EEM HABERLEŞME TEORİSİ NİĞDE ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

Transkript

1 EEM HABERLEŞME TEORİSİ NİĞDE ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

2 EEM HABERLEŞME TEORİSİ Dersin Öğretim Elemanı: Yrd. Doç. Dr. Yasin KABALCI Ders Görüşme Saati: Çarşamba, 09:00 12:00 e m@il: yasinkabalci@gmail.com Ders Web Sayfası: kabalci.wordpress.com

3 EEM HABERLEŞME TEORİSİ Ders Kitabı İletişim Sistemlerinin Temelleri; J. G. Proakis - M. Salehi (Çev.: Halis Altun - Ertan Öztürk - Yusuf Erkan Yenice, Nobel)

4 EEM HABERLEŞME TEORİSİ Tavsiye Edilen Kaynak Kitap #1: Modern Digital and Analog Communications Systems; B.P.LATHI Oxford University Press; 4th edition, 2009.

5 EEM HABERLEŞME TEORİSİ Tavsiye Edilen Kaynak Kitap #2: Communications Systems; A. Bruce Carlson, Paul B. Crilly; McGraw-Hill Education; 5th edition, 2009.

6 EEM HABERLEŞME TEORİSİ Tavsiye Edilen Kaynak Kitap #3: Introduction to Digital and Analog Communications; Simon HAYKIN, Michael MOHER; John Wiley & Sons; 2nd edition,2006.

7 EEM HABERLEŞME TEORİSİ HAFTALIK İÇERİK Hafta Konular 1 ve Temel Kavramlar 2 İşaretler ve Doğrusal Sistemler, Temel Kavramlar 3 İşaretler ve Doğrusal Sistemler, Fourier Analizi 4 İşaretler ve Doğrusal Sistemler, Süzgeç Tasarımı,Alçak geçiren ve Band geçiren İşaretler 5 Genlik Modülasyonu 6 Genlik Modülasyonu 7 Genlik Demodülasyonu 8 Açı Modülasyonuna Ara Sınav (% 40) 9 Faz ve Frekans Modülasyonu 10 Açı Demodülasyonu 11 Olasılık ve Rastgele Süreçler 12 Olasılık ve Rastgele Süreçler 13 Analog İletişim Sistemleri Üzerinde Gürültünün Etkisi 14 Analog İletişim Sistemleri Üzerinde Gürültünün Etkisi Final (% 60)

8 EEM HABERLEŞME TEORİSİ İÇERİK GİRİŞ iletişim Sistemlerinin Elemanları Modülasyon, Modülasyon Türlerinin Sınıflandırılması SPEKTRAL ANALİZ vedoğrusal SİSTEMLERDEN İLETİM Fourier Serileri, Fourier Dönüşümü ve Özellikleri Enerji ve Güç Spektral Yoğunlukları Katlama İntegrali, Transfer Fonksiyonu Genlik ve Faz Bozulmaları, Süzgeçler GENLİK MODÜLASYONU (GM) Çift Yan Band (ÇYB) Modülasyonu ve Modülatör Yapıları Tek Yan Band (TYB) Modülasyonu ve Modülatör Yapıları Artık Yan Band (AYB) Modülasyonu GM İşaretlerin Demodülasyonu AÇI MODÜLASYONU Faz ve Frekans Modülasyonu (PM ve FM) FM İşaretlerin Üretimi ve Demodülasyonu Frekans Bölmeli Çoğullama

9 EEM HABERLEŞME TEORİSİ İÇERİK (devam) OLASILIK ve RASTGELE SÜREÇLER Olasılık verastgeledeğişkenlerin İncelenmesi Rastgele Süreçler Gauss ve Beyaz Süreçler ANALOG İLETİŞİM SİSTEMLERİ ÜZERİNDE GÜRÜLTÜNÜN ETKİSİ Genlik Modülasyon Sistemlerinde Gürültünün Etkisi Açı Modülasyonu Üzerinde Gürültünün Etkisi Analog Modülasyon Sistemlerinin Karşılaştırılması Analog İletişim Sistemlerinde İletim Kayıpları ve Gürültünün Etkileri ÖRNEKLEME ve ANALOG DARBE MODÜLASYONU Örnekleme Teoremi Darbe Genlik Modülasyonu (PAM) ve Zaman Bölmeli Çoğullama (TDM) Darbe Zaman Modülasyonu Türleri (PDM, PPM)

10 TEMEL KAVRAMLAR İletişimin Amacı İletişim Sisteminin Bileşenleri Kablosuz/Gezgin İletişim Sistemleri İletim Ortamları ve Matematiksel Modeller Serbest Uzay (Radyo) Üzerinden İletim Uydu Destekli İletişim Modülasyon (Kiplenim) İşlemi ve Gerekliliği

11 1.1. İletişimin Amacı Herhangi bir biçimdeki bilginin, uzay ve zaman içinde kaynak bir noktadan kullanıcı denilen başka bir noktaya aktarılmasına Haberleşme (İletişim) adı verilir. İletişimin amacı, verilen bir zaman aralığı içinde, kaynaktaki bilginin, iletim ortamındaki bozucu etkilerden en az etkilenmiş olarak kullanıcıya aktarılmasıdır. Kaynak ile kullanıcı arasındaki bilgi aktarımı işlemini sağlayan tüm sisteme İletişim sistemi adı verilir.

12 1.BÖLÜM İletişim sisteminin genel blok şeması şekildeki gibidir.

13 1.2. İletişim Sisteminin Bileşenleri Dönüştürücü bilgi ya da giriş mesajını, iletim sistemi tarafından üzerinde kolay olarak türlü işlemler yapılabilecek gerilim veya akım gibi elektriksel büyüklüklere (işaretlere) çevirir. Alıcı tarafta benzer başka bir dönüştürücü elektriksel işareti, uygun mesaj biçimine çevirir. Etkin bir iletişim için giriş işareti üzerinde gerekli işlemler verici üzerinde yapılır. Bu işlemlerin en önemlisi modülasyondur. Modülasyon (Kipleme), bilgi işaretinin, taşıyıcı adı verilen belli bir frekanstaki elektriksel işaret yardımıyla iletim sisteminin özeliklerine en uygun biçime dönüştürülmesidir. İletim Ortamı (Kanal), verici ile alıcı arasındaki elektriksel bağlantıyı sağlar. Bu bağlantıya örnek olarak: Kablo İki telli bir iletim hattı (Public Switched Telephone Network, PSTN) Koaksiyel kablo Dalga kılavuzu Atmosfer + Uzay

14 Yayın (örneğin DVB-T, DVB-S, DVB-H, ) Uydu haberleşmesi (GPS) Hücresel ağlar (GSM,WCDMA,Wi-Fi,WiMAX) Optik fiber Kayıt sistemleri(manyetik bant, sabit disk vb.) Bozucu etkiler: Zayıflama: İşaret seviyesinin belirli bir değerin altına düşmesidir. Distorsiyon: İdeal olmayan sistem yanıtından dolayı işaretin biçimindeki değişimdir. im: Gönderilen işarete benzeyen yabancı işaretlerin neden olduğu bozulmalardır. Gürültü: Rasgele ve önceden tahmin edilemeyen elektriksel işaretler anlamındadır. Doğal olarak oluşurlar ve tamamen yok edilemezler.

15 Elektromanyetik bilgi iletiminde iki temel parametre vardır: İşaretin dalga boyu (λ) İşaretin frekansı (f) c: ışığın boşlukta yayılma hızı, km/s

16

17 Alıcı, alınan işareti kullanarak m(t) giriş işareti için mümkün olduğunca iyi bir kestirim oluşturur ve demodülasyon işlemini gerçekleştirir. İletim bir yönlü (Simplex), yarım çift yönlü (Half-duplex) veya çift yönlü (Full-duplex) olabilir: Simplex: TV, Radyo, GPS alıcısı Half-duplex: Wolki-tolki Full-duplex: Sabit telefon, Cep telefonu Sayısal iletişim yani bilgi işaretinin ayrık biçime dönüştürülüp işlendiği durumda kodlayıcılar, kod çözücüler vb. içerir.

18

19 İletişim Kanallarının Matematiksel Modelleri Toplamsal gürültü kanalı (Additive noise channel): en basit matematiksel modeldir. İletişim sisteminin alıcı kısmındaki kuvvetlendirici ve elektronik elemanlardan veya iletişimde karşılaşılan girişim etkisinden dolayı meydana gelebilir. Eğer gürültü esas olarak alıcıdaki kuvvetlendiriciler ve elektronik elemanlar tarafından üretiliyorsa, bu gürültü ısıl gürültü (thermal noise) olarak tanımlanır.

20 Doğrusal Zamanla Değişmeyen Filtre kanalı (Linear time-invariant (LTI) filter channel): Tel hatlı telefon kanalları gibi bazı fiziksel kanallarda, filtreler, belirli bant genişliği sınırlarını aşmayacak şekilde işaretleri iletmek ve böylece bir işaretin diğerine karışmasını önlemek amacıyla kullanılır.

21 Doğrusal Zamanla Değişen Filtre kanalı (Linear time-variant filter channel): Zamanla-değişen çok yollu yayınımı ile sonuçlanan su altı akustik kanallar ve iyonosfer tabanlı radyo kanalları gibi fiziksel kanallar zamanla-değişen doğrusal filtrelerle modellenebilirler.

22 İletişim kapasitesini sınırlayan en önemli etken: GÜRÜLTÜ Gürültü: rasgele ve önceden tahmin edilemeyen, bozucu elektriksel işaretlerdir. Gürültü olmasaydı, sabit güçlü bir işaret sınırsız uzaklıklara iletilebilirdi. İletişim teknolojisindeki TÜM gelişmeler gürültüyü ve etkilerini bertaraf etmeye yöneliktir. İletilmek İstenen Mesaj Gürültü Alınan Mesaj Bilgisi Additive (Toplamsal) White (Beyaz) Gaussian (Normal dağılımlı ) Noise (Gürültü), AWGN

23 Gürültünün etkilerini yok etmek için iletim gücü artırılabilamaz mı? Artırılan iletim gücü gezgin birimlerin bataryalarının hem daha kısa sürede bitmesine, hem de önemli sağlık problemlerine neden olacaktır. Gürültü etkilerini yok etmek için iletişim kanalı üzerinde değişiklik yapılamaz mı? Kanalın muhtemelen zamanla değişen bir frekans yanıtı olacaktır. Bazen sadece zamanla değil hem zaman hem de frekansla değişen kanal etkileriyle de karşılaşmak mümkündür. Örneğin farklı iletim ortamları için bant genişliği: Uydu: Kablo: Fiber: Kablosuz: Neredeyse düz frekans cevabı var ancak zamanla değişir. Düşük bant genişliği sunar; yanıt zamanla değişmez. Mükemmel geniş bant genişliği; zamanla değişmiyor. Sonsuz bant genişliği, Gezginlik; Yansıma ve Çoklu yol (multipath) etkileri nedeniyle çok değişken frekans yanıtı.

24 Temel bir sınır: KAPASİ TE Gürültü var olduğu durum için iletişim sisteminde hatasız iletilebilecek veri miktarı için üst limit 1948 yılında Hartley-Shannon Teoremi ile tanılanmıştır. Kanal kapasitesi: burada, B: kanal bant genişliği S/N: İşaret/Gürültü gücü oranı (AWGN gürültü olduğu varsayılıyor) R: Kaynak veri hızı [bit/saniye] Sonuç olarak, hatasız iletim R<Cdurumunda mümkündür. /

25 3 Hz 300 GHz

26 1.3. Kablosuz ve Gezgin İletişim Sistemlerine Genel Bir Bakış Gezgin iletişim sistemlerinin gelişimindeki en önemli etken, transistörün bulunması ve buna bağlı olarak yüksek hızlı işaret işleme yeteneğine sahip teknolojileri kullanan gezgin telefon maliyetindeki düşüştür. Kablosuz ve gezgin iletişim, 1990 lı yıllardan itibaren elektronik ve telekomünikasyon endüstrisinin en hızlı büyüyen dalı haline gelmiştir. Gezgin ve kablosuz ses-veri iletişim servislerine olan bu olağanüstü talep, sistem maliyetlerinde önemli indirimleri de beraberinde getirmiş ve bunun sonucu olarak da daha fazla talep ile karşı karşıya kalınmıştır. Bu talep artışını karşılamak için 1990 lı yıllardan bu yana yürütülen araştırmalar; Daha yüksek iletim hızlarının sağlanması, Bant genişliğinin daha verimli kullanılması, Servis sağlama çeşitliliğinin arttırılması, gibi yaklaşımlarla aşırı talepleri karşılamaya çalışmıştır. Sağlanan diğer yenilikler ise gezgin birimlerin maliyet ve büyüklüğünün azaltılması, servis kalitesinin iyileştirilmesi olmuştur.

27

28 Nesil Öncelikli Hizmetler Önemli Farklar 1G 2G 3G Analog telefon görüşmeleri Sayısal telefon görüşmeleri ve mesajlaşma Telefon görüşmeleri, mesajlaşma, veri 3.5G Telefon görüşmeleri, mesajlaşma, geniş bant veri 4G Tüm IP hizmetler (ses ve mesajlaşma dahil) Gezginlik Güvenlik Daha iyi internet hizmeti Geniş bantlı internet ve uygulamalar Zayıflık (Sonraki nesil tarafından gerçekleştirilecekler) Zayıf spektral verimlilik, önemli güvenlik sorunları Sınırlı veri hızı (internet/elektronik posta için gerekli talebi destekleyememesi) İnternet erişiminde WAP başarısızlığı Özel gezgin mimari ve protokoller Daha hızlı geniş bantlı internet ve daha düşük gecikme?

29 1.4. İletim Ortamı Günümüzde ses ve görüntü gibi bilgi kaynakları için uzun mesafeler arasındaki iletişim, elektriksel haberleşme ile sağlanmaktadır. Bu disiplin, bilginin elektriksel işaretlere dönüştürülmesi ve bir iletim ortamı üzerinden elektromanyetik dalgalar aracılığıyla uzak mesafelere iletilmesine dayanmaktadır. Elektriksel iletişim için kullanılabilecek iletim ortamları; Bir bükülü tel çifti, Koaksiyel kablo, Optik fiber Radyo (serbest uzay) olabilir.

30 Bükülü Tel Çifti: Bir çift bakır kablodan oluşur, en ucuz iletim ortamıdır ve bu nedenle yaygın olarak kullanılır. Lokal yer altı telefon ağlarında ve aynı zamanda yerel alan ağlarında (LAN) yoğun olarak tercih edilmektedir. Bir elektriksel işaret bu tip bir ortamda ilerlerken zayıflamaya uğrar, bu nedenle tekrarlayıcı (repeater) olarakadlandırılan bir elektronik düzenek, her 2-10 km de bir kullanılmak zorundadır. Bükülü Tel Çifti ve Yerel Alan Ağları Bir bükülü tel çifti tarafından desteklenebilecek veri hızı temel olarak kat edilecek mesafeye ve kullanılan bakırın kalitesine bağlıdır.

31 Koaksiyel Kablo: Koaksiyel kablo çoğunlukla kablolu TV dağıtımı, uzun mesafeli telefon trankları ve LAN larda kullanılır. Koaksiyel kablo, 500 metrelik bir mesafe için 500 Mbps lık bir maksimum veri hızını destekleyebilir. Optik Fiber: Yüksek veri hızlarını destekleyebilme yeteneği nedeniyle çok sayıda ağ tipleri için en fazla tercih edilen iletim ortamıdır. Bir cam ortam içerisindeki ışık, bakır bir kablo veya bir koaksiyel kablo içerisindeki elektriksel işarete nazaran uzak mesafeler boyunca daha fazla miktarda bilgi taşıyabilir. Fiberler üzerinden Giga bit ve hatta Tera bit seviyesinde veri iletimi yapılabilir. Koaksiyel Kablo ve Optik Fiber

32 1.5. Serbest Uzay (Radyo) Üzerinden İletim: İletim ortamı olarak serbest uzayın kullanılmasının temel avantajı, alıcıya hareket edebilme (gezginlik) esnekliğinin kazandırılmasıdır. Radyo dalgalarının frekansına bağlı olarak yayılım karakteristikleri değişir ve yayılım karakteristiklerine bağlı olarak farklı uygulamalar için farklı frekanslar kullanılır. Ses, veri veya görüntü iletimi için kullanılan iki yollu iletişim sistemlerinde, bir çalışma ortamına sabitlenmiş durumda bir baz istasyonu (base station) ve bunun etrafında çok sayıda gezgin istasyon (mobile station) bulunur. İletişim için bir frekans çifti kullanılır. Bunlar; Baz istasyonundan gezgin istasyona doğru iletim için kullanılan aşağı yönlü (downlink) frekansı, Gezgin istasyondan baz istasyonuna doğru iletim için kullanılan yukarı yönlü (uplink) frekanstır. Bu frekans çifti serbest uzay kanalı olarak adlandırılır.

33 İletim ortamı olarak serbest uzayın kullanılması bazı özel problemler oluşturur, bu nedenle serbest uzay spektrumu farklı frekans bandlarına bölünür ve her bir band belirli uygulamalar için kullanılır. Serbest uzay kullanılarak (radyo) gerçekleştirilen iki yollu haberleşme

34 1.6. Uydu Destekli İletişim Bir iletişim uydusu basit anlamda, gök yüzünde röle görevini üstlenen bir yapıdır. Uydularla haberleşmek için yine bir frekans çifti kullanılır: Yer istasyonundan uyduya doğru iletim için kullanılan frekans uplink frekansı ve uydudan yer istasyonuna doğru iletim için kullanılan frekans downlink frekansı dır. Üç yer durağan uydu kullanılarak tam kapsamanın sağlanması

35 İletişim uydularının en çekici özelliği, neredeyse mesafeye olan duyarsızlığıdır. Frekansın yükseltilmesi, anten boyutlarının küçülmesini ve maliyeti daha düşük ekipmanların kullanılmasını sağlar. Uydu haberleşmesi gecikme olarakadlandırılan bir dezavantaja sahiptir. ITU (International Telecommunications Union), uydu haberleşmeleri için kullanılacak frekans bandlarını belirlemiştir. ITU tarafından belirlenmiş bölgeler

36 1.7. Modülasyon (Kiplenim) İşlemi ve Gerekliliği Bilgi (mesaj, bildiri) işaretinin, iletim kanalından verimli iletimi için uygun biçime dönüştürülmesi işlemine modülasyon (kiplenim) adı verilir. Modülasyon işlemi, taşıyıcı işaretin çeşitli parametrelerini bilgi işaretine bağlı olarak değiştirilmesi işlemidir. Periyodik bir işaretin (taşıyıcı işaret, carrier signal) herhangi bir özelliği mesaj işaretine (modülasyonlu işaret, modulation signal) bağlı olarak değiştirilirse elde edilen işarete modülasyonlu işaret (modulated signal) denir. Taşıyıcı genliği, mesaj işaretinegöredeğiştirilirse Taşıyıcı frekansı, mesaj işaretine göre değiştirilirse Taşıyıcı fazı, mesaj işaretine göre değiştirilirse Genlik Modülasyonu Frekans Modülasyonu Faz Modülasyonu Modüle edilen işaretin alıcı tarafta yeniden bilgi işaretini elde etmek üzere dönüştürülmesine demodülasyon (kip çözme) adı verilir.

37 Modülasyon İşlemi Neden Gereklidir? Anten Boyutlarını Küçültmek: Konuşma işaretleri doğrudan elektromanyetik dalgalarla iletime uygun değildir, çünkü çok büyük bir anten boyutu gerektirir. Gürültü ve imi Azaltmak: Gönderilen işaretin band genişliği ile işaret/gürültü oranı arasında bir takas yapılabilir (Shannon Teoremini hatırlayınız). Tüm Frekans Bandından Faydalanmak: Modülasyon işlemi yardımıyla her bir vericinin frekansı kendi için ayrılan frekans bölgesine kaydırılır. Böylece dünya genelindeki çoğu verici ve alıcı birbirinin yayınını bozmadan çalışabilir. Çoğullama Yapmak: Bir iletişim bağlantısından birden fazla mesaj işaretinin gönderilmesi istenir. Zaman çoğullaması (TDM) veya frekans çoğullaması (FDM) gibi.

38 İletim Ortamına Uymak: İletim ortamı koaksiyel kablo, transmisyon borusu, dalga kılavuzu, iyonosfer v.b. olabilir. Bu ortamlara uygun frekanslarda iletim yapabilmek için modülasyon yapılmalıdır. Donanım Problemlerini Aşmak İçin: Verici ve alıcıların çalışmaları işaretlerin özelliklerine bağlıdır. Bu yüzden uygun modülasyon seçilmesi ile bu aygıtların yapılması kolaylaştırılabilir. Bu ayrıca ekonomik bir etkendir. Örneğin uzay haberleşmesinde, uzaydaki iletişim sisteminin bilgi gönderip/alabilmesi için minimum güç harcaması istenir, çünkü bu sistemlere uzayda güç temini oldukça zor ve pahalı bir işlemdir. Dolayısıyla, uzaydaki iletişim sisteminin az enerji harcaması toplam sistem maliyetinin düşmesini sağlayacaktır.

39