DUMLUPINAR ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 9. BÖLÜM ANALOG SİSTEMLER

Transkript

1 DUMLUPINAR ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 9. BÖLÜM ANALOG SİSTEMLER

2 Analog Sistemler Giriş 9.1 Analog Bağlantılarına Genel Bakış 9. Taşıyıcı Gürültü Oranı (CNR) 9..1 Taşıyıcı Gücü 9.. Fotodedektör ve Ön yükselteç Gürültüleri 9..3 Bağıl Şiddet Gürültüsü(RIN) 9..4 RIN Üzerindeki Yansıma Değerleri 9..5 Sınırlayıcı Koşullar 9.3 Çok Kanallı İletim Teknolojileri Çok Kanallı Genlik Modülasyonu (Multichannel AM) 9.3. Çok Kanallı Frekans Modülasyonu (Multichannel FM) Alt Taşıyıcı Çoklayıcısı (SCM)

3 Giriş Fiber optiklerin, telekomünikasyon ağlarında ilk olarak uygulanmasından bu yana, bunların yaygın olarak kullanımı dijital bağlantıları kapsamaktadır. Bunun bazı örnekleri; mikrodalga - karışık sinyalleri, hibrid fiber kullanan abone servisleri (HFC), video dağıtımı, anten kumandası ve radar sinyal işlemcileridir. Analog uygulamaların çoğunda lazer-diyot ileticiler kullanılır, bundan dolayı bu bölümde optik kaynaklar üzerinde durulacaktır. Bir analog fiber optik sistem uygulanırken düşünülmesi gereken parametreler * Taşıyıcı-gürültü oranı(cnr) * Bant genişliği(b) ve * İletişim sisteminde lineer olmayan sinyal bozulmalarıdır.

4 9.1 Analog Bağlantılarına Genel Bakış Optik fiber bağlantıları için en basit şekil, optik çıkışın kaynaktan basitçe mesaj-sinyal düzeyindeki eğim noktası etrafında akımı çeşitlendirerek ayarlandığı doğrudan gerilim modülasyonudur. Böylece bilgi sinyalleri temel bantlara doğrudan gönderilmiş olur. Oldukça karışık ama, daha verimli bir metot ise, elektrik alt taşıyıcılarındaki temel bant sinyallerini kaynağın gerilim modülasyonuna çevirmektir. Bu işlem, standart genlik modülasyonu(am), frekans modülasyonu(fm) ve faz modülasyonu(pm) teknikleri kullanılarak yapılabilir. Analog bağlantının temel elemanları

5 9. Taşıyıcı Gürültü Oranı (CNR) Analog sistemlerin performansının analizini yaparken,rf alıcı tarafından fotodedektör işlemleri girişin de genellikle rms taşıyıcı gücün, rms gürültü gücüne oranı hesaplanır.bu orana da taşıyıcı gürültü oranı (CNR) denir. Herhangi bir sinyal kirliliğiyle alakalı taşıyıcı gürültü oranı olan CNRi ile N tane sinyal zayıflatma(bozma) faktörü bize aşağıdaki formülü verir. N 1 æ = åç CNR i= 1 è 1 CNR i ö ø Farklı taşıyıcı frekanslarında çalışan çoklu mesaj kanalları, aynı fiber üzerinden eş zamanlı olarak gönderildiği an harmonik ve modüler arası bozulmalar oluşur. Prensip olarak fiber sinyal zayıflamalarının 3 baskın sebebi vardır.bunlar; * Vuruş(shot) gürültüsü * Optik yükselteç gürültüsü * Lazer kırpması

6 9..1 Taşıyıcı Gücü Taşıyıcı gücü bulmak için ilk olarak vericideki sinyale bakılır. Şekil de görüldüğü üzere sürücü akımı boyunca optik kaynak, sabit eğimli akım ve zamanla değişken sinüsoit toplamına eşittir. Çıkış daki optik gücün şekli(p(t)), giriş sürücü akımı ile aynı biçime sahiptir.

7 Eğer zamanla değişken analog sürücü sinyali s(t) ise, P t,eğimli akım bölümünün optik çıkış gücü olup, m ise modülasyon indeksidir.buna göre ; Ppeak m = Pt elde edilir. Sinüsoidal alıcı sinyali için, alıcının çıkışında taşıyıcı gücün formülü aşağıdaki gibidir. C = 1 ( m R0 M P ) R 0,fotodedektörün birim kazanç cevabıdır.m ise fotodedektör kazancıdır. P, ortalama alınan optik güç

8 9..3 Şiddete(Yoğunluğa) Bağlı Gürültü (RIN) Bir semicondactor lazer içinde, genlikteki dalgalanmaları veya çıkışın şiddeti optik yoğunluk gürültüsünü üretir. Bu dalgalanmalar sıcaklık değişmelerinden veya lazer çıkışın da kendiliğinden ortaya çıkarak oluşabilir. Rastgele yoğunluk dalgalanmalarından oluşan gürültüye şiddete bağlı gürültü (RIN) denir. RIN, yoğunluk dalgalanma ortalamalarının karesi olarak tanımlanır. Bu eşitliklerden faydalanarak tek kanallı AM sistemi için taşıyıcı gürültü oranı ise; C N = RIN 1 ( m R0 M P) ( R0 P ) B + q( I P + I D ) M F ( M ) B + ( 4 k B T R eq ) B F t

9 Two buried heterostructure lazer diyotlar için bağıl şiddet gürültüsünün bir örneğidir.100 MHz de ölçülmüş gürültü seviyesidir. Bir InGaAsP buried-heterosturucture lazerin RIN değeri,birkaç farklı eğim seviyelerinde modülasyon frekansının bir fonksiyonu gibidir.

10 9..4 RIN Üzerindeki Yansıma Değerleri Yüksek hızda analog bağlantısını uygularken lazer e geri dönen optik yansımaları minimize etmek için özel önlemler alınmalıdır.şekil den de görüldüğü üzere geri yansıyan sinyaller RIN i 10-0 db arttırabilir. RIN deki artış optik sinyallerin geri yansımasından dolayıdır.

11 9..5 Sınırlayıcı Koşullar Alıcıdaki optik güç seviyesi düşük olduğu zaman,ön yükselteç devre gürültüsü, sistem gürültüsünü baskılar.bu sebep den dolayı aşağıda ki formül elde edilir. æ C ç è N ö ø = lim it1 4 ( mr0m P) 1 ( k BT Req) B F İyi tasarlanmış fotodiyotlar için geniş ve yüzeyel karanlık akımlar alıcıdaki orta dereceli optik sinyal bölümleriyle karşılaştırıldığında vuruş(shot) gürültüleri daha küçüktür.bundan dolayı vuruş gürültüsü, sistem gürültüsünü baskılayacaktır. Bu sebep den aşağıda ki formül ortaya çıkar; æ C ö ç è N ø lim 1 mr0m P = it qf( M ) B Eğer lazer yüksek RIN değerine sahip olursa yansıma gürültüsü diğer gürültüleri baskılar.buna göre taşıyıcı-gürültü oranı şu hale gelir; t æ C ç è N ö ø lim it 3 = 1 ( mm ) RIN B

12 Taşıyıcı gürültü oranı alıcıdaki optik güç seviyesinin bir fonksiyonudur.böylece RIN yüksek güçlerde hakim olur,quantum gürültüsü orta seviyelerde C/N nin her 1 db güç azalmasında 1 db lik düşüş verir.düşük ışık seviyelerindeki alınmış güçte C/N nin her 1 db düşüşünde db zayıflar.

13 9.3 Çok Kanallı İletim Teknolojileri Şimdiye kadar incelediğimiz tek durum, bir tek sinyalin bir kanal üzerinden iletilmesiydi. Geniş band içinde ki analog uygulamalarda, mesela kablolu televizyon (CATV) gövde yapısında ihtiyaç duyulan, analog sinyallerin aynı fiber üzerinden gönderilmesidir. Bunu yapmak için, bir çoklayıcı teknolojisi kullanılabilir ki bu da bir sayıda ki temel band sinyallerinin, kararlı N tane farklı frekanslara sahip ƒ 1,ƒ ƒ N alt taşıyıcıyı bastırmasıdır. Bunlardan Genlik Modülasyonu(AM), CATV müşterilerinin donanımları ile uyum içinde çalışabilen basit ve efektif değerdir fakat gürültü ve nonlineer bozulmalar için bu sinyal çok hassastır. Frekans Modülasyonu(FM), AM den daha büyük bir band genişliği gerektirir ki bu da yüksek bir sinyal-gürültü oranı ile daha hassas doğrusal olmayan kaynakları sağlamaktadır. SCM işlemlerinin yüksek frekansları için ise geniş bir band üzerinde analog ve dijital sinyallerinin her ikisinde de bozulmalar meydana gelebilir.

14 9.3.1 Çok Kanallı Genlik Modülasyonu Şekil de çok kanallı iletim teknolojisine göre birleştirilmiş yardımcı taşıyıcıların bağımsız mesajları gösterilmiştir. Bir RF gücünü birleştirmek daha sonra hesaplamak,bunlar (N) genlik modülasyonu taşıyıcılarına teslim etmek için, karışık bir frekans bölücü çoklayıcı (FDM) sinyalidir ki bu yoğunluk(şiddet) modülleri de bir lazer diyottur. Standart teknoloji için frekans bölücü-çoklayıcının(fdm) N tane bağımsız bilgi durum sinyalleri Rastgele fazları olan birçok sayıdaki FDM taşıyıcıları için, taşıyıcılar güç kaynakları üzerine eklenir.böylece N kanalları için optik modülasyon indeksi olan m, her kanalın modülasyon indeksi olan m i ile aşağıda verilen formülle tanımlanır. m = N ç æ å è i = mi 1 1 ö ø

15 Frekans f i +f j -f k (üçlü-vuruş IM ürünleri olarak bilinirler) ve frekans f i -f j (-ton 3.derece IM ürünleri olarak bilinirler) nin çoğu çok kanallı sistemlerin bant genişliği içine düştüğü zaman, bu frekanslardaki 3.derece IM bozulmuş ürünler daha baskındır. Eğer band geçiren bir sinyal birçok sayıda eşit aralıklı taşıyıcılar içerirse, birkaç IM terimi aynı frekansın yanında veya yakınında olacaktır. Beat stackting olarak adlandırılan bu sinyal bir güç kaynağı üzerine ilave edilir.örneğin N tane eşit aralıklı eşit genlik taşıyıcıları, r inci (rth) taşıyıca uygun düşen 3. derece IM ürünlerinin sayısı aşağıdaki formülde verilmiştir. f i +f j tipinin ton terimleri içindir ve D 1,1,1 r = f i +f j -f k tipinin üçlü vuruş terimleri içindir. D 1, N r [ 1-( -1) ](- ) ý ü þ 1ì 1 = ín-- 1 î 1ì 1 N ( N-r+ 1) + ( N-3) -5- [ 1-( -1) ](-1) í 4î N+ r ü ý þ

16 Tablo 1 Kanal sayını belirten N değerinin 1 ile 8 arasındaki değişimi için 3.derece üçlü vuruş intermodülasyon ürünlerinin sayısının bozulması Tablo Kanal sayını belirten N değerinin 1 ile 8 arasındaki değişimi için 3.sıra tone intermodülasyon ürünlerinin sayısının bozulması

17 Küme oluşturan vuruş sonuçlarına genellikle ikinci dereceden birleşim (composite second order (CSO)) ve üçlü vuruş birleşimi (compisite triple order(ctb)) için başvurulur.bu küme oluşturan vuruş sonuçları çok kanallı AM bağlantılarının performansını anlatmak için kullanılırlar.bunlar şu şekilde tanımlanır;

18 Şekil 1 (ƒ 1 ±ƒ ) 60 tane genlik modülasyonlu CATV kanalı için tahmin edilen bağımlı CSO performansıdır.fm radyo yayını için 88 ile 10 MHz arası ayrılmıştır. Şekil (ƒ 1 ±ƒ ±ƒ 3 ) 60 tane genlik modülasyonlu CATV kanalı için tahmin edilen bağımlı CTB performansıdır.fm radyo yayını için 88 ile 10 MHz arası ayrılmıştır.

19 9.3. Çok Kanallı Frekans Modülasyonu Frekans modülasyonu(fm) için bir teknik olarak her alt taşıyıcı mesaj sinyali tarafından modülasyon yapılır. Bu da daha geniş bir band genişliğine ihtiyaç duyar.(her kanal için FM de 30 MHz AM de ise 4 MHz ); ama C/N oranı S/N oranını etkilemektedir. Bir FM dedektörü çıkışındaki S/N oranı dedektörün girişindeki C/N oranından daha büyüktür.bu büyüklük altta verilmiştir. æ ç è S N ö ø out æ C ö = ç è N ø in é ê log ê ë ö ù ú + w ø ú û B,gerekli olan band genişliğidir; ƒ pp, modülatörün tepeden tepeye frekans genişliğidir; ƒ v, en yüksek video frekansıdır; w, video band genişliğinde gözle görülebilen beyaz gürültünün ağırlık faktörüdür. Eğer her kanal için optik kanal indeksi %5 olursa,her FM TV programı stüdyo kalitesine ulaşması için -10dB/Hz den daha az RIN gerektirir.bu da S/N 56 db gerektirmektedir. B f v æ D f ç ç è f pp v

20 Şekil de RIN değerinin optik modülasyon indeksine oranı verilmiştir.tv sistemlerindeki AM ve FM yayınları karşılaştırılmıştır. Birkaç farklı sinyal gürültü oranlarının AM ve FM video sinyalleri için optik modülasyon indeksi her kanaldaki RIN değerleridir.

21 9.3.3 Alt Taşıyıcı Çoklayıcısı (SCM) Alt taşıyıcılı çoklayıcı (SCM) kelime olarak,aynı sistem içinde dijital ve analog çoklu kanalların her ikisini birden çoklamadaki kabiliyetidir. Şekil de gösterilen SCM nin temel yapısıdır.n tane bağımsız analog ve dijital temel band sinyallerinin karışımı, giriş için verici oluşturmaktadır.bu sinyaller ayrıca ses,veri,video,dijital ses,yüksek çözünürlüklü video veya diğer analog dijital bilgiler taşıyabilir.her gelen sinyal s i (t), ƒ i frekansına sahip lokal osilatör de (LO) karıştırılır. Lokal osilatör de kullanılan frekanslar - 8 GHz arasındadır ve alt taşıyıcılar olarak bilinir.modüle edilmiş alt taşıyıcıları birleştirmek, lazer diyodu sürmek için kullanılan bir birleştirilmiş frekans bölmeli çoklayıcı sinyali verir.