HABERLEŞME SİSTEMLERİNDE KULLANILAN FİLTRE VE GECİKTİRME DEVRELERİNİN TASARIMI

Transkript

1 HABERLEŞME SİSTEMLERİNDE KULLANILAN FİLTRE VE GECİKTİRME DEVRELERİNİN TASARIMI Enis TÜYENİ ve Tülay ALUÇ GİRİŞ Haberleşme sistemlerinin en önemli elemanlarından biri, belirli bir frekans bölgesinde istenilen bir zayıflama ya da geciktirme karakteristiğini sağlayan devrelerdir. İstenilen zayıflama karakteristiğini gerçekleştiren devrelere filtre adı verilmektedir. Filtrelerin tasarımı için mühendislikte birçk katalglar, mngraflar ve tabllar hazırlanmıştır. Ancak bunların kullanılması, ya özel türde zayıflama karakteristiklerinin gerçekleştirilmesi ya da bu karakteristiklere geniş tleransların tanınması hallerinde elverişli lmaktadır. Bu çözüm yöntemleri, birçk mühendislik prblemlerinde yeterli lmaktadır. Ancak zayıflama karakteristiği üzerinde çk sıkı bazı kşulların knması ve bu kşulları sağlayacak filtre devresinin de en az eleman kullanılarak tasarlanması istendiğinde, filtre tasarımı için geliştirilmiş bazı genel amaçlı kmpüter prgramlarının kullanılması kaçınılmaz lmaktadır. Öte yandan, özellikle sayısal haberleşme sistemlerindi. iletim rtamında kullanılan düzenler ve/ya da iletim rtamının kendisi, dğrusal lmayan bir faz karakteristiğine sahip labilir. Bu yüzden rtaya çıkan simgelerarası karışımdan ileri gelecek lan işaret bzulmalarını düzeltmek amacıyla faz düzeltici devrelerin kullanılması gerekir. Bu tür devreler literatürde daha çk geciktirme-dengclc yici (delay equalizer) devreler adıyla anılmaktadır. Elektrnik Araştırma Bölümünde birkaç yıl süren bir araştırma snucu, filtre ve geciktirme devrelerinin tasarımıyla ilgili genel amaçlı bazı kmpüter prgramları geliştirilmiştir. Aşağıda, terik ayrıntılara girmeden, bu prgramlar hakkında kısa ve pratik bilgiler verildikten snra bunların bazı örneklere uygulanışı gösterilecektir. 1. FİLTRE TASARIM VE DEVRE ANALİZ PROGRAMLARI 1.1. MAEEOO -> 11 Hrgram Paketine İlişkin Genel Bilgi Bu prgram paketi, MAEEOO prgramından, MAEE11 prgramına kadar numaralanmış ve FORTRAN IV dilinde yazılmış niki prgramdan luşmaktadır: Bu prgramlar, yalnız MAEEOO pilt prgramına kutturulan bilgiler yardımıyla, kullanıcının araya girmesini gerektirmeden, birbirlerini dğrudan dğruya çağırarak istenilen karakteristiklere sahip filtrenin tasarımını ve tasarımı yapılan filtrenin analizini snuna kadar götürerek gerçekleştirirler. ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 281

2 Tasarımı yapılan filtreler, pasif, genel parametreli geleneksel ve merdiven biçiminde bir yapıya sahip filtrelerdir (1). Kullanılan PDP - 11/45 Kmpüterinih getirdiği sınırlamalardan ötürü, halen en çk 24. dereceden band geçiren filtreler tasarımlanabilmektedir. Hesaplamalarda sayısal kararlılığı sağlayabilmek için tasarım "z" dönüşüm değişkeniyle yapılmaktadır. (1), (2). Öte yandan prgram, filtrenin endüktans sayısını, istenen sayıya indirgeme işlemini, pilt prgrama bu amaca uygun kmutlar verme yluyla, klayca ve peratörün işe karışmasını gerektirmeden, dğrudan dğruya çözümleyebilmektedir. Bu amaçla, kullanıcının isteğine göre, ya geçen bandta en büyük dalgalanma miktarını arttırır, ya da söndürme bandlarındaki zayıflamayı azaltır ya da her ikisinde de değişiklik yapabilir. Kristal, mikrdalga, çk dar bantlı (ntch), aktif ve sayısal filtrelerin tasarımı şimdilik bu prgram paketinin kapsamı dışında bırakılmıştır. Ancak, devre elemanlarının başka biçimlerde yrumlanması yapılmak kşuluyla ve prgrama yapılacak bazı eklerle, prgram paketi bu tür filtrelerin tasarımında da kullanılabilecektir. Devre Analiz Prgramına gelince, bu prgram, pasif elemanlardan luşan, merdiven biçiminde verilmiş ya da bu biçime skulabilen ve tplam kl sayısı (seri + şönt) en çk 50 labilen herhangi bir devrenin analizini basit "kntinüantlar" yöntemini kullanarak (3), (4) yapmaktadır. Önce Hevvlett-Packard Kalkülâtör Sistemi için yazılmış lan bu prgram (5), daha snra FORTRAN IV diline uyarlanmıştır (6). Prgramın inceleyebildiği büyüklükler ise, belirli bir frekans bandında, devrenin db cinsinden araya-girme zayıflaması (insertin lss) ya da giriş-çıkış gerilimleri ranı (perating-lss), giriş ve çıkış empedanslarının değişimi, grup-gecikmesi ve giriş ve çıkış kapılarındaki yansıma kayıplarıdır [return (ech)-lss]. Ayrıca, merdiven biçimindeki devrenin çeşitli düğümlerindeki gerilimlerin frekansa göre değişimi de bu prgram yardımıyle incelenebilmektedir (7). Analiz snucunda hesaplanan çeşitli karakteristikler,ayrı bir çizim prgramıyla çizdirilebilmektedir Filtre Tasarım Yöntemine İlişkin Açıklamalar Tasarımlanan filtreler, giriş kapısındaki besleme direncini (R1), çıkış kapısındaki snlandırma direncine (R2) eşit kılmak amacıyla, genellikle bir ideal transfrmatörle snlandırılırlar. Bu ideal transfrmatörün sarımlar ranını belirlemek için, ilgili filtre, çıkış kapısından giriş kapısına dğru yeniden tasarımlanır. Her iki yönde tasarımlanan filtrenin zayıflama karakteristiği aynıdır ancak devre biçimleri ve eleman değerleri aynı değlidir. Kullanıcı, bu iki devre biçiminden herhangi birini seçip kullanabilir. Yukarda sözü edilen devreler, ideal transfrmatörler yk edilmeden kullanılamazlar. Bu işlem ise iki türlü gerçek leştirilebilir: 1- Çıkış kapısındaki ideal transfrmatörü çıkarıp, filtreyi R2 = n2. R1 değerinde bir dirençle snlandırarak (burada "n", ideal transfrmatörün ilgili yöndeki sarımlar ranıdır). Bu durumda kullanılan filtrenin R1 ve R2 dirençleri genellikle eşit lmazlar. Ayrıca, geçen bandta, ideal transfrmatörle elde edilen zayıflamaya - k i istenilen zayıflama budur sabit bir zayıflama eklenmiş lur. Bu istenmeyen bir durumdur. Bu sakıncalardan ötürü bu yöntem, ancak aşağıdaki 2 halinde açıklanan yöntemin bir çözüm getiremediği durumlarda benimsenir. 2- İdeal transfrmatörü NORTON dönüşümüyle yk e- derek. Kapasite elemanları yardımıyle yapılan bu dönüşüm (8), devrenin tpljisine, eleman değerlerine ve ideal transfrmatörün sarımlar ranına bağlı larak her zaman ger- ^ ekleştirilemeyebilir. Verilen zayıflama karakteristiğini (gabari) karşılayan dğru ve ters yönde lmak üzere iki devre biçiminin bulunduğu önceden açıklanmıştı. Nrtn dönüşümü, bu her iki yöndeki devre üzerinde denenir. Bu uygulama snucunda dönüşüm, bir yöndeki devre için gerçekleşemiyeceği gibi her iki yönde de başarısız labilir. Herhangi bir yönde çözüm bulunduğu takdirde, elde edilen devrenin snlandırma dirençleri eşit lur (R2 = R1). Ancak, devrenin tplam kapasite elemanı sayısı bir artmıştır. Devre biçimi böylece belirlendikten snra, filtrenin kayıplı durumda analizi yapılır. Bu amaçla, filtrenin çalışacağı frekans bandı gözönünde bulundurularak endüktans ve kapasite elemanları için birer rtak O değeri atanır (genellikle, kapasite elemanlarının ideal ldukları varsayılabilir). Ortak O değeri, genellikle geçen bandın rtası için seçilir ve frekansa göre dğrusal biçimde değiştiği varsayılır. Analiz snucunda, geçen band'ta elde edilen dalgalanma miktarı, kayıplardan ötürü genellikle istenilenden daha büyüktür. Optimizasyn prgramı bu aşamada devreye girerek geçen band'taki en büyük dalgalanma miktarını minimize eder. Kullanılan Optimizasyn yöntemi, kutupların sayısını ve bulundukları frekansları aynı değerde tutarken filtrenin yalnız eleman değerlerini değiştirir (9). Optimizasyn sürecinde ayrıca, zayıflama fnksiynunun bağımsız elemanlara göre duyarlık (sensitivity) analizi de yapılmaktadır. ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

3 A(dB) I i I ALT SÖNDÜRME BANDI ı f» 1" t Ç^M\ 0 + / ÖRNEK FİLTRE GABARİSİ GEÇEN BAND V\T7b Şekil. ÜjST SÖNDÜRME BANDI 17.5 ıs F(kHz)

4 r Kmpüter yönünden bu aşamada filtre tasarımlanmıştır. Şimdi bu filtrenin labratuvar prttipinin gerçekleştirilmesine geçilir. Burada, kapasite elemanlarının terik değerlerine en yakın lan standart değerlerin seçilmesi sözknusudur. Bu amaçla, çk hassas kapasite değerlerinin seçilmesi gerekebilir (örneğin, E-48 serisinden). Kapasite elemanlarının değerleri böylece belirlendikten snra, önceden bilinen kutup frekanslarından giderek, endüktans elemanlarının değerleri yeniden hesaplanır. Bu değerlerle sn bir analiz daha yapılır ve filtrenin nihai karakteristiği böylece rtaya çıkar Filtre Tasarımına İlişkin Prgram Girdi ve Çıktıları Prgram Girdileri En genel durumda, band-geçiren bir filtrenin tasarımı prblemi ele alınacak lursa, bu amaçla MAEEOO pilt prgramına kutulacak başlıca bilgiler şunlar lmaktadır: a) Tasarımlanacak filtrenin gabarisi Filtre tasarımında kullanılan "gabari" sözcüğüyle, - filtrenin geçen-band sınırları - alt ve üst söndürme bandlarının sınırları ve bu sınırlara karşı düşen zayıflama değerleri (söndürme bandları basamak biçiminde ise, bu basamakları sınırlandıran frekanslar ve bunlara ilişkin zayıflama değerleri) - Geçen-band'ta zayıflama için tanınan en büyük dalgalanma miktarının sınırı anlatılmaktadır. Şekil - 1'de örnek larak ele alınacak filtrenin gabarisi verilmiştir. b) Filtrenin girişine bağlanacak seri direncin (besleme direnci) değeri c) Filtrenin ptimizasynu için gerekli parametrelere verilecek değerler d) Analiz isteniyrsa, flitrenin tasarımı yapıldıktan snrj hangi büyüklüğün ya da büyüklüklerin frekansa göre değişiminin istendiği, frekans bölgesi ve tarama adımı. e) Frekansa bağlı larak hesaplanan büyüklüğe ilişkin grafiğin çizimi isteniyrsa, bu iş için gerekli kmutlar Prgram Çıktıları Tasarımlanan filtrenin prgram çıktıları ise şöyle lmaktadır : 1- Nrtn dönüşümünden önceki ve her iki yönde tasarımlanan filtrenin eleman değerlerini veren tabl. 2- Y ine Nrtn dönüşümünden önceki filtrenin her iki yöndeki devre şemaları 3- Nrtn dönüşümü uygulanabiliyrsa, filtrenin her iki yöndeki (ya da yalnız bir yönündeki) eleman değerleri ve ilgili devre şemaları (ya da şeması). 4- Seçilen bir yönde, elemanların ptimize edilmiş delerleri 5- Analiz istenmişse, incelenmesi istenen büyüklüğün (ya da büyüklüklerin) frekansa göre aldığı değerler tablsu 6- Çizim istenmişse, incelenen büyüklüğün frekansa göre değişimini gösteren eğri Bir Örnek Şekil - 1'de verilen garabiye uygun, band-geçiren bir Kanal Transfer Filtresinin (PTT) tasarımlanması istnmektedir örnek Filtreye ilişkin Veriler a) Söndürme bandları sınırları ve bunlara karşı düşen zayıflamalar + Alt söndürme bandı f <8300Hz : a m i n > 5 0 d B 83OO< f < Hz : a m i n >60dB 11400< f< Hz : a m j n >50dB + Üst söndürme bandı 16600<f< Hz : a m i n >36dB f > Hz : a m i n >30dB b) Geçen band kşulları + Geçen band alt ve üst kesim frekansları f! = Hz, f 2 = Hz + Geçen band'taki dalgalanma miktarı a max< 1 d B! c) Filtrenin snlandırma dirençleri ; + Besleme direnci : R ı = Y ük direnci : R 2 = 6OOJ2 d) Kayıplar Kapasite elemanları kayıpsız varsayılacak, bütün endüktans elemanlarına ise filtrenin yaklaşık rta frekansı lan F = Hz'de Q = 300 değeri verilecektir Prgram Çıktıları Y ukarda belirtilen bilgiler MAEEOO prgramına kutturulmadan önce ideal (kayıpsız) durumda geçen band'taki en büyük dalgalanma miktarına verilecek değerin belir- ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 281

5 I s? 3 s; I i s S NOT. R1 NORTON DÖNÜŞÜMÜNDEN ÖNCEKİ DEVRE BİÇİMİ LS KF U» Sekil-2 (a) NORTON DÖNÜŞÜMÜNDEN SONRAKİ DEVRE BİÇİMİ KF (1) ' KFU) KF (2) ENDUKTANS ELEMANI DİRENÇ ŞekiL-2 (b) 00

6 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

7 lenmesi gerekir. Deneyler göstermiştir ki, kayıpsız durumda a max 'a verilen değer, kayıplı durumda yaklaşık 10 katına yükselmektedir. Dlayısıyla örneğimizde, kayıplı durumda a max için en çk 1 db istenildiğine göre, kayıpsız durumda filtreyi a max = 0.1 db larak tasarımlamamız gerekecektir. Bu verilere dayanılarak çalıştırılan MAEE00 -» 11 prgram paketiyle aşağıdaki snuçlar elde edilmiştir: a) Tasarımlanan filtre 14. dereceden simetrik bir filtre lup, 7 endüktans elemanı, 12 kapasite elemanı ve 1 ideal transfrmatörü içermektedir [Şekil - 2 (a)]. İstenilen karakteristiği karşılamak için, 5 snlu kutup, sıfır frekansta 3 yarım-kutup, snsuz frekansta ise 1 yarım-kutup gerekmiştir. Prgram tarafından bulunan snlu kutupların frekansları aşağıdaki gibidir : KF (1) = Hz, KF (2) = Hz, KF (3) = Hz, KF (4) = Hz, KF (5)= Hz. b) Nrtn Dönüşümüyle ideal transfrmatör yk edilmiş, buna karşılık kapasite elemanı sayısı 13 lmuştur [Şec) Filtrenin kayıpsız durumda analizi yapılmış ve bu duruma ilişkin karakteristik eğri çizdirilmiştir [Şekil-3 (a)]. d) Kayıplı durumda analizi yapılan filtrenin karakteristik eğrisi çizdirilmiş ve geçen band kşullarının sağlanmadığı görülmüştür: kesim frekanslarında dalgalanma miktarı yüklaşık 3 db'yi bulmaktadır [Şekil-3 (b)]. Kayıplardan ötürü, zayıflama karakteristiğine 0.42 db değerinde sabit bir zayıflama (flat-lss) eklenmiştir (A ). e) Yukarda elde edilen filtrenin geçen band kşullarını sağlayabilmek için ptimizasyn prgramı devreye skulmuş ve en çk 0.65 db değerinde bir dalgalanma miktarı elde edilebilmiştir [Şekil-3 (c)]. Ancak, sabit zayıflama miktarı 2.02 db'ye yükselmiştir. f) Filtrenin labratuvar prttipini gerçekleştirebilmek için kapasite eleman değerleri, E-48 serisinden hassas kndansatörler kullanılarak standart değerlerine uydurulmuş ve reznatörlerdeki endüktans eleman değerleri aynı kutup frekanslarını verecek biçimde yeniden hesaplanmıştır. Böylece elde edilen filtrenin analizi tekrar yapılmış [Şekil-3 (d)] ve geçen band'taki en büyük dalgalanma miktarının yaklaşık 0.7 db, sabit zayıflama miktarının ise 1.93 db'ye düştüğü görülmüştür. Nrtn dönüşümünden snraki çeşitli aşamalarda, filtrenin eleman değerlerini, geçen band'taki en büyük dalgalanma miktarını ve sabit zayıflama değerini veren özet tabl Şekil-4'te verilmiştir. Labratuvar prttipi için kullanılacak endüktans elemanlarını tablda belirtilen hassas değerlerde sardırmak genellikle mümkün lamayacağından, verilen değere en yakın bir değerde ayarlı bbinler sarılır ve daha snra bunlar belirtilen standart kapasite değerleriyle kutup frekanslarında reznansa gelecek biçimde ayarlanırlar. Snuç larak, rtaya çıkan bu filtre, kullanıcının belirttiği kşullara (Şekil-1) uygun larak tasarımlanmış bulunmaktadır. NOT : Verilen bütün devre biçimleri ve eğriler, ilgili Şekillerde belirtilen biçimde kmpüter tarafından çizdirilmiştir. Ancak, kntrast yönünden baskıya elverişli lmadıklarından, aydinger üzerinde, devre biçimlerinin kpyaları çıkarılmış, eğriler ise, Hevvlett-Packard çizici ünitesinde yeniden çizdirilmiştir. 2. GECİKTİRME -DENGELEYİCİ DEVRE TASARIMI 2.1. Genel Açıklama Sisteme fazladan bir gecikme getirerek, sistemin tplam gecikmesini sabit bir değere yaklaştıran devrelere, Geciktirme-Dengeleyici devreler denilmektedir. Faz ya da gecikme bzulmasını düzeltmek için genellikle tüm-geçiren (all-pass) devreler kullanılmaktadır. Amaç, kaskat bağlı M tane birinci, N tane ikinci dereceden tümgeçiren hücrelerden en az sayılarda kullanarak, istenilen bir gecikme karakteristiğini, verilen hata sınırları içinde, gerçekleştirmektir (10). Tüm-geçiren devrenin gecikme ifadesi, her bir hücreye ilişkin gecikme ifadelerinin tplamı alınarak bulunan bir rasynel fnksiyndur. Prblem, rasynel fnksiynlarla herhangi bir fnksiyna yaklaşımı temel alan iteratif bir algritmanın (rasynel Chebyshev yaklaşımı) prgramlanmasıyla çözümlenmiştir (11). Algritmanın adımları şunlardır : 1 - Verilen eğriyi M + 2N + 1 nktada kesen herhangi bir gecikme eğrisi bulmak (Bu eğrinin dalgalanma genlikleri birbirlerine eşit değildir.) 2- İki eğrinin kesişme frekanslarını iteratif biçimde kaydırarak, (1)'i tekrarlamak. 3- Eşit-dalgacıkh bir eğri elde edinceye dek (1) ve (2)'yi iç içe tekrarlamak. Elde edilen çözüm eğrisi-özel bazı durumlar dışında, verilen eğriyi en az (M + 2N + 1) nktada esen eşit-dalgacıkh (equal-ripple) bir eğridir. Belirli M ve N sayıları için elde edilebilecek eşit dalgalanma genliği belirli bir sınır değerinden küçük yapılamaz. Bu genlik daha da küçültülmek istenilirse kullanılan hücre sayısını artırmak gerekir. M ve N nin kutulan değerleri için bulunan eğrinin maksimum dalgalanma genliği, kullanıcının belirlediği sınırın altında değilse, prgram tmatik larak M ya da N yi arttırarak yeni bir çözüm bulur. Dalgalanma genliği iste- 30 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 281

8 ÖRNEK FİLTRENİN ELEMAN DEĞERLERİ VE BAZI ÖZELLİKLERİ ELEMAN [Şekil-2(b)] OPTİMÎZASYON ÖNCESİ [Şekil-3(a) ve (b)] OPTİMİZASYONDAN SONRA [Şekil-3(c)] LABORATUAR PROTOTİPİ [Şekil-3(d)] Rl 600 fi 600 fi 600 fi R2 600 fi 600 fi 600 fi Ll E E E-3 L E E E-4 L E E E-4 L E E E-4 L * E E E-4 L E E E-3 L E E E-3 Cl E E E-8 C2 C E E E E E E-7 C4 C E E E E E E-7 C E E E-7 C E E E-7 C E E E-7 C9 CIO Cll E E E E E E E E E-6 C12 C E E E E E E-7 max ~ Şekil-4. Nt : Dirençler "OHV cinsindendir. ", Endüktans elemanları "HENRY ", Kapasite elemanları "FARAD", Zayıflamalar ise "db" ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

9 ŞEKİL-5 en c in 039 8aniye) k z 535 LO ö GEÇİİKME LO O) O FREKANS (KHz) 32 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 28 V

10 nilen değerden küçük lduğunda, bulunan M, N değerleri ile herbir hücreye ilişkin eleman değerleri yazılır Prgram Girdileri : Kullanıcının belirleyeceği büyüklükler aşağıda verilmiştir. a- Geciktirme-dengeleyici karakteristiğinin frekans bandı: FMIN : alt sınır, FMAX : üst sınır (Hertz larak) b- İzin verilen en büyük dalgalanma genliği (saniye larak) c- İstenen gecikme-frekans karakteristiğini belirlemek ü- zere seçilen yeterli sıklıktaki nktaların sayısı ve bu nktalara karşı düşen frekans (Hertz) ve gecikme (saniye) değerleri. NOT : Şekil-5'te çıkışı düzeltilecek filtrenin gecikme eğrisi, Şekil -6'da ise bzuk lan bu çıkışı düzeltmek için, filtreye kaskat bağlanacak lan geciktirme-dengeleyici devrenin sağlaması gereken gecikme eğrisi gösterilmiştir. Prgrama veri larak ikinci eğri verilecektir! d- Snlandırma direnci (Ohm larak) e- Birinci ve ikinci dereceden hücre sayıları için yaklaşık değerler Prgram Çıktıları Pratikte geciktirme-dengeleyici karakteristiğinin eşit-dalgacıklı lması gerekmez, önemli lan, en büyük genliğin verilen sınırın üstüne çıkmamasıdır. Bu nedenle, prgrama 3 ayrı çıkış knulmuştur: de açıklanan (1) ve (2) iterasyn adımlarının eşitdalgacıklı bir eğri elde edilinceye dek iç içe tekrarlanması ve bulunan çözümün yazdırılması, 2- Eşit-dalgacıklı lmayan fakat en büyük genliği kullanıcının verdiği üst sınır içinde kalan çözümün yazdırılması. 3- Hata çıkışı : Maksimum iterasyn sayısı için yakınsama lmaması halinde hata mesajının yazdırılması. (1) ve (2) nrmal çıkış durumlarında birinci ve ikinci dereceden tüm geçiren hücrelerin sayıları, eleman değerleri (L ve C) ile maksimum hata yağdırılmaktadır Kmpüterle Geciktirme-Dengeleyici Devre Tasarımı İçin Bir örnek Genel Açıklama 8448 Mbit/sn hızında dubinary kdlanmış sayısal bir dizinin, Nyquist frekans bandı içinde iletimini gerçekleştirmek üzere, MHz kesim frekanslı bir "ideal" alçak geçiren filtreye yaklaşılmaya çalışılmıştır. Bu "ideal" filtrenin a- Keskin düşüyle genlik eğimi b- Band içinde dğrusal faz karakteristiği (sabit gecikme karakteristiği) özelliklerini sağlaması istenmektedir. 1. Bölümde açıklanan sentez prgramıyla yalnızca (a) kşulunu sağlayan alçak geçiren filtre (A.G.F) tasarımlanmakta ve analiz prgramı yardımıyla gecikme-frekans karakteristiği çizdirilmektedir [Şekil-5]. Görüldüğü gibi, MHz bandı içinde gecikme değerleri sabit değildir. Band içinde sabit bir gecikme karakteristiği elde etmek için, tasarımlanan alçak geçiren filtreye, tüm geçiren bir geciktirme-dengeleyici devre (G.D.D) kaskad bağlanacaktır Geciktirme-Dengeleyici Devrenin Prgram Girdileri a- Frekans bandı : F M I N = 0 (Hz), F M A X = x 10* HZ b- Maksimum dalgalanma genliğinin + 15 nansaniye lması istenmektedir. Gerçekleştirilecek lan karakteristiğin eşit dalgacıktı lması gerekliliği yktur. c- Dengeleyici devre ile alçak geçiren filtrenin gecikme karakteristiklerinin tplamının sabit lması istenmektedir. Filtrenin gecikme karakteristiğinin [Şekil-5], band içinde aldığı maksimum değerden daha büyük bir değer, örneğin 0.9 jusn seçilir. Snra yeterli sıklıkta seçilen nktalardaki gecikme değerleri bu sabit değerden çıkartılır. Elde edilen yeni değerler geciktirme-dengeleyici devrenin sağlaması gereken karakteristiği belirlerler [Şekil-6] ve prgrama veri larak kutulurlar. d- Snlandırma direnci 100 Ohm alınacaktır. e- Geciktirme-dengeleyici devrenin minimum sayıda elemanla gerçekleştirilmesi istenmektedir Geciktirme-Dengeleyici Devrenin Prgram Çıktıları i) İstenilen karakteristiğin 3 tane ikinci dereceden hücre ile gerçekleştirilmesine çalışılmıştır. M = 0, N = 3 verilerek prgram kullanıldığında, elde edilen karakteristiğin istenilen kşulları sağlamadığı gözlenmiştir. ii) Hücre sayısı 1 arttırılarak M = 0, N = 4 için prgram kullanılmış ve Şekil-6'daki karakteristik elde edilmiştir. Burada dalgalanma genlikleri MHz bandında ile + 12 nansaniye, bandın üst sınırında ise + 39 nansaniye mertebesindedir MHz frekans bandında iletilecek işaret, "Mdified-dubinary" kdlanmış [Şekil 8a] ise, bandın üst sınırındaki + 39 nansaniyelik hatanın bzucu etkisinin çk küçük lduğu görülmüştür. ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

11 ŞEKIL.6 O (O «ö it UJ Ş iü in d _ 6.D.O. nin İSTENEN GECİKME KARAKTERİSTİĞİ - G.D.D. nin 6ERCEKLEŞTİRİLEN 6ECİKTİRME-0ENGELEME KARAKTERİSTİĞİ Â İ..2 FREKANS ( M H z ) 34 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 281

12 uı ÎÎJ 8- s ö" I-» - g SEKIL-7 r\ Yİ IDEAL FILTRENIN ISTENEN GECIKTIRME KARAKTERISTIĞI "IDEAL" FILTRENIN 6B«EKLESTIRILEN 6ECIKTIRME KARAKTERISTIĞI FREKANS ( M H z )

13 Aynı bandta iletilecek işaret "iki kutuplu kd "la kdlanmış [Şekil-8b] ise, MHz civarındaki hatanın bzucu etkisinin büyük lduğu görülmektedir. Bu durumda hücre sayısını daha da arttırarak MHz civarındaki hatayı ldukça küçük yapmak gerekmektedir. Snuç larak, tasarımlanan alçak geçiren filtreyle, 4 hücreli tüm-geçiren devrenin kaskat bağlanmasıyla elde edilen devre, 1. tür işaretin [Şekil-8a] iletiminde kullanılanılacak "ideal" filtre özelliklerini taşımaktadır. Yaklaşılan "ideal" filtrenin gecikme-frekans karakteristiği Şekil -7'de gösterilmiştir. Prgramın çakışında, herbir hücreye ilişkin eleman değerleri yazdırılmaktadır. 6ÜC ŞEKİL-8a 3. KOMPÜTER YARDIMIYLA İDEAL KANAL İÇİN DARBE BİÇİMLENDİRME DEVRESİ TASARIMI Bilgi iletim sistemlerinin tasarımında temel prblemlerden biri de, simgeler-arası girişimi "intersymbl-interfrence" azaltmak için kullanılan Darbe Biçimlendirme Devrelerinin sentezidir. Bu bölümde, ideal bilgi iletim kanallarında kullanılacak lan analg darbe biçimlendirme devrelerinin tasarımı ve geliştirilen kmpüter prgramı kısaca tanıtılmıştır (12) Darbe Biçimlendirme Devrelerinin özellikleri Girişlerine uygulanan herhangi bir darbeyi "Nyquist-Darbesi"ne dönüştürerek (Şekil-9), simgeler arası girişimi a- zaltmaya yarayan devrelere Darbe Biçimlendirme Devreleri "Pulse-Shaping Netwrks" ya da Bilgi İletim Filtreleri "Data Transmissin Filters" denilmektedir. H Frekans (MHz KISMÎ CEVAP_4.SINIF KOD {MODIFIED DUOBINARY CODE ) ŞEKİL -8 b Güç Çıkış işaretinin Nyquist darbesi özelliklerini sağlamam için; T örnekleme hızı, t^ maksimum genliğin luştuğu örnekleme anı, k pzitif tam sayı, CJ C devrenin band genişliği lmak üzere, aşağıdaki özelliklerin sağlanması gerekmektedir (Şekil-10): (a) Zaman-Dmeni Kşulu x(t M ) = 1 t>0 I İKİ KUTUPLU KOD (BIPOLAR CODE ) Frekans (MHz ) x(t) = 0 t < 0 (b) Frekans-Dmeni Kşulu i. Wc = JL Ue tek bir çözüm vardır. ii. CJ C < -- ise hiç çözüm yktur. ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 281

14 iii. ) c > ise birden fazla çözüm bulunabilir. Burada c c için seçilebilecek minimum bir değer bulunduğu açıktır. Ayrıca kanal girişimi, gürültü gibi bazı nedenlerle, c c belli bir kesim frekansı ile üstten sınırlandırılmaktadır. sınırlı bandlı lmasıdır. Minimum faz transfer fnksiynunun sıfırları "Temes ve Gyi"nin kısıtlamalarını sağlamalarını sağlayacak biçimde seçilirse (14), bu özellik kendiliğinden sağlanmaktadır. Diğer bir frekans dmeni kriteri de, çıkışın Nyquist darbesi özelliklerini göstermesi için bunun fazının belli bir bölgede lineer lması zrunluluğudur. Yalnızca minimum faz transfer fnksiynu ile bu sn özelliği gerçekiemek lanaksızdır. Bu nedenle minimum faz transfer fnksiynu, bir "tüm-geçiren" transfer fnksiynu ile çarpılarak amaç devrenin transfer fnksiynu luşturulmaktadır. (2) Zaman-dmeni kşulunu sağlayan cevabı elde etmek için, frekans dmeni kriterlerini sağlayacak biçimde seçilmiş lan yukardaki transfer fnksiynunun kutupları, kmpüter yardımıyla ptimize edilmektedir. Yaklaşım prbleminin çözümü için zaman dmeninde luşturulan hata fnksiynu, Fletcher-Pvvell minimizasyn yöntemi ile (15) minimum yapılmakta ve istenilen çıkış darbesini, belirli hata sınırları içinde veren ptimum kutup değerleri ve transfer fnksiynu belirlenmektedir. «(t) ;3) Transfer fnksiynundan devrenin sentezi yapılarak eleman değerleri hesaplanmaktadır Bir örnek (b) SEKİL-10: (a) Frekans Dmeni Kşulu (b) Zaman Dmeni Kşulu. 't(sn) İdeal bilgi iletim kanallarında kullanılan darbe biçimlendirme devreleri, girişlerine uygulanan dikdörtgen darbeyi Nyquist darbesine dönüştürürler. Amaç, yukardaki devreye ilişkin gerçekleştirilebilir rasynel bir transfer fnksiynu bulmak, başka bir deyişle yaklaşıklık prblemini çözmektir (13) Tasarım Yöntemi (1) Transfer fnksiynunun seçilmesi: Frekans dmeni kriterlerinden bir tanesi, darbenin frekans spektrumunun İdeal kanallarda, simgeler arası girişimi minimuma indirmek için kullanılacak bir darbe biçimlendirme devresi tasarlanacaktır. Bu devre için aşağıdaki özelliklerin sağlanması istenmektedir: Örnekleme hızı : T = 5 sn a:0.5(%50rll-ff) Nyquist frekansı : O>N = = rad/sn Band genişliği : > c = (1 + a) >^ = rad/sn İletilen darbelerin süresi : T = 2.5 sn Söndürme bandındaki en büyük kazanç değeri: K = 40 db Simgeler arası girişim distrsiynu :W CDIST< 0.02 Parametreler için seçilen gelişigüzel başlangıç değerlerinin belirlediği, 7. derece (5. derece min. faz filtresi + 2. derece tüm-geçiren filtre) darbe biçimlendirme devresine ilişkin çıkış darbesi Şekil-11'de verilmiştir. Görüldüğü gibi, x N (t) işareti t = 0, 5, 10,, ideal örnekleme.anlarında sıfırdan farklı değerler almaktadır. Prgram, bu başlangıç değerlerinden hareket ederek, ideal örnekleme nktalarındaki mutlak hataların tplamından luşan simgeler arası girişim distrsiynunu giderek azaltmakta ve VVCDIST < 0.02 lduğunda durmaktadır. Parametreler için elde edilen, ptimum değerlere ilişkin çıkış darbesi Şekil-12'de gösterilmiştir. Burada, bütün örnekleme an- ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

15 Şekil- 11. Parametreler için seçilen başlangıç değerlerinin belirlediği 7. derece darbe biçimlendirme devresinin, birim genlikli 2.5 sn süreli dikdörtgen darbe girişine verdiyi cevap. (Örnekleme aralığı T - 5 sn.) 55 t(sn

16 10 15 TM(KTM) Şekil Optimum parametre değerleri ile belirlenen 7. derece darbe biçimlendirme devresinin, birim genlikli ve 2.5 sn süreli dikdörtgen darbe girişine verdiği cevap. (Örnekleme aralığı T = 5 sn). t (sn)

17 tanrıdaki sıfır geçişler istenilen özelliktedir. Şekil -13'de, sn şekle ilişkin göz diyagramı verilmiştir. Şekil -13. Şekil - 12'deki işarete ilişkin göz diyagramı. (2) BINGHAM, J.A.C., "A New Methd f Slving the Accuracy Prblem in Filter Design"; IEEE Trans. n Circuit Thery, Vl. CT-11, Eylül 1964, Sayfa (3) HERRERO, J.L. - VVILLONER, G., "Synthesis f Filters"; Sayfa 5-8, 44-45, 49; Prentice-Hall, Inc., (4) TOKAD, Y., "Fundatins f Passive Electrical Netvvrk Synthesis"; Vl. 1, Sayfa 57, Mühendislik Fakültesi Yayınları, Yayın N. 41, ODTÜ, Ankara, (5) TÜY ENİ, E., "Basamaklı Pasif RLC Devrelerin Hewlett-Packard Kalkülâtörüyle Analiz Prgramı"; TÜBİTAK-MAE., Elektrnik Araş. Bölümü, Rapr N. Ul-73/02, Nisan (6) ÇELEBİ, Y., "Basamaklı Pasif RLC Devrelerinin Frtran IV lisanı ile Analiz Prgramı"; TÜBİTAK- MAE., Elektrnik Araş. Bölümü, Rapr N. Ul- 75/05, Şubat (7) TÜY ENİ, E. - TOKAD, Y., "Merdiven Türü Pasif Devrelerde İç Düğüm Gerilimlerinin Davranışlarının İncelenmesi"; VII. Bilim Kngresi, Elektrik Seksiynu, 29 Eylül-3 Ekim 1980, Kuşadası, Aydın. (8) ZVEREV, A.I., "Handbk f Filter Synthesis"; Sayfa , Jhn VViley & Sns, Inc., SONUÇ : Bölümümüzün Elektrnik Bilgi İşlem Merkezi'nde katalglanmış lan fritre ve geciktirme-dengeleyici devrelerin tasarım ve analizine ilişkin MAEEOO,-* 11 ve MAEE25-26 prgram paketleri bugüne kadar burada yürütülen prjelerin gereksinimini büyük ölçüde ve başarıyla karşılamıştır. Hem prgram paketlerinin içerikleri yönünden, hem de kullanıcının bilgi girişini klaylaştırmak açısından bu prgramlara yenilikler getirmek için devamlı larak çaba sarf edilmektedir. Bu knularda gereksinimi bulunan herhangi bir dış kuruluş (özel ya da kamu sektöründen) Enstitü'ye başvurarak, adı geçen devre türlerine ilişkin tasarım ya da analiz yaptırtmak üzere bu prgramlardan yararlanabilir. REFERANSLAR (1) ORCHARD.H.J. and TEMES.G.C, "Filter Design Using Transfrmed Variables"; IEEE Trans. n Circuit Thery, Vl. CT-15, Aralık 1968, sayfa (9) LASDON, L.S. - WAREN, A.D., "Optimal Design f Filters with Bunded, Lssy Elements"; IEEE Trans. n Circuit Thery, Vl. Ct-13, Haziran 1966, Sayfa (10) CRANE, R.L., "All-pass Netwrk Synthesis", IEEE Trans. n Circuit Thery, December 1968, Sayfa (11) ALUÇ, T., "Geciktirme-Dengeleme Devrelerinin Kmpüter Y ardımıyla Tasarımı", ÜNİTE İÇİ RA- POR NO: 81/03, Eylül (12) ALUÇ, T., "İdeal Kanal için Darbe Biçimlendirme Devrelerinin Tasarımı", ÜNİTE İÇİ RAPOR NO: Ul-81/02, Ağusts (13) SPAULDING, D.A., "Synthesis f Pulse-Shaping Netwrks in the Time Dmain", Bell Syst. Tch. J., Vl. 48, (Sept. 1969), Sayfa (14) TEMES, G.C., GY I, M., "Design f Filters with Arbitrary Passband and Chebyshev Stpband Attenuatin", 1967 IEEE Int. Cnv. Digest, March 20-23, 1967, paper 23. 1, Sayfa (15) KUESTER, J.L.,-MIZE, J.H.;"OptimizatinTechniques with Frtran", Sayfa ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 281