Elektrik Elektronik Mühendisliği. Analog Haberleşme Sistemleri Ders 4 Alıcı Devreleri

Transkript

1 Elektrik Elektronik Mühendisliği Analog Haberleşme Sistemleri Ders 4 Alıcı Devreleri

2 Alıcı Devreler RF bandında elektromanyetik dalgalar kullanılarak kablosuz yoldan mesaj gönderilen haberleşme sistemlerinde alıcıya ulaşan sinyal uzun mesafeler kat ettiği için genellikle çok zayıftır. Ayrıca kablosuz kanal farklı sinyaller ile ortaklaşa kullanıldığından girişim sebebiyle bozulmaya uğrar. Bununla birlikte kanal üzerinde önceden kestirilemeyen gürültü etkisi mevcuttur. Radyo alıcı devresi tüm bu olumsuzluklara rağmen orijinal mesaj sinyalini diğer sinyallerden frekans spektrumu bakımından ayıracak seçicilikte ve yeterli seviyede kuvvetlendirme ile yeniden oluşturacak hassasiyette olmalıdır. Seçiciliği yüksek olan alıcı, RF spektrumu içinde diğer sinyalleri zayıflatarak istenen sinyali ayırır. Yüksek hassasiyette alıcı ise yüksek kazanç sağlayarak alınan sinyalden orijinal mesaj sinyaline oldukça yakın bir kopya üretir. Analog Haberleşme Sistemleri 2

3 Seçicilik Alıcıda seçicilik akort devresi ve/veya filtre devresi kullanılarak sağlanır. Önce LC akort devresi ile başlangıç seçiciliği sağlanır. Daha sonra filtre ile ilave seçicilik elde edilir. LC akort devresi ile oluşturulan rezonans devresinin Q kalite faktörü parametresi kontrol edilerek seçicilik ayarı yapılır. Optimum bant genişliği istenen sinyali geçirecek kadar geniş olacak şekilde ayarlanır. Yan bantlar ise yan frekanslarda bulunan sinyalleri büyük ölçüde zayıflatacak veya tamamen ortadan kaldıracak şekilde dar tutulur. Q değeri artarsa bant genişliği daralır, zayıflama eğrisinin dikliği artar. Bant genişliği belirli bir değere kadar düştüğünde yan bantlarda zayıflamaya başlar. Bu durumda bilgi kaybı oluşur. Analog Haberleşme Sistemleri 3

4 Seçicilik İdeal alıcı seçicilik eğrisi şekilde gösterildiği gibi dikey kenarlar ile sağlanır. Fakat akort devresi kullanarak ideal durumun elde edilmesi mümkün değildir. Seçiciliği artırmak için akort devrelerinin kaskat bağlanması veya kristal, seramik, SAW filtre kullanılması gibi çözümler düşünülebilir. Düşük frekanslarda DSP ile ideal cevap eğrisi elde edilebilir. Bu yöntemlerin tamamı alıcı devrelerde kullanılabilir. Analog Haberleşme Sistemleri 4

5 Şekil Faktörü Akort devresi cevabının kenarları «etek» olarak isimlendirilir. Eteklerin dikliği veya seçiciliği ise şekil faktörü olarak ifade edilir. 60 db zayıflama elde edilen f3 ve f4 frekansları arasında bant genişliğinin (f4-f3), 6 db zayıflama elde edilen f1 ve f2 frekansları arasında bant genişliğine (f2-f1) oranı şekil faktörüdür. Örneğin şekilde gösterilen cevap eğrisi için şekil faktörü 8 KHz / 3 KHz = 2,67 olarak elde edilir. Şekil faktörü değeri azaldıkça etekler dikleşir ve seçicilik artar. İdeal durumda şekil faktörü 1 dir. Analog Haberleşme Sistemleri 5

6 Hassasiyet Alıcı hassasiyeti zayıf sinyalleri yakalayabilme yeteneği ile elde edilir. Hassasiyet özelliği devrenin uçtan uca kazancı ile karakterize edilir, yüksek kazanç daha iyi hassasiyet sağlar. Alıcının kazancı arttıkça istenen seviyede çıkış sinyali üretmek için gerekli olan giriş sinyali seviyesi düşer. Bunun için alıcı devresi üzerinde çok sayıda kuvvetlendirme katına yer verilir. Alıcı hassasiyetini belirleyen diğer faktör sinyal gürültü oranı (signal to noise ratio, SNR) değeridir. Gürültü, alıcı içerisindeki devreler tarafından üretilebildiği gibi harici kaynaklar tarafından da üretilebilir. Genellikle küçük genlikli (mikro volt seviyesinde) rasgele sinyal biçiminde ortaya çıkar. Spektrum analizörü kullanılarak giriş sinyali ve arka plan gürültüsü gözlemlenebilir. Gürültü sinyali frekans bileşenleri tüm spektrum boyunca yayılmıştır. Alıcıya ulaşan yüksek genlikli sinyaller gürültüden kolaylıkla ayrılır, kuvvetlendirilir ve demodüle edilir. Küçük genlikli sinyallerin gürültüden ayrılması zor olduğundan alıcı tarafından elde edilmesi mümkün olmayabilir. Analog Haberleşme Sistemleri 6

7 Hassasiyet Alıcıda hassasiyeti ifade etmek için minimum anlaşılır sinyal (minimum discernible signal, MDS) tanımı kullanılabilir. MDS, gürültü tarafından üretilen ortalama sinyal seviyesine eşdeğer giriş sinyali seviyesidir. Bu gürültü değeri alıcının gürültü eşiği olarak isimlendirilir. MDS, gürültü eşiği sinyali kadar güç çıkışı sunan sinyal miktarıdır. Değeri dbm olarak ifade edilir. Analog Haberleşme Sistemleri 7

8 Hassasiyet Analog sinyaller için hassasiyet tanımlanırken SNR değeri dikkate alınır. Dijital sinyaller için esas olan bit hata oranı (bit error ratio, BER) değeridir. BER, seri olarak gönderilen bitler içerisinde hatalı olarak alınan bitlerin sayısıdır. Örneğin BER değeri ise gönderilen her 10 milyon bit içerisinde sadece 1 bitin hatalı olduğu anlaşılır. Yüksek frekansta çalışan alıcı devrelerin hassasiyeti genellikle alıcı arka plan gürültüsünden 10 db daha yüksek çıkış sinyali üretecek minimum giriş sinyali genliği ile ifade edilir. Örneğin giriş hassasiyeti 1 µv olabilir. Bu değer azaldıkça hassasiyet daha artar. İyi alıcılar için hassasiyet 0,2 ile 1 µv arasındadır. AM ve FM alıcılar güçlü lokal istasyonların yayınlarını dinlemek için tasarlandıklarından hassasiyetleri düşüktür. Tipik FM alıcı hassasiyeti 5 ile 10 µv arasındadır. AM alıcı için ise hassasiyet 100 µv ve daha üstündedir. Yaygın olarak kullanılan kablosuz alıcı/verici (transceiver) devreleri için hassasiyet -85 ile -140 dbm aralığındadır. Analog Haberleşme Sistemleri 8

9 Alıcı Devreler En basit radyo alıcı devresi şekilde gösterildiği gibi akort devresi, diyot (kristal) detektör ve hoparlörden oluşur. Akort devresi seçicilik sağlar, diyot ve C2 kondansatörü AM demodülatör olarak çalışır, hoparlör alınan ses sinyalini yeniden üretir. Bu devre modern haberleşme sistemlerinde ihtiyaç duyulan seçicilik ve hassasiyeti sağlamaz. Sadece en güçlü yerel AM istasyonundan gelen sinyal, çıkışa aktarılır. Alıcıya ulaşan farklı sinyalleri ayırmak için seçicilik yeterli değildir. Ayrıca oldukça uzun bir antene ihtiyaç vardır. Buna karşın devrede kullanılan demodülatör, diğer tüm devrelerde görülebilecek özelliktedir. Alıcının hassasiyeti ve seçiciliği artacak şekilde tasarım yapılırsa demodülatör performansı artar. Analog Haberleşme Sistemleri 9

10 Süperheterodin Alıcı Devresi Seçici ve hassas bir alıcı devresi sadece kuvvetlendiriciler, seçici filtreler ve demodülatör kullanılarak yapılabilir. Böyle bir alıcı devre, akortlu (ayarlı) alıcı olarak isimlendirilir. İlk radyo tasarımlarında akortlu alıcı devre kullanılmıştır. Fakat modern haberleşme uygulamalarında beklenen performans akortlu alıcılar ile elde edilemez. İstenen performansı sağlayan alıcı tipi, süperheterodin alıcı olarak isimlendirilir. Süperheterodin alıcı kendisine ulaşan tüm sinyalleri ara frekans (intermediate frequency, IF) olarak isimlendirilen düşük frekansa dönüştürür. Ara frekansta çalışan kuvvetlendiriciler ve filtreler kullanılarak seçicilik ve hassasiyet sağlanır. Süperheterodin alıcı içinde kazanç ve seçiciliğin çok büyük bölümü IF kuvvetlendiriciler ile elde edilir. Alıcı içerisinde anahtar görev üstelenen devre karıştırıcıdır. Karıştırıcı (mixer) basit bir genlik modülatör gibi davranır, iki sinyalin toplam ve farklarını üretir. Daha açık bir ifadeyle alıcıya gelen sinyal ile lokal osilatör tarafından üretilen sinyal karıştırılır. Analog Haberleşme Sistemleri 10

11 Süperheterodin Alıcı Devresi Analog Haberleşme Sistemleri 11

12 Süperheterodin Alıcı Devresi Bugün kullanılan süperheterodin alıcı devrelerin çoğu entegre devre olarak tek bir çip üzerinde üretilmektedir. Süperheterodin alıcı içerisinde her bir blok ayrı bir görev üstlenmektedir: RF Kuvvetlendirici: Anten zayıf radyo sinyallerini toplar ve bu sinyalleri düşük gürültülü kuvvetlendirici (low-noise amplifier, LNA) olarak da bilinen RF kuvvetlendiriciye besler. RF kuvvetlendirici bir miktar başlangıç kazancı ve seçicilik sağlar. Bu sebepten ön seçici (preselector) olarak da isimlendirilir. Akort devresi istenen sinyali (veya frekans aralığını) seçmeye yardımcı olur. Akort devresi çok yüksek Q değeri verebilir, böylece mükemmel seçicilik elde edilir. Fakat alıcının çalışma frekansının geniş bir frekans aralığında ayarlanması gerektiğinden seçicilik elde edilmesi daha zordur. Akort devresi rezonans frekansı geniş bir frekans aralığında değiştirilebilir, böylece kuvvetlendirici bant genişliği ve seçiciliği frekansla değişir. Analog Haberleşme Sistemleri 12

13 Süperheterodin Alıcı Devresi RF kuvvetlendirici kullanılmayan haberleşme alıcılarında anten, karıştırıcı girişinde doğrudan akort devresine bağlıdır. Bu şekilde istenen başlangıç seçiciliği oluşturulur. Bu tip konfigürasyon kullanımı özellikle ekstra kazanca ihtiyaç duyulmayan düşük frekans uygulamalarında pratik çözüm sunar. RF kuvvetlendirici kullanılmadığında aynı zamanda bu devreden kaynaklanan gürültüde problem oluşturmaz. Fakat yine de RF kuvvetlendirici ekstra kazanç sağlayıp hassasiyeti artırdığından çoğu tasarımda kullanılır. RF kuvvetlendirici kullanımı aynı zamanda osilatör ışımasını minimuma indirir. Lokal osilatör tarafından üretilen sinyal oldukça güçlüdür, RF kuvvetlendirici kullanılmadığında bu sinyalin bir kısmı karıştırıcı girişinden sızarak antene ulaşır ve ışıyarak yakında bulunan başka alıcılarda girişime sebep olur. Yani RF kuvvetlendirici karıştırıcı ve anten arasında izolatör olarak görev yapar. RF kuvvetlendirici içinde Si, GaAs veya SiGe malzemeden yapılmış BJT ve FET transistor kullanılabilir. Seçim yapılırken frekans, maliyet, gürültü performansı dikkate alınır. Analog Haberleşme Sistemleri 13

14 Süperheterodin Alıcı Devresi Karıştırıcı ve Lokal Osilatör: RF kuvvetlendirici çıkışında elde edilen sinyal karıştırıcı girişine uygulanır. Karıştırıcının diğer girişi ile lokal osilatör veya frekans sentezleyiciden sinyal alınır. Karıştırıcı çıkış sinyali bu iki sinyalin frekansları toplamı ve farkını içerir. Karıştırıcı çıkışında bulunan akort devresi ile genellikle fark frekansı veya ara frekans seçilir. Bazı uygulamalarda ise toplam frekansı, ara frekans (IF) olarak seçilir. Karıştırıcı diyot, değeli modülatör veya transistor olabilir. Karıştırıcı olarak düşük gürültü karakteristiklerinden dolayı MOSFET kullanılması tercih edilir. Lokal osilatör genellikle geniş bir frekans aralığında ayarlanabilir şekilde yapılır. Lokal osilatör frekansı değiştirildiğinde, karıştırıcı aldığı giriş sinyali frekansını sabit bir ara frekansa dönüştürür. Analog Haberleşme Sistemleri 14

15 Süperheterodin Alıcı Devresi IF Kuvvetlendirici: Karıştırıcı çıkışında elde edilen ara frekans (IF) sinyali girişteki RF sinyali ile aynı modülasyon tipine sahiptir. Ara frekans sinyali bir veya daha fazla sayıda IF kuvvetlendirici tarafından kuvvetlendirilir. Alıcı kazancının çok büyük bir kısmı burada elde edilir. Ara frekans değeri, girişteki RF sinyali frekansından çok daha düşüktür. Bu sebepten IF kuvvetlendirici tasarımı daha basittir ve daha iyi seçiciliğe sahiptir. IF kısmında iyi seçicilik oluşturmak için genellikle kristal, seramik ve SAW filtreler kullanılır. Bazı gelişmiş alıcılarda ise seçicilik DSP filtreler ile sağlanır. Demodülatör: Kuvvetlendirilen IF sinyali demodülatöre (veya detektöre) uygulanır. Böylece orijinal mesaj sinyali elde edilir. Demodülatör AM için diyot detektör, FM için karesel (quadrature) detektör veya SSB için çarpım detektörü olabilir. Modern dijital süperheterodin alıcılarda ise IF sinyali önce ADC ile dijital hale getirilir ve DSP çipine uygulanır. Burada programlanan algoritma ile demodülasyon gerçekleştirilir. Elde edilen mesaj sinyali dijital formda olup, DAC ile analog hale getirilir. Analog Haberleşme Sistemleri 15

16 Süperheterodin Alıcı Devresi Mesaj sinyali ses ise demodülatör çıkışında elde edilen sinyal, hoparlörden yeterli gerilim ve güç kazancı ile çıkış almak için ses kuvvetlendiricisine uygulanır. Ses sinyali dışındaki mesaj sinyalleri için ise detektör çıkışı ilgili cihaza gönderilir. Otomatik Kazanç Kontrolü: Demodülatör çıkışında elde edilen orijinal mesaj sinyali genliği, antenden alınan sinyalin genliği ile doğru orantılıdır. Demodülatör çıkışında elde edilen sinyal AC formda olup otomatik kazanç kontrolü (automatic gain control, AGC) devresi tarafından doğrultulup, filtrelenerek DC gerilime dönüştürülür. Bu DC gerilim alıcı kazancını kontrol etmek için IF kuvvetlendiriciye ve bazen RF kuvvetlendiriciye geri besleme olarak gönderilir. AGC devresi, geniş bir RF girişi sinyali aralığında sabit çıkış gerilimi seviyesi elde edilmesine yardımcı olur. Yani antenden alınan giriş sinyalinin seviyesine göre alıcı üzerinde uçtan uca kazanç değeri otomatik olarak ayarlanabilir. Giriş sinyali genliği yüksekse, AGC yüksek DC gerilim üretir ve kazanç düşer. Analog Haberleşme Sistemleri 16

17 Frekans Dönüşümü Frekans dönüşümü, modüle edilmiş sinyalin orijinal gönderilen bilgi korunurken daha yüksek veya daha alçak frekansa dönüştürülmesi işlemidir. Radyo alıcısında yüksek frekanslı RF sinyalleri düzgün olarak ara frekansa düşürülür, burada kazanç artırılır ve seçicilik sağlanır. Bu işlem aşağı dönüşüm olarak isimlendirilir. Uydu haberleşmesinde ise orijinal sinyal düşük frekansta üretilir ve gönderilmek üzere yüksek frekansa dönüştürülür. Bu işlem yukarı dönüşüm olarak isimlendirilir. Frekans dönüşümü karıştırıcı devresi kullanılarak genlik modülasyonu (veya analog çarpma) gerçekleştirilmesidir. Karıştırıcının yerine getirdiği fonksiyon heterodyning olarak isimlendirilir. Analog Haberleşme Sistemleri 17

18 Frekans Dönüşümü Karıştırıcı tıpkı genlik modülatörü gibi iki giriş sinyalinin matematiksel olarak çarpılmasını sağlar. Osilatör tarafından üretilen sinyal taşıyıcı, giriş sinyali ise modüle edilmiş sinyaldir. Karıştırıcı çıkışında sadece taşıyıcı sinyal değil aynı zamanda yan bantlar elde edilir. Karıştırıcı çıkışında elde edilen sinyallerin frekansları: fs, fo, fs+fo, fs-fo veya fo-fs. Bunlardan fs ve fo frekanslarına ihtiyaç duyulmayacağından filtrelenir. Çıkışta toplam ve fark sinyallerinden biri seçilir. Alt veya üst yan bantlardan hangisinin seçileceği dikkate alınarak lokal osilatör frekansı ile çıkış frekansı belirlenir. Karıştırıcı çıkışında akort devresi veya filtre kullanılarak istenilen sinyal seçilir, diğerleri yok edilir. Analog Haberleşme Sistemleri 18

19 Frekans Dönüşümü Örneğin FM radyo alıcısı 107,1 MHz frekansında FM sinyalini kuvvetlendirme ve demodülasyon için 10,7 MHz ara frekansına dönüştürür. Karıştırıcı çıkışında fs = 107,1 MHz fo = 96,4 MHz fs+fo = 203,5 MHz ve fs-fo = 10,7 MHz sinyalleri elde edilir. Filtre ile fs-fo = 10,7 MHz sinyali ara frekans olarak seçilir ve diğerleri yok edilir. Diğer bir örnek olarak 70 MHz ara frekans üretmek için ihtiyaç duyulan lokal osilatör frekansı iki farklı değerde olabilir. Ara frekans giriş sinyali ile lokal osilatör frekansları arasındaki fark olduğundan aşağıdaki gibi bulunabilir: Fakat hangisinin seçileceği ile ilgili kural yoktur. Buna karşın 100 MHz den düşük frekanslarda lokal osilatör frekansı gelen sinyal frekansından daha yüksek, 100 MHz den yüksek frekanslarda lokal osilatör frekansı gelen sinyal frekansından daha düşüktür. Analog Haberleşme Sistemleri 19

20 Karıştırıcı Devreler Karıştırıcı devresi oluşturmak için diyot veya transistor kullanılabilir. Fakat modern karıştırıcıların çoğu entegre devre biçiminde kullanıma hazır olarak üretilir. Diyot karıştırıcı: Karıştırıcı devresinin temel özelliği lineer olmayan çalışma karakteristiğidir. Çıkışı, girişine bağlı olarak lineer olarak değişmeyen her devre elemanı karıştırıcı olarak kullanılabilir. En fazla kullanılan karıştırıcı, diyot modülatör devresidir. Diyot karıştırıcı devresi aşağıda gösterilmiştir. Analog Haberleşme Sistemleri 20

21 Karıştırıcı Devreler RF kuvvetlendiriciden gelen (bazı alıcılarda doğrudan antenden gelen) giriş sinyali transformatörün primer sargısına uygulanır. Sekonder sargısından alınan sinyal diyot karıştırıcıya giriş olarak verilir. Lokal osilatör sinyali C1 kondansatörü üzerinden karıştırıcıya beslenir. Giriş sinyali ve lokal osilatör sinyalleri lineer olarak toplanır ve girişe uygulanır. Diyot karıştırıcı bu sinyallerin toplamını ve farkını üretir. Bu çıkış sinyalleri akort devresinden geçirilir. Akort devresi bant geçiren filtre olarak davranır, toplam veya fark frekanslarından birini seçer, diğerini yok eder. Analog Haberleşme Sistemleri 21

22 Karıştırıcı Devreler Dengeli modülatör: Dengeli modülatör devresi karıştırıcı olarak yaygın biçimde kullanılır. Bu devre çıkış sinyalinden taşıyıcı sinyali ayırır. Hem diyot kafes dengeli modülatör hem de tümleşik diferansiyel kuvvetlendirici tipi dengeli modülatör karıştırıcı uygulamalarında kullanılır. Diyot dengeli modülatör devresi aşağıda gösterilmiştir. Bu devre VHF, UHF ve mikrodalga frekanslarında en iyi karıştırıcı devrelerinden biridir. Analog Haberleşme Sistemleri 22

23 Karıştırıcı Devreler FET karıştırıcı: FET yüksek kazanç sunması, düşük gürültülü çalışması ve kusursuz kare dalga cevabına yakın çıkış vermesi sebebiyle iyi bir karıştırıcı elemandır. FET karıştırıcı lineer olmayan bölgede çalışacak şekilde kutuplanır. Giriş sinyali gate girişine uygulanırken, lokal osilatör source girişine bağlıdır. Drain ucuna bağlı akort devresi ile fark sinyali frekansı seçilir. Analog Haberleşme Sistemleri 23

24 Karıştırıcı Devreler Entegre devre karıştırıcı: NE602 karıştırıcı entegre devresi SA612 karıştırıcının gelişmiş versiyonudur. Çip üzerinde NPN transistor kararlı osilatör devresine ve DC gerilim regülatörüne bağlıdır. Çalışma gerilimi 4,5-8 V DC olup 500 MHz frekansına kadar uygulamalarda kullanılabilir. Osilatör yaklaşık olarak 200 MHz frekansında çalışır ve çip içerisinde karıştırıcı girişine bağılıdır. Çalışma frekansını ayarlamak için harici LC akort devresi veya kristal gereklidir. Analog Haberleşme Sistemleri 24

25 Karıştırıcı Devreler NE602/SA612 IC karıştırıcı detayları aşağıda gösterilmiştir. Q1 ve Q2 transistorları Q3 akım kaynağı ile diferansiyel kuvvetlendirici oluşturur. Aynı şekilde Q4 ve Q5 transistorları Q6 akım kaynağı ile diferansiyel kuvvetlendirici oluşturur. Dikkat edilirse girişler paralel bağlanmıştır. Collector uçları ise çapraz bağlıdır, yani Q1 transistoru collector ucu Q3 yerine Q4 transistoru collector ucuna bağlıdır. Q2 transistoru collector ucu ise Q3 transistoru collector ucuna bağlıdır. Bu bağlantı sonucunda devre dengeli modülatör gibi çalışır. Yani dahili osilatör sinyali ve giriş sinyali bastırılır, çıkışta sadece toplam ve fark sinyalleri kalır. Çıkışa bağlı filtre veya akort devresi kullanılarak toplam veya fark sinyallerinden istenilen seçilir. Analog Haberleşme Sistemleri 25

26 Karıştırıcı Devreler Analog Haberleşme Sistemleri 26

27 Karıştırıcı Devreler NE602/SA612 IC karıştırıcı kullanılarak elde edilen devre aşağıda gösterilmiştir. R1 direnci ve C1 kondansastörü dekuplaj (decoupling) için kullanılır. Rezonans transformatörü karıştırıcı entegresine 72 MHz sinyali uygular. C2 kondansatörü giriş sinyali frekansında transformatör sekonderi ile rezonans sağlar. C3 kondansatörü ise pin 2 ile toprak arasında AC bypass sağlar. Analog Haberleşme Sistemleri 27

28 Karıştırıcı Devreler Harici C4 kondansatörü ve L1 bobini ile akort devresi oluşturulur, osilatör 82 MHz frekansına ayarlanır. C5 ve C6 kondansatörleri kapasitif gerilim bölücü oluşturur ve çip üzerindeki NPN transistoru Colpitts osilatör olarak bağlar. C7 kondansatörü AC kuplaj (coupling) ve bloke amacıyla kullanılır. Çıkış pin 5 den alınır ve seramik bant geçiren filtreye bağlanır. Böylece seçicilik sağlanır. Analog Haberleşme Sistemleri 28

29 Karıştırıcı Devreler Bu durumda çıkışta fark sinyali elde edilir, 82-72=10 MHz, R2 direnci üzerinden alınır. Dengeli karıştırıcı devresi 802 MHz osilatör frekansı ile 154 MHz toplam frekansını bastırır. Analog Haberleşme Sistemleri 29

30 Lokal Osilatör ve Frekans Sentezleyici Karıştırıcı için gerekli lokal osilatör sinyali LC osilatör (Colpitts veya Clapp devresi) veya frekans sentezleyici ile üretilir. Basit ve sürekli aynı frekansta çalışan alıcılarda LC osilatör kullanılır. Buna karşın kanal ayarlı alıcılarda ise frekans sentezleyici kullanılır. LC osilatör: 100 MHz frekansına kadar kullanılabilir. Bu tip devre değiştirilebilir frekanslı osilatör (variable frequency oscillator, VFO) olarak da isimlendirilir. Q1 JFET i Colpitts osilatörü olarak bağlıdır. C5 ve C6 kondansatörlerinden yapılan gerilim bölücü kullanılarak geri besleme sağlanır. Frekans ise L1 bobini, paralel bağlı C1 kondansatörü ve C2, C3 kondansatörleri ile oluşturulan paralel akort devresi ile ayarlanır. Osilatör istenen çalışma aralığında merkez frekansa ayarlanır ve frekans değeri C1 ayarlanabilir kondansatörü ile değiştirilir. Frekans ayarı aynı zamanda L1 bobini içerisinde demir nüve hareket ettirilerek yapılabilir. Temel frekans ayarı C3 değiştirilebilir kondansatörü kullanılarak yapılır. Osilatör çıkışı Q1 source ucuna bağlı RFC üzerinden emitter izleyici devreye uygulanır. Analog Haberleşme Sistemleri 30

31 Lokal Osilatör ve Frekans Sentezleyici Analog Haberleşme Sistemleri 31

32 Lokal Osilatör ve Frekans Sentezleyici Frekans sentezleyici: Modern alıcı tasarımlarında lokal osilatör yerine frekans sentezleyici kullanılır. Bu tip devrenin bazı avantajları vardır: Frekans sentezleyici PLL kullanılarak gerçekleştirildiğinden kristal osilatör referans sinyaline kilitlidir, yüksek kararlılıkta çalışır. Frekans ayarı PLL ile yapıldığından sürekli frekans değişimi yerine kademeli olarak gerçekleştirilir. Pek çok haberleşme sistemi atanan frekanslarda çalışan kanallara bölünmüş olarak kullanıldığından PLL basamak frekansı ayarlanarak her kanal için kanal aralığı elde edilir. Bu şekilde PLL frekans bölücü çarpanı değiştirilerek kanal ayarı yapılır. Analog Haberleşme Sistemleri 32

33 Lokal Osilatör ve Frekans Sentezleyici Analog Haberleşme Sistemleri 33

34 Gürültü Gürültü, birden fazla sayıda genlik ve frekansta bileşenleri olan rasgele sinyal biçimindedir. Bu tip gürültü genellikle beyaz gürültü olarak isimlendirilir. Haberleşme sistemlerinde bilgi sinyali üzerine eklenerek hatalara sebep olur. Gürültü ve girişim aynı değildir. Girişim kanal üzerindeki bilgi taşıyan diğer sinyallerden kaynaklanır. Gürültü hiçbir anlamlı bilgi taşımaz. AM veya FM radyo alıcısı açıldığında istasyonlar arasında dolaşırken hoparlörden gürültü sinyali sesi duyulur. Benzer şekilde TV sinyali üzerinde parazitler şeklinde gürültü etkisi gözlenebilir. Eğer gürültü seviyesi yeterince yüksek seviyeye ulaşırsa ve/veya mesaj sinyali seviyesi yeterince yüksek seviyede değilse bilginin alıcıda tekrar elde edilmesi mümkün olmaz. Haberleşme sistemlerinde gürültü seviyesi sıcaklık, bant genişliği, akım, kazanç ve direnç ile orantılıdır. Bunlardan biri artarsa gürültü artar. Düşük gürültü için bant genişliği dar, kazancı düşük, az akım çeken ve düşük direnç değerine sahip devreler ile sağlanır. Sıcaklığın düşürülmesi de önemlidir. Analog Haberleşme Sistemleri 34

35 Harici Gürültü Harici gürültü farklı kaynaklardan meydana gelir. Harici gürültünün kaynağı endüstriyel, atmosferik veya uzay olabilir. Haberleşme sistemi üzerinde atmosferik ve uzay kaynaklı gürültü etkisi yok edilemez. Endüstriyel kaynaklı gürültü etkisi ise belirli ölçüde kontrol edilebilir. Endüstriyel gürültü: Otomobil ateşleme sistemleri, elektrik motorları ve jeneratörler bu tip gürültünün kaynağıdır. İlk çalışmaları sırasında anahtarlama yapıldığında oluşan çok yüksek gerilim veya akım sebebiyle gürültü meydana gelir. Motor ve diğer indüktif cihazlar açılıp kapatıldığında yüksek genlikte gürültü darbeleri oluşur. Floresan ve benzeri gaz dolu aydınlatma elemanları diğer bir endüstriyel gürültü kaynağıdır. Atmosferik gürültü: Dünya atmosferinde meydana gelen elektriksel olaylar gürültüye sebep olur. Buna örnek olarak bulutlardan toprağa elektrik deşarjıyla oluşan yıldırım verilebilir. Endüstriyel gürültü gibi atmosferik gürültüde genlik değişimi şeklinde görülür, 30 MHz altında frekanslarda etkisi önemlidir. Analog Haberleşme Sistemleri 35

36 Harici Gürültü Uzay kaynaklı gürültü: Uzaydaki kaynaklardan gelen solar ve kozmik gürültüdür. Uzay gürültüsünün temel kaynağı güneştir. Güneşten gelen gürültü geniş bir spektrum üzerinde yayılır. Güneş kaynaklı gürültü yoğunluğu zamanla değişir. Güneş 11 yıl süre içerisinde tekrar edebilen gürültü çevrimine sahiptir. Güneş gürültüsü sebebiyle gürültünün baskın hale geldiği belirli zamanlarda (belirli yıllarda) haberleşme sistemlerinin çalışması aksar, belirli frekanslar kullanılamaz duruma gelir. Bunun dışında ise gürültü seviyesi problem oluşturmaz. Güneş sistemi dışında kalan bazı yıldızlar kozmik gürültü olarak isimlendirilen gürültü üretir. Bu yıldızların dünyaya çok uzak olmalarından dolayı kozmik gürültü etkisi güneş kadar fazla olmasa da belirli uygulamalarda dikkate almak gerekir. Kozmik gürültü etkisi 10 MHz ile 1,5 GHz arasında etkili olsa da en fazla bozucu etkiyi 15 ile 150 MHz arasında gösterir. Analog Haberleşme Sistemleri 36

37 Dahili Gürültü Alıcı üzerinde elektronik devreler içerisinde yer alan devre elemanları (direnç, diyot ve transistor gibi) dahili gürültü kaynağıdır. Dahili gürültü düşük seviyede olsa da zayıf sinyaller üzerinde bozucu etki meydana getirir. Dahili gürültünün temel kaynakları termal gürültü, yarıiletken gürültüsü ve ara modülasyon bozulmasıdır. Bazı önlemler alınarak dahili gürültü etkisi azaltılabilir. Termal gürültü: Dahili gürültünün büyük bir bölümü termal gürültü şeklinde ortaya çıkar. Bunun kaynağı iletken içerisinde serbest elektronların rasgele hareketidir. Sıcaklık artarsa, bu atomik harekete sebep olur. İletkende elektronların hareketi gürültü olarak değerlendirilebilecek rasgele gerilim oluşturur. Bu etki çok yüksek değerli (mega-ohm seviyesinde) direnç, yüksek kazançlı osiloskoba bağlanarak gözlenebilir. Oda sıcaklığında elektron hareketinden dolayı direnç üzerinde gerilim oluşur. Gerilim değişimi tamamen rasgele ve düşük seviyede, sıcaklıkla orantılıdır. Bu termal etki 1928 yılında J.B. Johnson tarafından gözlenmiştir. Bu sebepten Johnson gürültüsü adı verilir. Analog Haberleşme Sistemleri 37

38 Dahili Gürültü Direnç üzerinde açık devre gürültü gerilimi Johnson formülü ile hesaplanabilir: Örneğin 100 KΩ direnç uçlarında açık devre gürültü gerilimi oda sıcaklığında (25 C) DC ile 20 KHz frekansları arasında nedir? Analog Haberleşme Sistemleri 38

39 Dahili Gürültü Yarıiletken gürültüsü: Diyot ve transistor gibi yarıiletken devre elemanları bu tip gürültünün kaynağıdır. Yarıiletken devre elemanları termal gürültü yanında saçma gürültüsü (shot noise), geçiş zamanı gürültüsü (transit-time noise) ve kırpışma gürültüsü (flicker noise) gibi gürültüler üretir. Saçma gürültüsü: Bunlardan en yaygın olanıdır. Elektronlar ve boşluklar kaynaktan hedefe ilerlerken bazen rasgele yollar izler. Bu rasgele yollar sebebiyle saçılma gürültüsü oluşur. Saçma gürültüsü elektron ve boşlukların PN jonksiyonundan geçerken izledikleri rasgele yollardan kaynaklanır. Akım her ne kadar harici kutuplama gerilimi ile oluşsa da, elektron ve boşlukların rasgele hareketi yarıiletken cihaz içerisinde süreksizliklerin sonucudur. Örneğin bakır tel ile yarıiletken malzeme arasındaki ara yüz süreksizlik oluşturur ve taşıyıcıların rasgele hareketine sebep olur. Saçma gürültüsü geniş bir aralıkta çok sayıda frekans ve genlikte bileşenden meydana geldiğinden beyaz gürültü karakteristiğindedir. Analog Haberleşme Sistemleri 39

40 Dahili Gürültü Saçma gürültüsü değeri DC kutuplama akımı ve bant genişliği ile orantılıdır. Gürültü akımı aşağıdaki formülle hesaplanır: Geçiş zamanı gürültüsü: Transistor içinde meydana gelen bir diğer gürültü tipi geçiş zamanı gürültüsüdür. Geçiş zamanı terimi elektron ve boşluk gibi taşıyıcıların girişten çıkışa ne kadar zamanda hareket ettiğini anlatır. Yarıiletken elemanlar çok ince olduklarından taşıyıcı hareket süresi oldukça hızlıdır. Düşük frekanslarda bu süre ihmal edilebilir, fakat yüksek frekanslarda geçiş süresi uzar ve bu durum problem oluşturur. Geçiş süresi gürültüsü çalışılan frekansla orantılıdır. Çoğu devre transistor üst limitinden daha düşük frekanslarda çalıştığından geçiş zamanı gürültüsü nadiren probleme sebep olur. Analog Haberleşme Sistemleri 40

41 Dahili Gürültü Kırpışma gürültüsü: Yarıiletken elemanlar dışında direnç ve iletkenler üzerinde de görülür. Yarıiletken malzeme direncinin rasgele değişimi sonucunda oluşur. Akım ve sıcaklıkla doğru orantılıdır. Fakat frekans ile ters orantılıdır. Kırpışma gürültüsü düşük frekanslarda daha yüksektir ve beyaz gürültü gibi düzgün dağılıma sahip değildir. Aynı zamanda pembe gürültü olarak isimlendirilir. Transistor içinde gürültünün frekansla değişimi aşağıda gösterilmiştir: Analog Haberleşme Sistemleri 41

42 Ara Modülasyon Bozulması Ara modülasyon bozulması devrenin lineer olmayan karakteristiği sebebiyle harmoniklerin ve yeni sinyallerin üretilmesi sonucunda ortaya çıkar. Lineer olamayan çalışma sebebiyle modülasyon ve heterodyne etkisi oluşturulur. Devre üzerinde farklı frekansta sinyaller bir araya geldiğinde bunların toplamı ve farkı elde edilir. Bunun yanında çok sayıda harmonik bileşen ortaya çıkar. Eğer filtreleme yapılmazsa asıl sinyal yanında istenmeyen sinyallerde kuvvetlendirilir ve bu sinyaller gürültüye sebep olur. Örneğin kuvvetlendirici bant genişliği içinde f1 ve f2 sinyalleri yer alır. Lineer olmayan çalışma karakteristiği sebebiyle f1-f2 ve f1+f2 sinyalleri üretilir. Ayrıca 2f1, 2f2, 3f1 ve 3f2 gibi harmonikler ortaya çıkar. Bu harmonikler ile birlikte 2f1+f2, 2f2+f1, 2f1-f2, 2f2-f1 gibi üçüncü derece bileşenler ortaya çıkar. Bu bileşenler bilinen frekansların korelasyonu sonucunda ortaya çıktığı için korelasyonlu gürültü olarak isimlendirilir. Analog Haberleşme Sistemleri 42

43 Ara Modülasyon Bozulması Analog Haberleşme Sistemleri 43

44