KISA DALGA RADYO ALICISI

Transkript

1 T.C KARADENĠZ TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü KISA DALGA RADYO ALICISI Ümit ÖZSANDIKÇIOĞLU Mehmet KISAOĞLU Mesut GENÇ Prof. Dr. Ġsmail Hakkı ÇAVDAR Mayıs 2013 TRABZON

2

3 T.C KARADENĠZ TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü KISA DALGA RADYO ALICISI Ümit ÖZSANDIKÇIOĞLU Mehmet KISAOĞLU Mesut GENÇ Prof. Dr. Ġsmail Hakkı ÇAVDAR Mayıs 2013 TRABZON

4

5 LĠSANS BĠTĠRME PROJESĠ ONAY FORMU Ümit ÖZSANDIKÇIOĞLU, Mehmet KISAOĞLU, Mesut GENÇ tarafından Prof. Dr. Ġsmail H. ÇAVDAR yönetiminde hazırlanan KISA DALGA RADYO ALICI başlıklı lisans bitirme projesi tarafımızdan incelenmiş, kapsamı ve niteliği açısından bir Lisans Bitirme Projesi olarak kabul edilmiştir. DanıĢman : Prof. Dr. Ġ. Hakkı ÇAVDAR Jüri Üyesi 1 : Yrd. Doç. Haydar KAYA Jüri Üyesi 2 : Yrd. Doç. Adnan CORA Bölüm BaĢkanı : Prof. Dr. Ġsmail H. ALTAġ

6 ÖNSÖZ Lisans eğitimimiz boyunca aldığımız derslerin, yaptığımız projelerin ve araģtırmaların kazandırdığı bilgi ve deneyimlerden faydalanarak bu projeyi geliģtirdik. Projenin yapım aģamasında kazandığımız bilgi ve deneyimlerin meslek hayatımızda proje oluģturma ve geliģtirme, takım halinde çalıģma ve karģılaģılan problemlere akılcı çözümler bulma yetilerini kazandırma kanaatindeyiz. Alınan veriler doğrultusunda yapılan bu çalıģmanın tüm araģtırmacılara yardımcı olmasını dileriz. Tez çalıģmamızın her aģamasında bilgi ve tecrübesini bizden esirgemeyen, yoğun bir Ģekilde çalıģmasına rağmen bütün sorunlarımızla ilgilenen ve bize yol gösteren değerli hocamız Prof. Dr. Ġsmail Hakkı ÇAVDAR a teģekkür etmeyi bir borç biliriz. Ayrıca kaynak ve malzeme temininde bizlere yardımcı olan değerli hocalarımız Yrd. Doç. Dr. Haydar KAYA ya Uzm. Müh. Bilal KINAY a ve Öğr. Gör. Oğuzhan ÇAKIR a teģekkür ederiz. Hayatımız boyunca maddi ve manevi desteklerini üzerimizden hiçbir zaman esirgemeyen sevgili ailelerimize Ģükranlarımızı sunarız. Ümit ÖZSANDIKCIOĞLU Mehmet KISAOĞLU Mesut GENÇ 2013 TRABZON v

7 ĠÇĠNDEKĠLER Sayfa No Lisans Bitirme Projesi Onay Formu Önsöz Ġçindekiler Özet ġekiller Listesi Semboller ve Kısaltmalar iv v vi viii ix x 1.GiriĢ 2.Tabanbant ve TaĢıyıcı HaberleĢmesi 2.1. Çift Yan Bant TaĢıyıcısı BastırılmıĢ Modülasyon ÇYB-TB Genlik Modülasyonlu ĠĢaretlerin Demodülasyonu TaĢıyıcısı BastırılmamıĢ Genlik Modülasyonu Tek Yan Bant Modülasyonu Tek Yan Bantlı ĠĢaretlerin Üretilmesi Seçici Filtre Yöntemi Faz Kaydırma Yöntemi Tek Yan Bant Modülasyonlu ĠĢaretlerinin Demodülasyonu Artık Yanbant Modülasyonu Kısa Dalga Radyo Alıcının Blok Diyagramı 3.1. Çarpıcı DA Güç Kaynağı NE612 Devresi NE602 ÇıkıĢ Devresi Gerilim Kontrollü Osilatör Filtreleme Pasif Filtre 17 vi

8 Aktif Filtre Devremizdeki Filtreler ve Blok ġemaları DA Güç Kaynağı Frekansmetre ÇalıĢma Prensibi Sonuçlar ve Öneriler Problemin Tanımı ve Varılmak Ġstenen Hedef 27 Kaynaklar 28 EK-1 29 EK-2 31 EK-3 32 ÖzgeçmiĢ 33 vii

9 ÖZET Kısa dalga radyo alıcı adlı projemizde, genel bir kısa dalga radyo alıcı cihazın temel devrelerinden olan besleme katı, çarpıcı devreler, filtre devreleri ve frekans sayıcı devresini gerçekleģtirdik. Özellikle afet, savaģ ve olağanüstü hal gibi durumlarda haberleģme sistemleri iģlevini yitirebilir. Örneğin baz istasyonları veya yerel telefon Ģebekeleri hasar görebilir, yaģanan aksaklıklar nedeniyle sorunlu bölgelerle haberleģme sağlamak amacıyla kısa dalga radyo alıcılar yaygın bir Ģekilde kullanılmaktadır. viii

10 ġekġller LĠSTESĠ ġekil 1. ġekil 2. ġekil 3. : Ġki iģaretin çarpımının zaman ve frekans eksenindeki görüntüleri : Demodülasyon iģlemi : Ses iģaretinin güç spektral yoğunluğu ve modülasyonlu halinin frekans karakteristiği ġekil 4. ġekil 5. ġekil 6. ġekil 7. ġekil 8. ġekil 9. ġekil 10. ġekil 11. : Frekans kaydırma yöntemi : Kısa dalga radyo alıcı blok diyagramı : Çarpıcı blok diyagramı : Alınan iģaretin 48MHz ara frekansına ötelenmesi için kullanılan devre : NE602 çıkıģ devrenin baskı devresi : Gerilim kontrollü osilatörlerin elektriksel devresi : Devrede kullanılan 30MHz kesim frekanslı pasif L-C filtre : Devrede kullanılan 30MHz kesim frekanslı pasif L-C filtrenin frekans-kazanç karakteristiği ġekil 12. ġekil 13. : Birim kazançlı Butterworth alçak geçiren filtre : Projemizde kullandığımız Butterworth alçak geçiren filtrenin kazanç-frekans grafiği ġekil 14. ġekil 15. ġekil 16. : Çoklu geri beslemeli bant geçiren filtre : Projemizde kullandığımız Çoklu Geri Beslemeli bant geçiren filtre : Projemizde kullandığımız Çoklu Geri Beslemeli filtrenin frekans- kazanç karakteristiği ġekil 17. ġekil 18. : AC den DC gerilimin elde edilmesi : AC-DC regüle devresi (ĠSĠS) ġekil 19. : AC-DC regüle devresi ( ARES ) Çizelge 1. :ĠĢ zaman çizelgesi ix

11 SEMBOLLER VE KISALTMALAR DA AA HF VHF F nf Hz khz MHz H mh μh V mv μv A ma OKK RF FM AM PM B ÇYB TYB TB : Doğru Akım : Alternatif Akım : Yüksek Frekans : Çok Yüksek Frekans : Farad : Nano Farad : Herz : Kilo Herz : Mega Herz : Henry : Mili Henry : Mikro Henry : Volt : Mili Volt :Mikro Volt : Amper : Mili Amper : Otomatik Kazanç Kontrol : Radyo Frekans : Frekans Modülasyonu : Genlik Modülasyonu : Faz Modülasyonu : Bant GeniĢliği : Çift Yan Bant Modülasyonu : Tek Yan Bant Modülasyonu : TaĢıyıcısı BastırılmıĢ x

12 AYB dbm w c fo Q : Ayrık Yan Bant Modülasyonu : Desibel : Açısal frekans : Merkez Frekansı : Kalite Faktörü xi

13 1.GĠRĠġ Kısa dalga radyo alıcılar frekans spektrumunun khz aralığındaki frekansları kullanarak haberleģme sağlayan telsiz haberleģme cihazlarıdır ve isimlerini çalıģtıkları frekans bandındaki dalga boyunun 200 metre den düģük olmasından alırlar. Bu cihazlar haberleģme için iyonosfer tabakasını yansıtıcı olarak kullanır, gönderilecek veya alınacak iģaret anten vasıtasıyla yansıtılarak iletileceği noktaya gönderilir. Ġyonosfer tabakasının yeryüzüne olan uzaklığı ve yoğunluğu sabit olmadığından dinlemek istediğimiz kanalın performansı sürekli değiģmektedir ancak OKK ( Otomatik Kazanç Kontrol ) devreleri kullanılarak bu olumsuz durum ortadan kaldırılabilir. Tezimizin ilerleyen kısımlarında projemizin içeriğiyle alakalı konular üzerinde durulacak ve projemizin bu konulardan hangilerini içerdiğine yer verilecektir.

14 Çizelge 1. ĠĢ zaman çizelgesi 1. Hafta Devre Tasarımları 2. Hafta Devre Tasarımları 3. Hafta Devre Tasarımları 4. Hafta Devre Tasarımları 5. Hafta Baskı Devre Hazırlanması 6. Hafta Baskı Devre Hazırlanması 7. Hafta Baskı Devre Hazırlanması 8. Hafta Baskı Devre Üzerine Elemanlarının YerleĢtirilmesi 9. Hafta Baskı Devre Üzerine Elemanlarının YerleĢtirilmesi 10. Hafta Baskı Devre Üzerine Elemanlarının Kontrolü 11. Hafta Devrelerin Laboratuarda Testi 12. Hafta Devrelerin Laboratuarda Testi 13. Hafta Devrelerin Laboratuarda Testi 14. Hafta Devre Düzeneğinin Kurulması 15. Hafta Tez yazılması 2

15 2. TABANBANT VE TAġIYICI HABERLEġMESĠ Tabanbant iģaretler bir radyo linkten uzak mesafelere gönderilirken çok fazla zayıflamaya uğrarlar, bu nedenle bu iģaretlerin telsiz haberleģmeyle gönderilmesi verimli bir yöntem değildir fakat koaksiyel kablolar üzerinden ya da fiber kablolar üzerinden gönderilebilir. Yerel telefon haberleģmesi, kısa mesafe darbe kod modülasyonlu iģaretler ve fiber üzerinden yapılan uzun mesafe darbe kod modülasyonlu iģaretler haberleģmede tabanbant iletiģimi kullanır, tabanbant haberleģmede iģaretin frekansının ötelenmesine gerek duyulmadan haberleģme yapılabilir. Diğer taraftan modülasyon, kullanılabilir frekans bölgesinin değerlendirilmesinde bize yardımcı olabilir. Birçok tabanbant iģaretin örtüģmeye neden olmadan farklı frekanslara ötelenebilmesiyle uygun olan bütün frekans bölgesini kullanabiliriz (FBÇ). Antenden gerekli mesafelere verimli güç yayılımı yapmak için, radyolink sistemleri modülasyonla birlikte tabanbant iģaretinin frekansının yüksek frekanslara ötelenmesine gerek duyar. [1] Bir iģaretin frekans spektrumunu öteleyerek yapılan haberleģme taģıyıcı haberleģmesi olarak bilinir. Bu durumda yüksek frekanslı sinüsoidal taģıyıcının temel parametrelerinden ( genlik, frekans ya da faz ) bir tanesi tabanbant iģareti m(t) ile orantılı olarak değiģir. Bu iģlem genlik modülasyonu (AM), frekans modülasyonu (FM) ya da faz modülasyonu (PM) olarak adlandırılır, bunlardan son iki tanesi benzerdir ve açı modülasyonu olarak bilinen sınıfa aittir. Modülasyon analog tabanbant iģaretleri iletmek için kullanılabildiği gibi sayısal tabanbant iģaretleri iletmek için de kullanılır. 2.1 Çift Yan Bant TaĢıyıcısı BastırılmıĢ (ÇYB-TB) Modülasyon Genlik modülasyonu, taģıyıcının genliğinin modüle edici tabanbant mesaj iģaretiyle orantılı olarak değiģimiyle karakterize edilir. TaĢıyıcının frekansını sabit wc, fazını sabit ve 0 kabul edelim, taģıyıcının genliği modüle edici iģaretle orantılı yapılırsa modüle edilmiģ iģaret ; m(t)*cos(w c *t) (2.1) Ģeklinde olur. Burada m(t) modüle edici, cos(w c *t) ise taģıyıcı olarak adlandırılır. 3

16 Bu iģlemin frekans bölgesindeki etkisi aģağıdaki gibi belirtilebilir; m(t) M(w) (2.2) m(t)*cos(w c *t) [1/2]*[M(w+w c )+M(w-w c )] (2.3) Modülasyon sürecinde mesaj iģareti frekans ekseninde w c kadar sağa ve sola ötelenir, m(t) tabanbant iģaretinin bant geniģliği B Hz ise modüle edilmiģ iģaretin bant geniģliği 2B Hz olur. Ayrıca merkezi w c olan modüleli iģaretin spektrumu iki parçadan oluģmaktadır, w c nin alt tarafında bulunan parça alt yan bant ve üst tarafında bulunan parça üst yan bant olarak bilinir. Benzer olarak w c merkezli bileģende de aynı durum geçerlidir. [2] ġekil 1 Ġki iģaretin çarpımının zaman ve frekans eksenindeki görüntüleri ġekil1'de görüldüğü gibi bu modülasyon türünde, modüleli iģaretin, taģıyıcı frekansı w c nin ayrık bir elemanını içermediğini görebiliriz, bundan dolayı bu modülasyon türü çift 4

17 yan bant taģıyıcısı bastırılmıģ modülasyon olarak adlandırılır. Burada önemli olan bir noktada bant geniģliği B ile w c arasındaki iliģkidir, eğer w c 2 olursa örtüģme olmaz ve mesaj iģareti alıcıda yeniden elde edilebilir ÇYB-TB Genlik Modülasyonlu ĠĢaretlerin Demodülasyonu Modülasyon iģlemiyle tabanbant iģaretinin frekans spektrumunu w c kadar sağa ve sola ötelemiģtik. Tabanbant iģaretini tekrar elde etmek için spektrumu eski pozisyonuna transfer etmemiz gereklidir, bu iģlem demodülasyon olarak bilinir. Modülasyonlu iģaretin spektrumu w c kadar sağa ve sola kaydırılması iģlemi sonucunda elimizde istenilen tabanbant iģaret ile ± 2w c frekanslı istenmeyen iģaretler bulunur. Yüksek frekanslı iģaretler (± 2w c frekanslı iģaretler) alçak geçiren süzgeçlerle ile bastırılabilir. Kısaca demodülasyon iģlemi antenden gelen modüleli iģaretin çarpıcılarda çarpılması ve ardından alçak geçiren filtreden geçirilmesinden oluģur. ġekil 2. Demodülasyon ĠĢlemi ġekil 2 deki gibi modülasyonlu iģareti X TYB (t) olarak kabul edersek, bu iģlemi zaman bölgesinde aģağıdaki gibi gösterebiliriz. X TYB (t)=m(t)*cos(w c t)=>m(t)*cos(w c t)*cos(w c t)=m(t)*cos 2 (w c t)=1/2*[m(t)+m(t)*cos(2w c t)] (2.4) X TYB (t) iģaretinin Fourier dönüģümü alınırsa; X(w)=1/2*M(w)+1/4*[M(w+2w c )+M(w-2w c )] (2.5) Ģeklinde olur. 5

18 Denklem (2.3) ve (2.4)'deki eģitliklerden görülüyor ki X TYB (t)*cos(w c t) iģareti iki bileģenden oluģuyor ve ikinci bileģenin spektrumu ±2w c, bu iģaret bir alçak geçiren filtre ile bastırılabilir. Ġlk bileģen ise alçak geçiren filtrede bastırılmaz ve çıkıģta (1/2)*m(t) olarak elde edilir. Burada bulunan (1/2) terimini X TYB (t) iģaretini cos(w c t) yerine 2cos(w c t) olan bir taģıyıcı kullanarak ortadan kaldırabiliriz. Bu Ģekilde yapılan demodülasyon senkron demodülasyon yada uyumlu demodülasyon olarak adlandırılır ki burada kullandığımız taģıyıcının fazı ve frekansı verici taraftaki osilatörle tamamen aynı olmalıdır TaĢıyıcısı BastırılmamıĢ Genlik Modülasyonu TaĢıyıcısı bastırılmıģ genlik modülasyonlu iģaretin demodülasyonunda alıcı tarafta taģıyıcının frekansı ve fazıyla aynı değerlerde bir iģaret üretmeliyiz. Bu yöntemin kullanımı oldukça pahalıdır. TaĢıyıcısı bastırılmamıģ genlik modülasyonunda ise m(t)*cos(w c t) iģaretine bir Acos(w c t) iģareti ekleriz ve iletim yaparız bu durumda demodülasyon için alıcıda bir taģıyıcı üretmeye gerek kalmaz. Ama bu durumda verici yüksek güçlere ihtiyaç duyar ve buda vericiyi daha pahalı yapar. Noktadan noktaya haberleģmede ki her bir alıcı için sadece bir verici vardır. Tek bir karmaģık ve pahalı verici yapılır ve böylece diğer birçok alıcının daha basit ve ucuz yapılması sağlanır. Modülasyonlu iģaretimiz X TYB (t) olmak üzere; X TYB (t)=acos(w c t)+m(t)*cos(w c t) = [A+m(t)]*cos(w c t) (2.6) X TYB (t) iģaretinin Fourier dönüģümü alınırsa; X(w) (1/2)*[M(w+w c )+M(w-w c )]+ π*a*[d(w+w c )+d(w-w c )] (2.7) olur. Denklem (2.7)'deki eģitlikte d, dirac-delta fonksiyonudur. Eğer [A+m(t)] ifadesi her t için 0 dan büyükse modülasyonlu iģaretin zarfı bildiri iģaretiyle aynı Ģekle sahiptir ve bu durumda istenilen iģaret m(t) bir zarf detektörü ile elde edilebilir ama bu durum [A+m(t)] ifadesinin 0 dan büyük olmadığı durum için geçerli değildir. 6

19 Eğer tüm zaman aralığında m(t) 0 eģitliğini sağlıyorsa; modülasyon süresince tabanbant iģaretine bir taģıyıcı eklemeye gerek kalmaz, bu durumda m(t)*cos(w c t) Ģeklindeki modüleli bir iģaretin zarfı m(t) dir ve böyle bir çift yan bant taģıyıcısı bastırılmıģ modüleli iģaret yerel bir taģıyıcı üretmeye gerek kalmaksızın zarf detektörü ile detekte edilebilir. 2.4.Tek Yan Bant Modülasyonu (TYB) Çift yanbant modülasyonlu iģaretlerin spektrumu her iki yanbanda da sahiptir, alt yanbant ve üst yanbant her ikisi de tabanbant iģaretin bilgisini içermektedir. Bu yanbantlardan tek birinin iletilmesi Ģeklinde yapılan modülasyon iģlemi tekyanbant modülasyonu olarak bilinir ve böylece çift yanbant modülasyonda kullanılan bant geniģliğinin yarısı kullanılır Tek Yan Bantlı ĠĢaretlerin Üretilmesi TYB iģaretleri üretmek için genelde iki yöntem kullanılır Seçici filtre kullanılması Bu metot TYB sinyallerin üretiminde kullanılan en yaygın metottur. Bu metotta çift yanbant bastırılmıģ taģıyıcılı iģaret bir filtreden geçer ve istenmeyen yanbant filtrelenir. Örneğin üst yanbandı elde etmek için filtre w c frekansının üzerindeki bütün frekans bileģenlerini geçirmeli ve altındakileri bastırmalıdır böyle bir iģlem ideal filtreler kullanılmasını gerektirir ki bu iģlemin fiziksel olarak gerçekleģtirilmesi mümkün değildir ancak bastırılan ve geçirilen bantlar arasında bir miktar boģluk varsa bu modülasyon türü kullanılabilir. Ses iģareti de bu durumu sağlar, ses iģaretinin frekans spektrumu incelendiğinde 300 Hz in atındaki frekans bileģenleri önemli olmadığı görülebilir, bu durumu ses iģaretinin ġekil 3'deki frekans spektrumunu inceleyerek görebiliriz. 7

20 ġekil 3. Ses iģaretinin güç yoğunluğu ve modülasyonlu halinin frekans karakteristiği Faz Kaydırma Yöntemi ġekil 4. Frekans kaydırma yöntemi 8

21 ġekil 4'de Faz kaydırma yönteminin blok diyagramı gösterilmektedir. Ġçinde yazan kutu her frekans bileģeninin fazını kadar geciktiren bir faz kaydırıcıdır. Ġdeal bir faz kaydırıcı elde etmek hemen hemen imkansız olsada bir faz kaydırıcıyı sonlu bir frekans bandında elde etmek mümkündür Tek Yan Bant Modülasyonlu ĠĢaretlerinin Demodülasyonu TYB iģaretlerinin demodülasyonu ÇYB-TB iģaretlerin demodülasyonuyla benzer olarak senkron demodülatör kullanılarak gerçekleģtirilebilir, herhangi bir yanbandın cos(w c t) ile çarpılması iģaretin spektrumunu w c kadar sağa ve sola öteler. Bu iģaretin alçak geçiren filtreden geçirilmesiyle istenilen tabanbant iģaret elde edilmiģ olur. Bu nedenle tek yanbantlı iģaretlerin demodülasyonu çift yanbant taģıyıcısı bastırılmıģ modülasyonla üretilmiģ iģaretin demodülasyonuyla benzerdir bu nedenle herhangi bir senkron ÇYB-TB demodülatör kullanılarak TYB iģaretleri demodüle edilebilir. Tek yanbantlı iģaretin zaman bölgesindeki ifadesini inceleyelim, X(t) tekyanbant modülasyonlu iģaret olmak üzere; X(t)= m(t)cos(w c t)+- m*(t)sin(w c t) ;bu iģareti bir yerel taģıyıcıyla çarptığımızda X(t)*cos(w c t)=(1/2) m(t)+(1/2) [m(t) cos(2w c t)+- m * (t) sin(2w c t)] (2.8) Denklem (2.8)'da görüldüğü gibi X(t)*cos(w c t) ifadesi bir tane tabanbant iģareti ve 2w c taģıyıcılı bir diğer tek yanbantlı iģaret üretir. Bir alçak geçiren filtreyle istenmeyen TYB iģaretleri bastırılabilir ve sonuçta istenen tabanbant iģaret m(t)/2 elde edilir. Bizim kısadalga radyo alıcı cihazımızda TYB iģaretleri senkron deteksiyon iģlemini kullanılarak demodüle edilmiģtir. 9

22 2.6. Artık Yanbant Modülasyonu (AYB) Tek yanbantlı iģaretlerin üretimi ideal filtrelerin ve ideal faz kaydırıcıların fiziksel olarak gerçekleģtirilemeyeceği için olanaksızdır ya da yaklaģık olarak gerçekleģtirilebilir. ÇYB sinyallerinin üretimi basitti ama 2 kat bant geniģliği kullanımı gerektiriyordu. Bir AYB, ÇYB ile TYB arasında bir uzlaģma noktasıdır, ÇYB ve TYB nin avantajlarını içerirken dezavantajlarından kaçınır. Ayrıca bu iģaretler bant geniģliği TYB iģaretlerden sadece %25 fazla olarak kolayca üretilebilir. AYB de bir yanbant TYB deki gibi bir yanbandın tamamen reddedilmesi yerine bir yanbandın küçük bir miktarı kabul edilir. 10

23 3.KISA DALGA RADYO ALICININ BLOK ġemasi VE ĠÇERĠĞĠ ġekil 5. Kısa Dalga Radyo Alıcı Blok Diyagramı ġekil 5'de verilen kısadalga radyo alıcı cihazın çalıģmasını açıklarsak; antenden alınan iģaretin devreler üzerinde yükleme etkisi yapmaması için zayıflatıcı devreleri kullanılır, bu zayıflatıcı basit bir potansiyometre kullanılarak kolayca gerçekleģtirilebilir. Sistemde kullanılan ilk çarpıcı, alınan iģareti 48 MHz lik ara frekansa ötelemek için kullanılır, çarpıcı sonrasında kullanılan filtre istenilen 48 MHz frekanslı iģareti elde etmek için kullanılmıģtır. Sistemimizde kullanılan demodülasyon türü senkron demodülasyon olduğundan bu 48MHz frekanslı iģaret ikinci bir çarpıcıda 48MHz frekans değerinde iģaret üreten bir yerel osilatör iģaretiyle çarpılır ve çıkıģına bağlanan bir alçak geçiren filtreyle istenilen tabanbant iģaret elde edilir. Ġyonosfer katmanının yeryüzüne olan uzaklığı ve iyon 11

24 yoğunluğu sabit olmadığından kısa dalga radyo alıcılar OKK devreleri kullanır ve performanslarındaki bu dezavantajları gidermeye çalıģırlar. Seçici filtre yardımıyla mors koduyla gönderilen iģaretler de dinlenebilir. Bizim bitirme projemizin amacı yukarıdaki blok diyagramının içinde bulunan besleme katının, çarpıcı devrelerin, filtre devrelerinin ve frekansmetre devrelerinin gerçekleģtirilmesidir. Projemiz kapsamında çarpıcı devrelerini gerçekleģtirdik Çarpıcı Frekans çarpıcılar, içerisinde doğrusal elemanlar kullanmayan ve giriģindeki iģaretleri çarpan elemanlardır. Çarpıcılar düģük frekanslı referans bir sinüsoidal iģaretten yüksek frekanslı iģaretler üretebilir. ġekil 6'da bir çarpıcının çalıģma prensibi gösterilmiģtir. ġekil 6. Çarpıcı blok diyagramı Vi=a*cos(w 1 t) (3.1) V L= b*cos(w 2 t) (3.2) ise Vo=a*b*cos(w 1 t)*cos(w 2 t) (3.3) Ģeklinde olur. Vo üzerinde gerekli düzenlemeler yapılırsa; Vo=(a*b/2)*[cos(w 1 +w 2 )t+cos(w 1 -w 2 )t] (3.4) iģareti elde edilir. 12

25 Denklem (3.1), (3.2), (3.3) ve (3.4)'de görüldüğü gibi çıkıģ, giriģteki iki iģaretin frekanslarının fark ve toplamlarından oluģuyor, çarpıcının çıkıģına bağlayacağımız bir filtreyle istediğimiz frekanstaki iģareti elde edebiliriz. Biz projemiz kapsamındaki, demodülasyon devrelerinde çarpıcı olarak NE602 entegresini kullandık. Bu entegre içerisinde çift dengeli çarpıcı, dahili gerilim düzenleyicisi içeren 8 pinli bir entegre devredir. Entegrenin dahili osilatörü 200MHz e kadar çalıģabilirken çift dengeli çarpıcı 500MHz e kadar çalıģabilir. NE602 nin ana kullanım alanları HF ve VHF alıcılar, frekans çarpıcılar ve frekans çoklayıcılardır. Cihaz ayrıca birçok popüler L-C tabanlı değiģken frekanslı osilatörler defrekans üreteci olarak kullanılmaktadır. NE602 hem mixer hem osilatör devresi içerdiğinden bir telsiz alıcısının ön uç devresi olarak kullanılabilir. NE602 çok iyi bir gürültü ve intermodülasyon performansı sağlamaktadır. 45MHz de 5dB lik gürültü sayısına sahiptir ayrıca 0.2 μv bir hassasiyete sahiptir DA Güç Kaynağı NE602 nin besleme terminali pin 8 dir ve toprağı pin3 tür, ikiside DA besleme için kullanılmalıdır. DA gerilim aralığı 4.5V ile 8V arlığında iken çektiği akım aralığı da 2 ile 2.8 ma arasındadır. Pin 8 in değeri 10nF dan 100nF a kadar değiģen bir kondansatörle toprağa bypass edilmesi özellikle önerilir, bunun nedeni DA güç kaynağında olabilecek dalgalanmaların entegrenin çalıģmasını bozmasını engellemektir NE602 GiriĢ Devresi NE602 entegresinin RF giriģ portu giriģ olarak 1 ve 2 pinlerini kullanır. NE602 nin giriģ direnci 1500 ohm dur ve düģük frekanslarda 3pF değerinde bir kondansatörle toprağa paralel bağlanır. 13

26 ĠĢaret, çalıģılan frekansta düģük bir empedansa sahip bir kondansatör üzerinden entegrenin 1 numaralı pinine uygulanabildiği gibi 2 numaralı pinine de uygulanabilir ikisi arasında bir fark yoktur ama giriģ iģaretinin seviyesi -25dBm den yani 68 mv tan düģük olmalıdır (180mVp-p). 1 ve 2 pinlerinden hangisi giriģ olarak kullanılırsa diğeri kullanılmamalı ve toprağa by-pass edilmeli NE602 ÇıkıĢ Devresi NE602 entegresinden çıkıģ 4 ve 5 pinlerinden alınır ve genelde bu pinlerden hangisinin kullanıldığı önemli değildir. Tek çıkıģlı çıkıģ konfigürasyonlarında sadece bir terminal kullanılır. Projemiz kapsamında antenden gelen iģaretin 48MHz ara frekansına ötelenmesi, ara frekansa ötelenen bu iģaretlerin tabanbanda indirilmesini sağlayan devrelerle bu devrelerin ARES baskı devre programında kurulmuģ baskı devreleri ġekil 7 ve ġekil 8'deki gibidirler. ġekil 7. Antenden alınan iģaretin 48MHz ara frekansına ötelenmesi için kullanılan devre 14

27 ġekil 8. NE602 çıkıģ devrenin baskı devresi NE602 entegresiyle yaptığımız çarpma iģlemlerinde kullandığımız osilatörler gerilim kontrollü osilatörlerdir Gerilim Kontrollü Osilatör Osilatörlerin frekansları osilatörlere eklenen bir kapasiteyle değiģtirilebilir ve bu iģlemin yapılması için kapasite değeri değiģtirilebilen kondansatörlere ihtiyaç vardır ve bu da varaktör diyotlarla gerçekleģtirilebilir. Eğer bir osilatör devresinde varaktör diyot varsa ve varaktör diyodun kapasitesi DA bir gerilimle değiģtiriliyorsa bu osilatörler gerilim kontrollü osilatör olarak adlandırılır. Eğer GKO kristal kontrollü ise gerilim kontrollü kristal osilatör olarak adlandırılır. Bu cihazlar kendilerine geniģ bir uygulama alanı bulmaktadırlar, örneğin doppler radarları, frekans modülatörleri, faza kilitli döngüler ve frekans sentezleyiciler bunlardan en genel olanlarıdır. Temel bir gerilim kontrollü osilatörün elektriksel devresi ġekil 9'daki gibidir. [4] 15

28 ġekil 9. Gerilim kontrollü osilatörlerin elektriksel devresi Bitirme projemiz kapsamında iki adet gerilim kontrollü osilatör kullandık. Bunların biri çıkıģında, ayarlama gerilimine bağlı olarak MHz (Bkz. Ek 2) frekansları arasında çıkıģ veren POS-100 ve diğeri 24 54MHz frekansları arasında çıkıģ iģareti veren POS- 100 entegreleridir.pos-100 entegresi antenden gelen iģaretin ġekil 7 de verilen devrede yapılan çarpma iģlemiyle çarpıcı RF giriģindeki iģareti 48 MHz ara frekansına ötelemeyi sağlar. Ġlk çarpıcıyla birlikte 48MHz ara frekansına ötelenen iģaret ikinci bir çarpıcıyla tabanbanda indirilir. Bu iģlemi POS -50 entegresiyle yapılmaktadır, 48 MHz ara frekansına ötelenen iģaret ile POS 50 gerilim kontrollü osilatörün ürettiği 48 MHz frekanslı iģareti çarparız ve çarpıcı çıkıģında oluģan iki iģaretten filtreler yardımıyla istediğimiz alçak frekanslı iģareti elde ederiz. POS 50 entegresinden 48 MHz frekanslı iģaret elde etmek için ayarlama gerilimini sabit 13 DA gerilime ayarladık ve böylece istediğimiz iģareti elde ettik. [3] 16

29 3.6. Filtreleme Herhangi bir sinyal iģleme sistemindeki en temel iģlemlerden biri filtrelemedir. Filtreleme bir sinyaldeki frekans bileģenlerinin bağıl genliklerinin değiģtirilmesi veya belki de bazı frekans bileģenlerinin bastırılması iģlemidir. Filtreleri aktif ve pasif olarak sınıflandırabiliriz Pasif filtre Kapasitif, self ve resistif elemanlardan oluģur ve geçirdiği banttaki iģaretlere aktif filtrelerden farklı olarak kazanç uygulamaz Aktif filtre Kapasitif ve resistif elemanlara ilaveten iģlemsel yükselteç ve transistor gibi aktif elemanlar içerirler, aktif filtreler pasif filtrelerle karģılaģtırıldıklarında birçok üstünlüğü vardır, örneğin filtrenin geçirgen olduğu frekans aralığında bir zayıflatma olmaz ve bu filtrelerin giriģ empedansı çok büyükken çıkıģ empedansı çok düģüktür ayrıca aktif filtrelerde kullanılan iģlemsel yükselteçler tampon devresi gibi davranır ve kaskat yapılarda her bir yapı kendi içinde değerlendirilebilir ve bir devre kendinden sonraki devreyi yüklemez ancak pasif filtrelerde bu özellik mevcut değildir ve her kat bir sonraki kat üzerinde yükleme etkisi yapacaktır. Ancak iģlemsel yükselteçlerin band geniģlikler sınırlı olduğundan uygulamamızın frekansına göre uygun olarak seçilmelidir. Yukarıda belirtilen özelliklerin yanında bir süzgecin en önemli özelliklerinden biri, süzgecin geçirme ve durdurma bandındaki kazancıdır ve kazanç basitçe Av=Vo/Vi (çıkıģ sinyali/giriģ sinyali) (3.5) olarak tanımlanır Devremizdeki Filtreler ve Blok ġemaları Kısa dalga radyo alıcı cihazımızda kullanılmak üzere üç tip filtre devresi kullandık bunlardan biri antenden gelen iģaretin 30MHz den yüksek frekanslı bileģenlerinin filtrelenmesini sağlayan ve frekans sayıcıya sayılmak üzere gönderilen iģaretin 17

30 filtrelenmesini sağlayan pasif L-C filtre diğeri ise tabanbanda indirilen iģaretin alçak geçiren filtreden geçirilmesinde kullanılan ikinci dereceden birim kazançlı alçak geçiren Butterworth filtreler ve alçak geçiren filtreden geçirilmiģ olan iģaretten ses iģaretini almamızı sağlayan çoklu geri beslemeli band geçiren filtrelerdir. Devremizde kullanılan 30 MHz kesim frekansına sahip pasif alçak geçiren filtre devresi ġekil.10'daki gibidir; ġekil 10. Devrede kullanılan 30MHz kesim frekanslı pasif L-C filtre Kısa dalga radyo alıcı cihaz ile dinlenecek kanalların frekans aralığı 1 30 MHz aralığında olduğu için antenden gelen iģareti kesim frekansı yaklaģık 30MHz olan L-C pasif filtre ile filtreliyoruz, yukarıda devre Ģeması verilen alçak geçiren L-C filtremizin kazanç-frekans eğrisi ġekil.11'deki gibidir. ġekil 11. Yukarıdaki Ģekildeki pasif filtrenin frekans- kazanç eğrisi 18

31 Kısa dalga radyo alıcıda kullanılan bir diğer filtre ikinci dereceden aktif Butterworth alçak geçiren filtrelerdir. Bu filtreler basit bir aktif filtre tasarımı sağlarlar. Tek dereceli Butterworth alçak geçiren filtrenin gerçekleģtirilmesi için çift dereceli filtrelerin sonuna tek dereceli bir filtre eklenmesi yeterlidir. Butterworth filtreler, dirençler ve kondansatörlerle oluģturulmuģ uygun bir devrenin bir iģlemsel yükseltecin giriģine bağlanarak kullanılabilir ve bu iģlemsel yükselteç birim kazanç tamponu olarak kullanılabilir. Projemiz kapsamında kullanılan ikinci dereceden birim kazançlı Butterworth alçak geçiren filtrelerin genel yapısı ġekil.12'deki gibidir. ġekil 12. Birim kazançlı Butterworth alçak geçiren filtre Butterworth alçak geçiren filtrelerin transfer fonksiyonu; Ģeklindedir. H(jw) = 1/(1+(w/wc)^2n)^0.5 (3.6) 19

32 Denleklem (3.6) daki gibi w<wc durumu için n büyüdükçe H(jw) ifadesi 1'e yani ideal filtre karakteristiğine yaklaģmaktadır. Yüksek dereceli Butterworth filtreler 1. ve 2. dereceli filtrelerin kaskat bağlanmasıyla elde edilir. Örneğin; 5. dereceden bir Butterworth süzgeç elde etmek için iki tane ikinci derecede ve bir tane birinci dereceden alçak geçiren filtre kullanılmalıdır. Sistemimizde kullandığımız filtre devresi ve kazanç-frekans grafiği ġekil.13'deki gibidir. ġekil 13. Devremizde kullandığımız filtrenin kazanç-frekans grafiği ġekil.13'de gibi son çarpıcının çıkıģına bağlanan alçak geçiren filtrenin kesim frekansı yaklaģık olarak 2 khz değerindedir. Sistemde kullanılan bir diğer filtre çoklu geri beslemeli bant geçiren filtredir. Bu filtrelerde bir iģlemsel yükselteç integral alıcı olarak kullanılır, bu nedenle transfer fonksiyonunun iģlemsel yükselteç parametrelerine olan bağımlılığı yönünden diğer filtrelerden daha iyidir, ama yüksek kalite faktörü elde etmek, yüksek frekansların iģlemsel yükseltecin açık çevrim kazancını kısıtladığı için elveriģsizdir. Çoklu geri beslemeli bant geçiren filtrelerin genel yapısı ġekil.14'deki gibidir. 20

33 ġekil 14. Çoklu geri beslemeli bant geçiren filtre ġekil.14'deki filtrelerin tanımlayıcı özellikleri aģağıdaki gibidir; Merkez frekansı (fo): Frekans- kazanç eğrisinin maksimum değerine ulaģtığı frekans değeridir. Bant geniģliği (BW): Alt kesim ve üst kesim frekansları arasındaki farktır. Kalite faktörü (Q): Merkez frekansının bant geniģliğine oranıdır. Orta Bant Kazancı (H): Merkez frekans değerindeki kazanç değeridir ve H= ÇıkıĢ/GiriĢ (3.7) olarak formülize edilir. Tasarlanacak olan filtrenin elemanlarını belirlemek için Ģu yöntemler kullanılır; C=C1=C2 olmak üzere bir C değeri seçeriz ve bu C değerini kullanarak bir k sabiti üretiriz, k=2*π*fo*c (3.8) Daha sonra denklem (3.8)'deki parametreleri kullanarak direnç değerlerini belirleriz, 21

34 R1=Q/(H*k) (3.9) R2=Q/(2Q 2 -H)*k (3.10) R3=2Q/k (3.11) Ģeklinde olur. Projemiz kapsamında kullanmıģ olduğumuz bant geçiren filtrenin devre Ģeması ve frekans- kazanç grafiği ġekil 15'deki gibidir. ġekil 15. Devremizde kullandığımız çoklu geri beslemeli bant geçiren filtre ġekil.15'deki filtre alt kesim frekansı 568 Hz, üst kesim frekansı 781 Hz ve merkez frekansı yaklaģık 660 Hz olan bir bant geçiren filtredir. Filtrenin frekans- kazanç eğrisi ġekil.16'da görülmektedir. 22

35 ġekil 16. Yukarıdaki filtrenin frekans- kazanç grafiği 3.8. DA Güç Kaynakları AA gerilim kaynağından baģlayarak istenen sabit DA gerilimi elde etmek için önce AA gerilim doğrultularak durgun bir DA gerilim seviyesi elde etmemiz, daha sonra bir filtreden geçirmemiz, son aģamada da bir gerilim düzenleyicisi kullanmamız gereklidir. Genelde TD gerilim düzenleme birimi kullanılarak yapılan düzenleme iģlemi sonunda giriģteki gerilimden daha düģük bir çıkıģ gerilim seviyesi elde edilir. ÇıkıĢtaki bu gerilim, giriģ gerilimi ya da çıkıģa bağlanan yük miktarı değiģse bile sabit kalır. ġekil 17. AC den DC gerilimin elde edilmesi 23

36 ġekil.17'deki gibi tipik değeri 220 V rms olan bir AA gerilim, istenen DA çıkıģ seviyesine göre bu gerilimi düģüren bir trafoya bağlanmıģtır. Trafodan sonra bir diyot doğrultucu tam doğrultulmuģ bir gerilim elde etmemizi sağlar ve bu doğrultulmuģ gerilim basit bir kapasitörlü filtreden geçirilerek DA gerilim elde edilir. Sonuçta elde edilen bu gerilim genelde bir miktar dalgalanmaya veya AA gerilim değiģimlerine sahiptir. Bir gerilim düzenleyici bu gerilimden sadece daha az dalgalanmaya sahip bir DA gerilim üretmekle kalmaz, aynı zamanda giriģ gerilimindeki değiģimlerden ve çıkıģa bağlanacak yük değiģimlerinden etkilenmeyecek biçimde çıkıģ geriliminin sabit kalmasını sağlar. Bu gerilim düzeleme iģlemi çokça kullanılan TD gerilim düzenleyicilerden herhangi biri kullanılarak gerçekleģtirilebilir. Projemiz kapsamında kurmuģ olduğumuz besleme katının devre Ģeması ve baskı devresi çizilmiģ hali ġekil.18 ve ġekil'19'daki gibidirler. ġekil 18. AC-DC regüle devresi ( ĠSĠS ) 24

37 ġekil 19. AC-DC regüle devresi ( ARES ) Regülatör çıkıģlarında elde edilecek olan 15V POS-50 gerilim kontrollü osilatörünün 48 MHz frekanslı iģaret üretmesi için, ± 12V iģlemsel yükselteçleri ve gerilim kontrollü osilatörleri beslemek için, 8V çarpıcı entegrelerimiz olan NE602 entegrelerini beslemek için ve 5V ise frekansmetrede kullanılan entegreleri beslemek için kullanıldı Frekansmetre ÇalıĢma Prensibi Devremizde kullandığımız frekansmetrede sinüsoidal iģaret mikroiģlemci ile sayılamayacağı için öncelikle ripple kıyıcı ile kare dalgaya dönüģtürüldü. Yaptığımız bu iģlemle sinüsoidal iģaret herhangi bir mikroiģlemci ile sayılabilecek hale dönüģtürüldü. Kullandığımız mikroiģlemcinin içinde 2 adet timer var. Kare dalgaya dönüģtürdüğümüz iģareti bu timer giriģlerinden birine uyguladıktan sonra gerekli yazılım ile isteğe bağlı olarak çıkan ya da inen kenar, yazılan fonksiyon yardımıyla saydırıldı. Ölçüm sonucu yine aynı mikroiģlemci içerisine yazılan LCD kodlarıyla LCD ekrana aktarıldı. Tasarlayıp tamamladığımız sayıcı 50 MHz kadar sayım yapabilir. 25

38 4. SONUÇLAR VE ÖNERĠLER Projemizin amacı olan kısa dalga radyo alıcının çarpıcı, frekans sayıcı, besleme katı, filtre devrelerinin yapılması iģlemleri gerçekleģtirilmiģtir. Frekans sayıcı 62MHz kadar oldukça doğru ölçümler yapmaktadır. Devrede kullanılan çarpıcı entegreler eski nesil olduklarından çarpma iģlemleri istenen düzeyde verimli olmamıģtır. Kullanılacak ADE-1+ frekans çarpıcıları gibi yeni nesil entegrelerle çok daha kaliteli sonuçlar elde edilebilir. Ayrıca POS-100 ve POS-50 entegrelerin kullanılması devrenin daha kararlı çalıģmasını sağlar. Ayrıca devreyi daha kompakt hale getirir. 26

39 5. PROBLEMĠN TANIMI VE VARILMAK ĠSTENEN HEDEF SavaĢ, doğal afetler ve bazı beklenmeyen durumlarda haberleģme sistemleri zarar görebilir ve iģlemlerini yerine getiremez hale gelebilirler. Sorun olan bölgelerle haberleģmek ve bu bölgelere yardım getirmek amacıyla kısa dalga radyo alıcılar yaygın bir Ģekilde kullanılmaktadır. Projemizde varılmak istenen hedef kısa dalga radyo alıcı cihazın frekans sayıcı, çarpıcı, besleme katı ve filtre devrelerini çalıģır bir Ģekilde kurulmasıdır. 27

40 KAYNAKLAR [1] S. Haykin, Communication Systems, 2 nd edition, John Wiley & Sons, Inc., Singapore, 1995 [2] B.P. Lathi Modern Digital And Analog Communication Systems, 2 nd edition, Oxford University Press, New Delhi, 1993 [3] [4] 28

41 EK-1 Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü STANDARTLAR VE KISITLAR FORMU 1. Projenizin tasarım boyutu nedir? Açıklayınız. Ġnsanlara daha rahat, daha güvenli bir yaģam oluģturmak için oluģturulmuģtur. 2. Projenizde bir mühendislik problemini kendiniz formüle edip, çözdünüz mü? Herhangi bir mühendislik problemi ile karģılaģmadık. 3. Önceki derslerde edindiğiniz hangi bilgi ve becerileri kullandınız? Antenler ve Propagasyon, Elektronik, Devreler derslerinin içeriklerinden faydalanarak devre tasarımı ve anten tasarımı yapılmıģtır. 4. Kullandığınız veya dikkate aldığınız mühendislik standartları nelerdir? UTI standartları göz önüne alınarak cihazın hangi frekans aralıklarını kullanacağı belirlenmiģtir. 5. Kullandığınız veya dikkate aldığınız gerçekçi kısıtlar nelerdir? a) Ekonomi Ekonomi projenin önemli kısaslardan biridir. Mühendisliğin gereklerinden biri olan en ucuz en verimli projenin yapılması amaçlanmıģtır. Bunun için en iyi ve ucuz parçalar seçilerek tasarlanmıģtır. b) Çevre sorunları: Çevreye herhangi bir zararı yoktur. c) Sürdürülebilirlik: Sürdürülebilirlik açısından rahat ve kolay iletiģim imkanı sağlıyor. d) Üretilebilirlik: 29

42 Teknik, fiziki ve ekonomik olarak üretilebilirlik açısından uygundur. e) Etik Etik açıdan hiçbir sorun yoktur. f) Sağlık: Tasarlanan proje insan sağlığına bir zararı gözlemlenmemiģtir. g) Güvenlik: Tasarımın amaçlarından biri insanlara daha güvenli bir haberleģme imkanı sağlamaktır. Projenin güvenlik açısından bir eksiği yoktur. h) Sosyal ve politik sorunlar: Herhangi sosyal politik bir sorunla karģılaģılmamıģtır. Projenin Adı Projedeki adları Öğrencilerin KISA DALGA RADYO ALICI Mesut GENÇ Mehmet KISAOĞLU Ümit ÖZSANDIKÇIOĞLU Tarih ve Ġmzalar 30

43 EK-2 31

44 EK-3 32

45 ÖZGEÇMĠġ tarihinde Trabzon-Çaykara da doğdu. Ġlk, orta, lise öğrenimini Trabzon- Merkez de okudu yılında Kanuni Anadolu Lisesi nin Sayısal Bölümü nden mezun oldu. Aynı sene Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümünü kazandı. Halen 4. Sınıf öğrencisi olarak eğitimine devam ediyor. Mesut GENÇ tarihinde Denizli-Merkez de doğdu. Ġlk, orta, lise öğrenimini Denizli- Merkez de okudu yılında Anafartalar Lisesi nin Sayısal Bölümü nden mezun oldu. Aynı sene Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümünü kazandı. Halen 4. Sınıf öğrencisi olarak eğitime devam ediyor. Mehmet KISAOĞLU tarihinde Trabzon-Merkez de doğdu. Ġlk, orta, lise öğrenimini Trabzon- Merkez de okudu yılında Trabzon Yabancı Dil Ağırlıklı Lisesi nin Sayısal Bölümünden mezun oldu. 1 sene sonra Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümünü kazandı. Halen 4. Sınıf öğrencisi olarak eğitime devam ediyor. Ümit ÖZSANDIKCIOĞLU 33