीर्ण है (विकल्प का उल्टा), और LED वास्तव में संचार हेतु नियमित रूप से मॉड्युलित किए जाते हैं।इंटरफ़ेरोमीटर में, प्रकाशिक पथ-अंतर में ठीक एक तरंगदैर्घ्य के परिवर्तन से फ्रिंज-प्रतिरूप खिसकता है
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उत्तर: B — ठीक एक फ्रिंज
फ्रिंज-प्रतिरूप हर बार दोहराता है जब पथ-अंतर एक पूर्ण तरंगदैर्घ्य से बदलता है, अतः पथ-अंतर में एक-तरंगदैर्घ्य परिवर्तन ठीक एक-फ्रिंज शिफ़्ट उत्पन्न करता है — यही प्रत्यक्ष, ठीक तदनुरूपता इंटरफ़ेरोमीटर को स्वयं में एक लंबाई-मानक के रूप में उपयोगी बनाती है, फ्रिंज गिनकर विस्थापन को तरंगदैर्घ्य के एक अंश तक मापते हुए।विद्युत रूप से शोरगुल वाले वातावरण में फ़ाइबर ब्रैग ग्रेटिंग विकृति-संवेदक तुल्य विद्युत स्ट्रेन-गेज पर वरीयता पाता है क्योंकि
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उत्तर: B — इसका प्रकाशिक तरंगदैर्घ्य-शिफ़्ट संकेत विद्युतचुंबकीय व्यतिकरण से प्रतिरक्षित है
मापांक परावर्तित प्रकाशिक तरंगदैर्घ्य में शिफ़्ट के रूप में कूटबद्ध है, एक विशुद्ध प्रकाशिक राशि जिसमें विद्युतचुंबकीय व्यतिकरण उस तरह युग्मित नहीं हो सकता जैसे यह विद्युत गेज के वोल्टेज या धारा संकेत में होता है — यही प्रतिरक्षा, गति या प्रकाश-स्रोत का अभाव नहीं, विद्युत रूप से प्रतिकूल वातावरण में इसके चयन का कारण है। यह विकृति पढ़ता ही है (तरंगदैर्घ्य-शिफ़्ट द्वारा), और इसे जाँचने हेतु प्रकाश-स्रोत चाहिए ही।बीयर-लैम्बर्ट नियम के अनुसार, स्थिर सांद्रता पर नमूने से प्रकाश की पथ-लंबाई दोगुना करने से
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उत्तर: B — अवशोषण दोगुना हो जाता है
A = epsilon * c * l पथ-लंबाई l में उतना ही रैखिक है जितना सांद्रता c में, अतः c को स्थिर रखते हुए l दोगुना करने से अवशोषण-पठन ठीक दोगुना हो जाता है। यह न आधा होता है न अपरिवर्तित रहता है, और अकेली अवशोषकता अवशोषण तय नहीं करती — सांद्रता व पथ-लंबाई दोनों सक्रिय चर हैं।द्रव्यमान वर्णक्रममापी पदार्थों की पहचान किससे करता है
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उत्तर: B — आयनित खंडों को उनके द्रव्यमान-आवेश अनुपात से क्रमबद्ध करके
द्रव्यमान वर्णक्रममिति नमूने को आयनित करती है, आयनों को त्वरित करती है, और उन्हें द्रव्यमान-आवेश अनुपात से क्रमबद्ध करती है, परिणामी प्रतिरूप को संघटन के अँगुलीछाप के रूप में पढ़ते हुए — एक ऐसा उपागम जिसकी प्रकाशिक अवशोषण, चालकता या श्यानता पर बिलकुल कोई निर्भरता नहीं, यही ठीक कारण है कि यह प्रकाशिक-अवशोषण तकनीकों की नकल नहीं, पूरक करता है।