Transkript

1 ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DOKTORA TEZİ LASERLE YER-UYDU ARASI İKİ YÖNLÜ OPTİKSEL İLETİŞİM İÇİN PROJE TASARIMI Ahmet AKBULUT ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ANKARA 006 Her hakkı saklıdır

2 ÖZET Doktora Tezi LASERLE YER-UYDU ARASI İKİ YÖNLÜ OPTİKSEL İLETİŞİM İÇİN PROJE TASARIMI Ahmet AKBULUT Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Faruk ÖZEK Yüksek hızlı, güvenilir ve RF ile iletime alternatif veya RF sistemlerle birlikte çalışacak bir laser iletişim sisteminin uydu-yer arasında kurulumu için temel tasarım parametreleri saptanmıştır. Laser kaynakları incelenip, çift yönlü yer-uydu bağlantısında kullanılabilecek laser ve dedektörler için matematiksel ifadeler kullanılarak bilgisayar simülasyon modelleri geliştirilmiştir. Modülasyon için OOK ve PPM, veri biçimlendirme için NRZ, RZ ve Manchester kodlama kullanılmıştır. Laser kaynağı, kanal ve dedektörler Matlab/Simulink programları kullanılarak modellenmiş ve parametreleri değiştirilerek çift yönlü yer-uydu laser iletişim sisteminin performansının değerlendirilebilmesini sağlayacak işlevsel bloklar oluşturulmuştur. Kaynak olarak yarıiletken laserin, fotodedektörlerin (PIN, positive-intrinsic-negative ve APD, Avalanche Photodetector) ve atmosferik kanalın modellenmesi gerçekleştirilmiştir. Yeruydu ve uydu-yer bağlantısı için farklı atmosferik koşulların ve sistem bileşenlerinin iletişim sistemi performansına etkisi incelenmiştir. Atmosferik türbülansın uydu-yer bağlantısında meydana getirdiği performans kaybını azaltmak üzere adaptif verici demet boyutu tekniği uygulanmıştır. Alıcıya ulaşan laser sinyalinin ortalama şiddetini artırmak, görüş ekseni dışı pırıldama indisini ve işaretleme hatasını azaltmak için, kanal koşullarına göre adaptif olarak en uygun verici demet boyutunu seçmek yoluyla sistemin iletişim performansının iyileştirilebileceği ortaya konulmuştur. 006, 95 sayfa Anahtar Kelimeler: Laser ile iletişim, uydu, atmosferik etkiler, simülasyon modelleri i

3 ABSTRACT Ph.D. Thesis PROJECT DESIGN FOR GROUND TO SATELLITE TWO-WAY LINK USING LASER Ahmet AKBULUT Ankara University Graduate School of Naturel and Applied Science Department of Electronics Engineering Supervisor: Prof. Dr. Faruk ÖZEK Fundamental system design parameters have been determined for the design of groundto-satellite and satellite-to-ground laser communication systems, which facilitate high data rate, reliable and an alternative to RF transmission links. After an analysis on laser sources and detectors, computer simulation models were established by using mathematical expressions that can be used in two-way ground-to-satellite links. Models have been also constituted for the simulations used in the dissertation by studying the subjects of modulation and data formatting. For modulation, OOK and PPM; for data formatting, NRZ, RZ and Manchester coding are used. The laser source (semiconductor laser), the channel and the detectors (PIN and APD) have been modelled by means of Matlab/Simulink software, then functional blocks are established to accomplish performance evaluation of a two-way satellite laser communication system by changing the parameters. For the ground-to-satellite and the satellite-to-ground links, the effects of different atmospheric conditions and system components on the performance of the communication system are investigated. Adaptive transmitter beam size technique is suggested in order to decrease performance degradation in the satellite-to-ground connection caused by atmospheric turbulence. It is shown that communication performance of the system can be improved by choosing the most appropriate transmitter beam size that is adjusted adaptively depending on the channel conditions, in order to increase the average intensity of the laser signal reaching the receiver and to decrease the off-axis scintillation index and the pointing error. 006, 95 pages Key Words: Laser communication, satellite, atmospheric effects, simulation models ii

4 TEŞEKKÜR Çalışmalarımı yönlendiren, araştırmalarımın her aşamasında bilgi, öneri ve yardımlarını esirgemeyerek engin fikirleriyle yetişme ve gelişmeme katkıda bulunan danışman hocam sayın Prof. Dr. Faruk ÖZEK e (Ankara Üniversitesi), çalışmalarım süresince sabırla çalışmalarımı değerlendiren Tez İzleme Komitesi üyeleri sayın hocalarım Prof. Dr. İnan GÜLER (Gazi Üniversitesi) ve Doç. Dr. Gökhan İLK e (Ankara Üniversitesi), aramızdan ayrılan merhum hocam Prof. Dr. Önder TÜZÜNALP e, desteklerinden dolayı Araştırma Görevlileri arkadaşlarıma en içten duygularla teşekkür ederim. Ahmet AKBULUT Ankara, Ekim 006 iii

5 İÇİNDEKİLER ÖZET... i ABSTRACT... ii TEŞEKKÜR... iii SİMGELER DİZİNİ... v ŞEKİLLER DİZİNİ... vi ÇİZELGELER DİZİNİ... ix 1. GİRİŞ LASER KAYNAKLARI DEDEKTÖRLER PIN Fotodedektörler APD Fotodedektörler MODÜLASYON Doğrudan-algılamalı Sayısal Temel Band Modülasyonlar Yarı Sürekli Kaynak Modülasyon Türleri Laser-darbe Modülasyon Türleri Evre-uyumlu Modülasyonlar Ara Katlı Alış Sistemleri Eş Zamanlı Alış Sistemleri İLETİŞİM KANALI Basınç ve Sıcaklık Atmosferin Optiksel Özellikleri Rayleigh saçınımı Aerosol saçınımı Sis ve Pus Türbülans Dalga Sayısı Spektrumları Optiksel Dalganın Atmosferik Türbülans Kanalda Yayılımı Optiksel Dalga Modelleri SİMÜLASYON DÜZENEĞİ Göz Çizeneği SONUÇLAR VE TARTIŞMA KAYNAKLAR EK 1 Laserle İletişimin Kısa Tarihçesi ÖZGEÇMİŞ iv

6 SİMGELER DİZİNİ ASK APD CCD CID FSK GEO LEO NRZ OOK PBM PDBM PIM PIN PMT PPBM PPM PQM PSK RF RZ SOOİ Amplitute Shift Keying, Genlik Kaydırmalı Anahtarlama Avalanche Photo Diode Charge Coupled Device Charge Injection Device Frequency Shift Keying, Frekans Kaydırmalı Anahtarlama Geostationary Earth Orbit Low Earth Orbit Nonreturn to Zero, Sıfıra Dönüşlü Olmayan On-Off Keying, Açma Kapama Anahtarlama Pulse Binary Modulation, Darbe İkili Modülasyonu Pulse Delay Binary Modulation, Darbe Gecikme İkili Modülasyonu Pulse Interval Modulation, Darbe Aralık Modülasyonu Positive-Intrinsic-Negative PhotoMultiplier Tube Pulse Polarization Binary Modulation, Darbe Polarizasyon İkili Modülasyonu Pulse Position Modulation, Darbe Konum Modülasyonu Pulse Quaternary Modulation, Darbe Dört Düzeyli Modülasyonu Phase Shift Keying, Faz Kaymalı Anahtarlama Radyo Frekansı Return to Zero, Sıfıra Dönüşlü Serbest Ortam Optiksel İletişim v

7 ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 1.1 Optiksel iletişim sistemi blok diyagramı... 1 Şekil 1. Elektromanyetik spektrum... Şekil 1.3 Çift yönlü yer-uydu laser iletişim sisteminin genel blok diyagramı... 4 Şekil 1.4 Çift yönlü yer-uydu laser iletişim sisteminin alt sistem ve parametreleri. 4 Şekil 1.5 Uydu-uçak, uçak-uydu laser bağlantısı... 5 Şekil 1.6 Uydu-denizaltı laser bağlantısı... 6 Şekil 1.7 GEO yörünge Şekil 1.8 GEO-LEO bağlantısı... 7 Şekil.1 Atmosferik iletim bandları: Soğurma (%), dalgaboyu değişimi Şekil. Elektromanyetik spektrum ve atmosfer iletim bandları Şekil.3 İdeal bir yarıiletken laserin akım-ışık çıkışı karakteristiği Şekil.4 Bir yarıiletken laserin davranışını tanımlayan eşitlikler için Simulink modeli Şekil.5 Yarıiletken laser parametreleri kullanıcı diyalog ekranı Şekil.6 Laser eşik akımı Şekil.7.a. Laser giriş sinyali (bit hızı 50 Mb/s ve genliği 1 ma veri sinyali, 10 ma kutuplama akımı), b. Laser çıkış sinyali Şekil 3.1 PIN dedektör için Simulink modeli... Şekil 3. PIN dedektör parametreleri için kullanıcı diyalog ekranı... 3 Şekil 3.3 APD dedektör için Simulink modeli... 5 Şekil 3.4 APD dedektör parametreleri için kullanıcı diyalog ekranı... 6 Şekil 3.5 Laser, PIN ve APD dedektörler ile kanal zayıflatmasından oluşan sistem yapısı Şekil 3.6 Üstten alta doğru sırasıyla giriş sinyali, laser çıkışı, PIN dedektör çıkışı ve APD dedektör çıkışı... 7 Şekil 4.1 NRZ modülasyon formatı... 9 Şekil 4. Manchester modülasyon formatı Şekil düzeyli PPM modülasyon formatı Şekil 4.4 PBM ve PDBM modülasyon formatı... 3 Şekil 4.5 PPBM modülasyon formatı... 3 Şekil 4.6 Evre-uyumlu algılamalı alıcı Şekil 4.7 ASK, FSK ve PSK modülayon çıkış dalga biçimleri Şekil 4.8 OOK, PIM ve PPM modülasyonlarının band genişliği ve güç gereksinimlerinin karşılaştırılması (Ghassemlooy and Hayes, 000) Şekil 4.9 Doğrudan ve harici modülasyon yöntemleri Şekil 4.10 Elektro-Optik modülatör çalışma prensibi Şekil 4.11 Elektro-Soğurma modülatör çalışma prensibi Şekil verisi için NRZ veri üreteç çıkışları Şekil verisi için RZ veri üreteç çıkışları Şekil verisi için Manchester veri üreteç çıkışları Şekil 4.15 OOK ve 4-PPM sinyalleri Şekil PPM modülasyon-demodülasyon için hazırlanan simülasyon blokları Şekil PPM modülatörü vi

8 Şekil PPM demodülatörü Şekil 4.19 Giriş sinyali (üstte), 4-PPM modülatör çıkışı (ortada) ve demodülasyonlu çıkış Şekil 5.1 Atmosfer için tipik ortalama basınç (a) ve sıcaklık (b) profilleri Şekil 5. Yeryüzü atmosferinin katmanları (Seyrafi and Hovanessian, 1993) Şekil 5.3 Atmosfer dışında ve yeryüzünde güneş ışıma spektrası (Karp et al., 1988) Şekil 5.4 Atmosferik gazların kızılötesi (IR) soğurması Şekil 5.5 Atmosferik türbülansın laser demeti yayılımına etkileri Şekil 5.6 Kolmogorov kaskad türbülans teorisi, L 0 dış ölçeği (outer scale), τ 0 da iç ölçeği (inner scale) gösterir Şekil 5.7 Kolmogorov spektrumu Şekil 5.8 Atmosferin düşey olarak β zenit açısıyla geçilmesi Şekil 5.9 Bir Gauss demet dalgasının genlik profili Şekil 6.1 Uydu-yer ve yer-uydu arası laser iletişimi için oluşturulan sistem Şekil 6. Optik eksenden açısal uzaklığın bir fonksiyonu olarak uydudaki pırıldama indisi Şekil 6.3 W 0 ın bir fonksiyonu olarak rms demet sapması Şekil 6.4 W 0 ın bir fonksiyonu olarak etkin demet boyutu Şekil 6.5 Adaptif verici demet boyutuna sahip bir yer-uydu laser iletişim sistemi. 7 Şekil 6.6 Çeşitli bit dizileri ve karşılık gelen göz çizeneği... 7 Şekil 6.7 Bir göz çizeneğinin karakteristikleri Şekil 7.1 Uydudaki bir nokta alıcı için alıcının açısal konumuna ve iki zenit açısına göre yer-uydu arası sönüm olasılığı. F T = 6 db seçilmiştir (λ = 1.5 µm, W 0 = 4 cm) Şekil 7. Sönüm seviyesi FT ve iki zenit açısı için yer-uydu arası sönüm olasılığı (λ = 1.5 µm, W 0 = 4 cm) Şekil 7.3 Verici açıklık çapına göre iki zenit açısı için yer-uydu arası sönüm olasılığı (λ= 1.5 µm, F T = 5 db) Şekil 7.4 W 0 = 4 cm, <r c > 1/ =.68 µrad, A = 1.7x10-14 m -/3, W e = m için göz çizeneği Şekil 7.5 W 0 = 4 cm, <r c > 1/ =.68 µrad, A = 3.7x10-14 m -/3, W e = m için göz çizeneği Şekil 7.6 W 0 = 5 cm, <r c > 1/ = 3.0 µrad, A = 1.7x10-14 m -/3, W e = m için göz çizeneği Şekil 7.7 W 0 = 5 cm, <r c > 1/ = 3.0 µrad, A = 3.7x10-14 m -/3, W e = m için göz çizeneği Şekil 7.8 W o = 8 cm, <r c > 1/ = 1.7 µrad, A = 1.7x10-14 m -/3, We = m için göz çizeneği Şekil 7.9 Yeryüzündeki bir nokta alıcı için alıcının açısal konumuna ve iki zenit açısına göre uydu-yer arası sönüm olasılığı. F T = 6 db seçilmiştir (λ = 1.5 µm, W 0 = 4 cm) Şekil 7.10 Sönüm seviyesi F T ve iki zenit açısı için uydu-yer arası sönüm olasılığı λ = 1.5 µm, W 0 = 4 cm)... 8 Şekil 7.11 Verici açıklık çapına göre iki zenit açısı için uydu-yer arası sönüm olasılığı (λ = 1.5 λm, F T = 5 db)... 8 Şekil 7.1 W 0 = 10 cm, <r c > 1/ = µrad, A = 1.7x10-14 m -/3, vii

9 W e = m için göz çizeneği Şekil 7.13 W 0 = 5 cm, <r c > 1/ = µrad, A = 1.7x10-14 m -/3, W e = m için göz çizeneği Şekil 7.14 W 0 = 0 cm, <r c > 1/ = µrad, A = 1.7x10-14 m -/3, W e = m için göz çizeneği viii

10 ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 1.1 Lasekom ve RF uydu iletişim karşılaştırması... 3 Çizelge.1 Serbest ortam iletişimi için kullanılabilecek laser kaynak türleri Çizelge. SOOİ İçin Laser Özellikleri Çizelge.3 Laser kaynağı için kullanılan parametreler Çizelge 3.1 Serbest ortam iletişim için dedektör türleri Çizelge 4.1 İkili modülasyon teknikleri... 8 Çizelge o zenith açısı için yer-uydu arası pırıldama indis değerleri, σ I (r,l) ve etkin demet boyutları, W e Çizelge o zenith açısı için uydu-yer arası pırıldama indis değerleri, σ I (r,l) ve etkin demet boyutları, W e Çizelge 7.1 Yer-uydu arası laser satcom için sistem parametreleri Çizelge 7.1 Yer-uydu arası laser satcom için sistem parametreleri (devam) ix

11 1. GİRİŞ Gerek bilimsel çalışmalar (meteoroloji, yer bilimleri, astronomi v.b.) gerekse de genel iletişim ve bilgi aktarımı için mevcut RF kanalların band genişlikleri ihtiyaca cevap vermekte zorlanmakta dolayısıyla da alternatif tekniklerin arayışı hızla sürmektedir. İhtiyaç duyulan veri hızlarının günümüz klasik iletişim teknolojilerinin sağlayabileceğinden 10 ile 100 kat daha fazlası olduğu öngörümünde bulunulmaktadır. Serbest Ortamda Optiksel İletişim (SOOİ), (Free Space Optical Communication), sistemleri, yüksek band genişliği, çabuk kurulum, lisanssız çalışma, düşük güç tüketimi, ağırlık ve boyut avantajları nedeniyle giderek artan uygulama alanları bulmaktadır (Gagliardi and Karp 1995, Lambert and Casey 1995). Temel bir SOOİ sistemi bir optiksel verici (transmitter), kanal ve optiksel alıcıdan (receiver) oluşur. Verici, elektriksel sinyali optiksel sinyale çeviren bir laser kaynağı, bu kaynağı besleyen sürücü devreleri, modülatör ve laserin ürettiği sinyali alıcıya yönlendiren teleskop birimlerini içerir. Kanaldan, yani atmosferden geçen laser sinyali alıcı teleskobu ile toplanır ve odak düzlemindeki dedektöre yoğunlaştırılır. Dedektör, optiksel sinyali elektriksel sinyale dönüştürür ve sinyal yükseltilip demodüle edilir. Şekil 1.1 de bir optiksel iletişim sisteminin genel blok diyagramı verilmektedir. Işık kaynağı analog ya da sayısal bilgi kullanılarak modüle edilir ve alıcıya gönderilir. Bilgi kaynağı Optiksel kaynak ve modülasyon Alıcı Demodülas yon/veri işleme KANAL Şekil 1.1 Optiksel iletişim sistemi blok diyagramı Modüle edilmiş optiksel demet, merkez frekansı f c olan taşıyıcı sinyalidir. Optik dalga boyu λ c = c/f c ile ifade edilir (ışık hızı c= 3x10 8 m/s). Optiksel kaynak (laser) için λ c dalga boyu, Şekil 1. de verilen elektromanyetik spektrumun optiksel bölgesi içindedir 1

12 (Optiksel frekanslar ile Hz arasını, dalga boyları ise 0.1 ile 10 µm arasını kapsar) (Papannareddy 1997). Frekans, Hz Dalga boyu, m Gama ışınları X ışınları Morötesi Görünür ışık Kızılötesi Mikrodalgalar Kısa radyo dalgaları TV ve FM radyo AM radyo Uzun radyo dalgaları Şekil 1. Elektromanyetik spektrum Alternatif iletişim teknolojisi olarak laserle iletişimin (laserkom) sağladığı avantajlar: Yüksek band genişliği sayesinde yüksek veri hızları elde edilebilir. Laserin demet açısı, gizli dinleme (eavesdropping), karıştırma, (jamming) gibi sorunların olasılığını azaltır, böylece iletişim güvenliği artar. Ayrıca girişim (interference) etkileri ortadan kalktığından RF sistemlerine göre yörüngede aynı spekturumu kullanacak uyduların aralarındaki uzaklık azaltılmış olur.

13 Laserkom sistemler için frekans tahsis düzenlemeleri yapılmaz, lisans alma gereği yoktur. Maliyet RF sistemlerine göre çok daha azdır. Ancak olumsuz hava koşullarından RF e göre daha çok etkilenirler. Ağırlık, güç ve hacim olarak RF sistemlere göre laser uydu iletişimi %50 ya da daha fazla ağırlık, %50 ya da daha fazla güç, 1/3 ya da 1/10 lik bir hacim tasarrufu sağlamaktadır. Çizelge 1.1 de RF sistemler ile laserkom sistemlerin uzun mesafeler için bir karşılaştırılması özetlenmiştir (Hyde and Edelson 1997). Çizelge 1.1 Lasekom ve RF uydu iletişim karşılaştırması Veri hızı 55 Mbps 755 Mbps İletişim teknolojisi Laser Ku-Bandı Laser 60 GHz Ağırlık < 50 kg ~180 kg < 55 kg ~ 15 kg Güç harcaması < 15 W ~ 50 W < 0 W ~ 300 W Anten boyutu (LEO) < 35 cm ~ 50 cm < 35 cm ~ 50 cm Anten boyutu (GEO) < 35 cm ~ 50 cm < 35 cm ~ 400 cm Yer-uydu iletişim sisteminin blok diagramı ve parametreleri sırası ile Şekil 1.3-Şekil 1.4 de gösterilmiştir. 3

14 YER İSTASYONU Teleskopu KANAL (Atmosfer) UYDU Teleskopu DEDEKTÖR/ Optik-Elektrik Sinyal Dönüşümü Yükseltme/ Demodülasyon Optiksel Süzgeçleme Optiksel Süzgeçleme Dedeksiyon/ Optik-Elektrik Sinyal Dönüşümü Yükseltme/ Demodülasyon Hata Düzeltme YER İSTASYONU LASER MODÜLASYON UYDU İSTASYONU LASER MODÜLASYON Hata Düzeltme Veri İşleme İzleme/Kontrol Veri İşleme Optiksel Sinyal Elektriksel Sinyal Şekil 1.3 Çift yönlü yer-uydu laser iletişim sisteminin genel blok diyagramı Uydu-yer arası laser bağlantı alt sistemleri İletişim kanalı - Serbest uzay - Atmosfer - Arkaplan gürültüsü - Zayıflama - Parıldama(scintillation) - Türbülans Optiksel tasarım - Teleskop tasarımı - FOV - Açıklık çapı - Dalga cephesi kalitesi - Süzgeçleme Demet yönlendirme, izleme ve kontrol Verici alt sistemleri - Laser türü - Veri formatı, - Modülasyon - Laser gücü - Demet genişlemesi - Veri hızı Alıcı alt sistemleri - Dedektör türü, hassasiyeti - Yükselteçler, - Gürültü Şekil 1.4 Çift yönlü yer-uydu laser iletişim sisteminin alt sistem ve parametreleri 4

15 Laserle İletişim: Avantajlar ve Uygulamaları Laserkom sistemlerinin hem açık alan hem de kapalı alan için çeşitli uygulama alanları bulunur. Açık alanda binalar arası, sabit teminallerden gezgin terminallere bağlantı ile uzayda uydular arası ve uydu yer istasyonu, hava, kara, deniz ve denizaltı araçları arası bağlantı için çeşitli senaryolar önerilebilir. Son yıllarda bu konuda deneysel ve teorik pek çok çalışma yapılmaktadır (Shikatani et al. 1989, Kadowaki et al. 199, Baister et al. 1996, Grigoriev et al. 1998, Arnon et al. 1999, Chan 1999, Shyh-Lin Tsao et al. 1999, Young Ju and Christian 000, Wilson and Enoch 000, Toyoshima et al. 005). Şekil 1.5 ve 1.6 da çeşitli uygulama örnekleri verilmiştir (Lambert and Casey 1995). Röle istasyonu Röle istasyonu Uçak topladığı verileri uyduya aktarır Uçak uydudan gelen verilerle yönlendirilir Şekil 1.5 Uydu-uçak, uçak-uydu laser bağlantısı 5

16 Uydu Bulut Okyanus yüzeyi Denizaltı Şekil 1.6 Uydu-denizaltı laser bağlantısı Yer-Uydu Arası Laser Bağlantısı ve Uydu Yörüngeleri Uydu iletişiminde kullanılan çeşitli yörüngeler bulunmaktadır. En yaygın iletişim yörüngesi yerdurağan yörünge (GEO) Şekil 1.7 de gösterilmiştir. Bu yörünge hemen tüm haberleşme röle uyduları tarafından kullanıldığı gibi meteoroloji uydularınca da kullanılır. Uydu sıfıra yakın eğime sahip bir yörüngede (ekvator yörüngesi) km yükseklikte konumlanır. Uydunun dünya etrafında dönme periyodu dünyanın kendi etrafında dönme periyoduna eşittir ve böylelikle yeryüzünden bakıldığında durağan görünür. Eğim (yörüngenin ekvatorla yaptığı açı) sıfır değilse uydu dünyadan bakıldığında sekiz figürü çizer ve yere eşzamanlı yörünge (geosynchronous) olarak adlandırılır. Eğim 90 dereceye kadar çıkabilir. Yerdurağan bir yörünge çok küçük anten yönlendirme ve izleme işlemine gerek duyar ve bu nedenle yer istasyonları için ideal yörüngelerdir. Tez çalışmasında yer-uydu arası iletişim uzaklığı için GEO yörünge dikkate alınmıştır. 6

17 Atmosfer Ekvator 35,758 km Şekil 1.7 GEO yörünge Alçak yörünge (LEO) uyduları, askeri ve sivil uygulamalarda veri toplama için kullanılır. Askeri ve ticari yeryüzü haritası çıkarma, ziraat, jeolojik araştırma, sosyocoğrafik çalışmalar gibi uygulamalar uydular vasıtasıyla veri toplayıp yeryüzüne göndermeyi gerektirir. Bir kaç yüz kilometre yüksekteki bir LEO uydunun periyodu yaklaşık bir buçuk saattir. Yörünge dairesel veya eliptik olabilir. Veriler toplanır, uyduda depolanır ve yer istasyonu üzerinden geçerken yeryüzüne aktarılır. Zaman açısından kritik veriler uydunun yer istasyonu üzerine gelmesini beklemeden başka bir GEO röle uydusuna oradan da yeryüzüne aktarılabilir. Bu senaryo da laserkom için önemli bir potansiyel uygulama alanı örneğidir ve Şekil 1.8 de gösterilmiştir. LEO veri uydusu GEO röle uydusu Şekil 1.8 GEO-LEO bağlantısı 7

18 Laser kaynağından yayılan güç sonludur ve kaynaktan itibaren herhangi bir mesafede, optik alanın kuvvetini ifade eden güç yoğunluğu (Watt/Birim Yüzey) iletişim kanalı boyunca alıcıya doğru yayılır. Kanal, kaynak alanının alıcıya doğru taşındığı elektromanyetik yolu tanımlar. Bu kanal kılavuzlanmış (guided, fiber optik kablo gibi) ya da kılavuzlanmamış (unguided, serbest ortam gibi) olabilir. Kılavuzlanmamış kanallar, serbest ortam (free-space), atmosfer ve sualtı kanalları olarak sınıflandırılabilir. Bu çalışmada yer uydu arasındaki atmosferik kanalın karakteristikleri ve iletilen sinyal üzerindeki etkileri incelenmiştir. Uzay kanalı serbest bir ortamdır ve yalnızca Maxwell denklemleriyle belirlenen geometrik yayılım kaybından etkilenir. Atmosferik kanal ise hava türbülanslarının, gazlar, su buharı ve su damlacıkları gibi saçınıma neden olan parçacıkların bulunduğu yeryüzü atmosferidir. Türbülans ve saçınıma neden parçacıklar elektromanyetik yayılımı doğrudan etkileyen faktörlerdir. Su/sualtı kanalları yoğun saçınım meydana getiren ortamlardır ve alan yayılımını daha olumsuz etkiler. Tez konusunun dışında olduğundan bu tür kanallar incelenmemiştir. Atmosferik parçacıklar (aerosols), yağmur damlaları ve su moleküllerinin fiziksel boyutlarında olan optiksel dalga boylarında, tipik mikrodalga kanal modellerinin ötesinde bir analiz gerektirecek biçimde etkileşimler dikkate alınır (Gowar 1993, Cvijetic 1996). Dolayısıyla öncelikle optiksel çalışma frekansları belirlenmesi ardından da sinyal algılama ve izleme için kullanılacak dedektörler belirlenerek sistemin optik bileşenleri seçilmelidir. Bunlar yapıldıktan sonra laser sinyali üzerindeki atmosfer etkileri bu sistem için incelenebilecektir. Kanaldan gelen optiksel alan alıcıda toplanır ve elektriksel bir sinyale dönüştürülür. Bu elektriksel sinyal sistemde daha sonra yer alan tüm sinyal işleme aşamaları (demodülasyon, sayısal veri biçimleri için dekodlama, eşzamanlama, kestirim (estimation) gibi) için kullanılacak olan dalga şeklidir. Dolayısıyla iletilen alan üzerinde kanalın oluşturduğu etkiler sistem performansı için önemlidir (Jacopsen 1994). 8

19 Çalışmada laser kaynağı, kanal ve dedektörler Matlab/Simulink programları kullanılarak modellendi ve parametreleri değiştirilerek çift yönlü bir yer-uydu laser iletişim sisteminin performansının değerlendirilebilmesini sağlayacak işlevsel bloklar oluşturuldu. Laser kaynağı olarak yarıiletken laserin, fotodedektör olarak PIN (positiveintrinsic-negative) ve APD (Avalanche Photodetector) dedektörlerin ve atmosferik kanalın modellenmesi açıklandı. Her bir bölümde aşağıda özetlenen çalışmalar gerçekleştirilmiştir: Bölüm : Laser kaynakları incelenerek, çift yönlü yer-uydu bağlantısında kullanılabilecek laser için matematiksel ifadeler kullanılan bilgisayar simülasyon modelleri oluşturuldu Bölüm 3: Dedektörler incelendi ve çift yönlü yer-uydu bağlantısında kullanılabilecek dedektörler için matematiksel ifadeler kullanarak bilgisayar simülasyon modelleri oluşturuldu. Bölüm 4: Modülasyon ve veri biçimlendirme konuları üzerinde durularak, tezde kullanılan simülasyonlar için modeller kuruldu. Bölüm 5: İletişim kanalı incelenerek kanalın modellenmesi gerçekleştirildi. Bölüm 6: Çalıştırılan bilgisayar simülasyonlarına yer verildi. Elde edilen sonuçlara değinilerek tartışmalar yapıldı. 9

20 . LASER KAYNAKLARI Günümüzde çok çeşitli dalga boylarında çıkış veren, farklı boyutlarda, farklı malzemelerden yapılan laserlerin üretimi gerçekleştirilmektedir (Kuhn 1998). Yapıldıkları malzemeye göre sınıflandırılırsa; gaz, katıhal ve yarıiletken laserler biçiminde bir ayrım yapılabilir. İletişim için kullanılabilecek laser türleri Çizelge.1 de verilmiştir. Çizelge.1 Serbest ortam iletişimi için kullanılabilecek laser kaynak türleri Laser Türü Gaz Katıhal Yarı-iletken (laser diyod) Malzeme CO He-Ne Nd:YAG NdYLF Nd:YAP GaAlAs InGaAs InGaAsP Atmosferin laser iletimine etkisi incelendiğinde laser sinyalinin nispeten daha az zayıflayarak geçebileceği çeşitli iletim bandlarının (windows) mevcut olduğu görülür. Bu iletim bandlarını gösteren grafik Şekil.1 ve. de verilmiştir (Seyrafi and Hovanessian 1993). Atmosfer soğurması % Şekil.1 Atmosferik iletim bandları: Soğurma (%), dalgaboyu değişimi 10

21 Morötesi Görünür Yakın Termal Uzak Kızılötesi Dalgaboyu Mikrodalga Radyo Şekil. Elektromanyetik spektrum ve atmosfer iletim bandları Atmosferi oluşturan bileşenlerin laser ışınımını soğurması esasen dalga boyunun bir fonksiyonudur. Bazı dalga boylarında elektromanyetik ışınımlar atmosferden kolayca geçerken diğer dalga boylarındaki ışınımlar büyük oranlarda zayıflayarak geçebilmekte veya tamamen soğurulmaktadır. Şekil. de dalga boylarını gösteren sağdaki sütunun beyaz alanları atmosfer soğurmasının en az olduğu bandları göstermektedir. Dolayısıyla, laser türünün seçimi için çıkış dalga boyu (λ) öncelikli parametredir. Laserle iletişimin ilk uygulamalarında 10.6 µm de ışıma yapan Karbondioksit (CO ) laserler kullanıldı (Lambert and Casey 1995). Bu laserin tercih edilmesinde, çıkış gücü kararlılığı, teknolojik olarak o zamanlar diğer laserlerin yapımının zor olması, ve Şekil.1 de de görülen atmosferik etkilere karşı daha az duyarlı olması gibi faktörler etkili 11

22 olmuştur. Laser türünün seçiminde uydu-yer bağlantısı, yer-uydu bağlantısına göre uydunun harcayacağı güç, boyut, ağırlık gibi parametreler nedeniyle daha kritik bir önem taşır. Günümüzde, katıhal ve yarıiletken laserlerin boyut ve ağırlık açısından CO laserlere karşı sağladığı avantaj düşünüldüğünde bu faktörlerin çok önemli olduğu uzay (uydu) iletişim sistemleri için CO laser kullanılması uygun değildir. Özellikle uzun dönemli uydu iletişiminde CO gibi gaz laserler çok hacimli olacaklarından pratik bir çözüm oldukları söylenemez. Uydu-yer bağlantısı için gaz türü laserler uygun olmadığından katıhal ve yarıiletken laser türlerinin avantaj ve dezavantajlarıyla karşılaştırılması gerekir. Katıhal laserlerin laser ışınımlarının başlatılması için flaş lambalar kullanılır. Ancak bu lambaların ömrü uzun dönemli uzay iletişimi için kısa sayılacak (bir kaç bin saat) düzeydedir. Son dönemlerde bu lambaların ömürlerinin uzatılması için yoğun çalışmalar yapılmaktadır (Gowar 1993, Lambert and Casey 1995). Öte yandan yarıiletken laserler (laser diyod) üretim süreçleri gelişmiş ve oldukça uzun ömürlü olduklarından (0 yıldan fazla) uydu terminali için tercih edilebilir. Yaygın olarak kullanılan katıhal laserler Neodymium Yttrium Aluminum Garnet dir (Nd:YAG) nm dalga boylu bu laserlerin yanı sıra λ=1080 nm Neodymium Yttrium Aluminum Phosphate (Nd:YAP), λ=1047 ya da 1050 nm Neodymium Yttrium Lithium Fluoride (Nd:YLF) laserler bulunmaktadır. Katıhal laserlerin avantajı kararlı ve dar bir spektral genişliğe sahip olmalarıdır. Ayrıca darbeli (pulsed) ya da sürekli dalga (continuous wave) çıkışı verecek biçimde tasarlanabilirler. Nd:YAG laser, çok dar (<10 ns) darbe genişliğinde ve çok yüksek tepe güçlerinde (kilowattlar ya da daha fazla) ışıma yapabilir (Bass 1994, Lambert and Casey 1995). Ancak katıhal laserin modülasyonu için harici bir modülatör (elektro-optik ya da akusto-optik) kullanmak gerekir. Galyum Arsenit (GaAs), Galyum Aluminyum Arsenit (GaAlAs), Indiyum Galyum Arsenit Fosfat (InGaAsP) yarıiletken kaynakların oldukça küçük, hafif, çalıştırması kolay, doğrudan modüle edilebilir olmaları sahip oldukları avantajlardır. Bu avantajlar 1

23 nedeniyle uydu istasyonu için yarıiletken bir laser, yer istasyonu için ise katıhal laserin kullanılabileceği düşünülebilir. Ancak daha spesifik seçimler yapmak için veri hızı, modülasyon türü, band genişliği, çıkış gücü, dalga boyu parametreleri de önemli etkenlerdir. Bu seçimin yapılmasında Çizelge. de verilen değerler yardımcı olacaktır. Çizelge. SOOİ İçin Laser Özellikleri Laser Türü Malzeme Dalga Boyu (nm) Veri Hızı Tepe Güç Katıhal Nd:YAG 1064 Çok yüksek Darbeli Nd:YLF 1047 veya 1053 <10 Mbps W Nd:YAP 1080 Katıhal Nd:YAG 1064 Sürekli Dalga Nd:YLF 1047 veya 1053 > Gbps 1-5 Watt Nd:YAP 1080 Yarı-iletken GaAlAs Gbps 00 mw Darbeli InGaAs Gbps 1 W Yarıiletken GaAlAs Gbps 00 mw Sürekli Dalga InGaAs Gbps 1 W InGaAsP 1300 veya 1500 > Gbps < 50 mw Yer-uydu arası çift yönlü laser iletişim için küçük boyutu, üretim maliyeti ve dayanıklılığından dolayı yarıiletken laser kullanmak uygun bir seçenektir (Davidson and Bayoumi 1987, Katzman 1987). Veri iletimi için laser kaynağını iki şekilde modüle etmek mümkündür; harici bir modülatör kullanmak ve doğrudan sürücü akım ile laseri modüle etmek. Bunun yanında evre-uyumlu (coherent) ve evre-uyumlu olmayan (incoherent) demodülasyon yöntemlerinden biri kullanılabilir. Evre-uyumlu demodülasyon kullanıldığında alıcıda, gelen laser sinyali dalga cephesi ile yüksek kararlılıklı yerel laser osilatör sinyalinin hassas bir şekilde üst üste bindirilmesi gerekir. Evre-uyumlu olmayan (doğrudan algılamalı) demodülasyon kullanıldığında alıcıda, sinyal yokken ki dedektör çıkış gürültü seviyesinden ayırdedilebilecek miktarda dedektör çıkış sinyali üretilmesini sağlayacak sinyal enerjisi toplamak yeterli olur 13

24 (Davidson and Bayoumi 1987, Manor and Arnon 003). Dolayısıyla harici modülatör kullanmadan laser sürücü akımı ile modüle etmek ve doğrudan algılamalı demodülasyon kullanmak bir yer-uydu laser iletişim sistemi için pratik bir çözümdür. Bu çalışmada doğrudan modüle edilebilen yarıiletken laserleri OOK (On-Off Keying, Açma-Kapama Anahtarlama) ve PPM (Pulse Position Modulation, Darbe Konum Modülasyonu) yoluyla modüle etme tekniği kullanılmıştır. Bir yarıiletken (diyod) laserin akım/ışık çıkış karakteristiği Şekil.3 te gösterilmiştir (Bhattacharya 1997). Işık çıkışı Kendiliğinden Doğrusal yayılım uyarılmış (spontaneous yayılım emission) bölgesi bölgesi I eşik Uyarılmış yayılımın doğrusal olmayan doyum bölgesi Akım Şekil.3 İdeal bir yarıiletken laserin akım-ışık çıkışı karakteristiği Bir yarıiletken laser diyodun davranışı, bir elektrik akımının uyarılmış foton yayılımına neden olduğu mekanizmayı tanımlayan üç eşitlikle modellenir. Bu eşitliklerin bir çok formu mevcuttur. Bu çalışmada (Tucker and Pope 1983) de verilen eşitlikler kullanılmıştır. Benzer eşitlikler (Hansen and Schlachetzki 1991, Javro and Kang 1995, Dodds and Sieben 1995) de de bulunabilir. dn dt ds dt I N = g ( N N εs) S qv )(1 0 0 (.1) τ act n n ΓβN S = Γg 0 ( N N 0 )(1 εs ) S+ (.) τ τ p S Pf Γτ pλ0 = (.3) V ηhc act 14

25 Amaç bu eşitlikleri kullanarak laserin doğrusal bölgedeki çalışma noktasını ve çıkış karakteristiğini belirlemektir. Eşitlik.1 taşıyıcı yoğunluğunu, Eşitlik. foton yoğunluğunu ve Eşitlik.3 çıkış gücünü hesaplamada kullanılır. Bu modelle laserin kendiliğinden yayılım ve uyarılmış yayılım bölgesindeki davranışı tanımlanır. Eşitliklerdeki katsayılar ve değişkenler Çizelge.3 te, Eşitik.1,. ve.3 ün çözümü için oluşturulan Simulink modeli Şekil.4 te verilmiştir. Çizelge.3 Laser kaynağı için kullanılan parametreler Parametre Değer λ 0 Dalgaboyu 1550 nm V act Aktif bölge hacmi 9x10-11 cm 3 Γ Optik sınırlama faktörü 0.44 β Kendiliğinden yayılım faktörü 4x10-4 g 0 Kazanç 3x10-6 cm 3 /s N 0 Optiksel saydamlık yoğunluğu 1.x10 18 cm -3 τ n Taşıyıcı ömrü 3 ns τ p Foton ömrü 1 ps η Kuvantum etkinliği 0.1 ε Kazanç doyum faktörü 3.4x10-17 cm 3 15

26 Dogrudan Module Edilebilen laser Kaynagi Modeli Şekil.4 Bir yarıiletken laserin davranışını tanımlayan eşitlikler için Simulink modeli Verilen model ile laser parametreleri kullanıcı tarafından simülasyon öncesinde değiştirilerek laser davranışı gözlenebilir. Kullanıcı diyalog ekranı Şekil.5 te gösterilmiştir. 16

27 Şekil.5 Yarıiletken laser parametreleri kullanıcı diyalog ekranı Önce Şekil.5 te verilen model girişine bir rampa fonksiyon üreteci bağlanarak laserin doğrusal yayılım bölgesinde çalışmaya başladığı nokta olan eşik akım değeri belirlendi. Laser Çıkış Gücü (Watt) Laser Giriş Akımı (A) Şekil.6 Laser eşik akımı Şekil.6 da eşik değerinin bulunmasını gösteren giriş akımına göre laser çıkış eğrisi verilmiştir. Burada eşik akım değeri ma olarak belirlenmiştir. Laser açıldığında 17

28 foton üretimi taşıyıcı yoğunluğu eşik seviyesini aşıncaya kadar kendiliğinden yayılım biçimde başlar. Bu bölgede laser bir LED gibi çalışır, çıkış sinyali evre-uyumlu değildir. Uyarılmış yayılım bir miktar gecikmeden sonra gerçekleşir. Şekil.7 de laserin giriş dalga biçimine verdiği tepki açılma gecikmesi görülmektedir. Hızlı anahtarlama işlemi için laser diyod eşik akımının biraz üzerinde bir akımla kutuplama yöntemi kullanılır. Zaman (s) (a) Laser Çıkış Gücü (Watt) Genlik (A) Zaman (s) Şekil.7.a. Laser giriş sinyali (bit hızı 50 Mb/s ve genliği 1 ma veri sinyali, 10 ma kutuplama akımı), b. Laser çıkış sinyali (b) 18

29 3. DEDEKTÖRLER Laserlerde olduğu gibi dedektörlerde sistem tasarımında belirleyici bir rol üstlenirler. Günümüzde her bir dedektör türü belli görevler için optimize edilmiştir (Lambert and Casey 1995, Bhattacharya 1997, Franz and Jain 000). Farklı dedektör türleri ve genel kullanım alanları Çizelge 3.1 de verilmiştir. Bu tez çalışmasının amacı bakımından dedektör türlerini üç ayrı gruba ayırmak uygun olur. Birincisi iletişim için kullanılacak dedektörler. İkincisi laser ışınım enerjisinin elde edilmesi/toplanması (acquisition) için kullanılacak dedektörler ve üçüncüsü gelen optiksel enerjiyi tekrar iletim yapan istasyona doğru yöneltebilmek için izlemede (tracking) kullanılacak dedektörler. Çizelge 3.1 Serbest ortam iletişim için dedektör türleri Uygulama Dedektör Türü Malzeme İletişim APD PIN CCD PMT Silikon, InGaAs, InGaAsP Silikon, InGaAs, InGaAsP Silikon Katıhal silikon fotokatod Sinyal toplama CCD CID QAPD QPIN Silikon Silikon Silikon Silikon, InGaAs İzleme CCD CID QAPD QPIN Silikon Silikon Silikon Silikon, InGaAs APD: Avalanche Photo Diode PIN: P-Intrinsic-N Photodiode CCD: Charge Coupled Device PMT: PhotoMultiplier Tube CID: Charge Injection Device Q: Quadrant 19

30 İletişim dedektörleri: Optiksel iletişimin doğrudan algılanması için yaygın olarak kullanılan dedektör türü APD dir. APD, iyi bir alıcı performansı için esas olan düşük gürültü, yüksek band genişliği ve dalga boyuna bağlı olarak iyi quantum verimine 1 sahiptir. APD ler çoğunlukla silikondan imal edilir ve görünür bölgeden 1 µm ye kadar olan bölgede değişik quantum verimlerinde çalışır. Bir çok silikon cihaz 1 µm nin üstünde düşük quantum verimi sergiler. Ancak kullanılan yeni teknikler 1064 nm de yaklaşık %40 a kadar verimi artırmıştır. Diğer APD ler InGaAs ve InGaAsP den üretilirler. Bu cihazlar 1 µm dalga boyu üzerinde yüksek quantum verimi sergilerler ve genelde 1.3 ile 1.5 µm de çalışırlar. Bu dedektörler 1 µm de de yüksek quantum verimine sahiptirler ancak gürültü performansları silikon olanlara nazaran daha düşüktür. Sonuç olarak, silikon cihazlar düşük quantum verimine rağmen 1 µm civarında çalışmak için tercih edilebilir. PIN fotodiyodlar evreuyumlu (coherent) sistemlerde kullanılmak için tercih edilen dedektörlerdir. PIN fotodiyodlar çığ (avalanche) kazancı hariç APD lerin tüm özelliklerine sahiptir. PMT ler laser iletişim araştırmalarının ilk yıllarında sıkça kullanılmışlardır. Oldukça yüksek bir kazanç (>10 5 ) ve çok hassas ölçüm yapılmasına olanak sağlarlar. Ancak bu cihazlar oldukça hacimli ve ağır bir yapıya sahiptir. CCD, okuma hızı sınırlı olduğundan düşük veri hızlarında kullanılabilir. Tez kapsamında iletişim için fotodedektör olarak PIN ve iç kazanca sahip APD dedektörler dikkate alınmıştır. 1 Quantum verimi optiksel enerjinin elektriksel enerjiye dönüştürülmesi sırasında kullanılan bir ölçüdür ve η=(algılanan alan gücü/gelen alan gücü) ifadesi ile verilir. 0

31 3.1 PIN Fotodedektörler Fotodedektöre gelen optiksel güç, dedektör duyarlılığı adı verilen bir parametreye göre elektriksel sinyale dönüştürülür. Eşitlik 3.1 ve Eşitlik 3. de bu değerlerin hesaplanması gösterilmiştir. r ηqλ = (3.1) hc I P r = s alc (3.) r (A/W) dedektör duyarlılığı, I s dedektör çıkış akımı (A), P alc dedektöre gelen optiksel sinyal gücü (W), η kuvantum etkinliği, h Planck sabiti, q elektron yükü, λ dalga boyu ve c ışık hızıdır. PIN diyod kullanan alıcı modelinde toplam dedektör çıkış akımı Eşitlik 3.3 teki değeri alır. I I + P r+ I t = (3.3) s ap ka Burada P ap arkaplan gürültü gücü nedeniyle oluşan akım, I ka dedektör karanlık akımıdır. Alıcıda oluşan gürültü ise dedektöre gelen sinyalden kaynaklanan kuvantum gürültüsü (σ s ), arkaplan gürültüsü (σ ap ), ısıl gürültü (σ ı ) ve dedektör karanlık akımının oluşturduğu karanlık gürültüsünün (σ k ) toplamıdır (Lambert and Casey 1995, Manor and Arnon 003). Bu gürültüler, sırasıyla Eşitlik 3.4, 3.5, 3.6 ve 3.7 ile tanımlanır. σ s = qi s B (3.4) σ ap = qi ap B (3.5) 4kTB σ ı = (3.6) R L 1

32 σ k = qi ka B (3.7) q yine elektron yükü, B dedektör band genişliği, k Bolztman sabiti, R L dedektör yük direncidir. Toplam gürültü bu gürültülerin toplamı ve Gauss dağılımlı olarak Simulink te modellenmiştir. Şekil 3.1 ve Şekil 3. de p-i-n dedektör için Simulink te oluşturulan blok ve kullanıcı diyalog penceresi görülmektedir. Arkaplan gürültüsü için alıcıya 1550 nm dalga boyu için 0.3 nw lık güç ulaştığı kabul edilmiştir. Şekil 3.1 PIN dedektör için Simulink modeli

33 Şekil 3. PIN dedektör parametreleri için kullanıcı diyalog ekranı 3. APD Fotodedektörler APD dedektörlere rasgele ulaşan fotonların oluşturduğu elektron-delik çiftlerinin sayısı Poisson dağılımıyla belirlenir ve birincil elektron-delik çiftleridir, APD çığ kazancı mekanizmasıyla bunlara tepki olarak ikincil çiftler üretilir. APD çıkış akımını oluşturan bu ikincil elektron-delik çiftlerinin sayısı McIntyre-Conradi dağılımıyla bulunur ve Eşitlik 3.8 de verilmiştir (McIntyre 197, Conradi 197). (1 k ( m 1)) /1 k m 1 m 1+ k( G 1) (1 k) Γ 1 1 m 1 ( ) k G G P m = 1+ ( 1) (3.8) k m [ 1+ ( 1) ]( 1)! Γ G k m m 1 k Bu dağılım matematiksel olarak karmaşık bir yapıdadır ve nümerik olarak hesaplamak zordur. Yeterli miktarda birincil elektron-delik çifti oluştuğunda (nw mertebesinde sinyal alındığında) APD çıkışı Gauss dağılımıyla yaklaşık olarak modellenebilir 3

34 (Davidson and Bayoumi 1987, Srinivasan et al. 001). Bu dağılımın ortalama ve varyansı Eşitlik 3.9 ve 3.10 ile hesaplanır. ort = qgn+ I T (3.9) y s var= q G Fn+ qi y T s 4kTT + R L s BT s (3.10) Burada B dedektör band genişliği, n dedektöre P(t) gücünde ulaşan sinyalden alınan ortalama foton sayısıdır (Eşitlik 3.11). F, APD gürültü faktörü (Eşitlik 3.1), f ise sinyal frekansıdır. n= η hf T s 0 P( t) dt (3.11) F = kg+ ( 1/ G)(1 k) (3.1) k, APD iyonizasyon oranı, G ortalama kazanç faktörüdür. APD dedektör için Simulink te gerçekleştirilen model Şekil 3.3 de görülmektedir. Şekil 3.4 te ise APD dedektör için kullanıcı diyolag ekranı gösterilmiştir. 4

35 Şekil 3.3 APD dedektör için Simulink modeli 5

36 Şekil 3.4 APD dedektör parametreleri için kullanıcı diyalog ekranı Bu bileşenler kullanılarak oluşturulan sistem ve bu sistemden elde edilen sinyaller Şekil 3.5 ve Şekil 3.6 da verilmiştir. Şekil 3.5 Laser, PIN ve APD dedektörler ile kanal zayıflatmasından oluşan sistem yapısı 6

37 Şekil 3.6 Üstten alta doğru sırasıyla giriş sinyali, laser çıkışı, PIN dedektör çıkışı ve APD dedektör çıkışı 7

38 4. MODÜLASYON Laser iletişim için kullanılacak modülasyon formatları RF tekniklere benzer ve bir çoğu doğrudan bunlardan adapte edilmiştir. Modülasyon tekniklerini farklı biçimlerde sınıflandırmak mümkündür. Ancak öncelikle iki ana sınıfa doğrudan ve evreuyumlu algılama olarak ayırmak yararlı olacaktır. Doğrudan algılamalı sistemler için sayısal temel band modülasyonlar kullanılır. Evre-uyumlu sistemler için ise eş zamanlı (homodyne) ve ara katlı (heterodyne) modülasyon tekniklerinden söz edilir. 4.1 Doğrudan-algılamalı Sayısal Temel Band Modülasyonlar Doğrudan-algılamalı bir laser iletişim sistemi için en basit modülasyon ikili temel band sinyal kullanımıdır. Sinyal için kullanılan iki durumdan biri ikili 1 diğeri ikili 0 olarak tanımlanır. İkili temel band modülasyon için en yaygın teknikler Çizelge 4.1 de verilmiştir (Lambert and Casey 1995). Çizelge 4.1 İkili modülasyon teknikleri NRZ Sıfıra dönüşlü olmayan (Nonreturn to Zero) RZ Sıfıra dönüşlü (Return to Zero/bi-phase-Manchester) PPM Darbe konumu modülasyonu (Pulse Position Modulation) PBM Darbe ikili modülasyonu (Pulse Binary Modulation) PPBM Darbe polarizasyon ikili modülasyonu (Pulse Polarization Binary Modulation) PDBM Darbe gecikme ikili modülasyonu (Pulse Delay Binary Modulation) PIM Darbe aralığı modülasyonu (Pulse Interval Modulation) PQM Darbe dört düzeyli modülasyonu (Pulse Quaternary Modulation) Laser kaynağının türüne bağlı olarak (darbe ve yarı sürekli-quasi CW) farklı modülasyon teknikleri seçilir. 8

39 4. Yarı Sürekli Kaynak Modülasyon Türleri Yarı sürekli kaynaklar için NRZ ve Manchester dalga biçimleri kullanılabilir. NRZ dalga biçimi Şekil 4.1 de gösterilmiştir. İkili veri gösterimi NRZ dalga şekli Şekil 4.1 NRZ modülasyon formatı Böyle bir sinyalin bit hata olasılığı Eşitlik 4.1 ile hesaplanır. 1 SNR P E = erfc (4.1) Burada erfc, tümleyici hata fonksiyonudur ve 1-erf(x) ile tanımlanır Eşitlik 4. de nasıl hesaplanacağı verilmiştir. erfc( x) = 1 x e t π 0 dt (4.) SNR değerinin hesaplanma yöntemi de eşitlik 4.3 ten bulunur. [ P R ( 1 1/ N )] pk d e SNR= (6.3) 4N B 0 9

40 Burada P pk optiksel tepe güç şiddeti, R d dedektör tepkisi ölçütü (A/W), N e kaynağın sönme oranı (extiction ratio=çıkış maksimum darbe genliğinin minimum darbe genliğine oranı), N 0 spektral gürültü yoğunluğu (A /Hz) ve B band genişliği (Hz) dir. Şekil 5. de gösterilen Manchester dalga biçimi için bit hata olasılığı Eşitlik 4.4 te yazıldığı gibidir. ( SNR) 1 P E = erfc (6.4) İkili veri gösterimi Manchester dalga şekli Şekil 4. Manchester modülasyon formatı Birden fazla bitin bir sembol oluşturduğu M-düzeyli (M-ary) modülasyonlar için PPM kullanılabilir. Burada sinyalin her bir yüksek (high) seviyesi iki ya da daha fazla ikili bilgi iletebilir. Bu teknikle aynı sayıda laser açık konumu için daha fazla bilgi iletmek mümkündür. Şekil 4.3 te darbe başına üç bit için PPM modülasyonu gösterilmiştir. Bu formatta bilgi band genişliği artırılmış olur ancak aynı zamanda gürültü band genişliği de artar ve daha fazla darbe gücü ile bunun dengelenmesi gerekir. M-düzeyli PPM için bit hata olasılığı Eşitlik 4.5 te verilmiştir. P EPPM M / = 1 M 1 1 e πσ 1 ( x µ ) / σ x 1 e πσ 0 ( x µ ) / σ M 1 }} (4.5) 30

41 Burada µ 0 gürültü ortalaması (tipik olarak sıfırdır), µ 1 sinyal gücü artı gürültünün ortalamasıdır. İkili veri gösterimi M-düzeyli dalga şekli, M = 3 = 8 Şekil düzeyli PPM modülasyon formatı M-düzeyli modülasyon diğer iki ikili formattan daha etkindir. Ancak laser kaynak teknolojisi düşünüldüğünde kaynakların üretebilecekleri tepe güçleri dolayısıyla da seçebileceğimiz düzey sayısı sınırlıdır. 4-düzeyli veya quaternary PPM (QPPM) modülasyonunu bir çok diyod kaynak için kullanmak mümkündür. 4.3 Laser-darbe Modülasyon Türleri Sayısal bilgi çok dar laser darbe demetleri ile iletilebilir. Bunun için PBM ve PDBM modülasyonları kullanılır. PBM de alıcı penceresinde bir darbe varsa ikili bir yoksa sıfır veya bunun tersi durum kullanılabilir. Hata olasılığı NRZ ile aynıdır. PDBM de laser darbesi alıcının ilk yarım penceresinde bulunuyorsa ikili 1 olarak, ikinci yarı penceresinde bulunuyorsa ikili 0 olarak tanımlanır (Şekil 4.4). Bit hata oranı Manchester ile aynıdır. Bu iki modülasyon için bit hata olasılıkları NRZ ve Manchester ile aynı olsa da daha dar darbe genişlikleri kullanmaları gürültü band genişliğini artırır ve daha yüksek sinyal tepe gücü gerektirir. 31

42 İkili veri gösterimi PBM dalga şekli Şekil 4.4 PBM ve PDBM modülasyon formatı Bir diğer modülasyon polarizatör kullanılarak elde edilir. PPBM formatında ikili bilgi tek bir darbenin polarizasyonu değiştirilerek iletilebilir. Şekil 4.5 te bu durum gösterilmiştir. İkili veri gösterimi P1 P P P1 P1 P1 P1 P P1 P P1 P P P1 P PBM dalga şekli Şekil 4.5 PPBM modülasyon formatı Yarı sürekli laser kaynaklarda olduğu gibi darbe laser kaynaklar için de M-düzeyli modülasyonlar kullanılabilir. Darbe kaynaklar 4-düzeyli modülasyonla sınırlı değildir, 3 ve 56-düzeyli modülasyonlar elde edilebilir. Burada iki tür PPM mümkündür. İlki klasik sabit bir zaman çerçevesine senkronlanarak elde edilir ve bit hata olasılığı eşitlik 4.5 te verilenle aynıdır. Diğeri PIM olarak bilinir ve son algılanan darbe zamanı bir sonraki darbenin zaman penceresini belirlemek için kullanılır. Bit hata olasılığı Eşitlik 4.6 da verildiği gibidir. P EPIM = M 1 M 1 1 e πσ 1 ( x µ ) / σ x 1 e πσ 0 ( x µ ) / σ M 1 (4.6) 3

43 PIM de bir darbe algılanmamış veya hatalı algılanmışsa bir sonraki darbede demodüle edilemez. Yani ardışık iki M-düzeyli sinyal hatalı olur. Bununla birlikte alıcı ile verici arasında gerekli senkronizasyon daha basittir. Bu modülasyonların dışında alıcıda polarizasyon ayıracı kullanarak herhangi bir ikili ya da M-düzeyli modülasyon formatında ilave bir bit daha eklenebilir. Böylelikle veri hızı iki katına çıkarılır. Etkin olarak 4-düzeyli formatta bunu elde etmek mümkündür ve bu modülasyona PQM adı verilir. Bir laser iletişim sisteminde analog modülasyon formatları da kullanılabilir. Ancak darbeli laserler için bunlar adapte edilemez. 4.4 Evre-uyumlu Modülasyonlar Evre-uyumlu algılamalı bir sistemde gelen optiksel sinyal alıcıda bir lokal osilatör çıkışıyla karıştırılır veya toplanır. Böyle bir optiksel iletişim sisteminde karıştırma işlemi dedektörde gerçekleştirilir. Şekil 4.6 da bu durum gösterilmiştir. Alınan Optiksel Sinyal Fotodiyod Dedektör Ön Yükselteç Lokal Osilatör Şekil 4.6 Evre-uyumlu algılamalı alıcı Evre-uyumlu modülasyonları ara katlı alış ve eş zamanlı alış sistemleri olarak iki başlıkta incelenebilir. 33

44 4.5 Ara Katlı Alış Sistemleri Ara katlı alış sistemlerinde gelen sinyal bir lokal laser ile karıştırılarak elektriksel ara frekansa çekilir. Sonra da kullanılan modülasyona göre bir demodülasyon işlemi yapılır. Burada genlik kaydırmalı anahtarlama (ASK), frekans kaydırmalı anahtarlama (FSK) ve faz kaydırmalı anahtarlama (PSK) kullanılır. ASK da sinyalin genliği zamanın bir fonksiyonu olarak değişir. Her bit optik dalga şeklinin varlığı (iletilmesi) ya da yokluğu (iletilmemesi) ile gösterilir. ASK için bit hata olasılığı demodülasyon için ara katlı alış kullanıldığında Eşitlik 4.7 de verildiği gibi hesaplanır. 1 1 SNR P E = erfc (4.7) FSK de ikili sinyaller iki ayrı frekansla iletilir ve alıcı tarafta bu frekanslara ayarlı iki alıcıyla alınır. FSK için bit hata olasılığı Eşitlik 4.8 den bulunur. 1 SNR P E = erfc (4.8) PSK de ise faz farkıyla tanımlanan iki ayrı sinyal iletilir. Bit hata olasılığı ise Eşitlik 4.9 da verildiği gibi olur. 1 SNR P E = erfc (4.9) 4.6 Eş Zamanlı Alış Sistemleri Eş zamanlı alış sistemlerinde gelen optiksel sinyal lokal laser sinyali ile karıştırılarak doğrudan temel band bilgi sinyali frekansına çekilir. ASK ve PSK dalga biçimlerinin eş zamanlı alınışı ile gerekli band genişliği karşılıkları olan ara katlı alış sistemlerine göre yaklaşık yarı yarıya azaltılabilir (Norimatsu et al., 1990). Sonuçta 3 db lik performans 34

45 artışı elde edilir. FSK modülasyonu eş zamanlı alış sistemleri ile gerçekleştirilemez. ASK eş zamanlı alış sistemi bit hata olasılığı Eşitlik 4.10 dan bulunur. 1 SNR P E = erfc (4.10) Bu değerin FSK ara katlı sistemle aynı olduğu görülmektedir. PSK eş zamanlı alış sistemi bit hata olasılığı ise Eşitlik 4.11 de verildiği gibidir. ( SNR) 1 P E = erfc (4.11) M-düzeyli modülasyonlar evre-uyumlu sistemlerde de kullanılabilir. 4, 8 ve 16-düzeyli FSK ve PSK için SNR hassasiyeti sırasıyla 3, 5 ve 6 db artırılabilir. Ancak vericinin faz ve frekans dalgalanmaları toplam kazancı azaltır. ASK, FSK ve PSK modülasyonları dalga biçimleri Şekil 4.7 de gösterilmiştir. Şekil 4.7 ASK, FSK ve PSK modülayon çıkış dalga biçimleri Bu modülasyon formatlarından OOK gerçekleştirilmesi en kolay olanıdır. PPM zaman dilimi ve sembol senkronizasyonuna ihtiyaç duyar. Bu karmaşıklığı artırır. PPM, OOK ya göre güç verimliliğini artırır ancak band genişliği azaltır. PIM, PPM e göre sembol senkronizasyonu kolay olduğundan karmaşıklığı azaltır, daha yüksek iletim kapasitesi sağlar, ayrıca daha az güç gereksinimi vardır. Şekil 4.8 de bu 35

46 modülasyonların band genişliği ve güç gereksinimlerine göre karşılaştırılması verilmiştir. Şekil 4.8 OOK, PIM ve PPM modülasyonlarının band genişliği ve güç gereksinimlerinin karşılaştırılması (Ghassemlooy and Hayes 000) Modülasyon iki şekilde gerçekleştirilebilir: Birincisi laseri açıp kapamak yoluyla doğrudan modüle etmektir. 1 ve 0 lardan oluşan veri dizisi yüksek ve alçak seviyedeki elektriksel sinyallerin doğrudan lasere verilmesiyle elde edilir. Doğrudan modülasyonun gerçekleştirilmesi kolay ve ekonomiktir. Diğer yöntem ise harici bir modülatör kullanmaktır (Sato 00). Bu yöntemde lasere uygulanan elektriksel sinyal sabit tutulur. Laser çıkışı sürekli ya da darbeli olabilir. Laser çıkışına yerleştirilen harici modülatör ışığın geçmesine izin vererek 1 sinyalini, ışığı bloklayarak 0 sinyalini oluşturur. Şekil 4.9 da bu iki modülasyon yöntemi gösterilmektedir. 36

47 Elektriksel sinyal Doğrudan modülasyon Laser Sabit elektriksel sinyal Optiksel sinyal Elektriksel sinyal Harici modülasyon Laser Sabit ışık çıkışı Modülatör Optiksel sinyal Şekil 4.9 Doğrudan ve harici modülasyon yöntemleri Harici modülatörlerin iki türü bulunur. Elektro-Optik modülatörlerde, modülatörün yapıldığı malzemenin kırılma indisi uygulanan bir elektrik alanla değiştirilebilir. Kırılma indisindeki bu değişim ışık dalgasının fazını değiştirir. Faz, ışık dalga tepelerinin birbirlerine göre konumlarını tanımlar. İki ışık dalgası aynı fazda ise tepe noktaları aynı konumdadır ve eklendiklerinde daha şiddetli ışık verirler. Aralarında yarım dalga boyu faz farkı varsa eklendiklerinde birbirlerini yok ederler ve ışık vermezler. Elektro-Optik modülatöre gelen ışık dalgası iki yola ayrılır. Bu yollardan her birine elektrik alan uygulanarak geçen ışığın fazı değiştirilir. Şekil 4.10 da bu durum açıklanmaktadır. Bu modülatörler Mach-Zehnder modülatörler olarak da bilinirler. Bir diğer harici modülatör Elektro-Soğurma modülatörleridir. Bu tür modülatörler yarıiletken malzemeden yapılır ve birlikte kullanılacakları lasere tümleşik olarak imal edilebilir. Yarıiletken malzemenin ileri ve ters kutuplanması yoluyla laserin ürettiği ışık çıkışa verilir ya da soğurulur. Şekil 4.11 de bu modülatörlerin çalışma biçimi açıklanmaktadır. 37