ENERJİ HATLARI ÜZERİNDEN HABERLEŞMEDE İLETİŞİM FREKANSI ETKİSİNİN YSA İLE ANALİZİ VE BİR HABERLEŞME SİSTEMİNİN GELİŞTİRİLMESİ.

Transkript

1 ENERJİ HATLARI ÜZERİNDEN HABERLEŞMEDE İLETİŞİM FREKANSI ETKİSİNİN YSA İLE ANALİZİ VE BİR HABERLEŞME SİSTEMİNİN GELİŞTİRİLMESİ Nihat DALDAL DOKTORA TEZİ ELEKTRİK EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KASIM 2013 ANKARA

2 Nihat DALDAL tarafından hazırlanan ENERJİ HATLARI ÜZERİNDEN HABERLEŞMEDE İLETİŞİM FREKANSI ETKİSİNİN YSA İLE ANALİZİ VE BİR HABERLEŞME SİSTEMİNİN GELİŞTİRİLMESİ adlı bu tezin Doktora tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Prof. Dr. Güngör BAL.. Tez Danışmanı, Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Elektrik Eğitimi Anabilim Dalında Doktora tezi olarak kabul edilmiştir. Prof. Dr. Ethem KÖKLÜKAYA Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, S.Ü. Prof. Dr. Güngör BAL Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, G.Ü. Doç. Dr. H.Haldun GÖKTAŞ Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, Y.Ü. Doç. Dr. Murat YÜCEL Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, G.Ü. Doç. Dr. Sabri KOÇER Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, N.E.Ü Tez Savunma Tarihi: 08/11/2013 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Doktora derecesini onamıştır. Prof. Dr. Şeref SAĞIROĞLU Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü.

3 TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Nihat DALDAL

4 iv ENERJİ HATLARI ÜZERİNDEN HABERLEŞMEDE İLETİŞİM FREKANSI ETKİSİNİN YSA İLE ANALİZİ VE BİR HABERLEŞME SİSTEMİNİN GELİŞTİRİLMESİ (Doktora Tezi) Nihat DALDAL GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Kasım 2013 ÖZET Enerji hatları üzerinden haberleşme son zamanlarda sayaç okuma, internet kullanımı ve akıllı ev otomasyonu gibi alanlarda kurulum maliyetinin ve işçiliğinin düşük olması avantajından dolayı kullanılmaya başlanmıştır. Bu alanda yapılan haberleşme sistemleri çeşitlilik göstermekte ve geliştirme çalışmaları devam etmektedir. Bu tezin amacı enerji hattı üzerinden haberleşmede kullanılan sinyal frekansının etkisini inceleyerek bir haberleşme sistemi geliştirmektir. Bu amaçla sabit bir mekanda farklı frekanslarda hat üzerinde oluşan haberleşme sinyal zayıflamaları ölçülmüş ve elde edilen verilere göre yapay sinir ağında eğitme çalışması yapılmıştır. Böylelikle her frekans için zayıflama oranı tespit edilmiştir. Enerji hattı üzerinden yapılan ölçümler ile hat empedansının frekansa göre değişimi grafiksel olarak elde edilmiş ve haberleşmede sinyal frekansının önemi ortaya konmuştur. Bu çalışmada enerji hattı üzerinden haberleşmek için farklı yaklaşımlar geliştirilerek düşük maliyetli basit haberleşme sistemleri tasarlanmış ve üç farklı haberleşme uygulaması gerçekleştirilerek farklı mekanlarda denenmiştir. Yapılan ilk uygulamada hattın sıfır geçiş anında sinyal gönderimi gerçekleştirilmiş, ikinci uygulamada 3 fazda haberleşme sağlamak için FSK uygulaması gerçekleştirilmiş, son uygulamada ise değişken frekans ile haberleşmenin özel

5 v hazırlanan bir yazılımla gerçekleşmesi sağlanmıştır. Yazılım ile kontrol, donanım elemanlarının en aza indirgenmesine fırsat sağlamıştır. Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler :Enerji hatları üzerinden haberleşme, X10, Enerji hattı FSK modülasyon, Enerji hattı frekans modülasyonu, YSA Sayfa Adedi : 177 Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Güngör BAL

6 vi ANALYSIS OF EFFECT OF COMMUNICATION FREQUENCY OVER THE POWER LINE COMMUNICATION WITH ANN AND DEVELOPING A COMMUNICATION SYSTEM (Ph. D. Thesis) Nihat DALDAL GAZİ UNIVERSITY GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES November 2013 ABSTRACT Recently meter reading, Internet usage and smart home automation by using power line communication have been used due to the advantage of low installation and labor costs. In this area, different studies continue to develop communication systems. The aim of this thesis is to examine the impact of the frequency of the signal used to communicate over the power line and is to develop a communication system. For this purpose, in a building on-line communication signals at different frequencies were measured and then the measured signal data were evaluated with an artificial neural network. Thus, attenuation rate is determined for each frequency. By using the measured data, variation in line impedance with respect to the communication signal frequency is obtained graphically and the importance of the frequency on power line communication is demonstrated. In this thesis, three different approaches for power line communication are designed and developed with a simple structure and low cost. Then these communication applications were tested in different places. In first application a zero-crossing signal transmission line was realized. As a second, a FSK application was realized to ensure the communication in 3 phases. In the final application, the communication with variable frequency was realized through dedicated software resulting in minimizing the hardware components.

7 vii Science Code : Key Words : Powerline Communication, X10, Powerline, FSK Page Number : 177 modulation, Powerline FSK modulation,ann Supervisor : Prof. Dr. Güngör BAL

8 viii TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren danışmanım Sayın Prof. Dr. Güngör BAL a, değerli katkılarından dolayı Tez İzleme Komitesinde yer alan Sayın Prof. Dr. Ethem KÖKLÜKAYA ya, Sayın Prof. Dr. İlhami ÇOLAK a, ve Sayın Doç. Dr. Murat YÜCEL e, tez jürisinde bulunan sevgili hocalarım Sayın Doç. Dr. H. Haldun GÖKTAŞ a ve Sayın Doç. Dr. Sabri KOÇER e teşekkür ederim. Gösterdiği sabır ve desteklerinden dolayı eşime, çocuklarıma, anneme ve babama teşekkür ederim.

9 ix İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... iv ABSTRACT... vi TEŞEKKÜR... viii İÇİNDEKİLER... ix ÇİZELGELERİN LİSTESİ... xiv ŞEKİLLERİN LİSTESİ... xv RESİMLERİN LİSTESİ... xxi SİMGELER VE KISALTMALAR... xxii 1. GİRİŞ İLETİŞİM HATLARI Telefon Hatları Radyo Frekanslı İletişim Hatları Enerji Hatları Enerji Hattı Parametreleri Hattın birim uzunluğunun çevrim direnci (R) Deri olayı ve çevrim direncine etkisi Yakınlığın çevrim direncine etkisi (proximity) Hattın birim boy uzunluğunun endüktansı Birim uzunluğunda hat parçasının iletkenleri arasındaki kısmi ve efektif kapasite Birim uzunluğunda hat parçasının iletkenleri arasındaki perditans... 14

10 x Sayfa 2.5. Enerji Hattı Modellemesi Enerji Hattında Haberleşmeye Etki Eden Faktörler Hat empedansı ve ölçümü Enerji Hatlarında Olumsuz Etkiler Hat empedansının etkisi Enerji Hatlarında İletim Ortamı Kuranportör sistemi Enerji Hattı Üzerinden Haberleşme Standartları CENELEC standardı FCC standardı Güç Hatlarında Oluşan Gürültüler Korona gürültüsü Korona gürültü nedenleri Dürtü gürültüsü Gürültü karakteristiği Gürültü sinyallerinin ölçülmesi Ev ortamında gürültü kaynakları ve etkileri Gürültü Sinyallerinin Frekans Spektrumu Şebeke Durumunun ve Harmoniklerinin Gözlemlenmesi DAYG Sistemlerde Girişim... 34

11 xi Sayfa Diğer PLC Sistemleri Arasında Girişim Anahtarlamalı Güç Kaynaklarının Etkisi FARKLI FREKANSLI SİNYALLERİN SİMÜLASYONU RLC Band Geçiren Filtreler RLC Filtre Parametreleri Sönümleme faktörü Band genişliği (Bandwidth) Kalite faktörü MATLAB Simulink te Filtre Modellemeleri Derece bant geçiren filtrenin Simulink te simülasyonu Dereceden bant geçiren filtrenin Simulink te simulasyonu Filtre Empedansı Şebeke Sinyali Üzerine Yüksek Frekanslı Sinyalin Bindirilmesi ENERJİ HATTI ÜZERİNDE YAPILAN ÖLÇÜMLER Deneysel Sonuçların Yapay Sinir Ağları ve Regresyon Analizi ile Yorumlanması Yapay Sinir Ağlarının Yapısı ve Temel Elemanları Yapay sinir hücresi Öğrenme Algoritmaları Geri yayılım öğrenme algoritması Levenberg- Marquardt algoritması... 64

12 xii Sayfa 4.4. Sinyal Frekansının Haberleşmeye Etkisinin YSA İle Modellenmesi ENERJİ HATLARINDAN İLETİŞİM UYGULAMALARI Sıfır Geçiş Anlarında ASK Haberleşme Uygulaması Verici Sistemin tasarlanması Alıcı sistemin tasarlanması Alıcı ve vericinin senkron haberleşmesinin sağlanması FSK Modülasyonu İle Enerji Hattından Veri İletimi FSK modülasyonu XR-2206 FSK modülatör devresi XR 2211 FSK demodülatör devresi Sinyalin FSK modülasyonlu olarak hatta uygulanması Sinyalin enerji hattından alınması Band geçiren aktif filtrenin tasarlanması Yükselteç devresinin tasarlanması Tasarlanan sistem üstünlükleri Sistemin uygulanabileceği alanlar Basit Donanım ile Programsal Olarak Haberleşen Sistem Tasarımı PIC mikrodenetleyicilerde işlem saykılı Verici sisteme ait sinyallerin oluşturulması Haberleşme standardının oluşturulması

13 xiii Sayfa Alıcı sistemde yazılım geliştirilmesi Alıcı için filtre tasarım programında filtre tasarımı ISIS programında tasarlanan filtrenin simülasyonu Tasarlanan sistemin uygulanması SONUÇ VE ÖNERİLER KAYNAKLAR EKLER EK-1. ASK Uygulamasına ait devre çizim ve programları EK-2. FSK uygulamasına ait devreler ve yazılım kodları EK-3. Basit donanımlı programsal olarak haberleşen sisteme ait devreler ve yazılım kodları ÖZGEÇMİŞ

14 xiv ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 2.1. Enerji hattında frekansa göre akım-empedans ölçüm değerleri Çizelge Hat gerilimiyle oluşan iyi ve kötü hava koşullarında görülen güç Çizelge seviye 1 ve 2 nöronlardan elde edilen Eş.4.14 te kullanılan sabitler Çizelge arası 2.seviye nöronlar için LM algoritmasından elde edilen ve Eş te kullanılan sabitler Çizelge arası 3.seviye nöronlar için LM algoritmasından elde edilen ve Eş da kullanılan sabitler Çizelge arası 4. seviye nöronlar için LM algoritmasından elde edilen ve Eş de kullanılan sabitler Çizelge Son seviye çıkış nöronu için LM algoritmasından elde edilen ve Eş de kullanılan sabitler Çizelge Modülatör devresi özellikleri ve parametreleri Çizelge Demodülatör devresi özellikleri ve parametreleri Çizelge Filtre özellikleri ve parametreleri Çizelge Farklı frekanslara göre bulunan gecikme değerleri Çizelge START sinyalinin frekanslara göre süre ve adetleri Çizelge Dijital 1 sinyalinin frekanslara göre süre ve adetleri Çizelge Dijital 0 sinyalinin frekanslara göre süre ve adetleri

15 xv ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil a) İçi dolu silindirik bir telde yüksek frekans akım yoğunluğunun dağılımı Şekil Yakın mesafede olan tellerden akan akımların birbirini etkilemesi Şekil Enerji hattı modeli Şekil Rezonans devresi genlik ve faz karakteristiği Şekil a) 40m mesafede farklı frekanslarda ölçülen sinyaldeki zayıflama Şekil Enerji hatlarında zayıflama Şekil Hat empedansının ölçülmesi Şekil Ölçüm sonuçlarına göre oluşturulan hattın frekans-empedans grafiği Şekil Frekansa göre hat empedansı Şekil Empedans uyumsuzluklarından dolayı oluşan kayıplar Şekil Hz üzerine binmiş yüksek frekanslı sinyal Şekil CENELEC frekans band tanımlamaları Şekil Çift taşıyıcı frekanslı haberleşme Şekil FCC standardı frekans aralıkları Şekil Enerji hattından haberleşme(plc) standart frekansları Şekil Enerji hatlarındaki gürültü sinyalinin gözlemlenmesi Şekil Hattaki gürültü sinyallerinde bit-hata oranının oluşabileceği anlar Şekil Dimmer devresinin tetikleme açısına göre oluşabilen bit-hata grafiği... 32

16 xvi Şekil Sayfa Şekil Enerji hattındaki gürültü sinyalleri Şekil Hattan belirli saatler boyunca ölçülen L2 fazı harmonikleri Şekil Anahtarlamalı tip güç kaynağının hatta verdiği gürültü sinyalleri Şekil Anahtarlamalı tip güç kaynağının şebekeye bağlanması Şekil C band filtre frekans cevabı Şekil A band filtre frekans cevabı Şekil Paralel LC bant geçiren filtre Şekil Seri LC bant geçiren filtre Şekil kHz sinyalin 1.dereceden paralel LC filtre ile alınması için Simulinkte kurulan devre Şekil Hatta verilen sinyalin Simulink çıktısı Şekil kHz ve 140kHz giriş sinyalleri için filtre çıkış sinyalleri Şekil Filtreye ait bode diyagramı Şekil dereceden filtre testi için Simulink model Şekil Rezonans frekansında (140kHz) filtre çıkış sinyali Şekil kHz ve 150kHz için filtre çıkış sinyalleri Şekil Dereceden filtreye ait bode diyagramı Şekil Seri LC filtre Q faktörü seçimi Şekil Farklı frekanstaki kaynakların modülasyonunun Simulink te modeli Şekil kHz de ana sinyal, yüksek frekanslı sinyal ve elde edilen toplam sinyal... 48

17 xvii Şekil Sayfa Şekil kHz de ana sinyal, yüksek frekanslı sinyal ve elde edilen toplam sinyal Şekil Enerji hattında ölçüm yapmak amacıyla oluşturulan devre Şekil m mesafede kHz değişken frekanslı sinyalde oluşan kayıp Şekil Basit bir yapay sinir hücresi şekli Şekil Doğrusal aktivasyon fonksiyonu Şekil Hiperbolik tanjant aktivasyon fonksiyonu Şekil Sigmoid aktivasyon fonksiyonu Şekil Signum aktivasyon fonksiyonu Şekil Eşik aktivasyon fonksiyonu Şekil Genel bir geri yayılım ağ yapısı Şekil İleri beslemeli bir ağ için geri yayılım akış şeması Şekil Tek katmanlı hücrenin Matlab' da kısaltılmış şekli Şekil Üç katmanlı YSA için kısaltılmış gösterim Şekil Enerji hattında sinyal zayıflaması tahmini için 14 nöronlu YSA Şekil kHz frekans aralığında 150m mesafede YSA sonucu elde edilen zayıflama Şekil Ölçüm sonuçlarının ve YSA sonuçlarının grafiksel olarak Şekil Verici ünite blok diyagram Şekil PIC16f628 mikrodenetleyicili osilatör devresi Şekil Sürücü devre ve sinyalin hatta uygulanması... 78

18 xviii Şekil Sayfa Şekil ASK haberleşme Şekil Alıcı ünite blok diyagramı Şekil Yüksek geçiren RC filtre testi Şekil RC filtre faz-frekans eğrileri Şekil Kublaj devresi ve RC yüksek geçiren filtre Şekil Sinyal yükseltici devre Şekil Sıfır geçiş anlarında start sinyali ve örnek 8 bit veri gönderimi Şekil Start bilgisindeki 111 sinyalinin beklenmesi programı Şekil a) Başlangıç bilgisindeki 0 sinyalinin beklenmesi programı akış Şekil Dijital bilgiye karşılık gelen FSK sinyali Şekil PLL blok diyagramı Şekil FSK Modülatör devresi Şekil FSK Haberleşme uygulaması Şekil dijital bilgisi için modülator çıkış sinyali Şekil dijital bilgisi için modülator çıkış sinyali Şekil FSK demodülatör devresi Şekil Tasarlanan verici devre blok şeması Şekil Enerji hattı bağlı iken push-pull amplifikatör çıkış sinyali Şekil Push-Pull amplifikatör

19 xix Şekil Sayfa Şekil Enerji hattı bağlı iken transformatör çıkışından ölçülen sinyal Şekil Fazlar arasının kondansatör ile şöntlenmesi Şekil Sinyalin hattan alınması Şekil Enerji hatlarından haberleşen mesaj gönderme sisteminin genel yapısı Şekil Bant geçiren aktif filtre değişkenleri Şekil Aktif filtre bode diyagramı ve Q faktörü Şekil Derece bant giren aktif filtre Şekil kHz bant geçiren aktif filtre kaskat bağlantı Şekil LF353 ile yapılan eviren yükselteç Şekil Alıcı ve verici ünite basitleştirilmiş blok diyagram Şekil Haberleşmede kullanılacak bit ler ve uzunlukları Şekil Start bilgisi Şekil Dijital 1 bilgisi Şekil Dijital 0 bilgisi Şekil Örnek olarak 9 dijital bilgisinin gönderilmesi ve simülasyonu Şekil START bilgisinin kontrol edilmesine ait program akış diyagramı Şekil Start bitinden sonra 1ms uzunluğundaki bitlerin saykıl sayılarının tespiti Şekil Saykıl uzunluklarına göre 1 ve 0 dijital bilgilerinin elde edilmesi 125

20 xx Şekil Sayfa Şekil Alıcı ve Verici Programının ISIS programında denenmesi Şekil Filter Pro programında; a) Filtre özelliklerinin girilmesi b) filtrenin Şekil Filter Pro programı tarafından tasarlanan filtre devresi Şekil ISIS programında filtrenin kurulması Şekil ISIS programında filtrenin frekans eğrisinin simülasyonu Şekil kHz giriş sinyaline göre çıkış sinyali Şekil kHz giriş sinyaline göre çıkış sinyali Şekil Tasarlanan verici devre sinyal gönderme bölümü Şekil Tasarlanan alıcı devre sinyal alma bölümü Şekil Verici tarafta kublaj transformatörüne verilen 150kHz dijital 9 bilgisi Şekil Alıcı tarafta 40m mesafeden kublaj transformatörü çıkışından alınan sinyal Şekil Dijital 0 bilgisi Şekil Alıcı tarafta alınan dijital 0 bilgisinin açılımı

21 xxi RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 3.1. a) Hattan 150m uzakta ölçülen sinyal b) Opamplı karşılaştırıcı çıkışından ölçülen sinyal Resim a) Tasarlanan verici devre b) Mikrodenetleyici ve sürücü devresi çıkış Resim m mesafede alıcı sistemden elde edilen sinyal Resim Tasarlanan verici devre Resim a) 10kHz sinyal için çıkış b) 80kHz sinyal için çıkış Resim kHz giriş sinyaline göre filtrenin çıkış sinyali Resim Hattan alınan sinyal ve yükseltilen sinyal Resim a) Alıcı devre ve anahtarlamalı tip güç kaynağı ile çalıştırılması b) Verici devre Resim Tasarlanan verici sistem Resim Tasarlanan alıcı sistem Resim Alıcı ve verici devrenin birlikte denenmesi. (Mesafe=40m) Resim Verici devresi Resim Alıcı devresi ve lamba kontrolü Resim Kazan dairesine uygulanan alıcı ve ısı gönderen sistem

22 xxii SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama v i R L C G Q V f X C X L db Z ω Δw Gerilimin ani değeri (V) Akımın ani değeri (A) Direnç (Ω) Endüktans (H) Kapasite (C) Perditans (P) Kalite faktörü(q) Gerilim (V) Frekans(Hz) Kapasitif reaktans(ω) Endüktif reaktans(ω) Desibell(dB) Empedans(Ω) Transfer fonksiyonu Açısal frekans Band genişliği Aktivasyon fonksiyonu

23 xxiii Kısaltmalar Açıklama AA AG ASK BM BPSK DA EDH EİH FSK GND GYA LM OG PLC PLL PSD PWM RMS SNR YG YSA Alternatif Akım Alçak Gerilim Amplitude Shift Keying Bulanık Mantık İkili Faz Kaydırmalı Anahtarlama Doğru Akım Enerji Dağıtım Hattı Enerji İletim Hattı Frekans Kaymalı Anahtarlama Ground Geri Yayılım Algoritması Levenberg - Marquardt Orta Gerilim Power Line Communication Faz Kitlemeli Döngü Güç Spektrum Yoğunluğu Pulse Width Modulation Etkin Değer Signal Noise Ratio Yüksek Gerilim Yapay Sinir Ağı

24 1 1. GİRİŞ Günümüzde veri iletim ortamları olarak uzak mesafelerde fiber-optik kablolar, bina içi uygulamalarda ise kablolu network teknolojileri kullanılmaktadır. Diğer yandan kablosuz radyo frekans kontrolü basit veri haberleşmesi uygulamalarında açık alanlı kısa mesafelerde kullanılmaktadır [1,2]. Enerji hattı üzerinden veri işlemi Powerline communication-plc ismi ile literatürde yer almaktadır. Bu çalışmada, temel olarak yüksek frekanslı veri sinyali enerji hattı üzerine uygulanır. Verinin alınması gereken noktada enerji hattı üzerinden yüksek frekanslı veri sinyali tekrar alınarak haberleşme gerçekleştirilir. Kullanılan yüksek frekansın frekans değeri oldukça önemlidir. Bu frekans sistemin bant genişliği olarak ta isimlendirilir [3]. Haberleşme hızı arttırılmak istenirse, bant genişliği yüksek olmalıdır. Son zamanlarda yapılan çalışmalarda yüksek hızlı haberleşme için 1-20MHz frekans aralığı kullanılmaktadır [4]. Yüksek bant genişliğinde kullanılan haberleşme frekansında önemli bir problem; aynı frekansı kullanan diğer haberleşme sistemleri ile etkileşmedir. Bu durum hem haberleşmede hem de karşı sistemin haberleşmesinde problemlere yol açabilir. Bu sistemlere; uçak navigasyonları, telsizler, radyo frekansında (RF) haberleşen sistemler örnek verilebilir. Bu sebeple son zamanda yapılan çalışmalarla maksimum güç seviyeleri ve haberleşme frekans aralıkları standartlaştırılmaya çalışılmıştır [5,6]. Genellikle haberleşme sistemlerinde empedans uyumluluğu çok önem arzeder. 50Ω çıkış empedanslı bir alıcı-verici sisteme 50Ω koaksiyel kablonun bağlanması buna örnektir. Ancak enerji hatlarından haberleşme buna uygun değildir, çünkü hat empedansı farklı yükler ve farklı bölgelere göre zamanla değişiklik gösterir. Bu empedans değeri miliohm seviyesinde olabileceği gibi birkaç yüz ohm a kadar da çıkabilir [7-9].

25 2 Enerji hattı üzerinden haberleşmenin en büyük avantajı her mekânda enerji kablolarının bulunması ile ilave kablo bağlantısı gerektirmeden en ucuz maliyet ve işçilikle gerçekleştirilmesidir [10,11]. Enerji hatları üzerinden sayısal haberleşmenin tarihçesi incelendiğinde, Alçak gerilim (AG) hatları üzerinden 1838 yılında İngiltere de Londra-Liverpool telgraf sistemi bataryalarının gerilim seviyelerinin kontrolü, 1897 de yine İngiltere de sayaçların elektrik hatlarından sinyalleşme ile okunması sağlanmıştır yılında ABD de Chicago da elektrik sayaçlarının aynı sistemle okunmasının patenti alınmıştır. Yüksek gerilim hatlarından Elektrik Hatları Taşıyıcısı (EHT) (Powerline Carrier/PLC) ile ses iletimi de 1930 lu yıllarda gerçekleşmiştir [12]. Enerji hatları üzerinden haberleşmenin en çok kullanıldığı alanlar; ev otomasyonu, sayaç okuma, ısıtma ve soğutma sistemlerinin kontrolü, yangın ve alarm sistemleri, güç yönetim ve kontrol sistemleri, internet paylaşımı ve bina içi veri haberleşmesi (Home Plug) gösterilebilir [13]. Ev otomasyonu uygulamalarında haberleşme protokolü geliştirilmiş ve bu protokole X10 adı verilmiştir. Bu işi yapan alıcı verici sistemlere X10 arabirimi de denir. X10 arabirimi, elektrik enerji hattı üzerindeki AC sinyalin her sıfırdan geçişini takip eden süreçte, kristal tarafından üretilen taşıyıcı sinyalin üzerine 1 ms süreli yüksek frekanslı bir sinyal bindirerek ya da bindirmeyerek gönderim yapar. X10 arabirimi alıcı durumunda çalışırken hattaki AC sinyalin her sıfırlanmasını takip eden bu süreçte hat üzerinde yüksek frekanslı atışların olup olmadığına bakar. Kullanıcı, iletişim arabirimleri ile güvelik numarası, adres bilgisi ve komutları X10 arabirimine iletebilmektedir [14]. Osama ve arkadaşları çalışmalarında dijital veri sinyalinin 220V şebeke hattına uygulanması için çeşitli sistemler önermiş ve ayrı ayrı bu sistemleri incelemişlerdir. Yüksek frekanslı sinyali enerji hattına uygulayan ara devrelere kublaj devreleri denir.

26 3 Bu kublaj devrelerinin dizaynı ile bant genişliği arttırılmaya çalışılmış ve kublaj olarak endüktif kublaj, kapastif kublaj ve bazı hybrid tasarımlar sunmuşlardır. Makalede bazı ülkelerde özelliklede düşük şebeke gerilimi kullanan ülkelerde ortak kublaja izin verilmediği belirtilmektedir. Bunun nedeninin ise kullanıcılarda gerilimdeki potansiyel değişimden dolayı tehlike oluşturduğu vurgulanmıştır. Enerji hatları üzerinden haberleşmede şebeke ile PLC sisteminin tamamen izole edilmesi zorunluluğundan dolayı kublaj devresinin önemi anlatılmıştır [15]. Park ve arkadaşları yaptıkları çalışmalarında, X-10 sisteminde veri sinyalinin uzun mesafelere iletiminin çok zor olduğundan bahsedilmiş, bunun en büyük sebebinin de gürültü (distorsiyon) ve sinyalin zayıflaması olduğu belirtilmiştir. Bunun için de zaman zaman sinyalin zayıfladığı noktalara tekrarlayıcı eklenerek mesafenin artacağı öngörülmüştür. Tekrarlayıcıların kullanım çokluğuna göre mesafenin 5-50km ye kadar çıkabileceğinden bahsedilmiştir. Bu çalışmada esas olarak verinin uzun hat boyunca belirli aralıklarla tekrarlanması için protokol geliştirilmiş ve mevcut X-10 sistemine uygulanarak mesafenin artması sağlanmıştır. Daha sonra sinyalin matematiksel analizi yapılmıştır [16]. Zobi ve arkadaşlarının yaptığı çalışmada PLC sistemi 220V/50Hz şebekeye uygulanmış ve taşıyıcı frekans ise 140kHz seçilmiştir. Uygulama alanı olarak 1 byte dijital verinin gönderilmesi üzerine çalışılmıştır. Makalede bahsedilen PLC nin normal kablo üzerinden gönderilen verilere göre ve kablosuz haberleşme sistemi ile gönderilen verilere göre en önemli yararları şu şekilde sıralanmaktadır; 1) Uygulanabilirliği diğer sistemlere göre daha kolay, maliyeti ise daha ucuzdur. 2) PLC, hem kablosuz (wireless) haberleşmeye göre hem de telefon hatlarından yapılan haberleşmeye göre daha güvenlidir. Herhangi bir mekan veya yerleşkede PLC ile gönderilen veri sinyali başka kimseler tarafından kesilemez. Bunun dışında da PLC sistemlerinde bir dezavantaj olarak gürültü sinyallerinin sistemi olumsuz yönde etkilediği belirtilmiştir. PLC sistemlerinde hattaki yüklerden ve gürültü sinyallerinden dolayı sinyalde değişim veya zayıflama meydana gelmekte bu durumda haberleşme kalitesini düşürmektedir aynı zamanda da bant genişliği sınırlıdır [17].

27 4 Microchip firmasının AN236 uygulama örneği olarak sunduğu makalede kapasitif kublaj yöntemi ile PIC16F877 entegresinde PWM olarak oluşturulan 120kHz lik veri sinyali hatta gönderilerek X-10 uygulaması yapılmıştır. Veri gönderimi şebekenin 0 geçiş noktaları ile senkron olarak gönderilmektedir. Şebekeden verinin alınması için yine kapasitif kublaj ile yüksek geçiren filtre üzerinden alınıp zarf dedektörüne verilmiş ve zarf dedektörü ile sinyal seviyesi TTL seviyesine dönüştürülüp mikrodenetleyici tarafından algılama sağlanmıştır [18]. Kural ve arkadaşlarının çalışmasında, sayısal iletişim ortamı olarak kullanılabilmesi için alçak gerilim hattı (AGH) nın zayıflatma ve gürültü modellerinin oluşturulmasında kullanılan standart ve literatür bilgileri ile ölçüm teknikleri sunulmuştur. Özellikle 9 khz khz frekans aralığında AGH nın iletişim ortamı olarak kullanılması konusunda oluşturulan bu modeller tartışılmıştır. Ayrıca enerji hattı boyunca sinyal genliğinde zayıflama ve sinyalde bozulma problemlerinin oluşacağından bahsedilmiş, bu zayıflama değerinin ise hat üzerine uygulanacak sinyalin çeşitli noktalardan ölçülerek güç değerinin hesaplanmasıyla zayıflama oranlarının bulunabileceği belirtilmiştir. Ancak herhangi bir uygulama gerçekleştirilmemiştir [19]. Karataş ve arkadaşlarının çalışmasında, PLC haberleşme için üretilmiş TDA 5051 entegresi ile mikrodenetleyici haberleştirilerek mevcut bir hat üzerindeki cihaz kontrolü yapılmıştır. Bunun içinde bilgisayarda yazılan bir ara yüz programı ile kontrol sağlanmıştır. Bu çalışmada farklılık olarak kontrol sinyali iki kez gönderilerek gürültü probleminin etkisi azaltılmaya çalışılmıştır [20]. Lebron çalışmasında, PLC alanında çalışmaların devam ettiğini ve her çalışmanın kendine özgü tasarım ve haberleşme gerçekleştirdiğini, bu nedenle de bu çalışmada da PLC sistemi için bir gönderici ve alıcı devre üzerine tasarım gerçekleştirildiğinden bahsedilmiştir. Çalışmada, hat üzerinde gürültü sinyalleri ölçülmüş ve öncelikle filtre tasarımı için geliştirilen devre analiz edilmiştir. Analiz sonucunda giriş ve çıkış dalga şekilleri geçirdiği ve geçirmediği frekans aralıklarına göre gösterilmiştir. Daha sonra hatta filtreden sonra alınan sinyal için kazanç yükselteci tasarımı üzerine çalışma

28 5 yapılmış, sunulan transistörlü amplifikatörlerden ve matematiksel analizlerinden sonra bir opamplı yükselteç önerilmiştir. Tasarlanan sistemler simülasyon programında analiz edilip sonuçlar tartışılmıştır. Tez sonucunda da bu alanda gönderici ve alıcı sistemlerin geliştirmeye açık olduğu belirtilmiştir [21]. Sutterlin ve Downey çalışmalarında enerji hattına olumsuz yönde etki eden faktörleri incelenmiştir. Hatta sinyal zayıflamasından bahsedilmiş ve zayıflamanın haberleşmede oluşturduğu hata incelenmiştir[22]. Shang ve arkadaşları yaptıkları çalışmada OFDM modülasyonu ile haberleşme gerçekleştirmiş bunun için XC2VP20 chipli FPGA programlanabilir kart kullanarak uygulama yapmışlardır. OFDM modülasyonda 200kHz-400kHz aralığını kullanarak dar bandlı haberleşme gerçekleştirmişlerdir. Uygulamada mesafe konusunda bir bilgi verilmemiştir [23]. Paruchiri ve arkadaşları çalışmalarında enerji hatları üzerinden veri haberleşmeciliğinde güvenlik üzerine bir araştırma yapmışlardır. Veri göndermede matematiksel bir denklem önermiş ve bu denklem ile verinin değiştirilip gönderilmesi ile güvenliğin sağlanabileceği savunulmuştur [24]. Cheng ve arkadaşları enerji hattı üzerinden haberleşmede sistem kapasitesine etki eden frekans ve mesafenin haberleşmede etki durumunu incelemişler ve sinyal gürültü oranına (SNR) etkisini araştırmışlardır. Çalışmada belirli mesafelerden sinyal ölçümleri gerçekleştirilip zayıflama durumları incelenmiş ve frekans arttıkça zayıflama oranının arttığı, mesafenin artması ile de zayıflama oranının çok daha fazla arttığı grafiksel olarak verilmiştir. Ölçümler 100m, 150m ve 200m mesafelerden gerçekleştirilmiştir [25]. Dange ve Gondi çalışmalarında X10 kodlu bir powerline modem kullanarak bilgisayar üzerinden bir ev ortamındaki lamba ve prizleri açma kapama gibi uygulama gerçekleştirmişlerdir. Ayrıca Web üzerinden bilgisayar yazılımınıda kontrol ederek mekan dışında da uzaktan kontrol sağlamışlardır [26].

29 6 Emleh ve arkadaşları enerji hatlarından veri alan alıcılara etki eden diğer gürültü faktörlerini incelemiş ve ölçüm sinyallerini sunmuşlardır. Alıcı sisteme bağladıkları analizör ile haberleşme anında radyo frekanslı kumanda ile ortama sinyal göndermiş ve enerji hattından veri alan alıcı üzerindeki etkisini incelemişlerdir. Bu etkiye göre kullanılan kublaj devresindeki tranformatör ve kondansatör değerlerine göre bozucu RF sinyalinin etkisini araştırmışlar ve bu değerlerin RF sinyalinden etkilenme olasılığını azaltmada etkili olduğunu göstermişlerdir [27]. Bu çalışmada, öncelikle enerji hattı üzerinden haberleşmede etkili olan faktörler incelenmiştir. Bu faktörlerden hat empedansı ölçümü için hatta farklı frekanslar uygulanarak her frekans için empedans değeri hesaplanmış ve frekans-empedans grafiği elde edilmiştir. Ayrıca haberleşmede hatalara sebep olan gürültü sinyal çeşitleri incelenmiş ve enerji hattına gürültü sinyali veren kaynakların etkileri incelenmiştir. Daha sonra hat farklı frekanslarda uygulanan sinyal belirli mesafeden ölçülerek sinyalde oluşan zayıflamanın frekansa göre etkisi incelenmiş ve YSA ile hatta uygulanan sinyalde frekansa bağımlı zayıflama tahmin modeli oluşturulmuştur. Son olarak farklı modülasyonlar kullanılarak enerji hatları üzerinden haberleşmek için farklı uygulamalar geliştirilmiştir. Geliştirilen uygulamaların en büyük özelliği hazır power line modem entegresine ihtiyaç duyulmamasıdır.

30 7 2. İLETİŞİM HATLARI Dağıtım şirketleri ile tüketiciler arasında veri iletişimini sağlamak için çeşitli iletişim linkleri mevcuttur. Bunlardan birinin seçilmesi, şebekenin coğrafik durumuna, iletişim ortamının sağlanabilir oluşuna ve işin maliyetine bağlıdır Telefon Hatları Dağıtım şirketleri ile tüketiciler arasında kullanılabilecek iletişim kanallarından biri de mevcut telefon hatlarıdır. Mevcut telefon hatlarının kiralanması (kuruluş maliyetlerinin olmaması nedeni ile) tercih edilebilir. Fakat sınırlı hizmetleri desteklemesi, telefon parasının ödenmesi ve tüketicilerin tercih etmemesinden dolayı pek yaygın kullanılamamaktadır. Büyük tüketicilerle dağıtım şirketleri arasındaki iki yönlü haberleşmede kullanılabilir durumdadır Radyo Frekanslı İletişim Hatları Elektrik şirketleri ile tüketiciler arasında kullanılan haberleşme kanallarından biri de radyo frekanslı GSM/GPRS sistemleridir. GSM de ücretlendirme kullanım süresine göre yapılırken, GPRS (genel paketlenmiş radyo servisi) sisteminde ise gönderilen veri miktarına göre yapılmaktadır. Dolayısıyla GPRS daha çok tercih edilen link durumundadır. Buna ek olarak, telsiz iletişim olması, radyo haberleşmeli ekipmanlarla uyumlu olması ve iletişimin çok düşük bir hata oranı ile yapılması GPRS sisteminin tercih edilmesinin diğer sebepleridir [28]. Telsiz haberleşme teknolojilerinin çok gelişmiş olması ile bu teknolojilerin tüketici noktaları ile elektrik şirketi arasında oluşturulan haberleşme ağının kurulmasında kolaylıkla uygulanabilir olması, bu sistemi cazip kılmasına rağmen, yüksek fiyatlı olmasından dolayı daha çok büyük tüketici noktalarıyla, dağıtım şirketi arasındaki haberleşme ağının oluşturulmasında kullanılmaktadır.

31 8 Bütün bunlar, dağıtım şirketleri ile tüketiciler arasında iki yönlü veri iletişimi için kurulan haberleşme ağlarının oluşturulmasında kısmen veya tamamen elektrik dağıtım hatlarının kullanılmasını zorunlu kılmaktadır Enerji Hatları Elektrik iletim hattı (EİH) elektrik santralinde kontrollü ve planlı olarak elde edilmiş elektrik enerjisinin, santrallerden dağıtım hatlarına iletilmesini sağlayan hatlardır. Elektrik üretim tesisleri ile, elektrik tüketim bölgeleri yakınlarındaki transformatör istasyonları; transformatör istasyonları ile son tüketici arasında elektrik enerjisi iletimini sağlayan sistemdir. Elektrik hatlarının döşenmesinde maliyet, iletim hattının güzergahı, coğrafik durum, arazi durumu, hattın güvenlik konumu gibi hususlar incelenir. Elektrik hattının güvenli bir şekilde yapımı ve elektriğin minimum kayıplarla iletilmesi çok önemlidir. Elektrik dağıtım hatlarının mevcut olması, kontrollerinin dağıtım şirketlerinin kendilerinde olması, elektrik iletmek için her müşteriye ulaşmış ve elektrik sayaçlarına bağlı olmaları nedeniyle enerji hatları iki yönlü haberleşme için çok uygun bir iletişim ortamı olarak görülmüştür. Buna rağmen; şebeke empedansının yüklerle birlikte sürekli değişmesi (dolayısıyla iletişim işaretinin zayıflaması), güç sistemlerinde doğal olarak çok geniş bir frekans aralığında gürültü üretilmesi ve iletişim için dağıtım transformatörlerinin köprü gerektirmesi dağıtım hatlarının haberleşme ağı oluşturma için zor bir ortam olmalarına neden olmaktadır. Bu sebeple, dağıtım hatları üzerinden veri iletişiminde kullanılan haberleşme teknolojilerinin ileri teknolojiler olmalarını zorunlu kılmaktadır. Bu bağlamda göz önüne alınması gereken iletişim değerleri; frekans bölgesi, modülasyon teknikleri, haberleşme işaretinin gücü, protokoller, empedans karakteristikleri, filtreleme teknikleri ve ayrıca bozucu işaretlere karşı bağışıklıktır [29]. Bazı araştırmacılar ve haberleşme teknolojisi üreticileri, aslında elektrik hatları üzerinden yapılan veri iletişiminin Yönlendirilmiş Telsiz Haberleşme olduğunu ve bu nedenle elektrik dağıtım hatlarını kullanarak oluşturulan haberleşme ağlarının

32 9 tasarımında kablosuz haberleşme teknolojilerinin rahatlıkla uygulanabileceğini ifade etmektedirler. Enerji hatları üzerinden haberleşme Yönlendirilmiş Kablosuz Haberleşme olarak ta adlandırılabilir. Elektrik hatları üzerinden iletişimde kullanılacak protokollerin seçiminde göz önüne alınacak faktörler; hattın karakteristiği, iletişim hızı, modülasyon tekniği, hata algılama ve hata düzeltme teknikleridir. Dağıtım hatları üzerinden haberleşmede empedansının sürekli değişmesi ve ortamın aşırı gürültülü olması nedeni ile verilerin modüle ve de-modüle edilmesinde kullanılan modülasyon tekniklerinin ileri modülasyon teknikleri olmasını gerektirmektedir. Telsiz haberleşmedeki gelişmelerden esinlenerek, son zamanlarda önerilen ve kullanılmaya başlanan modülasyon yöntemleri; FSK(frekans kaydırmalı anahtarlama), BPSK (İkili Faz kaydırmalı anahtarlama), CPFSK (Sürekli faz modülasyonlu anahtarlama) ve QASK (dördün genlik kaydırmalı anahtarlama) teknikleridir. Bazı durumlarda haberleşmenin güvenliği açısından bu tekniklerin biri asıl, bir diğeri ise yedek olarak kullanılmaktadır [30] Enerji Hattı Parametreleri Simetrik transmisyon hatlarını oluşturan iletkenlerin her birim uzunluğunun bir direnci (R) ve bir endüktansı (L) vardır. Homojen bir hattın transmisyon özelliklerini tamamıyla tanımlayan elektriksel parametrelere birincil parametreler denir. Bu parametreler, hattın yapımında kullanılan malzemelerin iletkenliği, geçirgenliği, dielektrik sabiti gibi fiziksel özelliklerine, boyutlarına ve geometrik konumlarına göre değiştiği gibi, çevre koşullarının değişmesinden de etkilenmektedir. R, L, C ve G olarak belirtilen Birincil parametreler nitelikleri bakımından ikiye ayrılırlar. Boyuna Parametreler: Direnç ve endüktans; Enine Parametreler: Kapasite ve perditans [31].

33 10 Transmisyona ait kavramların tanımları ve ölçmelerdeki öneminden dolayı, çeşitli frekans bölgelerinde gösterdikleri özellikleri de göz önüne alarak, birincil parametrelerin incelenmesi yararlı olacaktır Hattın birim uzunluğunun çevrim direnci (R) Çapı d, uzunluğu L, öz direnci ρ olan silindirik tek telin doğru akım direnci (2.1) formülü ile hesaplanır. Burada σ = 1/ρ olup σ - Tel malzemesinin özgül iletkenliği ρ - Tel malzemesinin özgül direnci r 0 - Tel yarıçapıdır. Hattın birim uzunluğunun çevrim direnci (çiftin gidiş-dönüş iletkenlerinin toplam direnci) (2.2) formülüyle hesaplanır. (2.2) Deri olayı ve çevrim direncine etkisi Alternatif akımda, frekans yükseldikçe, akım yoğunluğu tel kesitinin merkezinde azalır, yüzeye doğru gidildikçe artar. Çok yüksek frekanslarda hemen hemen bütün akım telin yüzeyinde, duvar kalınlığı b olan silindirik bir borudan akar. Deri olayı denilen bu olayın etkisiyle, telin kesiti adeta küçülmüş gibi olur ve sonuç olarak alternatif akımdaki efektif direnç R, doğru akım direnci R 0 a göre artar. Tel merkezinden uzaklaştıkça, akım yoğunluğunun değişimi (2.3) e göre

34 11 hesaplanabilir. (2.3) Burada ; olarak hesaplanır ve iletken malzemenin özellikleri ile belirlenen bir sabittir. Burada; µ 0 - Boşluğun magnetik geçirgenliğini; σ- Malzemenin özgül iletkenliğini µ r - Malzemenin bağıl geçirgenliğini; f- Frekansı göstermektedir. I 0 : DC akımda iletken kesitinden geçen akımın yoğunluğudur. I x : AC akımda iletken yüzeyinden x derinlikteki akımın yoğunluğudur. Şekil a) İçi dolu silindirik bir telde yüksek frekans akım yoğunluğunun dağılımı b) İçi dolu silindirik bir telde yüksek frekans efektif kesiti x = olduğunda değerini alır. Yani, iletken yüzeyinden x = 1/ b derinlikte akan DC akım f frekansındaki alternatif akımın e katıdır [32]. (2.4) olarak hesaplanan büyüklüğe eşdeğer deri kalınlığı adı verilir.

35 12 Yukarıdaki açıklamalar dikkate alınarak alternatif akım için bir iletkenin direnci Yüksek frekanslarda (5δ > r 0 > δ) [ ] (2.5) Çok yüksek frekanslarda (5 δ < r 0 ) [ ] (2.6) formülleri ile hesaplanır [33] Yakınlığın çevrim direncine etkisi (proximity) Simetrik haberleşme kablolarında aynı kablo içinde birbirine çok yakın birden fazla izole edilmiş tel olduğundan her telin direnci, komşu iletkenlerden geçen akımlardan da etkilenir ve yakın çevresi boş olan tek telin direncinden büyüktür. Ayrıca bu etkinin şiddeti frekansla değişir [34]. Şekil Yakın mesafede olan tellerden akan akımların birbirini etkilemesi Bu değişim yüksek frekanslarda denklem ile ifade edilir;

36 13 (2.7) Hattın birim boy uzunluğunun endüktansı Uzayda tek başına bulunan silindirik bir iletkenin iç endüktansı, alçak frekanslarda; (2.8) olarak belirlenmiştir [35]. İletkenden geçen akımın iletken içinde meydana getirdiği magnetik akının değişimi ile oluşan bu iç endüktans frekansla değişir ve yüksek frekanslarda bakır ve alüminyum bir kablo için aşağıdaki formül ile hesaplanır. ( ) [mh/km] (2.9) olarak hesaplanır. Yüksek frekanslarda deri olayı nedeniyle akım iletkenin yüzeyine doğru itildiğinden iletken içindeki magnetik alanın şiddeti düşer ve frekans yükseldikçe iç endüktans küçülür. İletkenin dışındaki magnetik alana deri olayının bir etkisi yoktur. Zira bu alan toplam akıma tabidir. Bu nedenle, iletken dışındaki magnetik akı değişmelerinin doğurduğu dış endüktans frekanstan bağımsızdır. Sonuç olarak frekans yükseldikçe, iki telli simetrik bir transmisyon hattının efektif öz endüktansı küçülür ve belli bir frekanstan sonra sadece tel yarıçapı ve teller arası mesafe ile belirlenen sabit değere düşer.

37 Birim uzunluğunda hat parçasının iletkenleri arasındaki kısmi ve efektif kapasite Kablo imalatında simetriye büyük önem verildiğinden, gerek iletkenler arasındaki kısmi kapasiteler, gerekse iletkenlerin toprağa göre kısmi kapasiteleri kendi aralarında birbirine hemen hemen eşittir. İletkenler arasındaki kapasite kablonun geometrik boyutlarına olduğu kadar kullanılan yalıtkan malzemelerin özelliğine ve imal tarzına da geniş ölçüde bağlıdır. İki iletkenin arasındaki efektif kapasite, bunlardan birinin taşıdığı elektrik yükünün iki iletkenin potansiyelleri arasındaki farka oranı olarak ifade edilir. Hat boyunca sinyal zayıflamaları incelenirken, kapasitif kuplajlara neden olan, kısmi kapasitelerin göz önünde bulundurulması gerekmektedir [36] Birim uzunluğunda hat parçasının iletkenleri arasındaki perditans Transmisyon hatlarındaki enerji kaybının başlıca iki nedeni vardır: hat iletkenlerinde oluşan ısı kaybı ve iletkenler arası yalıtkan malzemedeki kayıplar. İletkenlerdeki ısı kaybı, bu iletkenlerin doğru akımda dahi belli bir omik direnci olmasından kaynaklanır. Yüksek frekanslarda direnç değeri frekansa bağlı olarak yükseldiğinden kayıplar da yükselmektedir. İletkenler arası yalıtkan malzemedeki kayıplar ise yalıtkan malzemenin direncinin sonsuz büyük ve AC dielektrik kayıplarının sonsuz küçük olmamasından kaynaklanır. Çok küçük de olsa, her yalıtkanın bir iletkenliği vardır ve kaynaktan çekilen gücün bir kısmı alıcıya ulaşmadan kısa yoldan geri döner [36] Enerji Hattı Modellemesi Enerji hatları seri bir empedans ve hatta bağlı yük olarak temsil edilen bir seri rezonans devresi olarak modellenebilir. Burada yükü temsil eden seri rezonans devresi direnç, bobin ve kondansatörden oluşmaktadır.

38 15 Şekil Enerji hattı modeli Şekil 2.3. teki rezonans devresinde seri RLC empedansı; (2.10) Rezonans frekansı ise; (2.11) Rezonans anında minimum empedans R direncine eşittir. Devrenin transfer fonksiyonu ise; (2.12) Elde edilen transfer fonksiyonuna göre Şekil 2.4 te rezonans devresinin genlik ve faz karakteristiği gösterilmiştir. Düşük ve yüksek frekanslarda transfer fonksiyonu 1 e yakındır. Rezonans frekansında ise empedans R direncine eşit olacağından enerji hattı bu durumda bant durduran filtre gibi davranır. Bu rezonans frekansında zayıflatma oranı ise Z empedansına ve R direncine bağlıdır. Rezonans devresinin Q kalite faktörü;

39 16 (2.13) (2.14) Q faktörü bant durduran filtrenin bant genişliğini belirler. Yüksek Q değeri bant genişliğini daraltır. Şekil 2.4 teki faz karakteristiği grafiğine göre seri rezonans devresi düşük frekanslarda kapasitif, yüksek frekanslarda endüktif özellik gösterir. Şekil Rezonans devresi genlik ve faz karakteristiği Bu modellemeden anlaşılacağı üzere enerji hattına uygulanan haberleşme sinyal frekansı hatta bağlı yüklerin temsil ettiği seri RLC devresi rezonans frekansına eşit olması durumunda hat bant durduran filtre gibi davranır ve sinyalde zayıflamaya yol açar. Burada filtre özelliği gösteren hattın bant genişliği geniş olursa, belirli bir frekans aralığı boyunca zayıflama daha fazla olur [37] Enerji Hattında Haberleşmeye Etki Eden Faktörler Yapılan deneysel çalışmalarda, kısa mesafelerde ve uzun mesafelerde hatta rastgele yükler varken, farklı frekans ve genlikte sinyaller verilerek ölçümler yapılmış ve alınan sonuçlar grafiksel olarak çizilmiştir. Ölçümlerin tam olarak değerlendirilmesi 4. bölümde yapılacaktır. Hatta uygulanan farklı frekans ve genlikteki sinyal belirli bir mesafeden sonra tekrar ölçülmüş ve genlik değerine göre db olarak kayıp

40 17 bulunmuştur. Aşağıda 40m ve 150m mesafede alınan genlik değerlerine göre iki ayrı grafik oluşturulmuştur. Şekil a) 40m mesafede farklı frekanslarda ölçülen sinyaldeki zayıflama b) 150m mesafede farklı frekanslarda ölçülen sinyaldeki zayıflama Nicholson ve Malack, frekansa göre uzun ve kısa mesafelerde ölçüm yaptıklarında Şekil 2.6. teki grafiği elde etmiştir [38]. Şekil Enerji hatlarında zayıflama Yapılan kısa mesafeli ölçümlerde zayıflamanın 15 20dB aralığında olduğu gözlemlenmiş, uzun mesafe ölçümünde ise db arasında zayıflama gözlemlenmiştir.

41 Hat empedansı ve ölçümü Enerji hatlarının empedansı çok önemlidir. Maksimum güç teoremine göre verici empedansı, hat empedansına eşit değerde olmalıdır. Bu sayede verici tarafında gönderilen sinyalde bozulma en az düzeyde gerçekleşir [38]. Bir PLC kanalındaki toplam zayıflama hat zayıflaması, şönt zayıflaması, bypass kayıpları ve birleştirme kayıplarından oluşmaktadır. Bu kayıplar empedans uyumsuzluklarından dolayı oluşan kayıplardır [39]. Şekil Hat empedansının ölçülmesi Hat empedansını ölçmek için hatta Şekil 2.7. deki devre kurulmuştur. Transistör üzerinden yüksek frekanslı transformatör anahtarlanarak kublaj devresi üzerinden hatta yüksek frekans uygulanmış ve 2,2Ω direnç üzerindeki maksimum tepe gerilimi ve kondansatörlerden hemen sonraki Vp-p gerilimi osilaskop ile ölçülmüştür. Bu ölçüm 0-250kHz frekans aralığında yapılmıştır. Direnç üzerindeki gerilim, direnç değerine bölünerek geçen akım bulunur. Belirtilen frekanstaki hat empedansı ise denklemler (2.15 ve 2.16) kullanılarak hesaplanmıştır. Hesaplamalarda hatta izolasyonu sağlayan 100nF/400V kondansatörlerin empedansları yüksek frekansta çok küçük olduğu için ihmal edilmiştir. Denklemlerde;

42 19 : Direnç üzerinde ölçülen gerilimin tepeden tepeye değeri : Direnç üzerinden geçen akımın tepeden tepeye değeri : Hat uçlarında ölçülen yüksek frekanslı gerilimin tepeden tepeye değeri Z=Hesaplanan hat empedansı (2.15) (2.16) Çizelge 2.1. Enerji hattında frekansa göre akım-empedans ölçüm değerleri Frekans(kHz) A V Z Ω 20 2,5 1, ,5 50 1,4 0, ,9 0,4 9, ,3 0, ,15 0,068 2,8 41, ,1 0, ,5 Şekil Ölçüm sonuçlarına göre oluşturulan hattın frekans-empedans grafiği

43 20 Şekil 2.8 deki grafiğe göre yapılan çalışmada frekans arttıkça hat empedansının arttığı gözlemlenmiştir. Nicholson ve Malack Amerika da 36 farklı bölgede frekans aralığı 20 khz 30MHz arasında değişen sinyal gönderme ile hat empedansını incelemişler ve frekans arttıkça karakteristik empedansın da arttığını keşfetmişlerdir. Bu ölçümleri yaparken hatta değişik özelliklerde çeşitli yükler bağlamışlardır. Yapılan çalışmada 20kHz frekansta hat empedansı 1 Ω iken frekansın arttırılıp 30MHz e çıkmasıyla hat empedansının 100 Ω değerine yükseldiği gözlemlenmiştir. Farklı Avrupa ülkelerinde yapılan çalışmalardan da benzer sonuçların alındığı gözlemlenmiştir [38]. Şekil 2.9 da Nicholson ve Malack ın kHz aralığındaki frekanslarda elde ettiği hat empedans grafiği görülmektedir. Şekil Frekansa göre hat empedansı Deneysel ölçümlerde elde ettiğimiz empedans-frekans grafiği Şekil 2.8 de elde edilen grafiğe oldukça yakındır.

44 Enerji Hatlarında Olumsuz Etkiler Enerji hatlarında gerilim iletiminde kayıplar oluşur. Bu kayıplar iletilen enerjinin akımında ve genliğinde zayıflamaya sebep olur. Hatlarda görülen kayıplar, radyasyon kayıpları, iletkenlerin kayıpları, dielektrik kayıpları ve toprak hattı birleştirme kayıplarıdır. Hat kayıpları taşıyıcı frekans ile doğru orantılı olarak bir artış gösterir. Yüksek gerilim hatlarında gerilim artışıyla birlikte güç kaybı azalır. Çizelge 2.2 de hattaki gerilimle iyi ve kötü hava koşullarındaki zayıflama görülmektedir [40]. Hava koşulları havai güç hatlarında önemli derecede zayıflamaya neden olmaktadır. Hattın zayıflama oranı kötü hava koşullarına göre 50kHz de 4:1 arasında, 250kHz de 5:1 arasında görülür. Diğer önemli husus orta faz ile topraklama birleşiminde topraklama hattının zayıf iletkenliğidir. İyi bir topraklama ile hat daha uzak mesafelere bilginin taşınması için birleştirme kayıplarını düşürür. Çizelge Hat gerilimiyle oluşan iyi ve kötü hava koşullarında görülen güç kayıpları İyi hava koşulları Kötü hava koşulları Hat gerilimi (db) (db) (kv) 34,5 1,46 2, ,20 1, ,11 1, ,00 1, ,78 0, ,72 0, ,54 0, ,50 0,63

45 Hat empedansının etkisi Kısa bir hat kendi karakteristik empedansından farklı bir yük ile sonlandırıldığında, hattın giriş empedansındaki yansıma enerjisinden dolayı vericinin etkili bir çalışma yapmasını engeller. Giriş empedansındaki bu değişimler hat ayar kutusu ve empedans-transformatör oranı değiştirilerek ayarlanabilir. Eğer hat karakteristik empedansı ile yük karakteristik empedansı arasında empedans uyumsuzluğu oluşursa, bu empedans uyumsuzluğundan dolayı hat zayıflaması aşağıdaki eşitlikte verilmiştir [41]. (2.17) hattaki empedans uyumsuzluğundan dolayı oluşacak kayıplar Şekil 2.10 da görülmektedir [42]. Şekil Empedans uyumsuzluklarından dolayı oluşan kayıplar Enerji Hatlarında İletim Ortamı Düşük ve yüksek enerji hattı ağı temelinde bilgi alışverişini sağlamak ve enerji taşımak için tahsis edildiğinden dolayı taşıma ortamı üzerindeki bilgi alışverişinde bir çok problemle karşılaşılmaktadır.

46 23 Ana problemler: Yüksek oranda gürültü Yüksek oranda zayıflama Yüksek oranda bozulma Belirtilen bu problemlerin etkilerini azaltmak amacıyla enerji hattı üzerinden haberleşmede her metrede bir tekrarlayıcı (repeater) kullanılır [43]. PLC yüksek gerilim (YG), orta gerilim (OG) ve alçak gerilim (AG) hatlarında uygulanabilir. Bütün PLC sistemleri elektrik hattının üzerine, modüle edilmiş taşıyıcı sinyallerin bindirilmesi veya yüklenmesi ile çalışır. Farklı PLC tipleri güç hatları üzerinde kullanılan sinyal karakteristiklerine bağlı olarak farklı frekans bantları kullanırlar. PLC sistemleri yeni bir teknoloji olarak algılansa da bu sistemlerin temeli olan kuranportör sistemi yıl öncesine kadar uzanır Kuranportör sistemi Kuranportör sistemi enerji santralleri arasında iletişim sağlamak amacı ile geliştirilmiş bir sistemdir. Üretim merkezlerinde üretilen elektrik enerjisini dağıtım merkezlerine, oradan da kullanıcılara güvenli bir şekilde ulaştırmak için EİH (Enerji İletim Hattı) ve EDH (Elektrik Dağıtım Hattı) kullanılır. Enerji iletiminde güvenlik ve sürekliliği sağlamak için frekansları 50 khz-500 khz arasında olan iletişim sistemleri kullanılır. Bu sistemlere EİH taşıyıcı sistemleri denir. Bu cihazlar Taşıyıcı adını her türlü bilgi ve ses işaretini radyo frekanslı işaret üzerine bindirilerek ilgili yerlere taşıdıkları için almışlardır [44] Enerji Hattı Üzerinden Haberleşme Standartları Enerji hatları üzerinden haberleşmede yüksek frekanslı sinyal Şekil 2.11 de görüldüğü gibi hat sinyali üzerine uygulanır. Bu yüksek frekanslı sinyalin değerinin ne olacağı belirli standartlara bağlanmıştır.

47 24 Şekil Hz üzerine binmiş yüksek frekanslı sinyal CENELEC standardı Avrupa Elektroteknik Standardizasyon Komitesi (Comite Europaen Normalisation Electrotechnique-CENELEC) Avrupa ülkelerinde elektrik-elektronik alanında standartların belirlendiği bir kuruluştur. CENELEC EN standardı enerji hatları üzerinden haberleşmenin kurallarını belirlemektedir. Bu standarda göre enerji hatları üzerinden haberleşmede frekans aralıkları belirli bantlara ayrılmıştır. Şekil 2.12 de kullanılan frekans aralıklarına göre bant isimleri görülmektedir [45]. Avrupa da, gerek iletim ve gerekse de yapı içi amaçlı olarak AG hatları üzerinden 3 khz - 148,5 khz frekans aralığındaki sinyalleri veri iletiminde kullanan elektrikli aygıtların düzenlenmesi amacıyla, Düşük gerilimli elektriksel donanımların frekans spektrumunda gösterilimi, 3 khz 148,5 khz aralığındadır. Genel ihtiyaçlar, frekans bantları, EM etkileri adıyla CENELEC standardı EN : 1991,1991 yılında yürürlüğe girmiştir. EN Avrupa Standardında, frekans bandı 2 bölüme ayrılmaktadır. 95 khz altı bant, elektrik şirketlerinin kullanımı için tahsis

48 25 edilmektedir. 95 khz - 148,5 khz arası bant ise özel amaçlı kullanımlar için (özellikle bina içlerinde otomasyon amaçlı) ayrılmaktadır [46]. Şekil CENELEC frekans band tanımlamaları Şekil 2.13 te ise 2 ayrı frekanslı haberleşmede bir band içerisinde kullanılan 1. ve 2. frekans aralıkları görülmektedir. Şekil Çift taşıyıcı frekanslı haberleşme FCC standardı FCC, ABD'de radyo komünikasyon ve telekomünikasyon düzenleyici kurumdur. Bazı ülkeler enerji hatları üzerinden haberleşmede FCC nin belirlediği standardı kullanır. FCC standardına göre tanımlanan frekans aralığı Şekil 2.14 te görülmektedir [47].

49 26 Şekil FCC standardı frekans aralıkları ABD de FCC, 0 khz khz arası frekans bandını dar bant EHİ amaçlı düzenlemeye tabi tutmuştur. FCC bu standart ile, Avrupa ya nazaran oldukça geniş bir bant aralığı sunmaktadır. Japonya da ise Ulusal Telsiz Kanunu Madde 46 ve ilâve hükümleri ile EHİ nin 10 khz khz aralığında kullanılmasına izin verilmiştir. Şekil 2.15, bu standartları özetlemektedir. Şekil Enerji hattından haberleşme(plc) standart frekansları

50 Güç Hatlarında Oluşan Gürültüler Güç hatlarında aşırı derecede farklı frekanslarda gürültü sinyalleri oluşmaktadır. Bu sinyaller enerji hattı üzerinden haberleşmede sinyal üzerinde bozucu etki oluşturmaktadır. Hat üzerine etki eden çeşitli gürültü türleri vardır Korona gürültüsü Korona gürültüsü genellikle kötü hava koşullarında daha etkili ve belirgin olmaktadır. Bu yüzden sayısal PLC modem tasarımları kötü hava koşullarına göre yapılır. Korona gürültüsüne öncelikle yüksek gerilim hatlarında bulunan izolatörlerdeki deşarjlar neden olmaktadır. Deşarjlar farklı zamanlarda üç farklı faz iletkenleri üzerinde hava koşullarına bağlı olarak oluşur. Enerji hatlarının karakterizasyonu, uluslararası standartlara göre etkin gerilim (RMS) ya da güç spektrum yoğunluğu (PSD) gerilimini esas alır. Korona gürültüsü, enerji hatlarında deşarjlar sonucu oluşan gerilim ya da güç kaybı olarak da tanımlanır. Korona gürültüsü hem sayısal modülasyonda hem de analog modülasyonda önemlidir. Analog enerji taşıyıcı hatlarında genellikle korona gürültüsünün kanal kalitesini düşürme miktarı ihmal edilebilecek bir değerdedir. Bu nedenle bu analog PLC de gürültü modeli Toplamsal Beyaz Gaussian Gürültü (TBGG-AWGN) olarak tanımlanır. Enerji hatları üzerinden sayısal haberleşmede bu yaklaşım yanlış sonuçlar vermektedir. Çünkü korona gürültüsü, periyodu boyunca farklı değerler almaktadır [48]. Sayısal haberleşme için üretilen PLC modemler sinyal gücü/gürültü gücü (SNR signal noise ratio) oranına bağlı olarak dizayn edilmektedir. Yani üretilen sinyal gücünün kaynaklardan yayılan gürültü gücüne oranı SNR değerini verir. En düşük SNR oranı korona gürültünün maksimum olduğu zaman görülür. Bu nedenle sayısal

51 28 enerji hattı haberleşmesinde kanal kodlama teknolojisi kullanımı için korona gürültünün modellenmesi önemli bir araştırmadır. Genellikle korona gürültüsü ölçümleri gözlenen zaman aralığında gürültünün ortalama seviyesini verecektir. Buradaki amaç bir güç frekansı boyunca ölçülen gürültü seviyelerinden, gürültü seviye değişimlerini modellemektir. 20ms gibi kısa bir zaman aralığında ortalama RMS gerilimi ve PSD si tüm korona gürültünün modelini verecektir [49] Korona gürültü nedenleri Yüksek gerilim enerji hatlarının iletkenleri etrafındaki havanın iyonizasyonu, elektrostatik bir alan oluşturur. Böylece korona akımının dürtü darbeleri şeklinde oluşmasına neden olur. Korona deşarjları yüksek gerilim hattı direğinin iletken sayısına göre rasgele olarak hat boyunca dağılır. Üç farklı fazdaki iletkenler, kablolar ve izolatörlerin üzerinde bu deşarjlar herhangi bir zamanda oluşur. Deşarjlar sonucu oluşan gürültü öncelikle pozitif enerji hattı gerilim dalgası üzerinde görülür. Bu yüzden sayısal enerji taşıyıcılı haberleşme için korona gürültü araştırmaları pozitif korona ile ilgili olarak yapılır. Çünkü negatif gürültü miktarı çok azdır. İletkenler minimum korona deşarjları için tasarlanmasına rağmen yağmur, yıldırım gibi kötü hava koşullarından ve iletkenlerin kirlenmesi gibi nedenlerden dolayı korona deşarjları artacaktır [49]. Yüksek gerilim hatlarında korona gürültü seviyesi ise çeşitli parametrelerden oluşur; Atmosfer koşulları Hat uzunluğu İletim hatlarının yerden ortalama yüksekliği İzolatör büyüklüğü ve konfigürasyonu Bağlantı türü Gerilim gradyantı Topraklama direnci

52 29 Atmosferik ve çevresel koşullar, hat üzerinde korona akım değişimlerini oluşturur. Bu oluşan akımlar için olasılık modelleri tanımlanmıştır. Hava koşulları nedeniyle farklı zaman aralıklarında korona gürültü seviyeleri değişecektir. Yukarıda bahsedilen nedenlerden dolayı da gürültünün PSD sinde değişimler olacaktır. Bu yüzden korona gürültü tam olarak bir TBGG olarak tanımlanamaz [49] Dürtü gürültüsü Dürtü gürültüsü, zamanın çok küçük bir diliminde çeşitli anahtarlama devrelerinin açılıp kapanması, yıldırım boşalmaları ve çeşitli motor devrelerinin çalışması sonucu enerji hatlarından iletilen sinyalin genliğini artırıcı bir gürültü tipidir. Bu tip gürültüyü karakterize etmek için üç parametre kullanılmaktadır: Dürtü gürültüsü süresi Dürtü gürültüleri arası süre Dürtü gürültüsü genliği Güç kesicileri hatta bağlandığında veya kesildiği zaman daha küçük genlikli ve daha küçük aralıklarla oluşurlar ve gürültü yoğunlukları daha yüksektir. Yıldırım boşalmaları, sinyalin genliği üzerinde 8 ile 400 ms aralığında düzensiz diziler oluşturur. İzolasyon işlemlerinde olduğu gibi genlikleri oldukça yüksektir [50] Gürültü karakteristiği Hanson tarafından yapılan bir araştırmaya göre enerji hatları üzerinde gürültü sinyali oldukça fazladır. Gürültü sinyallerinin fazla olduğu durumlarda iletişimde hata oranının yüksek olması kaçınılmazdır. Enerji hatlarında gürültü sinyallerinin genliklerinin en az olduğu durumlar şebeke sinyalinin 0 noktasından geçtiği anlardadır. Dolayısıyla şebeke ana sinyalinin maksimum tepe değerlerinde gürültü sinyali daha yüksektir. Eğer haberleşme sıfır geçişlerinde sağlanırsa sinyali bozucu etkenler en aza indirgenir. Enerji hatlarında gürültü sinyalleri ana sinyal ile bir

53 30 senkronluk gösterir. Gürültü sinyallerinin düşük olduğu zamanlarda haberleşme sağlamak hata oranının da az olacağı anlamına gelir Gürültü sinyallerinin ölçülmesi Hanson un bir mühendislik binasında ve bir telekomünikasyon araştırma laboratuvarında yaptığı hattaki gürültü sinyali ölçümünde gürültü- zaman karakteristiği Şekil 2.16 daki gibi gözlemlenmiştir. Şekil Enerji hatlarındaki gürültü sinyalinin gözlemlenmesi Her bir 60 Hz lik saykılda 6 adet aşırı gürültü noktası vardır. Her bir sıfır geçişinde oluşan sinyal floresan lambaların sönümlenip aktif olma durumunda oluşturduğu gürültü, diğer sebep ise doğrultuculu güç kaynaklarının çalışmaya başlama anları ve durma anlarında oluşturdukları gürültüler Şekil 2.17 de görülmektedir.

54 31 Şekil Hattaki gürültü sinyallerinde bit-hata oranının oluşabileceği anlar a) 60Hz ana sinyal b) Hattan alınan gürültü sinyali c) Bit hata durumu Ev ortamında gürültü kaynakları ve etkileri Ev ortamında enerji hattına bağlı bazı yüklerin hatta etki ettiği durumlar vardır. Hatta bağlı yükte yüksek frekanslı anahtarlamalı güç kaynaklarının bulunması enerji hattına yüksek frekanslı gürültü sinyalleri vermesine sebep olur. Özellikle de tasarruflu ampullerin içinde bulunan yüksek frekans devreleri de aşrı derecede gürültü sinyalleri yayar ve bu haberleşen yüksek frekanslı sinyalde bozucu etki oluşturur. Ayrıca hatta bağlı cihazların içinde bulunan filtreler yüksek frekanslı haberleşme sinyalini zayıflatabilir. Bir ev ortamında lamba parlaklığını ayarlayan dimmer devreleri ana dalgayı belirli açılarda kestiği için her açma kapama durumunda şebekede bir gürültü sinyali oluşur. Bu aygıtlar sıfır geçiş anında kapalı durumda olup belirli zaman gecikmesinden sonra aktif duruma geçerler. Aktif duruma geçme yani yarı iletkenin tetiklemesinin aktif

55 32 olduğu durumda lamba aniden devreye girdiği için aniden bir akım çekişi gerçekleşir. Bu büyük ve ani akım değişimi ana sinyalde yüksek frekanslı bir gürültü gerilimi oluşmasına sebep olur. Geçiş yani açma-kapama durumunda bu durum tekrarlanır. Şekil 2.18 de dimmer devresinin tetiklenme açılarına göre oluşturduğu gürültü sinyallerinin haberleşmede oluşturduğu bit-hata durumları görülmektedir. Şekil Dimmer devresinin tetikleme açısına göre oluşabilen bit-hata grafiği a) 60Hz ana sinyal b) Düşük açıda tetiklenme durumu c) Orta açıda tetiklenme durumu d)yüksek açıda tetiklenme durumu Osilaskop ekran şekillerinden de gözlemlendiği gibi dimmer devresinde lamba sönük durumda iken yani dalga kesim açısı küçük ve ana şebeke sinyal değeri de küçük değerde iken yarıiletken anahtarlandığı için lambanın çekeceği akım düşük olacağından dolayı oluşan gürültü sinyali azdır. Oysa dimmer maksimum pozisyonda iken yani anahtarlama şebeke sinyali maksimuma yakın değerde yapıldığı zaman ani akım çekişi, gürültü sinyallerini arttıracaktır [51].

56 Gürültü Sinyallerinin Frekans Spektrumu Enerji hatlarındaki gürültü sinyallerinin frekans spektrumları oldukça önemlidir. Haberleşmede kullanılan frekans bandı bu gürültü sinyallerinin frekansının dışında ise kullanılan filtreler gürültü sinyallerini bastıracak ve sağlıklı bir haberleşme gerçekleşecektir. Şekil 2.19 da bir ofis ortamında enerji hattındaki gürültü sinyallerinin frekans spektrumu gösterilmektedir. Grafikte frekans ekseni yatayda 50 khz lik dikeyde ise 2dB lik bölmelere ayrılmıştır. Yatayda frekans aralığı khz e kadar incelenmiştir [51]. Görüldüğü gibi düşük frekanslarda gürültü sinyallerinin genliği oldukça daha yüksektir. Şekil Enerji hattındaki gürültü sinyalleri Şebeke Durumunun ve Harmoniklerinin Gözlemlenmesi Referans [52] te incelenen çalışmada 10 daireli bir mekânda şebekede belirli saatlerde akım ve gerilim değerleri ölçülmüş ve 7. harmoniğe kadar dalga şekilleri Şekil 2.20 de çıkarılmıştır. Burada şebeke harmonik sinyallerinin hangi saatlerde hangi değişimler gösterdiği net olarak görülmektedir.

57 34 Şekle göre L2 fazının 1. harmonik bileşeni üzerinde yüksek genlikli gürültü sinyalleri mevcut iken diğer harmonik sinyallerinde gürültü sinyalleri mevcut ancak daha düşük genliktedir. Günün belirli saatlerinde ilgili fazın harmonik bileşenleri üzerinde farklı frekanslarda ve genliklerde gürültü sinyalleri oluşmaktadır. Şekil Hattan belirli saatler boyunca ölçülen L2 fazı harmonikleri DAYG Sistemlerde Girişim Doğru akım yüksek gerilim (DAYG) çevirici sistemi hem AA hem de DA şebekede farklı tür girişim gösterir. Bu gürültü kaynakları üçe ayrılır: AA frekansın harmonikleri yüzünden oluşan gürültü, DA havai konektörler yüzünden oluşan korona gürültüsü, Çeviricilerin hareketlerinden dolayı oluşan gürültü.

58 35 Çevirici istasyonlarında oluşan bu gürültü kaynakları çeviricilerin devreye girmesi ve çıkması ile oluşur. Bu gerilimlerin kesilmesi paralel kondansatörler üzerinde deşarjlar ve ilgili devreler üzerinde osilasyonlar oluşturacaktır. Gürültü kaynakları, çeviricilerde bant genişliği Δw olan bir girişim oluşturacaktır [53]. (2.18) Buradaki boşalma gerilimi Δω : bant genişliği ölçümü ω : açısal frekans : devreden alma zamanı : kv düzeyindedir. 1-10μs arasında bir zaman dilimidir. Oluşan gürültü Hz olarak frekans harmoniklerini içerir. f = n p güç frekansı p: faz sayısı n: 1,2,3,... harmonik sayısıdır. Gürültü kaynağının iç empedansı kompleks büyüklüktür. Hatta ölçülen gürültü seviyesi yüksek frekans filtrelerinin ve anahtarlama (şalt) sistemlerinin yapısına bağlıdır. Yüksek frekans filtreleri PLC haberleşmesi için hatta bağlanan filtrelerdir. Gürültü seviyesi hattın empedansına da bağlıdır Diğer PLC Sistemleri Arasında Girişim Bir PLC sistemi yakınındaki veya uzağındaki PLC vericileri arasında girişimden etkilenir. Yüksek frekans hatları sık sık kapalı bir göz oluşturur. Bu yüzden şebekenin tümünde girişimi oluşturabilecek seviyede görülebilir. Bu birbirine bağlı şebekeler arasında ciddi bir problemdir. Bu girişim hat tıkaçlarının sızıntı akımlarından da oluşabilir [53].

59 36 PLC alıcılarında radyo vericisinden gelen sinyaller ya da şimşek gibi hava olaylarından dolayı oluşur. Yüksek gerilim hatlarında iletişim, antenler gibi istenilen yönde sağlanamaz. Sistem bilgi akışını, faz-toprak birleştirici devreleri arasında yapar. Genellikle radyo vericileri arasındaki girişim, bir frekans bölgesinde tanımlanamaz. Eğer bir PLC terminali bir düşük frekans veya orta frekans bandını veren bir kuvvetli vericinin yanındaysa, PLC sistemi ile bu banttaki frekansların ayrılmasına dikkat edilmelidir. Faz- topraklama bağlantısı kullanan bir sistem içerisinde yüksek gerilim hattının ana kısmı bir anten gibi hareket edemez. Bunun nedeni hat terminallerinden kısa bir mesafe sonra yüksek gerilim hattının mod yapısından dolayı tekrar bir dağılıma maruz kalmasıdır ve bu dağılımı engelleyen en önemli modlardan biri faz-faz denge modudur. Bu moda da hattın en sonu bir anten gibi davranabilir ve hattın sonunda istenmeyen gerilimler birikebilir [54] Anahtarlamalı Güç Kaynaklarının Etkisi Enerji hatlarından haberleşmede anahtarlamalı tip güç kaynakları hattaki sinyali zayıflatmakta ya da hatta yüksek frekanslı gürültü sinyalleri yaymaktadır. Şekil de güç kaynağının şebekeye verdiği ana sinyal ve harmonik etkileri de görülmektedir [55]. Şekil Anahtarlamalı tip güç kaynağının hatta verdiği gürültü sinyalleri

60 37 Haberleşmede bu olumsuzlukları engellemek amacıyla Şekil 2.22 de görüldüğü gibi güç kaynağı önüne filtre eklenmelidir. Şekil Anahtarlamalı tip güç kaynağının şebekeye bağlanması Burada seçilecek bobin değeri, haberleşme frekansına yüksek empedans oluştururken, enerji hattı frekansına çok düşük empedans göstermelidir. Bobin değeri şebeke frekansında güç kaynağının çekeceği maksimum akımı engellememelidir. Güç kaynağının giriş empedansının yüksek olması tercih edilir ve böylece haberleşme yapacak sistemi yüklemez. Şekil 2.22 deki değerlere göre C bandında 138kHz haberleşme sinyali için güç kaynağının giriş empedansı 200Ω dan büyük olur ve haberleşme sinyalini yükleyemez. Maksimum haberleşme performansı elde etmek ve CENELEC EN ve FCC Part 15 standartlarında belirtilen emisyon düzenlemelerine uymak amacıyla anahtarlamalı güç kaynakları şebeke hattına aşırı genlikte yüksek frekanslı gürültü sinyalleri vermemelidir. Anahtarlamalı bir güç kaynağı khz frekans aralığında çalışan bir osilatör içerir. Güç kaynağındaki anahtarlama frekansı gürültü sinyali olarak bağlı bulunduğu şebekeye yayılır. Sinyalinin genliği büyük olursa, haberleşecek sisteminin performansını çok etkiler [55].

61 38 Anahtarlamalı güç kaynağı girişine Şekil 2.22 deki gibi bir filtrenin bağlanmasıyla filtrenin A bandı ve C bandında frekans cevabı Şekil 2.23 de görülmektedir. Şekil C band filtre frekans cevabı Şekil A band filtre frekans cevabı

62 39 3. FARKLI FREKANSLI SİNYALLERİN SİMÜLASYONU Sinyalin hatta uygulanması ve hattan düzgün bir şekilde alınması için simülasyonu pasif LC filtre kullanılarak yapılmıştır. Bu sebeple filtrelerin Matlab Simulink te simülasyonları gerçekleştirilmiş, aynı zamanda yüksek frekanslı sinyalin enerji hattı üzerine uygulanması Simulink te modellenmiştir RLC Band Geçiren Filtreler Girişine gelen frekanslardan sadece bir tanesini çıkışa aktaran, diğerlerini bastıran (geçirmeyen) devrelere "band geçiren filtre" denir. Band geçiren filtre devreleri, paralel rezonans devresi veya seri rezonans devresi yapısında olabilir. Şekil 3.1 de paralel rezonans katı kullanılarak yapılan band geçiren süzgeç devresi görülmektedir [56]. Şekil Paralel LC bant geçiren filtre Şekildeki devrede, paralel rezonans devresi rezonans frekansında maksimum empedans gösterir. Böylece girişteki çeşitli frekanslar içinde sadece rezonans frekansı çıkışa ulaşır. Girişe gelen sinyal, rezonans frekansının altındaysa, rezonans devresindeki bobinin endüktif reaktansı düşer. Böylece rezonans frekansının altındaki sinyaller bobin tarafından iletildiklerinden çıkışa ulaşamazlar. Girişe gelen sinyal rezonans frekansının üzerindeyse, rezonans devresindeki kondansatörün kapasitif reaktansı düşer. Böylece rezonans frekansının üstündeki frekanslar kondansatör tarafından iletildiklerinden çıkışa ulaşamazlar. Sadece rezonans

63 40 frekansındaki sinyaller paralel rezonans devresinin uçlarında kalır. Çünkü paralel rezonans devresi, rezonans frekansında maksimum empedans gösterir. Şekil 3.2 de ise seri rezonans katı kullanılarak yapılan band geçiren filtre devresi görülmektedir. Şekil Seri LC bant geçiren filtre Şekil 3.2 deki band geçiren filtrede, seri rezonans devresi kullanılmıştır. Rezonans frekansında seri rezonans devresinin empedansı minimumdur. Böylece girişteki sinyallerden sadece rezonans frekansına eşit olanı çıkışa iletilir, diğerleri devre tarafından durdurulur. Çünkü rezonans frekansının altındaki ve üstündeki frekanslara serî rezonans devresi yüksek empedans (zorluk) gösterecektir [56]. Seri yada paralel rezonans devrelerinin peş peşe bağlanması ile filtre derecesi arttırılabilir. Filtre derecesinin çok olması, alt bant ve üst bant grafiğinin daha keskin olmasını sağlar, yani alt ve üst kesim frekanslarının dışındaki sinyalleri zayıflatma oranı çok yüksek olur RLC Filtre Parametreleri Filtre tasarımlarında sönümleme faktörü, band genişliği ve Q faktörü gibi önemli parametreler vardır Sönümleme faktörü Bir filtrenin giriş frekans değişimine karşı gösterdiği tepki hızına sönümleme faktörü denir.

64 41 Filtre tasarımlarında önemli bir faktördür. sembolü ile gösterilir. Seri RLC devresinde sönümleme faktör; R (3.1) 2L Paralel RLC devresinde sönümleme faktör; 1 (3.2) 2RC Görüldüğü üzere filtre tasarımında sönümleme faktör değerinin yüksek tutulması gerekir Band genişliği (Bandwidth) Filtrede alt kesim ve üst kesim frekansı asındaki fark filtrenin band genişliğini verir. 2 (3.3) Seri RLC devresinde ; Paralel RLC devresinde ise R 2 (3.4) L 1 2 (3.5) RC Kalite faktörü Bir filtrede Q faktörü kesim frekansındaki eğim ile ilgilidir. Bu eğim ne kadar dik olursa, yani Q faktör ne kadar büyük olursa filtre de o kadar kaliteli olur. 0 0 Bir RLC devresinde; Q (3.6) 2

65 42 Seri RLC ile yapılan filtre devresinde ; Q 0 2 R L 0 LC 1 R L C (3.7) Seri RLC filtrede, L değeri büyüdükçe Q faktörü de artar ve filtre daha kararlı çalışır. Paralel RLC ile yapılan filtre devresinde ise ; Q R. C LC R C L (3.8) Paralel RLC filtrede C değeri büyüdükçe Q faktörü de artar ve filtre daha kararlı çalışır [57]. Bu filtre parametreleri göz önüne alınarak alıcı ve verici taraflarında kullanılan RLC filtrelerde seri RLC filtrede L değeri yüksek seçilecek, paralel RLC filtrede ise C değeri yüksek seçilecektir MATLAB Simulink te Filtre Modellemeleri Yüksek frekanslı sinyallerin enerji hattına uygulanması ve hattan alınması için filtre devreleri kullanıldığından öncelikle filtre devrelerinin simülasyonunu yapmak çalışmaları daha kolay hale getirecektir Derece bant geçiren filtrenin Simulink te simülasyonu Simülasyon için kurulan devre Şekil 3.3 de görülmektedir.

66 43 Şekil kHz sinyalin 1.dereceden paralel LC filtre ile alınması için Simulink model Şekil Hatta verilen sinyalin Simulink çıktısı Şekil kHz ve 140kHz giriş sinyalleri için filtre çıkış sinyalleri

67 44 Şekil Filtreye ait bode diyagramı 1. dereceden simülasyonu yapılan paralel LC filtrenin Şekil 3.6 da gösterilen bode diyagramı incelenecek olursa, keskin bir eğim olmadığı için geçirdiği bant aralığı oldukça geniştir. Geçirilecek bant aralığı ne kadar dar olursa sistem o kadar kararlı çalışacağından filtre derecesi 2 veya 3 olarak belirlenirse filtre daha kararlı çalışır.

68 Dereceden bant geçiren filtrenin Simulink te simulasyonu Şekil dereceden filtre testi için Simulink model Şekil Rezonans frekansında (140kHz) filtre çıkış sinyali Şekil kHz ve 150kHz için filtre çıkış sinyalleri

69 46 Şekil Dereceden filtreye ait bode diyagramı Görüldüğü gibi 3 kutuplu LC filtrede alt köşe ve üst köşe frekansları dışındaki diğer frekanslarda yüksek oranda zayıflatma söz konusudur [57] Filtre Empedansı Şekil 3.11 de band geçiren seri LC filtre devresi görülmektedir. Filtrenin rezonans frekansında olur ve filtre direnci minimuma iner. Şekil Seri LC filtre Q faktörü seçimi

70 47 Şekil 3.11 deki bant geçiren seri LC filtre devresinde rezonans frekansı; L 8 H ve C 160nF için 1 1 f 140kHz L. C 6, olarak bulunur. Bu durumda olacağından ve olacağından empedans 0 dır yani yüksek frekanslı sinyal filtreden geçerek AA 50Hz sinyal üzerine biner. Burada en iyi empedans uygunluğu sağlamak amacıyla AA kaynak empedans değerine eşit empedans ile sinyal göndermek gerekeceğinden, seri LC filtreye AA kaynak empedansı değerinde seri R direnci eklenmesi gerekir [57]. Filtrede aynı frekansı sağlamak için L=800uH ve C=1.6nF olarak seçildiğinde, aynı şekilde sinyal hatta uygulanmış, ancak sinyalin belirli mesafe sonunda alıcı taraftan çok zayıflamış olarak alınmıştır. İki filtre karşılaştırıldığında C değeri büyük olanın Q faktörü de büyük olduğundan bu filtrenin daha sağlıklı çalıştığı gözlemlenmiştir Şebeke Sinyali Üzerine Yüksek Frekanslı Sinyalin Bindirilmesi Şekil 3.12 de Simulink ortamında yüksek frekanslı sinyal filtre üzerinden enerji hattı üzerine uygulandığında 140kHz ve 100kHz için toplam çıkış gözlemlenmiş, filtrenin sadece 140kHz frekansa sahip sinyali geçirerek şebeke üzerine bindirdiği ispatlanmıştır. Şekil Farklı frekanstaki kaynakların modülasyonunun Simulink te modeli

71 48 Şekil kHz de ana sinyal, yüksek frekanslı sinyal ve elde edilen toplam sinyal Şekil kHz de ana sinyal, yüksek frekanslı sinyal ve elde edilen toplam sinyal Filtreler kurulup mikrodenetleyici ile 140kHz sinyal gönderildiğinde alıcı sistemde 150m mesafeden ölçülen sinyaller Resim 3.1 de görülmektedir.

72 49 Resim 3.1. Hattan 150m uzakta ölçülen sinyal b) Opamplı karşılaştırıcı çıkışından ölçülen sinyal 150m mesafede sinyal genliği oldukça zayıflamıştır. Opamp çıkışında ise düzgün bir kare dalga sinyali elde edilmiştir.

73 50 4. ENERJİ HATTI ÜZERİNDE YAPILAN ÖLÇÜMLER Enerji hattı üzerinden haberleşmede hatta uygulanan sinyalin frekansının etkilerini incelemek amacıyla Şekil 4.1 deki gibi sinyal jeneratoru ile kublaj devresi üzerinden hatta farklı frekans sabit genlikte sinyaller uygulanmış 150m mesafelerden alıcı taraftaki kublaj devresinin çıkışındaki sinyal genliği ölçülmüştür. Ölçüm sonuçlarına göre sinyal genliğindeki zayıflama her frekans değeri için Eşitlik 4.1 e göre hesaplanmıştır. (4.1) Örneğin f=260khz frekansında 11V genliğindeki sinyal 150m mesafe sonunda 5V a düşmektedir. Burada kayıp; ( ) ( ) db olarak hesaplanır. Şekil Enerji hattında ölçüm yapmak amacıyla oluşturulan devre Sinyal frekansına göre elde edilen zayıflama oranları grafiksel olarak Şekil 4.2 de görülmektedir.

74 51 Şekil m mesafede kHz değişken frekanslı sinyalde oluşan kayıp Bu sonuçlar kullanılarak yapay sinir ağları ile hat modeli geliştirilecek ve sonrasında frekansa göre hatta uygulanan haberleşme sinyalinin zayıflama etkileri incelenecektir Deneysel Sonuçların Yapay Sinir Ağları ve Regresyon Analizi ile Yorumlanması Yapay sinir ağları, insan beyninin özelliklerinden olan öğrenme yolu ile yeni bilgiler türetebilme, yeni bilgiler oluşturabilme ve keşfedebilme gibi yetenekleri herhangi bir yardım almadan otomatik olarak gerçekleştirmek amacı ile geliştirilen bilgisayar sistemleridir. Bu yetenekleri geleneksel programlama yöntemleri ile gerçekleştirmek oldukça zordur veya mümkün değildir. O nedenle, yapay sinir ağları bilim dalının, programlanması çok zor veya mümkün olmayan olaylar için geliştirilmiş adaptif bilgi işleme ile ilgilenen bir bilgisayar bilim dalı olduğu söylenebilir [58].

75 52 Yapay zeka; zeka ve düşünme gerektiren işlemlerin bilgisayarlar tarafından yapılmasını sağlayacak araştırmaların yapılması ve yeni yöntemlerin geliştirilmesi hususunda çalışılan bilim dalıdır. Yapay zeka; "düşünme, anlama, kavrama, yorumlama ve öğrenme yapılarının programlamayla taklit edilerek problemlerin çözümüne uygulanması" olarak da ifade edilebilir [59]. Yapay sinir ağları, olayların örneklerine bakmakta, onlardan ilgili olay hakkında genellemeler yapmakta, bilgiler toplamakta ve daha sonra hiç görmediği örnekler ile karşılaşınca öğrendiği bilgileri kullanarak o örnekler hakkında karar verebilmektedir. Yapay sinir ağları (YSA), insan beyni çalışma sisteminin yapay yolla taklidi sonucu tasarlanmış ve geliştirilmiştir. Bu yaklaşım, insan beyni veya merkezi sinir sistemi çalışma prensibini esas alan bir bilgi işleme sistemidir. Örneklerle olaylar arası ilişkileri öğrenme, karar ve sonuç bulmanın yapay modelleme temeline dayalı ve paralel çalışan bir bilgi işleme sistemidir [60,61]. YSA, eğitilme veya öğrenme yeteneğine sahiptir. Ayrıca ezberleme ve bilgiler arası ilişki kurma özelliği de taşır. Farklı YSA modelleri arası küçük farklılıklar olsa da genelde; girdiler, ağırlıklar, toplama fonksiyonu, etkinleştirme fonksiyonu ve çıktılar şeklinde beş bileşen içerirler. Burada girdiler, diğer hücreler veya dış ortamdan rastgele gelen bilgileri kapsar. Bilgiler, bağlantıya ait ağırlıklar vasıtası ile hücrelere geçer. Ağırlık değerine bağlı olarak etki artar veya azalır. Toplama fonksiyonu, bir hücreye gelen girdiyi hesaplama fonksiyonudur. Etkinleştirme fonksiyonu, toplama fonksiyonundan belirlenen girdiyi işleme tabi tutar ve hücre çıktısını saptar [61]. Çıktılar, etkinleştirme fonksiyon çıktılarını bir sonraki işlem elemanına veya dışarıya gönderir. Öğrenme kabiliyeti ve değişik algoritmalar kullanabilme, YSA nın önemli avantajıdır. Buna karşın, çalışma analizi yapılamaması ve öğrenmede başarısızlık riski sakıncalar arasındadır. YSA nın diğer üstün yanları; kural formatlı bilgi gerektirmeme, yeni problemler çözebilme, hızlı çalışma, matematik model gerektirmeme, şeklinde sıralanabilir. Zayıf yanları ise; zor ve zaman alıcı eğitim süreci, yorum yapamama, farklı sistemlerde uygulama güçlüğü şeklinde belirtilebilir [62].

76 53 Teknik olarak da, bir yapay sinir ağının en temel görevi, kendisine gösterilen bir girdi setine karşılık gelebilecek bir çıktı seti belirlemektir. Bunu yapabilmesi için ağ, ilgili olayın örnekleri ile eğitilerek (öğrenme) genelleme yapabilecek yeteneğe kavuşturulur. Bu genelleme ile benzer olaylara karşılık gelen çıktı setleri belirlenir [63]. Yapay sinir ağları, bilgi sınıflama ve bilgi yorumlamanın da içinde bulunduğu çok değişik problemlerin çözümünde kullanılmaktadır. Bir çok alanda olduğu gibi elektrik alanında, endüstrinin temel taşı olan elektrik motorlarında da yapay sinir ağları kullanılarak daha verimli, daha az kayıplı sistemlerin tasarımı hedeflenmektedir Yapay Sinir Ağlarının Yapısı ve Temel Elemanları Bu kısımda yapay sinir ağlarının yapıları ve yapay sinir ağlarının oluşturan temel elemanlar hakkında bilgiler verilmiştir Yapay sinir hücresi Yapay sinir ağları, birbirine bağlı çok sayıda işlem elemanlarından oluşmuş, genellikle paralel işleyen yapılar olarak adlandırılabilir. Yapay sinir ağlarındaki işlem elemanları basit sinirler olarak adlandırılabilir. Yapay sinir ağları, insan beyni gibi, öğrenme hatırlama ve genelleme yeteneğine sahiptirler. İnsan beyninde öğrenme üç şekilde olur; 1. Yeni aksonlar üreterek 2. Aksonların uyarılmasıyla 3. Mevcut aksonların güçlerini değiştirerek. Her aksonun, üzerinden geçen işaretleri değerlendirebilecek yetenekte olduğu savunulmaktadır. Aksonun bu özelliği, bir işaretin belli bir sinir için ne kadar önemli olduğunu göstermektedir.

77 54 Yapay sinir ağlarının temel birimi işlem elemanı ya da düğüm olarak adlandırılan yapay bir sinirdir. Bir yapay sinir, biyolojik sinirlere göre daha basit olmasına karşın biyolojik sinirlerin 4 temel işlevini taklit ederler. Şekil 4.3' te yapay bir sinir hücresi gösterilmektedir. Şekil Basit bir yapay sinir hücresi şekli Girişler x i sembolüyle gösterilmiştir. Bu girişlerin her biri ağırlık w ile çarpılır. Basitçe, bu ürünleri eşik değeri θ j ile toplanır ve sonucu oluşturmak için aktivasyon fonksiyonu ile işlem yapılır ve y i çıkışı alınır. Tüm yapay sinir ağları bu temel yapıdan türetilmiştir. Bu yapıdaki farklılıklar yapay sinir ağlarının farklı sınıflandırılmalarını sağlar. Bir yapay sinirin öğrenme yeteneği, seçilen öğrenme algoritması içersinde ağırlıkların uygun bir şekilde ayarlanmasına bağlıdır [64]. Girişler Girişler (x1, x2,...x3,...xn) çevreden aldığı bilgiyi yapay sinir hücresine (işlem elemanına) getirir. Bunlar ağın öğrenmesi istenen örnekler tarafından belirlenir. Girişler kendinden önceki sinirlerden veya dış dünyadan sinir ağına gelebilir. Bir sinir genellikle gelişigüzel bir çok girdiler alır.

78 55 Ağırlıklar Ağırlıklar ( ) bir yapay hücreye gelen bilginin önemini ve hücre üzerindeki etkisini belirleyen uygun katsayılardır. Her bir giriş kendine ait bir ağırlığa sahiptir. Ağırlıkların büyük yada küçük olması önemli yada önemsiz olduğu anlamına gelmez. Bir ağırlığın değerinin sıfır olması o ağ için en önemli olay olabilir. Eksi değerler önemsiz demek değildir. O nedenle artı veya eksi olması etkisinin pozitif veya negatif olduğunu gösterir. Sıfır olması ise herhangi bir etkisinin olmadığını gösterir. Ağırlıklar değişken veya sabit değerler olabilirler. Toplama Fonksiyonu Toplama fonksiyonu, bir hücreye gelen net girdiyi hesaplar. Bunun için değişik fonksiyonlar kullanılmaktadır. En yaygın olanı ağırlıklı toplamı bulmaktır. Burada her gelen giriş (girdi) değeri kendi ağırlığı ile çarpılarak toplanır. Böylece ağa gelen net girdi bulunmuş olur. Eşitlik 4.2 deki gibi formülize edilmektedir. (4.2) Eş. 4.2' de G girdileri, A ağırlıkları, n ise bir hücreye gelen toplam girdi (işlem elemanı) sayısını göstermektedir. Yalnız yapay sinir ağlarında daima bu formülün kullanılması şart değildir. Uygulanan yapay sinir ağı modellerinden bazıları kullanılacak toplama fonksiyonunu belirleyebilmektedir. Literatürde yapılan araştırmalarda toplama fonksiyonu olarak değişik formüllerin kullanıldığı görülmektedir. Bazı durumlarda toplama fonksiyonu bu kadar basit bir işlem yerine, en az (min), en çok (max), çoğunlukla veya birkaç normalleştirme algoritması gibi çok daha karmaşık olabilir. Aktivasyon Fonksiyonu Bu fonksiyon, hücreye gelen net girdiyi işleyerek hücrenin bu girdiye karşılık üreteceği çıkışı (çıktıyı) belirler. Toplama fonksiyonunda olduğu gibi aktivasyon

79 56 fonksiyonu olarak çıktıyı hesaplamak için de değişik formüller kullanılmaktadır. Bazı modeller (mesela çok katmanlı algılayıcı) bu fonksiyonun türevinin alınabilir bir fonksiyon olmasını şart koşmaktadır. Toplama fonksiyonunda olduğu gibi aktivasyon fonksiyonunda da ağın işlem elemanlarının hepsinin aynı fonksiyonu kullanması gerekmez. Bazı elemanlar aynı fonksiyonu diğerleri farklı fonksiyonlar ı kullanabilirler. Bir problem için en uygun fonksiyonu, tasarımcı deneyimlerinin sonucunda belirlemektedir. Uygun fonksiyonu gösteren bir formül bulunmuş değildir. Aktivasyon fonksiyonları, doğrusal ve doğrusal olmayan biçimlerdedir [65]. (doğrusal, parçalı doğrusal, katı sınırlamalı, yumuşak sınırlamalı vb.) Doğrusal aktivasyon fonksiyonu Doğrusal bir problemi çözmek amacıyla kullanılan doğrusal hücre ve YSA' da ya da genellikle katmanlı YSA' nın çıkış katmanında kullanılan doğrusal aktivasyon fonksiyonu, hücrenin net girdisini doğrudan hücre çıkışı olarak verir. Doğrusal aktivasyon fonksiyonu Eş. 4.3 ' deki gibi ifade edilir. Şekil Doğrusal aktivasyon fonksiyonu (4.3)

80 57 Burada NET işlem elemanına gelen NET girdi değerini göstermektedir. Bu değer toplama fonksiyonu kullanılarak belirlenmektedir. Şekil 4.4 de doğrusal aktivasyon fonksiyonu grafiği görülmektedir. Hiperbolik tanjant aktivasyon fonksiyonu Gelen NET girdi değerinin tanjant fonksiyonundan geçirilmesi ile hesaplanmaktadır. Türevi alınabilir, sürekli ve doğrusal olmayan bir fonksiyon olması nedeniyle doğrusal olmayan problemlerin çözümünde kullanılan YSA' larında tercih edilir. Şekil 4.5' te hiperbolik tanjant aktivasyon fonksiyonu grafiği görülmektedir. Fonksiyonu Eş. 4.4' de ki gibi ifade edilmektedir. (4.4) Şekil Hiperbolik tanjant aktivasyon fonksiyonu Logaritma sigmoid aktivasyon fonksiyonu Günümüzde en yaygın olarak kullanılan çok katmanlı algılayıcı modelinde genel olarak aktivasyon fonksiyonu olarak sigmoid fonksiyonu kullanılmaktadır. Bu fonksiyon Eş. 4.5 ile ifade edilir. Bu fonksiyona sürekli eşikleme fonksiyonu da denmektedir. Şekil 4.6' da sigmoid aktivasyon grafiği görülmektedir [66].

81 58 (4.5) Şekil Sigmoid aktivasyon fonksiyonu Signum aktivasyon fonksiyonu Eşik aktivasyon fonksiyonunun -1 ile +1 arasında değişeni ise signum aktivasyon fonksiyonu olarak adlandırılır. Eşik aktivasyon fonksiyonlu hücreler, mantıksal çıkış verir ve sınıflandırıcı ağlarda tercih edilir. Şekil 4.7' de signum aktivasyon fonksiyonu grafiği görülmektedir. Signum aktivasyon fonksiyonunu matematiksel olarak Eş. 4.6' de ki gibi ifade edilir. (4.6)

82 59 Şekil Signum aktivasyon fonksiyonu Eşik aktivasyon fonksiyonu (Step) Eşik aktivasyon fonksiyonu eğer net değeri eşik değeri (t)' den küçükse sıfır, eşik değerinden daha büyük veya eşit bir değer ise çıkışında +1 değeri verir. Eş. 4.7 ile ifade edilmektedir. Şekil 4.8' de eşik aktivasyon fonksiyonu grafiği görülmektedir. (4.7) Şekil Eşik aktivasyon fonksiyonu

83 60 Ölçekleme ve Sınırlama Yapay hücrelerde, aktivasyon fonksiyonun sonuçları ölçek veya sınır işlemlerinden geçebilir. Bu ölçeklendirme basitçe bir ölçek etmeni ile etkinlik değerinin çarpımının sonucudur. Sınırlandırma ise, ölçeklenmiş sonuçların en az ve en çok sınırlarını aşmamasını sağlamaktadır. Hücrenin Çıkışı Aktivasyon fonksiyonu tarafından belirlenen çıkış değeridir. Üretilen çıkış dış dünyaya veya başka bir hücreye gönderilir. Hücre kendi çıkışını kendisine giriş olarak da gönderebilir. Bir işlem elemanının birden fazla çıkışı olmasına rağmen sadece bir çıkışı olmaktadır. Ağ şeklinde gösterildiğinde bir işlem elemanının birden fazla çıkışı varmış gibi görülmektedir. Bu sadece gösterim amacıyladır. Bir yapay sinir hücresinin tek bir çıkışı vardır. Aynı değer birden fazla işlem elemanına giriş olarak gitmektedir. Her bir yapay sinir hücresinde (düğümde) bir çıkış işaretine izin verilir. Bu işaret diğer yüzlerce sinir hücresinin girişi olabilir. Bu durum biyolojik sinirde olduğu gibidir. Biyolojik sinirde de bir çok giriş varken sadece bir çıkış etkinliği vardır. Düğüm çıkışı aktivasyon fonksiyonunun sonucuna eşdeğerdir [67] Öğrenme Algoritmaları Literatürde bulunan bir çok öğrenme algoritmasından en genel algoritmalardan olan geri yayılımlı öğrenme algoritması ve tez çalışmasında kullanılan, Levenberg- Marquardt öğrenme algoritması açıklanmıştır. Geri yayılım algoritması danışmanlı öğrenmede kullanılan en genel algoritmadır. Basit olması ve iyi bir öğrenme kapasitesine sahip olması birçok alana uygulanmasını sağlamıştır.

84 Geri yayılım öğrenme algoritması Geri yayılım ile öğrenen ağlar hiyerarşik yapıdadır. Giriş, çıkış ve en az bir gizli katman olmak üzere üç katmandan oluşurlar. Gizli katman ve gizli katmandaki düğüm sayısı değiştirilebilir. Düğüm sayısının artması ağın hatırlama yeteneğini artırmakla birlikte öğrenme işleminin süresini uzatmaktadır. Düğüm sayısının azaltılması eğitim süresini kısaltmakta fakat hatırlama yeteneğini azaltmaktadır. Giriş katmanındaki her bir düğüm gizli katmandaki her düğüme, gizli katman birden fazla ise bu katmandaki her bir düğüm kendisinden sonra gelen katmandaki her düğüme ve gizli katman çıkışındaki her düğüm çıkış katmanındaki her düğüme bağlıdır. Bir katmandaki hiçbir düğüm kendi katmanındaki diğer bir düğüme bağlı değildir. Her katmanın çıkış değerleri bir sonraki katmanın giriş değerleridir. Bu şekilde giriş değerlerinin ağın girişinden çıkışına doğru ilerlemesine ileri besleme denir. Geri yayılım ağında hatalar, ileri besleme aktarım fonksiyonunun türevi tarafından, ileri besleme mekanizması içinde kullanılan aynı bağlantılar aracılığıyla, geriye doğru yayılmaktadır. Öğrenme işlemi, bu ağda basit çift yönlü hafıza birleştirmeye dayanmaktadır. Geri yayılım öğrenme yöntemi, türevi alınabilir aktivasyon fonksiyonlarını çok katmanlı herhangi bir ağa uygulayabilir. Bu işlem sistem hatasını veya maliyet işlevini azaltma esasına dayanan bir eniyileme (optimizasyon) işlemidir. Bu yöntemde ağırlık ayarlamaları yapıldığı için 'geri yayılım' ismi kullanılmıştır. Öğrenme fazında, giriş örnekleri ağa belli bir sırada sunulur. Her bir çalışma örneği çıktı (çıkış) örneği hesaplanana kadar katman katman ileri yayılır. Hesaplanan çıktı daha sonra olması beklenenle karşılaştırılıp aradaki fark 'hata' olarak bulunur. Hatalar, katman katman sinaptik ayarlamaların yapıldığı geri besleme bağlantılarında 'girişler' olarak kullanılır. Şekil 4.9' da geri yayılım çalışması için değiştirilmiş bir çok katmanlı ileri beslemeli ağı göstermektedir. Geriye doğru olan bağlantılar sadece 'öğrenme fazı' için kullanılırken, ileri doğru olan bağlantılar hem öğrenme amacıyla hem de işlemsel fazlar için kullanılır.

85 62 Şekil Genel bir geri yayılım ağ yapısı Geri yayılımlı öğrenme kullanıldığında, sonraki katmanların hataları kullanılarak gizli katmanın ağırlıkları ayarlanır. Böylece çıkış katmanında hesaplanan hatalar son gizli katman ile çıkış katmanı arasındaki ağırlıklar ayarlanır. Aynı biçimde, bu işlemler ilk gizli katmana kadar tekrarlanır. Bu yolla hatalar katman katman ilgili katmanın ağırlık düzeltmeleri yapılarak geriye doğru yayılır. Tamamlanan çalışma süresi içinde 'toplam hata' en aza indirilinceye kadar bu işlemler tekrarlanır. Şekil 4.10' da ileri beslemeli çok katmanlı bir ağ için geri yayılım öğrenme algoritmasının akış şeması gösterilmektedir [66].

86 63 Şekil İleri beslemeli bir ağ için geri yayılım akış şeması Şekil Tek katmanlı hücrenin Matlab' da kısaltılmış şekli

87 64 Şekil 4.11' de tek katmanlı bir hücre girişinin Matlab' daki kısaltılmış görüntüsü gösterilmektedir. Şekil 4.11' de; p : Skaler giriş w : Skaler ağırlık b: Dengeleme sabiti (ofset) n: Toplama fonksiyonun çıkışı (net giriş) a: Skaler nöron çıkışı olarak isimlendirilir. Şekil Üç katmanlı YSA için kısaltılmış gösterim Üç tabakalı bir ağın kısaltılmış görüntüsü ise Şekil 4.12' de gösterilmektedir Levenberg- Marquardt algoritması Geri yayılım algoritması (GYA) çok kullanılmasına rağmen bazı dezavantajları bulunmaktadır. GYA sonuca çok yavaş olarak yaklaşmaktadır. Ayrıca lokal minimuma yakalanma riski de vardır. Geri yayınım, bir adım düşme algoritmasıyken, Levenberg - Marquardt (LM) algoritması Newton metoduna bir yaklaşımdır. LM algoritması, Newton metodunun hızıyla, adım düşme metodunun sağlamlığının bileşkesidir.

88 65 LM öğrenme algoritması minimumu araştırma metotlarının ikincisidir. Her bir iterasyon adımında hata yüzeyine parabolik yaklaşımla yaklaşılır ve parabolün minimumu o adım için çözümü oluşturur. Sonuç olarak Levenberg-Marquardt algoritması çok hızlı olarak çözüme ulaşmasına rağmen çok fazla bellek gerektirmektedir. Geri yayılım algoritması ise sonuca yavaş ulaşmakta ve daha az bellek gerektirmektedir [68]. Bu çalışmada; kullanımının ve uygulamalarının yaygın olması sebebiyle geriye yayılımlı, çok katmanlı YSA modeli esas alınmış Levenberg-Marquardt algoritması kullanılmıştır. Oldukça başarılı bir optimizasyon metodu olan Levenberg-Marguardt (LM) Öğrenme Algoritması, öğrenmede kullanılan geri yayılım algoritmasının farklı öğrenme tekniklerinden biridir. Çok sayıda komşuluk fikri üzerine dayanan LM algoritması, en küçük kareler yaklaşımı metodudur. LM algoritmasının en önemli avantajlarından biri, hızlı yakınsama özelliğidir. Bir modelleme işleminin başarısı, geliştirilen modelin temsil ettiği gerçek sistemin belirli bir giriş işaretine karşılık ürettiği çıkış ile modelin aynı girişe karşılık ürettiği çıkış arasındaki farkın (hata) esas alındığı çeşitli tanımlamalara göre belirlenmektedir [69]. Deneysel çalışmada geliştirilen YSA modelinin tahmin etme performansı farklı analiz yöntemleri uygulanarak belirlenmiştir. Bu yöntemler sırasıyla; (4.8) nolu eşitlik ile verilen belirleme katsayısı (R 2 ) ve (4.9) nolu eşitlik ile verilen ortalama karesel hatanın karekökünün (RMSE) alınması suretiyle bulunan hatadır. RMSE değerleri hesaplanan ve ölçülen değerler arasındaki sapmayı göstererek korelasyonların performansı hakkında bilgi verir. Oluşturulan modellerin performansını kıyaslamak amacıyla kullanılan bir diğer yöntem ise, ortalama mutlak yüzde hata (MAPE) performans kriteridir. Bir çok performans ölçütü tanımlanmasına karşın MAPE nin tercih edilmesinin nedeni, veri setinin ölçek büyüklüğünden bağımsız olarak aralığında kolayca karşılaştırılabilir küçük değerler üretmesidir [70]. MAPE değeri ne kadar küçük olursa elde edilen tahmin değerleri gerçek değerlere o oranda yaklaşacaktır. MAPE değeri (4.10) nolu eşitlik yardımıyla

89 66 hesaplanır. Formüllerde kullanılan ; Ölçülen kayıp değerini, ; ise YSA sonucu elde edilen tahminsel kayıp değerini ifade etmektedir. - ( ( - ) ( ) ) (4.8) ( - ) (4.9) ( - ) (4.10) Pythia yazılımı, transfer fonksiyonu olarak Fermi fonksiyonunu kullanarak eğitim yapmaktadır. Fermi transfer fonksiyonu eşitlik (4.11) ile hesaplanabilmektedir. (4.11) Deneysel çalışmalar sonucu elde edilen verilerin tamamı hem yapay sinir ağları ile hem de regresyon analizi ile modellenerek iki adet tahmin modeli geliştirilmiş, varyans analizi (ANOVA) ile yorumlaması yapılarak tahmin modellerinin kıyaslaması yapılmıştır Sinyal Frekansının Haberleşmeye Etkisinin YSA İle Modellenmesi Deneysel çalışmalarda oluşturulan alanda hat başına bağlanan verici, farklı frekanslar üreterek hat üzerinden sinyal göndermiş, alıcı tarafta 150m mesafeden ölçümler yapılarak alınan genlik değerleri Excel dosya formatında kaydedilmiştir. Daha sonra bu sonuçlara göre uygulanan ve ölçülen genlik değerlerinin kayıpları db olarak hesaplanmıştır. Son olarak her frekansa göre elde edilen db kayıpları yapay sinir ağları (YSA) kullanan Pythia yazılımı ile eğitilmiş ve bir ağ yapısı belirlenmiştir. Sonra bu ağ yapısı Excel ortamında test edilmiştir ve yüksek öğrenme, düşük sapma

90 67 oranı elde edilmiştir. Hat üzerine farklı frekanslar uygulanarak toplam 28 ayrı frekans değeri için ölçüm yapılmış ve bu ölçümlerin tamamı Pythia yazılımında YSA eğitimi için kullanılmıştır. Devamında, bu çözümler eğitilerek en uygun ağ yapıları, farklı döngü ve nöron sayılarıyla araştırılmıştır. Program içinde, en uygun ağ yapılarını bulma işlemi, otomatik veya elle yapabilmektedir. Bu çalışmada; önce programa otomatik optimizasyon yaptırılmış ve en düşük sapma değerine sahip bir ağ yapısı seçilmiştir. Bu ağ yapısı, programın döngü (iterasyon) sayısı ve öğrenme oranları değiştirilerek en uygun (en küçük) sapma değerine kadar eğitilmiştir. Bu işlemler sonucu 5 katman ve 15 nörondan oluşan bir ağ yapısı seçilmiştir. YSA eğitimi yapılırken; hatta uygulanan sinyalin frekans girdisi ( f ) program tarafından normalize edilerek işleme girer. Dolayısı ile sonuç değerleri de, ağ yapısından normalize edilmiş şekilde elde edilir. Normalize işlemi, fazla döngü ve büyük sayılarla kullanıldığında işlemin yavaş veya yapılamaz olmasını önler. Böylece kullanılacak sayılar 0 ve 1 değer aralığında seçilerek işlem hızı artırılır. Test aşamasına geçmeden önce bulunan ağ yapısının sonuçları ile gerçek sonuç değerleri karşılaştırılmıştır. Sinyal frekansına göre hattan ölçülebilecek genlik değerini tahmin edebilmek için çok katmanlı ileri beslemeli ağ yapısı kullanılmıştır. İleri beslemeli ağ yapılarında hücreler katmanlar şeklinde düzenlenmekte ve bir katmandaki hücrelerin çıkışları bir sonraki katmana ağırlıklar üzerinden giriş olarak verilmektedir. Giriş katmanı, dış ortamlardan aldığı bilgileri hiçbir değişikliğe uğratmadan orta (gizli) katmandaki hücrelere iletir. Bilgi, orta ve çıkış katmanında işlenerek ağ çıkışı belirlenir. Şekilde deneysel çalışmamızda kullanılan 15 nöronlu LM algoritmasındaki yapay sinir ağı yapısı görülmektedir. YSA sonucu elde edilen modelin doğruluğunu test etmek için 8 adet deney daha yapılarak elde edilen sonuçlar kıyaslanmıştır. Enerji hattında sinyaldeki zayıflamanın frekansa bağımlı olarak hangi oranda olduğunu tahmin edebilmek için, çok katmanlı ileri beslemeli ağ yapısı kullanılmıştır. İleri beslemeli ağ yapılarında hücreler katmanlar şeklinde düzenlenmekte ve bir katmandaki hücrelerin çıkışları bir sonraki katmana ağırlıklar üzerinden giriş olarak verilmektedir. Giriş katmanı, dış ortamlardan aldığı bilgileri

91 68 hiçbir değişikliğe uğratmadan orta (gizli) katmandaki hücrelere iletir. Bilgi, orta ve çıkış katmanında işlenerek ağ çıkışı belirlenir. Şekil 4.1. de deneysel çalışmada enerji hattına belirli genlikte ve değişken frekansta sinyal uygulanmış ve 150m mesafeden ölçümler yapılarak sinyaldeki zayıflama oranı ve girdiler çizelge halinde kaydedilmiştir. Elde edilen veriler Pythia programında işlenerek YSA modeli çıkarılmıştır. Şekil 4.13 de Pyhtia programında elde edilen 15 nöronlu LM algoritmasındaki YSA ağ yapısı görülmektedir. YSA sonucu elde edilen modelin doğruluğunu test etmek için 8 adet deney daha yapılarak elde edilen sonuçlar kıyaslanmıştır.

92 Şekil Enerji hattında sinyal zayıflaması tahmini için 14 nöronlu YSA yapısının oluşturulması b)elde edilen YSA modeli 69

93 70 Bu ağ yapısını test etmek ve bu deneysel çalışmaya ait matematiksel formülü elde etmek için öncelikle çıktı nöronunun (N15) formüle edilmesi gerekmektedir. 15 Nöronlu LM algoritması ile herhangi bir noktada ölçülecek gerilime göre kayıp oranının tahmininde kullanılan matematiksel formül (4.12) nolu eşitlikte verilmektedir. Bu eşitlik, hatta uygulanan sinyalin frekansına göre, 150m mesafede oluşacak kaybın tahmininde kullanılabilir. (4.12) Her bir giriş değeri bağlantılı olduğu ağırlık değerleri ile çarpılır. Ağırlıklı giriş değerleri doğrusal olarak eklenir ve çıkış değerine dönüşür. Bu çıkış değerleri de diğer nöronlar için giriş değerleri olarak kullanılmaktadır. Fermi transfer fonksiyonu Eşitlik 4.13 ile hesaplanmaktadır. ( ) (4.13) N1 N2 nöronlar için değeri (4.14) nolu Eşitlik kullanılarak hesaplanmıştır. YSA ağ yapısından elde edilen sabitler Çizelge 4.1 de verilmiştir. (4.14) Çizelge seviye 1 ve 2 nöronlardan elde edilen Eş.4.14 te kullanılan sabitler İ wi 1-0, , N3-N5 arası nöronlar için değeri (4.15) nolu eşitlik kullanılarak, N6-N9 arası nöronlar için değeri (4.16) nolu eşitlik kullanılarak, N10-N14 arası nöronlar için değeri (4.17) nolu eşitlik kullanılarak, N15 nöron için değeri (4.18) nolu

94 71 eşitlik kullanılarak hesaplanmıştır. Elde edilen sabitler sırasıyla Çizelge da verilmiştir. (4.15) Çizelge arası 2.seviye nöronlar için LM algoritmasından elde edilen ve Eş.4.15 te kullanılan sabitler İ w1i w2i 3 0, , , , , , (4.16) (4.17) (4.18) Çizelge arası 3.seviye nöronlar için LM algoritmasından elde edilen ve Eş.4.16 te kullanılan sabitler İ w1i w2i w3i 6 0, , , , , , , , , , , , Çizelge arası 4. seviye nöronlar için LM algoritmasından elde edilen ve Eş.4.17 de kullanılan sabitler İ w1i w2i w3i w4i 10-1, , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,572935

95 72 Çizelge Son seviye çıkış nöronu için LM algoritmasından elde edilen ve Eş.4.18 de kullanılan sabitler İ w1i w2i w3i w4i w5i 15-1, , , , , Giriş ve çıkış katmanları (-1,1) veya (0,1) aralığında normalize edilmiştir. (4.19) YSA dan alınan tahmini sonuçlara göre frekansın zayıflama oranına etkisi Şekil 4.14 te görülmektedir. Şekil kHz frekans aralığında 150m mesafede YSA sonucu elde edilen sinyaldeki zayıflama

96 73 Şekil Ölçüm sonuçlarının ve YSA sonuçlarının grafiksel olarak karşılaştırılması YSA sonuçlarına göre elde edilen frekans-zayıflama grafiği ile ölçüm sonuçlarının karşılaştırılması Şekil 4.15 te görülmektedir. Yapılan ölçümler sonucu çalışılan frekans aralığında mevcut atölye binasında 60-80kHZ frekans aralıklarında sinyalde az zayıflama gözlemlenmiş, frekans 150kHz seviyelerine çıktığında zayıflama daha da artmış, kHz aralığında zayıflama doğrusallığa yakın bir derecede azalmış ve 350kHz frekanstan 600kHz frekansa kadar olan aralıkta sinyal oldukça zayıflamıştır. Ölçüm sonuçlarına ve YSA sonuçlarına göre; ( ( ) ( ) )

97 74 ( ) ( ) Hesaplanan değerlere göre değerinin 1 e yakın çıkması ve RMSE ile MAPE değerinin 0 a yakın çıkması YSA modelinin sağlıklı olduğu ispatlamıştır.

98 75 5. ENERJİ HATLARINDAN İLETİŞİM UYGULAMALARI Bu bölümde enerji hattı üzerinden haberleşme sağlamak için farklı uygulamalar geliştirilmiş ve hat üzerinde denenerek haberleşme sağlanmıştır Sıfır Geçiş Anlarında ASK Haberleşme Uygulaması Enerji hattının sıfır geçiş anlarına göre verilerin gönderilmesinin kullanıldığı teknikte amaç yüksek frekanslı bir sinyalin şebeke üzerine uygulanması ve alıcı tarafta da bu sinyalin varlığının kontrol edilmesidir. Yüksek frekanslı sinyalin hatta uygulanarak iletilmesinin sebebi şebekede bulunan harmonik sinyallerin gönderilecek sinyali etkilemesini önlemek olarak açıklanabilir. Sinyalin hatta uygulanması için yüksek geçiren filtre kullanılır. Böylelikle yüksek frekanslı bilgi sinyali filtreden geçip şebeke üzerine biner, ancak şebeke sinyali ters yönde geçemez. Filtre tıkaç görevi görür. Karşılıklı haberleşmede veri gönderen verici ünite ve veriyi hattan alıp değerlendiren alıcı ünite mevcuttur Verici Sistemin tasarlanması Verici ünite Şekil 5.1 de görüldüğü gibi sıfır geçiş algılama, mikrodenetleyici, sinyal yükselteci ve filtre devresinden meydana gelir. Uygulamada dört ayrı katman tek kart üzerinde yapılmıştır.

99 76 Şekil Verici ünite blok diyagram Sıfır geçiş algılama Sıfır geçiş algılama devresi sinyallerin şebeke üzerinden gönderilirken alıcı ve verici arasında senkron haberleşmenin sağlanması için şebeke hattının her sıfır geçişinde verinin gönderilmesi amacıyla kullanılır. Şebeke hattının sıfırdan geçtiği anda veri yollanır. Bu çalışmada sıfır geçiş noktası sadece 5 MΩ luk bir direnç ile mikrodenetleyici tarafından algılanmaktadır. Yüksek frekans sinyali üretici devre (140kHz) Yüksek frekanslı sinyalin üretilmesi için PIC16F628 mikrodenetleyici kullanılmıştır. Mikrodenetleyici şebeke sıfır geçişini sürekli kontrol etmekte ve veri göndermek istediğinde sıfır geçiş anından hemen sonra, 140kHz frekanslı çıkış üretmektedir. Bu amaçla kurulan devre Şekil 5.2 de gösterilmiştir ve programı yazılmıştır.

100 77 Şekil PIC16f628 mikrodenetleyicili osilatör devresi Frekans çıkışı sabit Darbe genişlik modülasyonu (PWM) ile donanımsal olarak elde edilebilir ancak PWM çıkışının üretebileceği en yüksek frekans 32kHz olduğundan 140kHz üretebilmek için aşağıdaki döngü programı yazılmıştır. Bu uygulamada program proton basic dilinde yazılıp uygulanmıştır. PIC16F628 mikrodenetleyicisine yazılan program; DEVICE 16f628 XTAL 20 CMCON=07 TRISB=% PORTB=% TrisA=% PORTA=0 basla: portb.6=1:delayus 2:portb.6=0:delayus 3 goto basla end

101 78 Burada döngü programında sinyalin toplam periyodu Goto komutu Toplam (5.1) (5.2) Sinyal yükseltici devre Mikrodenetleyici çıkış gerilimi 5V olup 40mA çıkış akımı sağlayabilmektedir. Hattan gönderilecek sinyalin genliği ve akımı arttırılırsa verinin daha uzak mesafede gitmesi sağlanabilir. Transistör üzerinden aşağıdaki bağlantı ile sinyal genliği 15V olarak ve daha yüksek akımda hatta verilir. Şekil 5.3 de ki devre kurularak elde edilen 140kHz kare dalga sinyal hatta uygulanmıştır. Şekil Sürücü devre ve sinyalin hatta uygulanması Enerji hattına uygulanan sinyal ve yükselteç çıkışında elde edilen sinyal osilaskopta Resim 5.1 de ki gibi gözlemlenmiştir.

102 79 Bu uygulamada C band standardına uygun haberleşme yapılması için C bandının en üst frekansı olan 140kHz frekansı seçmek uygun olacaktır. Uygulamada 140kHz lik sinyal hatta filtre aracılığıyla verildiğinde Q2 transistörünün sürekli arızalandığı görülmüştür. Bunun sebebi yüksek geçiren filtreden sızıntı akımının geçmesi ile yüksek gerilim Q2 transistörüne zarar vermekte ve transistör arızalanmaktadır. Bu sebeple çalışma gerilimi aralığı 500V a kadar olan transistör seçilmiştir. Resim Tasarlanan verici devre b) Mikrodenetleyici ve sürücü devresi çıkış dalga şekilleri Resim 5.1 (b) de üst taraftaki sinyal 140kHz 5V PIC mikrodenetleyici çıkışı, alttaki sinyal ise filtre çıkışından ölçülen sinyaldir. Görüldüğü gibi sinyal genliği yaklaşık 15V civarındadır. Yüksek geçiren filtre Bu filtre hem yüksek frekanslı veri sinyalinin hatta verilmesini sağlar, hem de hat sinyalini ters yönde geçirmeyerek sistemi şebeke geriliminden izole eder. Şekilde mikrodenetleyici çıkışı yükselteç katına bağlanmış ve sinyal gücü arttırılarak yüksek geçiren filtre üzerinden hatta uygulanmıştır.

103 80 Hatta verilen sinyal yakın bir noktadan örnekleme alınarak izlenmiştir. Sinyali hattan alıp ölçmek ve gözlemlemek için şebekeden ayıran yüksek geçiren filtre alıcı tarafta da kullanılmıştır. Alıcı taraftaki yüksek geçiren filtre çıkışında elde edilen sinyal Resim 5.2 deki gibidir. Resim m mesafede alıcı sistemden elde edilen sinyal Resim 5.2 de üst taraftaki sinyal hatta verilen 15V 140kHz genliğindeki sinyal, alttaki sinyal ise 10m mesafe sonrasında yüksek geçiren filtre ile alınan sinyaldir. Bu sinyalin genliği ise 5V olarak ölçülmüştür. Mesafe 20m ye çıkarıldığında ise aynı sinyalin alındığı, ancak genliğinin 2V a düştüğü gözlemlenmiştir. Mesafe 30m ye çıkarıldığında genlik 1V un altına düşmüştür. Genliğin mesafeye göre azalması alıcı tarafta yükselteç yapılmasını zorunlu kılmaktadır. Hatta sinyal verilip 30m mesafeden aynı sinyal biraz zayıflamış olarak ölçülmüştür. Bu aşamadan sonra artık alıcı cihazın tasarlanması, alıcı ve vericinin senkron olarak haberleştirilmesi üzerine çalışmalar anlatılacaktır.

104 81 Resim Tasarlanan verici devre Alıcı sistemin tasarlanması Temelde alıcı ve verici ünitenin haberleşebilmesi için ASK haberleşme kullanılmıştır. ASK modülasyonun temel prensibi Şekil 5.4 te görülmektedir. Şekil ASK haberleşme Alıcı ünite hattan gelen sinyali yüksek geçiren filtre üzerinden almakta ve yükseltmektedir. Sonra sıfır geçiş anlarında denetim yapmakta, bu anlarda yüksek frekanslı sinyal var ise karşı vericiden gönderim yapıldığı anlaşılmaktadır. Bu çalışmada, bu sinyalin varlığı 1 sayısal bilgisini, yokluğu ise 0 sayısal bilgisini temsil etmektedir. İki sistemin karşılıklı senkron olarak haberleşmesi amacıyla haberleşme yapılmadan önce uzun bir 1 verisi gönderilmekte ve ardından verinin gönderileceğini bildirmek amacıyla 0 verisi gönderilmekte ve daha sonra 8 bitlik veri gönderilmektedir. Bu veri verici ünitenin adresidir. Şekil 5.5 te görüldüğü gibi alıcı ünite 4 birimden oluşmaktadır. Burada sıfır geçiş anı yine 5 MΩ direnç üzerinden doğrudan mikrodenetleyici portu ile algılanmaktadır.

105 82 PIC mikrodenetleyicisi sıfır geçiş anında yüksek frekanslı sinyal olup olmadığını denetler. Eğer var ise 1 bilgisi gelmiştir yok ise 0 bilgi gelmiştir şeklinde değerlendirme yapar. Burada sinyalin yükseltilmesi son derece önemlidir çünkü hat boyunca kayıplardan dolayı gönderilen sinyalde zayıflama olur ve sinyal genliği lojik seviyenin bile altına inebilir. Mikrodenetleyicinin bunu algılayabilmesi için gelen yüksek frekanslı sinyal yükselteç ile yükseltilip mikrodenetleyiciye verilir. Bu sinyalin, gürültü sinyallerinden bağımsız olarak yükseltilmesi de son derece önemlidir. Şekil Alıcı ünite blok diyagramı Yüksek geçiren filtrenin incelenmesi Alıcı sistemde filtre katı çok önemlidir. Enerji hattındaki yüksek frekanslı gürültü sinyallerinden veri sinyalinin ayrıştırılması gerekir. Bu uygulama için basit bir RC filtre kullanılacaktır ancak daha sonraki uygulamalarda filtre yapısı daha karmaşık olabilecektir.

106 83 Şekil Yüksek geçiren RC filtre testi Şekil 5.6 da ki en basit RC yüksek geçiren filtrede, örnek olarak C=1nf ve R=2 K seçilerek girişteki farklı sinyallere göre filtrenin davranışı incelenmiştir. Filtrede kesim frekansı ; =80 khz (5.3) Burada frekans yaklaşık olarak çıkar. Yani filtre 80 khz ve üstündeki frekansları tam olarak geçirebilecek, bu frekans altındaki frekansları ise zayıflatarak geçirecek, belirli bir frekans altındakileri ise hiç geçirmeyecektir. Ölçüm sonuçlarında filtrenin kesim frekansından sonraki sinyali geçirdiği, kesim frekansının altındaki sinyalleri de kesim frekansına uzaklığına bağlı olarak zayıflatarak geçirdiği gözlendi. Belirli bir alt frekans değerinden sonra artık filtrenin sinyali tamamen bastırdığı gözlenmiştir.

107 84 Resim a) 10kHz sinyal için çıkış b) 80kHz sinyal için çıkış Görüldüğü üzere kesim frekansından daha büyük frekanslı sinyalleri filtre geçirebilmekte, kesim frekansının daha alt değerlerine inildiğinde ise filtre sinyali bastırmaktadır. Filtre girişine 140kHz frekanslı sinyal verildiğinde filtre çıkış sinyali Resim 5.5 te gösterilmiştir. Resim kHz giriş sinyaline göre filtrenin çıkış sinyali Filtre empedansı 1nf kondansatör ve 140kHz frekansta kondansatörün gösterdiği reaktans;

108 85 (5.4) reaktansının düşük çıkması, giriş sinyalinin çıkışa zayıflatılmadan aynen aktarılması anlamına gelir fakat bu durumda çıkıştaki R direncinin değerinin de oldukça düşük olması gerekir. R direnç değerinin çok fazla düşmesi ise giriş sinyalini üreten kaynağı aşırı yükler ve kaynağa zarar verebilir. Bu durumda kaynak çıkış akımı arttırılabilir, ancak daha karmaşık devrelere ihtiyaç duyulur. Filtre deneyinde yi düşürmek amacıyla kondansatör 100nF kullandığında, 140kHz frekansta R=10Ω olması gerekmektedir. 10Ω R direnci kullanıldığı anda, sinyal jeneratörü yüklenerek 5V çıkış sinyalinin genliği yarıya düşmüştür. Bu sebeple filtrenin giriş çıkış empedansı oldukça önemlidir, filtrenin giriş empedansı yüksek seçilmelidir. Burada transfer fonksiyonu; (5.5) Şekil RC filtre faz-frekans eğrileri

109 86 Enerji hattından sinyalin alınması Şekil Kublaj devresi ve RC yüksek geçiren filtre Sinyali hattan almak için Şekil 5.8 de görülen RC yüksek geçiren filtre gerçekleştirilmiştir. Ancak hattan alınan sinyal zayıflamalardan dolayı düşük seviyede olduğu için yüksek frekansta çalışabilen opamplı yükselteç eklenmiştir. Şekil Sinyal yükseltici devre

110 87 Hattan alınan sinyalde filtre çıkışı ve yükselteç çıkışındaki dalga şekilleri Resim 5.6 da gözlenmiştir. Resim 5.6 ya göre alınan zayıflamış sinyal yaklaşık 10 kat yükseltilmiştir. Resim Hattan alınan sinyal ve yükseltilen sinyal Alıcı ve vericinin senkron haberleşmesinin sağlanması Şimdiye kadar sinyalin hatta uygulanması ve karşı taraftan alınması üzerinde çalışmalar yapılmıştır. Hatta verilen sinyal belirli bir mesafeden başarıyla alınmıştır. Artık bu alıcı ve vericilerin aralarında haberleşmelerini sağlamak, yani vericiden bir dijital bilginin alıcıya ulaştırılmasını sağlamak gerekmektedir. Senkronizasyonu gerçekleştirmek amacıyla verici ve alıcının ortak bir zamanda haberleşmesini sağlamak gerekir. Şebeke hattında bu ortak zaman en uygun olarak şebekenin sıfır geçiş anlarıdır. Yani verici, şebekenin sıfır geçiş anlarında hatta bir süre sinyal gönderecek, alıcı da şebekenin sıfır geçiş anlarında hatta sinyal olup olmadığını kontrol edecektir. Alıcı tarafta sıfır geçiş anında belirli bir süre sinyal var ise, sayısal bilgi 1, yok ise 0 olarak kabul edilecektir. Bu çalışmayı sağlamak için RF haberleşme

111 88 teknolojisinde kullanılan Manchester haberleşme burada kullanılabilir. Bu durumda verici veri göndermeden önce hatta sıfır geçişlerde uzun 1 sinyali verecek sonra veri göndermeye başlamadan önce 0 gönderecektir yani hiç veri göndermeyecektir. Alıcı ise sıfır geçiş anlarını kontrol ederek belirli bir sayıda 1 sinyalinin gelip gelmediğine bakacak, bu sayı sağlanırsa 0 başlangıç verisini bekleyecek daha sonra da her 0 geçiş anında hatta sinyallere bakacak var ise 1, yok ise 0 kabul ederek 8 adımda alacağı dijital bitleri birleştirerek 8 bitlik veriyi hattan alabilecektir. Başlangıç sinyalinin uzun olarak gönderilmesi için hattın 3 kez sıfır noktasından geçmesinde 140kHz frekans uygulanmaktadır. Oluşturulan haberleşme protokolüne göre örnek olarak 8 bitlik verisinin başlangıç sinyali ile birlikte hattın sıfır geçiş noktalarına göre gönderilmesi Şekil 5.10 da gösterilmektedir. Şekil 5.10 da görüldüğü üzere 8 bitlik bir verinin gönderilmesi 12 sıfır geçiş anında gerçekleştirilmektedir. Her sıfır geçiş noktası arası 50Hz frekansında 10ms dir. Dolayısıyla 8 bit veri gönderimi toplamda 120ms lik bir zamana ihtiyaç duyar. Şekil Sıfır geçiş anlarında start sinyali ve örnek 8 bit veri gönderimi

112 89 Alıcı ve vericiye ait akış diyagramları Şekil 4.11 de verilmiştir. Başla Portları Ayarla Şebeke 1 mi? H Say=0 E H 140KHz sinyal Varmı? E Say=say+1 Şebeke 0 mı? H E H Say=3 mü? E VERİ AL Şekil Start bilgisindeki 111 sinyalinin beklenmesi programı Şekil Start bilgisindeki 111 sinyalinin beklenmesi programı Üç sıfır geçiş noktasında 140kHz sinyal geldiğinde yani üç bit 111 sinyali geldiğinde, takip eden şebeke sıfır geçişinde 0 sinyali (140kHz yok) beklenmektedir.

113 90 VERİ AL BYTE AL i = 0 Şebeke 0 mı? E H Şebeke 1 mi? E H E 140KHz sinyal Varmı? H Byte[i]=0 H 140Khz sinyal Varmı? E Byte[i]=1 Şebeke 1 mi? H Şebeke 0 mı? H E BYTE AL i=i+1 E i >7 mı? H E END Şekil a) Başlangıç bilgisindeki 0 sinyalinin beklenmesi programı akış diyagramı b) 1110 başlangıç sinyalinden sonra 8 bit verinin alınması

114 91 Oluşturulan alıcı ve verici devrelerinin fotoğrafları Resim 5.7 de verilmiştir. Resim a) Alıcı devre ve anahtarlamalı tip güç kaynağı ile çalıştırılması b) Verici devre Alıcı devre gelen 8 bitlik sayısal veriyi alıp ekranda göstermektedir. Verici devre üzerindeki butonlara basıldığında her buton için 8 bit dijital değer hatta gönderilmektedir. Yapılan uygulama, 120 bir ev içerisinde her noktadan denenmiş ve başarılı bir şekilde haberleşme sağlanmıştır. Alıcı devre anahtarlamalı tip güç kaynağı ile çalıştırılmış buna rağmen haberleşmede sıkıntı yaşanmamıştır. Son olarak verici devresi üzerine ısı sensörü yerleştirilerek ısı bilgisi gönderilmiştir FSK Modülasyonu İle Enerji Hattından Veri İletimi Bu bölümde hattın sıfır geçişinden bağımsız olarak sürekli ve hızlı veri iletişimi için FSK uygulaması gerçekleştirilmiş bunun için alıcı ve verici sistem tasarlanmış ve uygulanmıştır FSK modülasyonu FSK,frekans kaydırmalı anahtarlama anlamına gelir. Bu modülasyonda taşıyıcının frekansı gönderilecek bilgi işaretine bağlı olarak değiştirilir. 1 biti için belirli bir

115 92 frekansı, 0 biti için yine belirli bir taşıyıcının genliği sabittir, değiştirilmez. Modülasyonlu işaret; frekansında veri gönderilir. Bu durumda 1 dijital bilgisi için (5.6) 0 dijital bilgisi için (5.7) şeklinde ifade edilebilir. Elde edilen FSK sinyali Şekil 5.13 te görülmektedir [71]. Şekil Dijital bilgiye karşılık gelen FSK sinyali Görüldüğü gibi 1 bilgisine ait sinyal frekansı ile 0 bilgisine ait sinyal frekansı farklıdır. Çalışmalarda FSK modülasyonunu kullanabilmek için XR-2206 modülatör ve XR 2211 demodülatör entegreleri kullanılmıştır. Faz kilitlemeli döngüler (PLL) Faz kitlemeli döngü, çıkışı bir referans sinyaline kilitlenen ve bu sinyali izleyen kapalı döngü elektronik bir servodur. Faz kilidi, çıkış sinyali ın fazını, referans sinyali nin fazıyla karşılaştırmak suretiyle elde edilir ve aralarında bir faz farkı varsa bu fark, döngü filtresi tarafından bir hata düzeltme gerilimi ye çevrilir. Bu hata gerilimi, çıkış sinyalini değiştirerek çıkış sinyalinin girişi izlemesini sağlar. Kilitten önce, giriş herhangi bir frekansında olabilir. Giriş sinyali geldiği anda faz detektörü ile VCO dan sağlanan faz, detektör demodülatör referans girişi ın toplam ve fark frekanslarını üretir. ( ) ve toplam frekansı bileşeni alçak

116 93 geçiren filtreyle kesilir. Eğer fark frekansı ( ), filtre bandının dışındaysa oda kesilir. girişi VCO nun frekansına yaklaştıkça, fark frekansı azalarak alçak geçiren filtrenin bandına girer. Filtre, fark frekansının DC bileşeninin bir bölümünü geçirir ve bunu VCO ya uygular. VCO nun frekansı ı giriş frekansı ye doğru sürerek fark frekansını azaltır ve fark frekansı azaldıkça alçak geçiren filtre bandının daha çok içine girer. Bu durum filtreden VCO ya daha çok dc bileşen geçirilmesine olanak sağlayarak, fark frekansını daha da azaltır. Bu pozitif geri besleme eylemi, VCO nun frekansı giriş frekansına eşit olana kadar devam eder. İkisi eşit olunca, fark frekansı sıfır olur ve PLL kilitleme yapar. VCO bundan sonra VCO kilitleme aralığı içinde giriş frekansını izler. Maksimum fark frekansı ( ), VCO nun girişe kilitlenmesine olanak sağlayacak şekilde, VCO nun serbest çalışma frekansına ( ) merkezlenmiş giriş frekans ( ) aralığına VCO nun yakalama aralığı denir. PLL in giriş sinyaline frekans kilitliyse filtre çıkış gerilimi Vf Vf Kd. Sin( i 0) olur. (5.8) Şekil PLL blok diyagramı XR-2206 FSK modülatör devresi XR-2206 bir fonksiyon jeneratörü entegre devre şeklinde bulunan, kaliteli sinüs üretebilen, kare, üçgen, rampa ve puls dalga şekillerini yüksek stabilite ve doğrulukta üretebilen modülatördür.

117 94 Çalışma frekansı 0.01 Hz ile 1 MHz arasındadır. Bu çalışmada FSK sinyalini üretmek amacıyla kullanılmıştır. 4 ana işlevsel bloktan oluşur. Bu bloklar, VCO, anolog katlayıcı ve sinüs biçimleyici, tamponlama yükselteci ve akım anahtarıdır. VCO zamanlama terminallerini toprağa bağlayan bir dirençten gelen giriş akımıyla doğru orantılı bir çıkış frekansı oluşturur. Akım anahtarları, zamanlama bacaklarından birinin akımını, çıkış frekansı oluşturmak üzere bir FSK giriş bacağı tarafından kontrol edilen VCO ya gönderir. İki zamanlama pini kullanıldığında FSK üretimi uygulamaları için iki ayrık çıkış frekansı bağımsız olarak üretilebilir. 2 ayrı çıkış frekansının değeri FSK modülatör devresi üzerindeki birbirinden bağımsız olarak ayarlanır. R ve 1 R dirençleri ile 2 Çıkış sinyalinin genlik seviyesi 3 nolu katlayıcı çıkış pinindeki direncin ayarlanması ile sağlanır [72]. FSK modülatör olarak şu şekilde kullanılmaktadır. Girişinden verilen dijital bilgiye göre dijital bilginin 1 olması ve 0 olması durumunda, iki farklı frekansta dalga üretip çıkışına aktarır. Hangi frekanslarda dalga üreteceği Şekil 5.15 teki devrede R1, R2 ve C0 elemanları ile belirlenir. Sayısal 1 ve 0 verisi için C bandı standardına göre frekans seçecek olursak 1 sayısal verisi için 140kHz, 0 sayısal verisi için 140kHz kullanalım. Tasarımımızda 0 sinyalini 120kHz olarak 1 sinyalini ise 140kHz olarak ürettirmek istediğimizde ilgili değerler aşağıda hesaplanmıştır [72]. Tasarım denklemleri VCO nun orta frekansı ; f 0 R 0 1 C 0 Hz (5.9) Dahili referans gerilimi : (5.10)

118 95 Döngünün alçak geçiren filtresinin zaman sabiti : = (5.11) Döngü sönümü : 1/ 4 C C 0 1 (5.12) Döngü izleme bant genişliği, / f0 R f / f 0 R 0 1 FSK veri filtresinin zaman sabiti ; : f f R f C f (5.13) (5.14) VCO nun dönüşüm kazancı ; K : 0 K 1 VR C R Hz/Volt (5.15) 0 / Toplam döngü kazancı K t 0 K ; t 2 K K C R 0 4/ rad/san/volt (5.16) FSK modülatör ve hesaplamaları Şekil FSK Modülatör devresi

119 96 Çizelge Modülatör devresi özellikleri ve parametreleri f f KHz R1 10, 5K RC KHz R2 12, 25K RC =680 pf için Çizelge 5.1. de R1 ve R2 direnç değerleri hesaplanmıştır XR-2206 FSK modülatör ve XR-2211 FSK demodülatör entegreleri ile her türlü eleman değerleri kullanılan frekanslara bağımlı olarak hesaplanmış ve FSK gönderici-alıcı elde edilmiştir. İlk olarak FSK haberleşme enerji hattından bağımsız olarak karşılıklı bağlanarak veri gönderimi ve alımı gerçekleştirilmiştir. Bunun için haberleşmede etkili dirençler ayarlı seçilerek haberleşme sağlanıncaya kadar dirençlerle hassas ayarlar yapılmıştır [72]. Şekil 5.16 de FSK verici sisteme ait blok diyagram görülmektedir. Şekil FSK Haberleşme uygulaması Mikrodenetleyiciye yazılan yazılımda sadece seri veri sinyali gönderilmekte ve alıcı tarafta da seri veri sinyali beklenmektedir. Burada haberleşme hızının düşük seçilmesinin sebebi veri kaybının olmasını önlemektir. Şekil 5.17 ve Şekil 5.18 de verici sistemde sayısal 1 ve sayısal 0 verilerine ait sinyaller görülmektedir.

120 97 Şekil dijital bilgisi için modülator çıkış sinyali Şekil dijital bilgisi için modülator çıkış sinyali XR 2211 FSK demodülatör devresi XR2211 demodülatör entegresi içerisinde Faz kilitlemeli döngü (PLL) barındırmakla birlikte veri haberleşmesi uygulamalarında kullanılırlar. Özellikle de FSK modem uygulamalarında tercih edilmektedir. 4,5V tan 20V a geniş çalışma gerilimi aralığı

121 98 vardır. 0,01Hz ile 300kHz arasında çalışma frekans aralığı vardır. Giriş hassasiyeti 2mV kadardır. XR-2211 içinde bir giriş ön yükselteci, PLL (Faz Kilitlemeli Döngü), katlama türü faz dedektör ve gerilim kontrollü osilatör (VCO) bulunmaktadır. Alınan sinyallerin tam olarak dönüştürülebilmesi için eleman değerlerinin iyi ayarlanması gerekir. Katlama türü faz dedektörü, sayısal mutlak veya kapısı vazifesi görür. Faz dedektörünün filtrelenmemiş çıkışı, giriş ile VCO nun çıkışının fark ve toplam frekanslarını içerir. Faz dedektörünün çıkışı filtrelenince toplam frekans bileşeni kesilir, fark bileşeni (dc bileşen) ise VCO yu sürmek üzere filtreden geçirilir. VCO giriş akımı anma değeri ( ) toprağa bağlı bir direnç ( ) ile, sürücü akımı ise, faz dedektörü ile arasındaki bir direnç ( ) ile ayarlanan, gerçekte akım kontrollü bir osilatördür. XR-2211 in diğer bölümleri, VCO nun orta frekansının üstüne mi yoksa altına mı sürüldüğünü belirlemede (FSK karşılaştırıcı) ve ana PLL in kilitleme yaptığını göstermek üzere hem aktif yüksek hem de aktif alçak çıkışlar üretmede faz dedektörü ve kilit dedektör kullanılır [72]. FSK demodülatör ve hesaplamaları Şekil FSK demodülatör devresi

122 99 Şekil 5.19 deki demodülatör devresinde, FSK kod çözümünde R 0 ve C 0 PLL orta frekansını belirler. R 1 sistemin band genişliğini belirler. C 1 ise döngü filtresinin zaman sabitini ve döngü sönümünü belirler. C F ve R F, FSK veri çıkışı için tek kutuplu demodülasyon sonrası filtreyi oluştururlar. RB direnci çıkış mantık durumları arasındaki hızlı geçişi gerçekleştirmek üzere, FSK karşılaştırıcı üzerine ön gerilim uygular. Tasarımda R 0 dışındaki tüm değerler en yakın değere yuvarlanabilir. R 0 direncine seri bağlı bir trimpot ile hassasiyet ayarı yapılmalıdır. Tasarımda C bandında haberleşme yapmak amacıyla; seçtiğimizde; FSK sinyallerinin kodu çözülürken düşük giriş frekansında FSK veri çıkışı 1, yüksek giriş frekansında ise FSK veri çıkışı 0 olur. PLL merkez frekansı ; f 0 f1 f 2 (5.17) 2 Çizelge Demodülatör devresi özellikleri ve parametreleri f f f 0, 5 Baud rate= KHz Rf 5R 406KΩ 1 R C b 0 5R 2MΩ f 0 R sum ( Rf R1 ) Rb 391KΩ ( R R R ) C0 615pf C1 38pF 2 Rf R t 1 1 f b C f μF ( R.Baudrate) sum Demodülatör devresi için gerekli eleman değerleri Çizelge 5.2. de hesaplanmıştır.

123 100 C 1 kondansatörü Loop damping yani PLL de istenmeyen frekans bileşenlerini sönümlendirme görevi görür. Normalde sönümlendirme (damping) faktörü 0, 5 seçilir. Filtre direnci ve kapasitesi hesaplandığında da; 300 baud haberleşme için; C C 0,25 0,25 nf f 391K f 0,25 (5.18) ( Rsum. Baudrate ) Sinyalin FSK modülasyonlu olarak hatta uygulanması Şekil 5.20 de blok diyagramda görüldüğü gibi verici sistem altı ayrı üniteden oluşmaktadır. Mikrodenetleyici ile gönderilen 300 baud hızındaki seri dijital bilgi FSK modülatör ile frekansa çevrilip band geçiren filtre ile harmonik sinyaller bastırılıp amplifikatör tarafından yükseltilerek kublaj devresi üzerinden enerji hattına uygulanmaktadır. Şekil Tasarlanan verici devre blok şeması Şekil 5.21 de verici devresinin çıkışından elde edilen yani hatta uygulanan sinyal görülmektedir. Sinyal genliği 11,5V olup frekansı 120kHz olan sayısal 1 bilgisidir.

124 101 Şekil Enerji hattı bağlı iken push-pull amplifikatör çıkış sinyali Sinyal Amplifikatörü Verici sistemde Aktif filtre çıkışında sinyal tamamen sinus olup opamp çıkışı fazla akım veremeyeceğinden sinyalin opamp çıkışında yükseltilip trafo üzerinden hatta verilmesi gerekmektedir. Bu sebeple opamp çıkışına NPN ve PNP transistörlerden oluşan push-pull yükselteç eklenmiştir. Burada push-pull yükselteç yapılmasının sebebi sinus sinyalinin bozulmaya uğramadan sinüs olarak yükseltilmesi içindir. Burada kullanılan amplifikatörün gücü hatta verilecek sinyalin gücü olduğundan amplifikatör gücü önem arz etmektedir. Amplifikatör gücü ne kadar yüksek olursa sinyalin hat boyunca gideceği mesafede artar ve zayıflama en aza indirgenir.

125 102 Şekil Push-Pull amplifikatör Şekil Enerji hattı bağlı iken transformatör çıkışından ölçülen sinyal Karşılıklı haberleştirilen FSK modülatör ve demodülatör sistemlerinde aradaki bağlantı ayrıldı ve transformatör ve kondansatör kublajı üzerinden enerji hattına bağlanmıştır.

126 103 Sistemin her fazda çalışabilmesi için her an veri gönderimi yapılmasının yanı sıra fazlar arasında yüksek frekanslı sinyalin geçebilmesi, şebeke sinyaline ise yüksek reaktans göstermesi amacıyla kondansatör şönt yapılmıştır. Bunun için 100nF-400V iki kondansatör seri bağlanarak 800V a kadar dayanabilmesi sağlanmıştır. Şekil Fazlar arasının kondansatör ile şöntlenmesi Resim 5.8 ve Resim 5.9 da tasarlanan verici ve alıcı sistemin fotoğrafları gösterilmiştir.

127 104 Resim Tasarlanan verici sistem Sinyalin enerji hattından alınması Sinyalin enerji hattından alınması Şekil 5.25 te görüldüğü gibi kublaj devresi, band geçiren filtre, FSK demodülatör ile dijital olarak gerçekleştirilir ve mikrodenetleyici ile demodülatörden seri bilgi olarak alınır.

128 105 Şekil Sinyalin hattan alınması Şekil Enerji hatlarından haberleşen mesaj gönderme sisteminin genel yapısı Enerji hattından yapılan haberleşmenin uygulaması olarak sisteme LCD ve klavye eklenerek klavyeden girilen karakterler LCD de gözlemlenirken aynı zamanda da enerji hattı üzerinden alıcı sisteme de gönderilmiştir. Alıcı sistem ekranında aynı karakterler gözlemlenmiştir. Böylelikle enerji hatları üzerinden mesajlaşma uygulaması yapılmıştır.

129 106 Resim Tasarlanan alıcı sistem Band geçiren aktif filtrenin tasarlanması Yüksek geçiren ve Alçak geçiren filtrelerin birleşimi ile bant geçiren filtreler oluşturulur. Burada amaç sadece istenen frekans aralığının geçirilmesi, istenmeyen frekansların ise bastırılmasıdır. Yüksek geçiren filtrelerin transfer fonksiyonu S ise 1 alçak geçiren filtrenin de transfer fonksiyonu olacaktır. S Şekil Bant geçiren aktif filtre değişkenleri

130 107 Filtrenin alt bant frekansını yüksek geçiren filtrenin kesim frekansı ( ), Filtrenin üst bant frekansını ise alçak geçiren filtrenin kesim frekansı ( ) belirleyecektir. Filtrelerin kesi frekanslarında 3dB lik bir kayıp vardır. Ve bant geçiren filtrenin bant genişliği ; (5.19) Ve Q kalite faktörü 1 ise. (5.20) Dolayısıyla filtrenin Q kalite faktörü Merkez frekansına ve Bant genişliğine bağlıdır. (5.21) 1. dereceden alçak geçiren filtrenin ve 1. dereceden yüksek geçiren filtrenin birleşmesi, 2. dereceden bant geçiren filtreyi oluşturur. Aynı şekilde 2. derecen alçak geçiren ve 2. derecede yüksek geçiren filtrelerin birleşmesi de 4. dereceden bant geçiren filtreyi oluşturur. Bant geçiren filtrede transfer fonksiyonu; A0 1 1 ( ) ve S değiştirildiğinde = S 1 S S A S (5.22) Sonuç olarak 2. dereceden bant geçiren filtrenin genel transfer fonksiyonu; A( S ) A.. S 0 (5.23) 2 1 S S Bant geçiren filtre tasarlanacağı zaman Q kalite faktörü, kazanç ve bant genişliği dikkate alınması gereken önemli faktörlerdir. Bu sebeple transfer fonksiyonunda A0 yerine Q kalite faktörü ve Am kazanç cinsinden denklem tekrar yazılacak olursa;

131 108 A( S ) Am. S Q (5.24) S S Q denklemi elde edilir. Aşağıdaki grafik bir bant geçiren filtrede Q kalite faktörünün önemini göstermektedir. Şekil Aktif filtre bode diyagramı ve Q faktörü Şekil de görüldüğü gibi Q kalite faktörü yükseldikçe geçirilen bant aralığı daralmaktadır. Bu sayede istenmeyen yakın değerdeki parazit sinyallerde bastırılmış olur [73]. 2.Dereceden Bant Geçiren Aktif Filtre Tasarımı Şekilde 5.29 da 2. Dereceden Butterworth tipi band geçiren filtre devresi görülmektedir.

132 109 Şekil Derece bant giren aktif filtre Şekilde te 2. derece aktif filtre görülmektedir. Filtreye ait transfer fonksiyonu: R2R3 C m. S A( s) R1 R3 (5.25) 2R1R3 R1R 2R C m. S C m S R1 R3 R1 R3 Filtre merkez frekansı; 1 R1 R3 Fm (5.26) 2 C R1R 2R3 Filtre Kazancı; R2 Am (5.27) 2R1 Filtrenin Q kalite faktörü; Q. Fm. R2. C (5.28) Filtre Bant genişliği : 1 Bw (5.29). R2. C Görüldüğü gibi R3 direncinin bant genişliği ve kazanca bir etkisi yoktur. R3 direnci sadece merkez frekansını belirlemede etkilidir [73]. Bu filtrede R3 direnci olmadan filtre düşük Q kalite faktöründe çalışır. Bununla birlikte filtre kazancı da Q kalite faktörüne bağımlıdır ve

133 110 2 Am 2. Q (5.30) Haberleşmede FSK modülasyonu kullanılacağı için 0 sinyalinde 120kHz, 1 sinyalinde ise 140kHz kullanılması uygun olacağından 130 khz merkez frekanslı Aktif Filtre tasarımının Gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Filtre Özellikleri Merkez frekans = 130 khz Bant Genişliği =20kHz, Kazanç =5 Kondansatör değerleri = 10nF ve Q=10 olsun Verilenlere göre; Çizelge 5.3. te değerler hesaplanmıştır. Çizelge Filtre özellikleri ve parametreleri Merkez Frekans f0 130KHz Bant Genişliği BW 20KHz Kazanç A 5 m Kalite Faktörü Q=10 C1,..., C7 10nF R R A m Burada filtrenin kalite faktörünün (Q=10) yüksek seçilmesi filtrenin 3dB zayıflatma noktasından sonraki sinyalleri daha güçlü şekilde bastırmasını sağlar. Elde edilen hesaplamalar sonucu Şekil 5.30 deki devre elde edilmiştir.

134 111 Şekil kHz bant geçiren aktif filtre kaskat bağlantı Yükselteç devresinin tasarlanması Enerji hattından alınan sinyal mesafeye göre oldukça zayıfladığı için sinyalin yükseltilmesi zorunlu hale gelmiştir. Bu sebeple yüksek frekansta çalışan opamp ile eviren yükselteç devresi tasarlanmış ve kazancı 100 yapılmıştır. Burada opamp ın negatif besleme kullanılmadan çalışabilmesi için + girişi Vcc/2 olarak ayarlanmıştır. Şekil 5.31 de tasarlanan yükselteç devresi görülmektedir. Burada kullanılan LF353 band genişliği yüksek kararlı bir opamptır.

135 112 Şekil LF353 ile yapılan eviren yükselteç Tasarlanan sistem üstünlükleri Bir ürün içerisinde gömülü olmayıp (Yeni nesil enerji hatlarından haberleşen modemler), tamamen kendine özgüdür. Her türlü veri gönderim ve alımında kullanılabilir. Hazır bir powerline entegre kullanılmadığı için yazılım geliştirilmesi ve denetim ile her türlü gelişime açıktır. Mevcut powerline entegrelerine göre komple sistem maliyeti oldukça düşüktür. Tasarlanan sitemde dijital veriler paketler halinde gönderilebildiğinden veri sınırı yoktur ve her türlü uygulamaya adapte edilebilir. Sistemin enerji hatlarına bağlı yüklerden etkilenmesi ilk yapılan çalışmalara göre oldukça azaltılmıştır.

136 113 Sistemin haberleşmesi enerji hattındaki gerilim veya frekansa bağımlı olmadığından DA hatlarda da kullanılabilir, (Güneş panelleri ile haberleşme). Sistem çeşitli hatlarda ve mesafelerde denenmiştir. Deneme ortamları; a) 25 daireli 5 katlı bir apartmanda akşam saat 9 sıralarında denenmiş ve en üst kat ile giriş kat arasında haberleşme sağlanmıştır. b) Bir okul ortamında atelyeler arasında 150m mesafede denenmiş ve veri iletişimi gerçekleştirilmiştir Sistemin uygulanabileceği alanlar 1- Bir binada zil tesisatı için her daireye ayrı kablo çekmek yerine, kablo olmadan enerji hattından zil tesisatının çalıştırılabilir. 2- Enerji hattı üzerinden mesajlaşma yapılarak gelişmiş bir çağrı sistemi tasarlanabilir. 3- Alarm devrelerinde sensörler enerji hattı üzerinden çalıştırılarak her sensöre kablo çekme zorunluluğu ortadan kaldırılabilir. 4- Akıllı ev otomasyonu olarak tek bir noktadan her türlü aygıt kontrolü enerji hatları üzerinden sağlanabilir. 5- Güneş enerji panellerinde panel verileri mevcut güneş paneli kabloları üzerinden alınabilir. 6- Motor denetim ve kontrollerinin mevcut enerji kabloları üzerinden gerçekleştirilmesinde kullanılabilir.

137 Basit Donanım ile Programsal Olarak Haberleşen Sistem Tasarımı Önceki bölümlerde yapılan çalışmalarda hatta bağlı yük durumlarına göre haberleşme frekansının etkisinin ne kadar önemli olduğu anlaşılmıştır. Bu sebeple haberleşme frekansının değiştirilebilir yapılabilmesi oldukça önemlidir. Bu çalışmada verici tarafta haberleşme frekansı değişken yapılıp alıcı tarafta da ayarlanan frekansta alma yapılacak ve farklı frekanslarda haberleşme gerçekleştirilecektir. Haberleşmenin farklı frekanslarda yapılması için önceden kullandığımız verici taraftaki FSK modülatör ve Alıcı taraftaki FSK demodülatör devrelerinde frekansın değişmesi durumunda bütün eleman değerleri değişeceğinden veri gönderim ve alımının tamamen programsal olarak yapılması üzerinde durulacaktır. Bu sayede hem donanımlar en aza inecek hem de sistem görünüm daha basite indirgenecektir. Asıl haberleşme mikrodenetleyici içerisine yazılacak yazılım ile gerçekleştirilecektir. Donanımda FSK modülatör ve demodülatör devreleri kaldırıldığında son olarak enerji hattında hem veri gönderen hem de veri alan sistem bloğu Şekil 5.32 deki gibi olacaktır. Şekil Alıcı ve verici ünite basitleştirilmiş blok diyagram

138 115 Şekil 5.32 te görüldüğü gibi sistem hem alma hem de gönderme yapabilecek şekilde tasarlanacaktır. Alma ve gönderme ayrı ayrı da yapılabilir. Bu durumda donanım daha basit hale gelecektir. Bu tasarımda FSK modem haberleşme donanımları iptal edildiği için haberleşmede 1 dijital verisi gönderilirken belirli frekansta ve uzunlukta sinyal gönderilecek, 0 dijital verisi için belirlenen frekansta uzunluğu kısaltılarak sinyal gönderilecektir. Alıcı tarafta ise mikrodenetleyici gelen veri uzunluklarını hesaplayıp verinin dijital 1 mi yoksa 0 mı olduğuna karar verip çözme işlemini gerçekleştirecektir. Bu çalışmada, sistemin 50kHz, 100kHz, 150kHz, 200kHz ve 250kHz frekanslarda haberleşme yapabilecek şekilde tasarlanması amaçlanmıştır. Bu sebeple öncelikle bu frekansların kare dalga olarak mikrodenetleyici de üretilmesi gerekmektedir. Burada işlemcinin çalışma frekansı, komut işleme hızı, programdaki komut satırının ne kadar süre harcadığı çok önemlidir. 250kHz e kadar yüksek frekansları üretmek için de mikrodenetleyicinin maksimum osilatör frekansında çalıştırılması daha doğru olacaktır. Bu sebeple kristal frekansı 20MHz seçilmiştir PIC mikrodenetleyicilerde işlem saykılı Öncelikle farklı frekansların oluşturulabilmesi için programsal olarak kurulacak döngünün ne kadar süre harcadığının hesaplanması gerekir. Bu nedenle kullanılan kristal frekansında komut işleme süresinin bilinmesi gerekir. PIC mikrodenetleyicilerde program işletilirken kullanılan osilatör frekansının ¼ ünde işlem gerçekleştirilir. Yani; OsilatörFrekansı İşlemfreka nsı (5.31) 4 20MHz Bu durumda 20Mhz bir kristal kullanılırsa; İşlemfreka nsı 5MHz 4

139 İşlemsaykı lı 0, 2ns (5.32) f 5MHz olur Verici sisteme ait sinyallerin oluşturulması Mikrodenetleyici ile istenilen frekanslı kare dalga sinyalin üretilebilmesi için port 1 seviyesine çıkarılmakta ve belirli bir gecikmeden sonra 0 seviyesine inmekte ve tekrar gecikme sağlanarak döngü içinde bu çalışma sürekli tekrarlatılmaktadır. Döngü ile oluşturulan bu kare dalga sinyalin frekansı döngüde kullanılan gecikmelere bağlıdır. Örneğin her iki gecikme değeri 2 olduğunda üretilen frekans 255kHz olmaktadır. Gecikme değerinin biri 3 yapılırsa sinyal frekansı 250kHz olmaktadır. Bu şekilde her frekans için bu değerler simülasyon programında denenerek gecikme değerleri bulunmuş ve tablo 3.1 de verilmiştir. Program yazımı CCS C dilinde gerçekleştirilmiştir. Kare dalga frekans oluşturan program parçası output_high(pin_b0); delay_cycles(gecikme1); output_low(pin_b0); delay_cycles(gecikme2); } Yukarıdaki program parçasında gecikme1=2 ve gecikme2=3 olduğunda yaklaşık olarak toplamda 20 saykıllık işlem yapılmaktadır. 1 saykıl 0.2 ns olduğuna göre Peryod 20x0.2 4 sn Frekans 1 1 khz T 4 sn 250 Çizelge 5.4 te her frekans için gecikme değerlerinin ne olması gerektiği uygulama yapılarak bulunmuştur.

140 117 Çizelge Farklı frekanslara göre bulunan gecikme değerleri 250kHz 200kHz 150kHz 100kHz 50kHZ Gecikme Gecikme Örneğin gecikme değerleri 5 yapıldığında toplamda yaklaşık olarak 25 saykıl işlem yapılmaktadır. 1 saykıl 0.2 ns olduğuna göre Peryod 25x0,2 5 sn Frekans 1 1 khz T 5 sn Haberleşme standardının oluşturulması Sayısal haberleşmenin tek hattan yapılması durumunda radyo frekans haberleşmesinde veya infrared haberleşmede kullanılan haberleşme standartları incelendiğinde bu çalışma içinde şu şekilde haberleşme standardı geliştirilmiştir. Buna göre verinin hattan yollanmasında öncelikle yüksek frekanstan oluşan uzun zamanlı bir start sinyali tanımlanmalı, sonra dijital 1 ve dijital 0 bilgisi içinde ayrı ayrı sinyal uzunlukları tanımlanmalıdır. Şekil 5.33 te haberleşmede kullanılacak sinyaller görülmektedir.

141 118 Şekil Haberleşmede kullanılacak bit ler ve uzunlukları Kullanılacak frekanslar için start sinyalinin oluşturulması Şekil Start bilgisi Tanımlanan start bilgisindeki frekans uzunluğu 1200uS olacak şekilde Çizelge 5.5 te her frekansta 1200uS uzunluğu elde edebilmek için elde edilen frekanslı kare dalga sinyalin kaç adet uygulanması gerektiği hesaplanmıştır. Çizelge START sinyalinin frekanslara göre süre ve adetleri Frekanslar 250kHz 200kHz 150kHz 100kHz 50kHz Frekanslara ait 1/250kHz 1/200kHz 1/150kHz 1/100kHz 1/50kHz periyodlar(us) 4 5 6, uS boyunca gönderilecek saykıl sayısı 1200/4= 300 adet 1200/5 = 240 adet 1200/6,8= 180 adet 1200/10= 120 adet 1200/20= 60 adet

142 119 Start sinyalini oluşturan program Start sinyaline ait oluşturulan program parçası aşağıda görülmektedir. Programda ilk başta 1200uS lik istenilen frekanslı kare dalga sinyal gönderimi için bu sinyalin kaç adet gönderileceği Çizelge 4.4 e göre saykilsayisi adlı değişkene yüklenmektedir. Örneğin 50kHz sinyalin peryodu 20µs dir. Aşağıdaki program satırında 60 defa 20µs lik 50kHz frekanslı kare dalga sinyali uygulanmaktadır. Toplamda 1200µs lik uzunluğa karşılık gelir. Program başında değişkenlere; Saykilsayisi=60;Gecikme1=16;Gecikme2=20 Değerleri yüklenir ve start alt programı çalıştırılırsa 50kHZ sinyale ait start sinyali üretilmiş olur. Start sinyali programı; void Start() {for(i=1;i<=saykilsayisi;i++) {output_high(pin_b0);delay_cycles(gecikme1);output_low(pin_b0); delay_cycles(gecikme2)} delay_us(300);} Yukarıdaki program analiz edilirse; 50kHz sinyalin 60 kere yollanması ile oluşan peryod u hesaplarsak;

143 120 Dijital 1 bilgisinin değişik frekanslar için oluşturulması Şekil Dijital 1 bilgisi Tanımlanan Dijital 1 bilgisindeki frekans uzunluğu 500uS olacak şekilde çizelge 5.6 da her frekansta 500uS uzunluğu elde edebilmek için elde edilen frekanslı kare dalga sinyalin kaç adet uygulanması gerektiği hesaplanmıştır. Çizelge Dijital 1 sinyalinin frekanslara göre süre ve adetleri Frekanslar 250kHz 200kHz 150kHz 100kHz 50kHz Frekanslara ait peryodlar(us) 1/250kHz 4 1/200kHz 5 1/150kHz 6,8 1/100kHz 10 1/50kHz uS boyunca 500/4 500/5 500/6,8 500/10 500/20 gönderilecek =125 adet = 100 adet = 73 adet = 50 adet = 25 adet saykıl sayısı void yolla1() {for(i=1;i<=saykilsayisi;i++) {output_high(pin_b0);delay_cycles(gecikme1);output_low(pin_b0); delay_cycles(gecikme2)} delay_us(500);} Program başında değişkenlere; Saykilsayisi=25;Gecikme1=16;Gecikme2=20 Değerleri yüklenir ve yolla1() alt programı çalıştırılırsa 50kHZ sinyale ait dijital 1 sinyali üretilmiş olur.

144 121 Dijital 0 bilgisinin farklı frekanslarla oluşturulması Şekil Dijital 0 bilgisi Tanımlanan Dijital 0 bilgisindeki frekans uzunluğu 250uS olacak şekilde çizelge 5.7 de her frekansta 250uS uzunluğu elde edebilmek için elde edilen frekanslı kare dalga sinyalin kaç adet uygulanması gerektiği hesaplanmıştır. Çizelge Dijital 0 sinyalinin frekanslara göre süre ve adetleri Frekanslar 250kHz 200kHz 150kHz 100kHz 50kHz Frekanslara ait peryodlar(us) 1/250kHz 4 1/200kHz 5 1/150kHz 6,8 1/100kHz 10 1/50kHz uS boyunca 250/4 250/5 250/ /10 250/20 gönderilecek =62 adet = 50 adet = 36 adet = 25 adet = 12 adet saykıl sayısı void yolla0() {for(i=1;i<=saykilsayisi;i++) {output_high(pin_b0);delay_cycles(gecikme1);output_low(pin_b0); delay_cycles(gecikme2)} delay_us(750);} Program başında değişkenlere; Saykilsayisi=25;Gecikme1=16;Gecikme2=20 Değerleri yüklenir ve yolla0() alt programı çalıştırılırsa 50kHZ sinyale ait dijital 0 sinyali üretilmiş olur.

145 122 Şekil Örnek olarak 9 dijital bilgisinin gönderilmesi ve simülasyonu Verici tarafından 150kHz frekansta gönderilen 9 bilgisinin osilaskopta izlenmesi Şekil 5.37 deki gibidir. Burada Time/div ile dalga açıldığında belirli adetlerde 150kHz frekanslı kare dalga sinyalleri gözlemlenir Alıcı sistemde yazılım geliştirilmesi Sistemde kublaj devresi üzerinden gelen sinyal filtre ve yükselteçten geçtikten sonra mikrodenetleyici portuna girer. Mikrodenetleyici portu 1 seviyesine çıkar çıkmaz 1200uS boyunca değişim saydırılır. Örneğin 250kHz de değişim 300 taneye yakınsa bu START sinyalidir. 300 adetten farklı ise program tekrar başa dönüp yine START sinyalini bekler. Alıcı sistemde verinin alınması için hazırlanan programın akış diyagramı Şekil 5.38 de gösterilmiştir.

146 123 Start bilgisinin kontrolü BASLA H Port 1 e çıktı mı? E TMR1 Zamanlayıcı sayıcısını başlat 1200us bekle TMR1 i oku H 170<pulse<180 Aralığında mı? E 50kHz=60 100kHz= kHz= kHz= kHz=300 VERI AL Şekil START bilgisinin kontrol edilmesine ait program akış diyagramı Alıcı taraftaki mikrodenetleyici portunun 1 e çıkmasını beklenmekte, port seviyesi 1 olduğu anda TMR1 zamanlayıcı sayıcısını başlatarak start bilgisinin pulse sinyalinin verildiği müddetçe yani 1200uS boyunca saydırılmaktadır. 1200uS sonunda eğer değer 180 ile 170 aralığında ise (150kHz haberleşmede) bu start sinyalidir ve program hemen veri alma rutinine dallanır. Sayılan pulse değerleri bu sınırlar içinde değilse program başa giderek tekrar start sinyalini bekler.

147 124 1 ms uzunluğundaki veri dizisinin pulse değerlerini saydırma Şekil 5.39 da 1 byte veri alımında her bit değerin uzunluklarını saymaya ve kaydetmeye yarayan programa ait akış diyagramı görülmektedir. Programda her dijital bit uzunluğu saydırılmakta ve 8 ayrı kaydedicide saklanmaktadır. VERİ AL 300uS Bekle Start sinyalinin 300uS lik 0 bilgisi süresi. TMR1 i sıfırla 500uS bekle TMR1 i oku d1 e at D1=TMR1 İlk Verinin pulse sayısının saydırılması 500 us bekle TMR1 i sıfırla 500uS bekle TMR1 i oku d8 e at D8=TMR1 Son Verinin pulse sayısının saydırılması 500 us bekle Dijital Veriyi oluştur Şekil Start bitinden sonra 1ms uzunluğundaki bitlerin saykıl sayılarının tespiti

148 125 Start bitinin 300uS lik sıfır süresinden hemen sonra 1ms aralıklarla 8 ayrı pulse sayısı gelmektedir. Bu 1ms sürenin ilk 500uS değerinde pulse sinyalleri gönderilmekte son 500uS değerinde ise 0 gönderilmektedir. Dolayısıyla ilk 500uS boyunca TMR1 saydırılıp pulse değerleri ayrı ayrı Dn kaydedicilerine kaydedilir. Pulse değerlerine göre dijital verinin elde edilmesi Şekil 5.40 da her bit e ait uzunlukların kaydedildiği kaydedicilerdeki pulse sayılarına göre verinin dijitale çevrilmesine ait programın akış diyagramı görülmektedir. Dijital Veriyi oluştur D1>=50? Veri.0=0 Veri.0=1 D8>=50? Veri.7=0 Veri.7=1 BASLA Şekil Saykıl uzunluklarına göre 1 ve 0 dijital bilgilerinin elde edilmesi akış diyagramı

149 126 Her 1ms lik periyoddaki pulse sayıları d1-d8 arası kaydedicilere yüklendikten sonra pulse sayıları dikkate alınarak verinin 1 veya 0 olduğuna karar verilir. Örneğin 150kHz frekanslı sinyalde Çizelge 5.6 ve Çizelge 5.7 deki verilenlere göre 500uS boyunca 1 bilgisi için 73 pulse, 0 bilgisi için 36 pulse yollanmaktadır. Bu durumda ; Pulse sayısı>=50 ise Veri = 1 Pulse sayısı<50 ise Veri = 0 Mantıksal denklemini yazmak doğru olacaktır. D1 den d8 e kadar pulse değerleri tek tek eşitlikteki gibi sorgulanarak veri adlı kaydedicinin ilgili bitleri 1 veya 0 yapılarak dijital veri elde edilir. Şekil 5.41 de yazılan programlar simülasyonda çalıştırılmıştır. Şekil Alıcı ve Verici Programının ISIS programında denenmesi Alıcı için filtre tasarım programında filtre tasarımı Enerji hattından yüksek frekanslı sinyalin temiz bir şekilde gürültü sinyallerinden arındırılmış olarak alınabilmesi için band geçiren filtre kullanılması yeterli iken

150 127 frekans aralığının geniş ve değişken olduğu bu çalışmada minimum 50kHz kesim frekansına sahip yüksek geçiren filtre (High-Pass Filter) tasarlama ihtiyacı doğmuştur. Filtre tasarımını kolaylaştırmak için Texas Instruments firmasının FilterPro Version programı kullanılmıştır. Bu sayede istenilen filre özelliklerine göre hızlı ve kolay filtre tasarımı gerçekleştirilmektedir. Şekil 5.42(a) daki giriş ekranında tasarlanacak filtre tipi, frekans ve kazanç bilgileri programa girildiğinde Şekil 5.42(b) de filtreye ait bode diyagramı, Şekil 5.43 te devre şeması otomatik olarak sağlanmaktadır. Şekil Filter Pro programında; a) Filtre özelliklerinin girilmesi b) filtrenin frekans eğrisinin çizdirilmesi Şekil Filter Pro programı tarafından tasarlanan filtre devresi

151 ISIS programında tasarlanan filtrenin simülasyonu Şekil 5.44 te görüldüğü gibi filtre ISIS programında çizilmiş ve simülasyonu gerçekleştirilerek Şekil 5.45 te görüldüğü gibi bode diyagramı çizdirilmiştir. Simülasyonda örnek olarak 10kHZ ve 150kHz frekanslı sinyaller filtre girişine uygulanmış ve filtrenin bu sinyallere gösterdiği tepki Şekil 5.46 ve Şekil 5.47 de gösterilmiştir. Şekil ISIS programında filtrenin kurulması Şekil ISIS programında filtrenin frekans eğrisinin simülasyonu

152 129 Şekil kHz giriş sinyaline göre çıkış sinyali Şekil kHz giriş sinyaline göre çıkış sinyali Tasarlanan sistem kurulmuş ve bir ev içerisinde en uzak odalar arasında dijital veri haberleşmesi yapılmış ve Resim 5.10 da görüldüğü gibi 9 dijital verisine ait haberleşme sinyalleri osilaskop ile gözlemlenmiştir. Şekil 5.48 de verici sisteme ait devre şeması, Şekil 5.49 da ise alıcı sisteme ait devre şeması görülmektedir.

153 130 Resim Alıcı ve verici devrenin birlikte denenmesi. (Mesafe=40m) Şekil Tasarlanan verici devre sinyal gönderme bölümü Şekil Tasarlanan alıcı devre sinyal alma bölümü Sonuç olarak Şekil 5.48 ve Şekil 5.49 deki alıcı ve verici devreleri kurulup mikrodenetleyiciler ile haberleştirilmiş ve sistem enerji hattında denenmiştir. İlk olarak 8 bitlik sabit 9 verisi (binary ) verici tarafından belirli zaman aralıklarında gönderilmiş, alıcı ise bu veriyi alıp LCD ekranda göstermiştir. Alıcı ve verici sistem 40m mesafeden haberleştirilmiştir. Şekil 5.50 ve Şekil 5.51 de verici

154 131 tarafından gönderilen ve alıcı tarafından devrelere bağlanan osilaskop ile 9 bilgisine ait sinyaller görülmektedir. Şekil Verici tarafta kublaj transformatörüne verilen 150kHz dijital 9 bilgisi Şekil Alıcı tarafta 40m mesafeden kublaj transformatörü çıkışından alınan bilgi. (150kHz-dijital 9)

155 132 Alıcı taraftan alınan dijital 0 bitine ait sinyaller Şekil 5.52 de görülmektedir. 150kHz frekansta 0 bilgisine ait sinyal değişim sayısı 1ms lik zamanda toplam 36 dır. Dolayısıyla alıcı tarafta port seviyesi 1 olduğu anda 500ms boyunca değişimler saydırılır. Değişim aralığında ise dijital 0 olduğuna karar verilir. Şekil te ise dijital 0 bilgisinin yatayda açılmış hali görülmektedir. Alıcı ve verici sisteme ait yapılan uygulamalar Resim 5.11 ve 5.12 de görülmektedir. İlk uygulama olarak verici sistem üzerindeki butonlar ile enerji hattı üzerinden lamba kontrolü gerçekleştirilmiştir. Şekil Dijital 0 bilgisi

156 133 Şekil Alıcı tarafta alınan dijital 0 bilgisinin açılımı Resim Verici devresi

157 134 Resim Alıcı devresi ve lamba kontrolü Tasarlanan sistemin uygulanması Tasarlanan sistem uygulama olarak katı yakıt ısıtma kazanında kömürün yanmasını sağlayan kazan içine hava akımı gönderen fan motorunun evden alınan ısı değerine göre kontrol edilmesi için uygulanmıştır. Burada amaç ev ısısının yeterli seviyeye gelmesi ile kazana hava sağlayan motorun durdurulmasıdır. Klasik uygulamalarda ev ısısı kontrol edilmeden motor sürekli çalışarak kazan içine hava sağlar ve kömürün yanması sağlanır. Bu hava motorun sürekli çalışması ile kazana sürekli hava verilir ve kömürün yanma süresi kısalır. Böylelikle daha fazla kömür kullanılır. Uygulanan sistem ile ev içindeki ısı değeri ölçülüp enerji hattı üzerinden kazan dairesine gönderilmekte, alınan ısı değerine göre kazana hava sağlayan fan motorunun kontrolü sağlanmaktadır. Bu şekilde kömür sarfiyatı minimuma indirilmiştir.

158 Resim Kazan dairesine uygulanan alıcı ve ısı gönderen sistem 135

159 Uygulamaların karşılaştırılması Çizelge Yapılan uygulamaların ve powerline modemin karşılaştırılması Fiyat Hız Frekans Haberleşme Test edilen Mesafe Malzeme durumu Uygulama 1 ASK Uygulama 2 FSK Uygulama 3 Değişken frekanslı basit donanımlı CYPRESS CY3272 Powerline Modem 25 TL 40 TL 30 TL 450 TL Çok yavaş 9600 baud 1200 baud 9600 baud 140kHz khz kHz khz Tek faz 3 faz 3 faz 3 faz 100m 200m 150m 150m Kolay bulunabilir Kolay bulunabilir Kolay bulunabilir Özel malzemeler Yapılan uygulamalar ve hazır alınarak kullanılıp test edilen powerline modem Çizelge 5.8 de karşılaştırılmıştır. Tez çalışmasında yapılan uygulamaların en büyük üstünlüğü oldukça düşük maliyetle elde edilmesidir. Haberleşme mesafesi olarak FSK uygulamasında üstünlük sağlanmıştır. Bu uygulamalarda kullanılan malzemeler piyasada kolay bulunan düşük maliyetli malzemelerdir.

160 SONUÇ VE ÖNERİLER Enerji hattı üzerinden haberleşmede hattın farklı frekanslara karşı gösterdiği empedansı belirleyebilmek için ölçümler yapılmış ve ölçüm sonuçlarına göre farklı frekanslarda empedans hesaplanıp hattın frekans-empedans grafiği oluşturulmuştur. Ayrıca hatta uygulanan sinyalin frekansının etkisinin ne derece olduğu anlamaya çalışılmış bu sebeple hatta sabit mesafede kHz frekans aralığında sinyaller uygulanarak ölçümler gerçekleştirilmiştir. Ölçüm sonuçları Phytia programı ile değerlendirilmiş ve YSA modeli çıkarılmıştır. Elde edilen model ve fermi fonksiyonu vasıtasıyla istenilen uzunluktaki sinyal zayıflama değeri hesaplanmıştır. Matlab Simulink programında yüksek frekanslı sinyal, yüksek geçiren LC filtre üzerinden 50Hz frekanslı sinyal üzerine bindirilmiştir. Aynı zamanda yüksek geçiren filtre ile tekrar yüksek frekanslı sinyal elde edilerek simülasyon gerçekleştirilmiştir. Enerji hatları üzerinden haberleşmeyi gerçekleştirmek amacıyla öncelikle fazın sıfır geçişinden faydalanılarak hatta kare dalga sinyal verilmiş ve alıcı tarafta da sıfır geçiş anlarında sinyalin varlığı veya yokluğu kontrol edilerek haberleşme gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma bir ev içerisinde oda ısısının istenen noktadan okunması için gerçekleştirilmiş ve uygulanmıştır. Sadece bir faza bağımlılığın ortadan kaldırılması ve sistemin her fazda da haberleşme yapabilmesini sağlamak amacıyla FSK haberleşme kullanılmış, bunun için FSK modülatör ve demodülatör devreleri tasarlanarak alıcı verici devrelerine eklenmiş ve haberleşme her fazda FSK modülasyonlu olarak gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma sonucunda vericiye klavye eklenmiş ve klavyeden yazılan karakterler enerji hattına gönderilerek alıcıda bulunan LCD ekrandan karakterler gözlemlenmiştir. Haberleşmenin daha kaliteli ve gürültü sinyallerinden bağımsız gerçekleştirilebilmesi için filtre devreleri tasarlanıp simülasyonu gerçekleştirilmiş ve daha sonra sistem üzerine eklenmiştir.

161 138 Son olarak FSK haberleşmesinde modülatör ve demodülatör devreleri kaldırılarak haberleşme tamamen yazılımsal olarak gerçekleştirilmeye çalışılmış ve bir haberleşme modeli geliştirilmiştir. Bu sayede az bir donanım ile basit temel bir alıcıverici devresi tasarlanmıştır ve haberleşme frekansı donanımdan bağımsız olarak yazılımsal fonksiyonlarla kolayca değiştirilebilmiştir. Uygulama olarak uzaktaki bir lambanın kontrol edilmesi sağlanmış daha sonra ısı bilgisi enerji hattından yollanıp alıcı tarafta izlenmiştir. Yapılan ölçümlere göre oluşturulan hat empedans grafiği, YSA modellemesi ve gerçekleştirilen uygulamalar bundan sonra yapılacak çalışmalara ışık tutacaktır.

162 139 KAYNAKLAR 1. Kaspar, Z., Power-Line Communication - Regulation Introduction, PL Modem Implementation and Possible Application, Motorola Czech Systems Laboratories,10-17 (2003). 2. Anderson, J.B., "Digital Transmission Engineering", IEEE Press, (1998). 3. Proakis, J.G., "Digital Communications", McGraw-Hill, (1995). 4. Brown, P., "Directional Coupling of High Frequency Signals onto Power Networks",Proc. International Symposium on Power-line Communications and its Applications, Essen, Germany, (1997). 5. Brown, P., "Some Key Factors Influencing Data Transmission Rates in the Power Line Environment when Utilising Carrier Frequencies above 1 MHz", Proc.International Symposium on Power-line Communications and its Applications, Tokyo, Japan, (1998). 6. Fröroth, I., "More than Power Down the Line", Licentiate of Technology Thesis, Department of Teleinformatics, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, (1999). 7. Lauder, D., Sun Y., "Modelling and Measurement of Radiated Emission Characteristics of Power Line Communication Systems for Standards Development", Proc. 3rd International Symposium on Power-line Communications and its Applications, Lancaster, UK, (1999). 8. Richard, R., "A Pragmatic Approach to Setting Limits to Radiation from Power Line Communication Systems", 3rd International Symposium on Powerline Communications and its Applications, Lancaster, UK, (1999). 9. Brown, P., Honary B., Yazdani J., "Power Line In-House Near & Far-field Propagation Measurements and simulation, 3rd International Symposium on Power-Line Communications and its Applications, Lancaster, UK, 9-13 (1999). 10. Rensburg, P.A., Ferreria H., Coupler winding ratio selection for effective narrowband power-line communications, IEE Trans. Power Deliv., (2008).

163 Hooijen, O., "A Channel Model for the Low-Voltage Power-Line Channel", International Symposium on Power-line Communications and its Applications,Essen, Germany, (1997). 12. MTC S-FSK PLC Modem Reference Manual, Alcatel Microelectronics,20-25 (1998). 13. Kelly, G., Home Automation: Past, Present &Future, Trade Electronics Australia, February,1-6 (1997). 14. Yıldız, M., Genişletilebilir ev güvenliği ve otomasyonu, Elektrik- Elektronik Mühendisliği 11. Ulusal kongre fuarı, (2005). 15. Osama, B., Er L., Design of Broadband Coupling Circuits for Powerline Communication Communications Laboratory,Helsinki University of Technology, 4-7 (2001). 16. Seok, B., Shin C., Automatic repeat protocol for distribution automation system through powerline communication, Power Line Communications and Its Applications, EEE International Symposium, 2-10 (2008) 17. Alzobik, Q., Al-Tavil I., Design of Power-Line Communication System (PLC) Using a PIC Microcontroller, J. of Active and Passive Electronic Devices book, (2008). 18. Burroughs, J., Home Automation Using the PIC16F877A, Microchip Technology Inc., 1-8 (2002). 19. Kural, F., Şafak M., Yavuz E., ve Alçak gerilim enerji hatlarının sayısal iletişim için modellenmesi, Hacettepe Üniversitesi, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü,Ankara, 4-7 (2003). 20. Karataş, P., Aksoy M., Mikrodenetleyici Tabanlı Akıllı Ev otomasyonu, Çukurova Ünv. Elk.-Elkt. Müh Bölümü, Adana, 1-5 (2004) 21. Lebron, A., An Analog Front-End for Powerline Communications, Graduate Department of Electrical and Computer Engineering University, Toronto, 3-8 (2001). 22. Sutterlin, P., Downey W., A power line communication tutorial challenges and Technologies, Echolon Corporation, 7-15 (2008). 23. Zhang, S.,Zhao Li, Design and Implementation of OFDM Modem for Low Voltage Narrowband Powerline Communication, International Conference on Computer Science and Information Processing (CSIP),1-9 (2012).

164 Paruchiri, V., Securing Powerline Communication, Department of Computer ScienceUniversity of Central Arkansas Conway,USA-IEE, 2-13 (2008). 25. Liuqing, Y., Rui C, Xilin C., On the System Capacity of Relay-Aided Powerline Communications, IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications, (2011). 26. Harshard, V.,Vamsi K., Powerline Communication based Home Automation and Electricity Distribution System, IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications, (2011). 27. Emleh, A., Ferreira H., Snyders A., Received Noise on Powerline Communications where the In-Building Wiring Acts as an Antenna, IEEE Africon The Falls Resort and Conference Centre, Livingstone, Zambia, (2011). 28. Mouly, M., Pautet B., "The GSM System for Mobile Communications", Cell & Sys,22-29 (1992). 29. Ekşi, S., Özmen Y., Sonsuz K., Usta Ö., Elektrik Dağıtım Şirketleri ile Tüketiciler Arasında İki Yönlü Bilgi İletişimi, Elektrik Mühendisliği Bölümü, İTÜ, İstanbul, (2003). 30. Horguchi, A., Perspective on Power Line Communications, Mitsubishi Electric, (2005). 31. Uzgören, F., İki İletkenli Transmisyon Hatları, İ.T.Ü., İstanbul, 4-13 (1982) 32. Megla, G., Dezimeterwellentechnik, Berliner Union, Stuttgart, (1962). 33. Kaden, H., Wirbelströme und Schirmung in der Nachrichtentechnik, Springer - Verlag, Berlin, Götingen, (1959) 34. Riley, E. ve Acuna, V. Transmission Systems, ABC of the Telephone, vol. 8, (1990). 35. Schmidt, H., Theorie und Technik der Nachrichtenkabe l, Dr. Alfred Hüthing, Verlag, Heidelberg, (1990). 36. Yılmaz G., Simetrik haberleşme kablolarında birincil parametrelerin frekansla değişiminin deneysel incelenmesi, Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 9, Sayı 2, 1-5 (2004).

165 Philipps, H., Modelling of power line communication channels, Institute for Communications Technology Braunschweig Technical University, 7-11 (2002). 38. Nicholson, R., Malack A., RF Impedance of Power Lines and Line Impedance Stabilization Networks in Conducted Interference Measurements, IEEE Trans. on Electromagnetic Compatibility, 3-8 (1973). 39. Özdemir, E., Enerji İletim Hatları Üzerinden Haberleşme ve Veri İletimi, Yük.Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, (2003). 40. Michael, D., Rose F. IEEE Guide for Power-Line Carrier Applications, American National Standards Institute,13-27 (1992). 41. T.E.İ.A.Ş T40 S RF( taşıyıcı) kullanım klavuzu,t.e.i.a.ş. Akköprü PLC Cihazı Üretim Merkezi, 2-11 (2003). 42. Aslan, G., Enerji Hatları Haberleşmeciliği ve Modellenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, (2007). 43. Anderson, J.B., Digital Transmission Engineering, IEEE Press, 7 (1998). 44. Yolcu, M., Yavuz, A., Enerji Sistemlerinde Radyo Frekans İşaretlerin Güç Hatları Üzerinden Haberleşme ve Veri iletiminde Kullanılması,Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, (2003). 45. CENELEC EN Europan Standarts, 1-22 (1991). 46. "PL3120 Powerline Smart Tranciever Data Book, Echolon Corparation, 3-6, (2008). 47. Baiant, A., Cuntic, P., Analysis of Modulation Methods for Data Communications over the Low-voltage Grid, Proceeding of the 7th International Conference on Telecommunication, Zagreb, Croatia, (2003). 48. Cristina, S., Amore, M., Digital Analytical Method for Calculating Corona Noise on HV Powerline Carrier Communication Channel, IEEE Trans.on Power Apparatus and Systems,104(4): (1990). 49. Mujčıć, A., Suljanovıć, N., Zajc, M., Tasic, J.F., Corona Noise on the 400kV Overhead Powerline Measurements and Computer Modeling, Electrical Engineering, 86(2): (2004).

166 Zimmermann, M., Dostert, K., Analysis and Modelling of Impulse Noise in Broad Band Powerline Communication, IEEE Transactions on Consumer Electronics, (2002). 51. Hanson, J., Timed Power Line Data Transmission, M.Sc. thesis, University of Saskatchewan, (1997). 52. Dalby, A.B., Signal Transmission on Power Lines; (Analysis of power line circuits), Proc International Symposium on Power-line Communications and its Applications, Essen, Germany, (1997). 53. Meng, H., Guan, Y.L., Modeling and Analysis of Noise Effects on Broadband Power-Line Communications, IEEE Transactions on Consumer Electronics, (2002). 54. Eggimam, F., Senn W., Morf, K., The Transmission Characteristics of High- Voltage Lines at Carrier Frequencies, BBC Brown Boveri, 6-10 (1998). 55. PL 3120,PL 3150,PL 3170, Power Line Smart Transceiver Data Book,ECHOLON Company, 1-30 (2008). 56. YÜCEL, F. Dar bandı Band Geçirn LC Filtreler, PTT Araştırma laboratuarı, (2008). 57. Kugelstadt, T., Active Filter Design Techniques Texas Instrumens Company, (1991). 58. Öztemel, E., "Yapay Sinir Ağları", Papatya Yayıncılık, İstanbul, (2003). 59. Sağıroğlu, Ş., Besdok, E., Erler, M.,. Mühendislikte yapay zeka uygulamaları-1: Yapay Sinir Ağları, Ufuk Yayıncılık, Kayseri, (2003). 60. Fausett, L., Fundamentals of Neural Networks: Architectures, Algorithms, and Applications, Publisher Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice-Hall, Inc. (1994). 61. Negnevitsky, M., Artificial Intelligence, Addison-Wesley, (2005). 62. Çağlar, M.F., Yapay Sinir Ağı İle Smith Ağı Modeli, Doktora Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, (2007). 63. Fausett, L. "Fundamentals of Neural Networks : Architectures, Algorithms and Applications", Pearson Education, USA, 3-5 (2006).

167 Spall, J., A neural network controller for treatment, IEEE Trans Syst, Man Cybernet Part B: Cybernet, 27: (1997). 65. Noğay, H.S, Üç Fazlı Kafesli Asenkron Motorlarda Toplam Harmonik Distorsiyonunun Yapay Sinir Ağları Yöntemi Kullanılarak Saptanması, Doktora Tezi, Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 1-33 (2008). 66. Korkmaz, F., Asenkron Motorun Yapay Sinir Ağı Tabanlı Doğrudan Moment Denetimi Yöntemi ile Hız Denetimi, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, (2011). 67. Lüy, M., "Yapay Sinir Ağlarının Modellemesi Yapılan Termik Santralde Uygulanması", Doktora Tezi, Kırıkkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kırıkkale, (2009). 68. Taş, Ü., Fizyolojik Sistemlerin Yapay Zekâ Teknikleri Kullanılarak Modellenmesi Ve Kontrolü İçin Eğitim Amaçlı Bir Simülatör Tasarımı, Doktora Tezi, 10-13, Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul (2009). 69. Chen, S., Forecasting tourist arrivals by using the adaptive networkbased fuzzy inference system, Expert Systems with Applications, (2009). 70. Wayne, TOMASI, Elektronik İletişim Teknikleri, MEB Yayınları, (1994). 71. XR-2211,XR-2206 FSK modulator, demodulator pdf document, Exar.company, (2001). 72. Texas Instruments, Chapter 16, Active filter design techniques, Literature number: SLOD006A, Texas Instruments Company,(2004).

168 EKLER 145

169 EK-1. ASK uygulamasına ait devre çizim ve programları 146

170 147 EK-1. (Devam) ASK uygulamasına ait devre çizim ve programları ASK uygulaması verici devresine ait Proton Basic dilinde yazılan program: DEVICE 16f628 XTAL 20 CMCON=07 TRISB=% PORTB=% Trisa=% porta=0 dim k as byte ; kaydedici tanimlamalari dim say as byte dim sebeke as portb.7;port tanimlamalari dim ledd as porta.0 dim ledd1 as porta.1 dim but1 as portb.0 dim but2 as portb.1 dim but2 as portb.2 LEDd=1:DELAYMS 500:LEDd1=0:DELAYMS 500 LEDd=1:DELAYMS 500:LEDd1=0:DELAYMS 500 LEDd=1:DELAYMS 500:LEDd1=0:DELAYMS 500 calis:;butonlarin kontrol edilmesi if but1=0 then goto gonder1 if but2=0 then goto gonder2 if but3=0 then goto gonder3 delayms 5 goto calis

171 148 EK-1. (Devam) ASK uygulamasına ait devre çizim ve programları gonder1: LEDd=1:DELAYMS 500:LEDd=0:DELAYMS 500 for say=1 to 5 call yolla1 ; verisinin yollanmasi call yolla1 call yolla1 call yolla1 call yolla1 call yolla1 call yolla1 call yolla1 call yolla1 call yolla0 call yolla0 call yolla1 call yolla1 call yolla1 next say goto calis gonder2: LEDd1=1:DELAYMS 500:LEDd1=0:DELAYMS 500 for say=1 to 5 call yolla1; verisinin yollanmasi call yolla1 call yolla1 call yolla1 call yolla1 call yolla1 call yolla1:call yolla1

172 149 EK-1. (Devam) ASK uygulamasına ait devre çizim ve programları call yolla1 call yolla0 call yolla0 call yolla0 call yolla1 call yolla1 next say goto calis gonder3: LEDd1=1:ledd=1:DELAYMS 500:LEDd1=0:ledd=0:DELAYMS 500 for say=1 to 5 call yolla1 ; verisinin yollanmasi call yolla1 call yolla1 call yolla1 call yolla1 call yolla1 call yolla1 call yolla1 call yolla1 call yolla0 call yolla0 call yolla0 call yolla0 call yolla1 next say goto calis yolla1: sifiradus:delayus 1 ;sifir gecis ani kontrol ediliyor

173 150 EK-1. (Devam) ASK uygulamasına ait devre çizim ve programları if sebeke=1 then sifiradus tara: birbekle:delayus 1 if sebeke=0 then birbekle for k=1 to 200 ;sifir gecis aninda 200 adet 140kHz kare dalga uygulaniyor portb.6=1:delayus 2:portb.6=0:delayus 5 next k sifirbek:delayus 1 if sebeke=1 then sifirbek return yolla0: ;sifir gecis ani kontrol ediliyor sifiradus0:delayus 1 if sebeke=1 then sifiradus0 birbekle0:delayus 1 if sebeke=0 then birbekle0 for k=1 to 200 ; sifir gecis aninda 0 verisi uygulaniyor portb.6=0:delayus 2:portb.6=0:delayus 5 next k sifirbek0:delayus 1 if sebeke=1 then sifirbek0 return goto tara end

174 151 EK-1. (Devam) ASK uygulamasına ait devre çizim ve programları ASK uygulaması alıcı devresine ait Proton Basic dilinde yazılan program: DEVICE 16f628 XTAL 20 CMCON=07 TRISB=% TRISa=% PORTB=% PORTa=% declare lcd_dtpin portb.0 ;LCD tanimlamalari declare lcd_rspin porta.2 declare lcd_enpin porta.3 dim sebeke as portb.7 dim ledd1 as porta.1 dim ledd2 as porta.0 dim ledd3 as portb.6 dim signal as portb.4 dim buzzer as portb.5 dim k as byte ; kaydedici tanimlamalari dim wrd as word dim veri as bit dim deger as byte LEDd1=1:DELAYMS 500:LEDd1=0:DELAYMS 500 cls print at 1,1," X10 HABERLESME " print at 2,1," "

175 152 EK-1. (Devam) ASK uygulamasına ait devre çizim ve programları call beep:call beep:call beep tekrarla: deger=0 call verial:deger.0=veri call verial:deger.1=veri call verial:deger.2=veri if deger<7 then tekrarla bekle0: call verial if veri=1 then bekle0 deger.3=veri call verial:deger.4=veri call verial:deger.5=veri call verial:deger.6=veri call verial:deger.7=veri if deger=% then print at 2,1," 1. CAGRI GELDI ":call beep:toggle ledd1 if deger=% then print at 2,1," 2. CAGRI GELDI ":call beep:toggle ledd2 if deger=% then print at 2,1," 3. CAGRI GELDI ":call beep:toggle ledd3 goto tekrarla verial: sifirbekle:delayus 1 ;sifir gecis anini bekle if sebeke=1 then sifirbekle birbekle:delayus 1 if sebeke=0 then birbekle

176 153 EK-1. (Devam) ASK uygulamasına ait devre çizim ve programları if sebeke=1 then ;sifir gecis aninda gelen pulse sayilarini say WRD = COUNTER portb.4,2 if wrd>30 then veri=1 ;pulse sayisi>30 ise veri=1 if wrd<=30 then veri=0;pulse sayisi <30 ise veri=0 end if sifiradus:delayus 1 if sebeke=1 then sifiradus return beep: buzzer=1:delayms 150:buzzer=0:delayms 50 return end

177 EK-2. FSK uygulamasına ait devreler ve yazılım kodları 154

178 155 EK-2. (Devam) FSK uygulamasına ait devreler ve yazılım kodları FSK uygulamasına ait düzenlenmiş alıcı sisteme ait baskı devreler:

179 156 EK-2. (Devam) FSK uygulamasına ait devreler ve yazılım kodları FSK uygulamasına ait düzenlenmiş sistemin eleman yerleşim planı

180 157 EK-2. (Devam) FSK uygulamasına ait devreler ve yazılım kodları FSK uygulamasına ait düzenlenmiş sistemin eleman yerleşim planı:

181 158 EK-2. (Devam) FSK uygulamasına ait devreler ve yazılım kodları Verici sisteme ait Proton basic yqzılım kodları: DEVICE 16f628 XTAL 4 CMCON=07 TRISB=% 'port ayarlari trisa=% DECLARE LCD_DTPIN PORTa.0 DECLARE LCD_ENPIN PORTB.5 DECLARE LCD_RSPIN PORTB.4 DECLARE LCD_INTERFACE 4 DECLARE LCD_LINES 2 'LCD tanimlama PORTA = 0 PORTB = 0 DIM M AS BYTE DIM BBB AS WORD DIM SSS AS BYTE DIM C AS BIT DIM i AS byte DIM k AS byte DIM H AS BYTE DIM DEGER AS BYTE DIM CLOCK_K AS PORTb.1'klavye pinleri DIM DATAM_K AS PORTb.0 DIM ENB AS PORTb.3 DIM LEDD1 AS PORTa.2 DIM LEDD2 AS PORTa.3 dim s as byte DIM KARAKTER AS BYTE DIM DURUM AS BYTE DIM BIR AS BYTE DIM SIFIR AS BYTE DIM ZS AS word CLS PRINT AT 1,1,"POWERLINE MESAJ" PRINT AT 2,1," GONDERME " LEDD1=1:DELAYMS 500:LEDD1=0:DELAYMS 500 LEDD2=1:DELAYMS 500:LEDD2=0:DELAYMS 500 delayms 1000 CLS

182 159 EK-2. (Devam) FSK uygulamasına ait devreler ve yazılım kodları DON: SHIN DATAM_K,CLOCK_K,1,[KARAKTER] PRINT AT 1,1,DEC KARAKTER," " ENB=0'VERICI BESLEMESI PASIF M=0 MSG: LEDD2=1 IF DEGER=255 THEN MSG M=M+1 IF DEGER=102 THEN LCDOUT $FE,$10," " LCDOUT $FE,$10 M=M-1 ENDIF IF DEGER=255 THEN MSG IF M<17 THEN lcdout karakter IF M=17 THEN lcdout $FE,$C0,karakter IF M>17 AND M<33 THEN LCDOUT KARAKTER IF M=33 THEN lcdout $FE,$94,karakter IF M>33 then m=0:cls ENB=1:DELAYMS 50 SEROUT PORTB.2,3313,["*",DEGER,KARAKTER];verinin modulatore yollanmasi ENB=0 goto DON KEYBOARD: CALL KEYREAD DELAYMS 10 CALL SHIFT_KEY return KEYREAD: BEKLE0: IF CLOCK_K=1 THEN BEKLE0 C=datam_K IF C=1 THEN BEKLE0 bekle00: IF CLOCK_K=0 THEN BEKLE00 BEKLE1: IF CLOCK_K=1 THEN BEKLE1 c=datam_k DEGER.0=c bekle11:if CLOCK_K=0 THEN bekle11 BEKLE2: IF CLOCK_K=1 THEN BEKLE2 C=DATAM_K

183 160 EK-2. (Devam) FSK uygulamasına ait devreler ve yazılım kodları DEGER.1=c bekle22:if CLOCK_K=0 THEN bekle22 BEKLE3: IF CLOCK_K=1 THEN BEKLE3 C=DATAM_K DEGER.2=c bekle33:if CLOCK_K=0 THEN bekle33 BEKLE4: IF CLOCK_K=1 THEN BEKLE4 C=DATAM_K DEGER.3=c bekle44:if CLOCK_K=0 THEN bekle44 BEKLE5: IF CLOCK_K=1 THEN BEKLE5 nop C=DATAM_K DEGER.4=c bekle55:if CLOCK_K=0 THEN bekle55 BEKLE6: IF CLOCK_K=1 THEN BEKLE6 C=DATAM_K DEGER.5=c bekle66:if CLOCK_K=0 THEN bekle66 BEKLE7: IF CLOCK_K=1 THEN BEKLE7 C=DATAM_K DEGER.6=c bekle77:if CLOCK_K=0 THEN bekle77 BEKLE8: IF CLOCK_K=1 THEN BEKLE8 c=datam_k DEGER.7=c bekle88:if CLOCK_K=0 THEN bekle88 bekle9: IF CLOCK_K=1 THEN bekle9 bekle99:if CLOCK_K=0 THEN bekle99 bekle10:if CLOCK_K=1 THEN bekle10 bekle1010: IF CLOCK_K=0 THEN bekle1010 IF DEGER<>$E0 THEN KEYESC GOTO keyread KEYESC: IF DATAM_K=0 OR CLOCK_K=0 THEN KEYESC RETURN SHIFT_KEY: LOOKUPL DEGER,[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0," ",0,0,0,0,0,0,"q","1",0,0,0,"z","s","a","w","2",0,0,"c","x","d",_ "e","4","3",0,0," ","v","f","t","r","5",0,0,"n","b","h","g","y","6",0,0,0,"m","j","u",

184 161 EK-2. (Devam) FSK uygulamasına ait devreler ve yazılım kodları "7","8",0,0,"ö","k",_ "y","o","0","9",0,0,"ç",".","l"," ","p","*",0,0,0,"i",0," ","- ",0,0,0,0,0,"ü",0,",",0,0,0,"<",0,0,0,0,0,0,0,_ "1",0,"4","7",0,0,0,0,".","2","5","6","8",127,0,0,"+","3","- ","*","9",0,0],KARAKTER RETURN End Alıcı Sisteme ait Proton Basic dilinde yazılmış program kodları: DEVICE 16f628 XTAL 4 CMCON=07 TRISB=% 'portlari ayarla trisa=% DECLARE LCD_DTPIN PORTa.0 DECLARE LCD_ENPIN PORTB.7 DECLARE LCD_RSPIN PORTB.6 DECLARE LCD_INTERFACE 4 DECLARE LCD_LINES 2 PORTA = 0 PORTB = 0 DIM M AS BYTE DIM BBB AS WORD DIM SSS AS BYTE DIM C AS BIT DIM i AS byte DIM k AS byte DIM H AS BYTE DIM DEGER AS BYTE 'LCD tanimla dim buzzer as portb.0 dim s as byte DIM KARAKTER AS BYTE DIM DURUM AS BYTE DIM BIR AS BYTE DIM SIFIR AS BYTE DIM ZS AS word CLS PRINT AT 1,1,"POWERLINE MESAJ" PRINT AT 2,1," ALMA "

185 162 EK-2. (Devam) FSK uygulamasına ait devreler ve yazılım kodları M=0 MSG: SERIN PORTB.1,3313,100,MSG,[WAIT("*"),DEGER,KARAKTER] IF DEGER=255 THEN MSG M=M+1 IF DEGER=102 THEN LCDOUT $FE,$10," " LCDOUT $FE,$10 M=M-1 ENDIF IF M<17 THEN LCDOUT karakter IF M=17 THEN lcdout $FE,$C0,karakter IF M>17 AND M<33 THEN LCDOUT KARAKTER IF M=33 THEN lcdout $FE,$94,karakter IF M>33 then m=0:cls call beep goto msg beep: buzzer=1:delayms 30:buzzer=0:delayms 10 return End

186 EK-3. Basit donanımlı programsal olarak haberleşen sisteme ait devreler ve yazılım kodları 163