UYDU HABERLEŞME SİSTEMLERİNDE, MODÜLASYON TEKNİKLERİNİN LİNK DENKLEMLERİNE ETKİSİ. Türkan KURT

Transkript

1 UYDU HABERLEŞME SİSTEMLERİNDE, MODÜLASYON TEKNİKLERİNİN LİNK DENKLEMLERİNE ETKİSİ Türkan KURT YÜKSEK LİSANS ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ MAYIS 2013 ANKARA

2 TÜRKAN KURT tarafından hazırlanan UYDU HABERLEŞME SİSTEMLERİNDE MODÜLASYON TEKNİKLERİNİN LİNK DENKLEMLERİNE ETKİSİ adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Yrd.Doç.Dr. Nursel AKÇAM... Tez Danışmanı, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Doç.Dr. Erkan AFACAN... Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, G.Ü. Yrd.Doç.Dr. Nursel AKÇAM... Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, G.Ü. Doç.Dr. Suat ÖZDEMİR... Bilgisayar Mühendisliği Anabilim Dalı, G.Ü. Tez Savunma Tarihi: 13/05/2013 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans 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. Türkan KURT

4 iv UYDU HABERLEŞME SİSTEMLERİNDE, MODÜLASYON TEKNİKLERİNİN LİNK DENKLEMLERİNE ETKİSİ (Yüksek Lisans Tezi) Türkan KURT GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Mayıs 2013 ÖZET Uydu haberleşme sistemleri, günümüzde görüntüleme, iletişim, konum bulma, meteoroloji gibi pek çok alanda oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Uydu haberleşme sistemlerinde veri iletim performansı, veri iletim ortamı, alıcı ve verici girişlerinde oluşan gürültü, kullanılan modülasyon ve kodlama tekniklerine bağlı olarak değişiklikler gösterebilmektedir. Bu tez çalışmasında, yer gözlem uyduları için, uydu haberleşme sistemlerinde kullanılan modülasyon türlerinin veri iletim performansına etkisi incelenmiştir. Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler : Uydu Haberleşmesi, LEO Uydular, Modülasyon Teknikleri Sayfa Adedi : 105 Tez Yöneticisi : Yrd. Doç. Dr. Nursel AKÇAM

5 v EFFECT OF MODULATION TECHNIQUES ON LINK EQUATIONS AT SATELLITE COMMUNICATION SYSTEMS, (M.Sc.Thesis) Türkan KURT GAZİ UNIVERSITY GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES May 2013 ABSTRACT Nowadays, satellite communication systems are widespreadly used in imaging, communicating, finding position, meteorology etc. In satellite communication systems, data transmission performance may be different due to transmission media, noise at transmitter and receiver, modulation techniques and coding. In this thesis, the simulation analyses to investigate the effect of different modulation techniques to the performance of data transmission in satellite communication for earth observation satellites is given. ScienceCode : KeyWords : Satellite Communications, LEO Satellites, Modulation Techniques PageNumber : 105 Adviser : Assist.Prof.Dr. Nursel AKÇAM

6 vi TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren Hocam Yrd.Doç.Dr. Nursel AKÇAM a, destekleri ve motivasyonları için TUSAŞ Uzay Sistemleri Başkanlığına, çalışmalarım boyunca bana destek olan ailem ve arkadaşlarıma teşekkürü bir borç bilirim.

7 vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... İV ABSTRACT... V TEŞEKKÜR... Vİi 1. GİRİŞ UYDU HABERLEŞME SİSTEMLERİ Uydu Haberleşmesinin Tarihçesi Uydu Sistemlerinin Gelişimi Uydu Haberleşme Sistemleri Uzay bölümü Yer bölümü Yörünge çeşitleri UYDU HAT DENKLEMLERİ Anten Karakteristiği Kazanç Yayılım örüntüsü Açısal hüzme genişliği Polarizasyon Verilen Bir Yöndeki Güç Yayılımı Etkin izotropik ışınım gücü (EIRP) Güç akı yoğunluğu Alınan Sinyal Gücü Alıcı Girişindeki Gürültü Gücü... 23

8 viii Sayfa Gürültünün kaynağı Gürültünün tanımı ve karakteristiği Anten gürültü sıcaklığı Zayıflatıcının gürültü sıcaklığı Sistem gürültü sıcaklığı Alıcı Girişindeki Taşıyıcı - Gürültü Oranı (Carrier to Noise ratio - C/N) Tanım Alıcı ekipman başarım ölçütü (Figure of Merit) Bit hata oranı (Bit Error Rate - BER) Hat bütçesi (Link budget) MODÜLASYON TEKNİKLERİ Analog Modülasyon Teknikleri Genlik modülasyonu (AmplitudeModulation - AM) Frekans modülasyonu (Frequency Modulation - FM) Faz modülasyonu (Phase Modulation - PM) Sayısal Modülasyon Teknikleri Genlik kaymalı anahtarlama tekniği (Amplitude Shift Keying-ASK) Frekans kaymalı anahtarlama tekniği (Frequency Shift Keyin -FSK) Faz kaymalı anahtarlama tekniği (Phase Shift Keying - PSK) MODÜLASYON TEKNİKLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI Uydu Verici Bloğu İletim Hattı... 54

9 ix Sayfa 5.3. Yer İstasyonu Alıcı Bloğu Performans Değerlendirme Faz gürültüsüz ve doğrusal yükselteç kullanılan sistemde elde edilen sonuçlar Yüksek seviyede faz gürültüsü ve doğrusal yükselteç kullanılan sistemde elde edilen sonuçlar Yüksek seviyede faz gürültüsü ve doğrusal olmayan yükselteç kullanılan sistemde elde edilen sonuçlar Modelleme Sonucu SONUÇ VE ÖNERİLER KAYNAKLAR... 82

10 x ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. Yer istasyonunun genel yapısı... 7 Şekil 2.2. Molniya uydusunun yörüngesi... 9 Şekil 2.3. Dairesel polar düşük irtifa yer yörüngesi (LEO) Şekil 3.1. Uydu ve yer istasyonu blok şeması Şekil 3.2. Anten ışıma örüntüsü: (a) kutupsal gösterim, (b) kartezyan gösterim Şekil 3.3. Elektromanyetik dalganın kutupsal (polar) karaktekteristiği Şekil 3.4. Birbirine dik polarizasyonda, alınan ve iletilen elektrik alan genlikleri...16 Şekil 3.5. Güç akı yoğunluğu Şekil 3.6. Alıcı ve verici sistem arasındaki kayıplar Şekil 3.7. RF hattın geometrisi Şekil 3.8. Beyaz gürültünün spektral yoğunluğu Şekil 3.9. Alıcı sistem Şekil BPSK/QPSK, 8-PSK, 16-PSK modülasyonları için BER eğrisi Şekil 4.1. Genlik modülasyonu Şekil 4.2. Frekans modülasyonu Şekil 4.3. Faz modülasyonu Şekil 4.4. (a) I ve Q kanallarının yansıması (projection), (b) I ve Q kanallarının kutupsal gösterimi Şekil 4.5. Temel bant bilgi dizisi Şekil 4.6. İkili ASK (OOK) Şekil 4.7. İkili FSK Şekil 4.8. İkili PSK Taşıyıcı... 36

11 xi Şekil Sayfa Şekil 4.9. İkili PSK kümeleşme gösterimi Şekil bit dizisinin faz geçiş gösterimi Şekil (a) BPSK, (b) QPSK, (c) 8PSK kümeleşme diyagramları Şekil Temel bant PSK işareti gösterimi Şekil QPSK kümeleşme diyagramı Şekil Modülasyonun kutupsal gösterimi Şekil Modülasyonun I ve Q kanallarını kullanarak dörtgensel gösterimi Şekil RRC şekillendirilmiş I ve Q işaretleri Şekil MPSK modülasyonu donanım uygulaması Şekil Sabit zarflı FSK Şekil OQPSK modülasyonu blok diyagramı Şekil MSK modülatörü blok diyagramı Şekil PSK modülasyonun kümeleşme diyagramı ve I, Q kanallarının genlikleri Şekil /4 - PSK kümeleşme gösterimi Şekil QAM kümeleşme gösterimi Şekil 5.1. Uydu verici bloğu Şekil 5.2. İletim hattı Şekil 5.3 Yer istasyonu alıcı bloğu Şekil PSK verici kümeleşme diyagramı Şekil PSK alıcı kümeleşme diyagramı Şekil PSK alıcı ve verici güç tayfı Şekil PSK verici kümeleşme diyagramı... 60

12 xii Şekil Sayfa Şekil PSK alıcı kümeleşme diyagramı Şekil PSK alıcı ve verici güç tayfı Şekil PSK verici kümeleşme diyagramı Şekil PSK alıcı kümeleşme diyagramı Şekil PSK alıcı ve verici güç tayfı Şekil QPSK verici kümeleşme diyagramı Şekil QPSK alıcı kümeleşme diyagramı Şekil QPSK alıcı ve verici güç tayfı Şekil OQPSK verici kümeleşme diyagramı Şekil QPSK alıcı kümeleşme diyagramı Şekil OQPSK alıcı ve verici güç tayfı Şekil Yüksek faz gürültülü 8-PSK verici kümeleşme diyagramı Şekil Yüksek faz gürültülü ve doğrusal yükselteç kullanılan sistemde 8-PSK alıcı kümeleşme diyagramı Şekil Yüksek faz gürültülü ve doğrusal yükselteç 8-PSK alıcı ve verici güç tayfı Şekil Yüksek faz gürültülü sistemde alıcı kümeleşme diyagramları (a) 16-PSK, (b) 32-PSK, (c) QPSK, (d) OQPSK Şekil Yüksek faz gürültülü sistemde alıcı-verici güç tayfı (a) 16-PSK, (b) 32- PSK, (c) QPSK, (d) OQPSK Şekil Yüksek faz gürültülü ve doğrusal olmayan yükselteç kullanılan sistemde 8-PSK verici kümeleşme diyagramı Şekil Yüksek faz gürültülü ve doğrusal olmayan yükselteç kullanılan sistemde 8-PSK alıcı kümeleşme diyagramı Şekil Yüksek faz gürültülü ve doğrusal olmayan özellikli yükselteç kullanan sistemde alıcı kümeleşme diyagramları (a) 16-PSK, (b) 32-PSK, (c) QPSK, (d) QPSK... 74

13 xiii Şekil Sayfa Şekil Yüksek faz gürültülü ve doğrusal olmayan özellikli yükselteç kullanan sistemde alıcı-verici güç tayfı (a)16-psk, (b) 32-PSK, (c) QPSK, (d) OQPSK Şekil Faz gürültüsüz ve doğrusal güç yükseltecinin kullanıldığı sistemde Eb/No- BER performans karşılaştırması Şekil Yüksek seviyede faz gürültülü ve doğrusal güç yükseltecinin kullanıldığı sistemde Eb/No- BER performans karşılaştırması Şekil Yüksek seviyede faz gürültülü ve doğrusal olmayan güç yükseltecinin kullanıldığı sistemde Eb/No- BER performans karşılaştırması... 79

14 xiv ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 4.1. BPSK modülasyonu Çizelge 4.2. Modülasyon çeşitlerine göre nicemleme Çizelge 4.3.QPSK modülasyonu Çizelge PSK modülasyonu Çizelge 5.1. Modellemede kullanılan yer gözlem uydusu özellikleri Çizelge 5.2. Modellemede kullanılan yer gözlem uydusu özellikleri Çizelge 5.3. Faz gürültüsüz sistemde BER değerleri Çizelge 5.4. Yüksek faz gürültülü ve doğrusal yükselteçli sistemde BER değerleri. 71 Çizelge 5.5. Yüksek faz gürültülü ve doğrusal olmayan güç yükselteçli sistemde BER değerleri... 75

15 xv SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Kısaltmalar Açıklama AM Genlik modülasyonu (Amplitude Modulation) ASK Genlik kaymalı anahtarlama (Amplitude Shift Keying) BER Bit hata oranı (Bit Error Rate) C/N Taşıyıcı gürültü oranı (Carrier to Noise Ratio) db Desibel dbc Taşıyıcı desibel (dbcarrier) EIRP Etkin izotropik ışınım gücü (Effective Isotropic Radiation Power) ESA Avrupa Uzay Ajansı (European Space Agency) FM Frekans modülasyonu (Frequency Modulation ) FSK Frekans kaymalı anahtarlama (Frequency Shift Keying) GEO Yerdurağandünya yörüngesi (Geostationary Earth Orbit) HEO Yüksek dünya yörüngesi (High Earth Orbit) LEO Alçak dünya yörüngesi (Low Earth Orbit) MEO Orta dünya yörüngesi (Medium Earth Orbit) MSK Minimum kaymalı anahtarlama (Minimum ShiftKeying) OQPSK Ofset dörtgensel faz kaymalı anahtarlama (Offset Quadrature Phase Shift Keying) PM Faz modülasyonu (Phase Modulation) PSK Faz kaymalı anahtarlama (Phase Shift Keying)

16 xvi Kısaltmalar Açıklama QAM Dörtgensel genlik modülasyonu (Quadrature Amplitude Modulation) QPSK Dörtgensel faz kaymalı anahtarlama (Quadrature Phase Shift Keying) OQPSK Ofset dörtgensel faz kaymalı anahtarlama (Offset Quadrature Phase Shift Keying) RF Radyo frekansı (Radio Frequency) TT&C Uzölçüm, izleme, kontrol (Telemetry, Tracking, Control) VSAT Çok küçük açıklı uç (Very Small Aperture Terminal)

17 1 1. GİRİŞ Günümüzde, haberleşme tekniklerinin oldukça yaygınlaşmasıyla birlikte uydu haberleşmesi öne çıkan haberleşme teknikleri arasında yerini almıştır. Uydu haberleşmesi kavramı ilk olarak Arthur C. Clark tarafından 1945 yılında Wireless World dergisine yazdığı bir makalede yer almıştır yılında Amerikan Başkanı Eisenhover ın verdiği yeni yıl mesajı, uzaydan dünyaya iletilen ilk mesaj olmuştur. Uydular, gerçekleştirecekleri görevlere göre farklı yörüngelerde bulunurlar. Genel olarak uydu yörüngeleri, yer gözlem görevlerinin yerine getirildiği Alçak Dünya Yörüngesi (Low Earth Orbit - LEO), haberleşme, konum bulma, uzay araştırmaları görevlerinin yerine getirildiği Orta Dünya Yörüngesi (Medium Earth Orbit - MEO), haberleşme ve meteoroloji uydularının bulunduğu Yerdurağan Dünya Yörüngesi (Geostationary Earth Orbit - GEO) gibi dairesel yörüngeler; Rusya haberleşme uyduları tarafından kullanılan Molniya Tundra Yörüngesi gibi elips yörüngelerden oluşur [1]. Uydu haberleşme sistemleri uydu, iletim hattı ve yer kesimi olarak üç kısımdan oluşur. Uydu kısmı, uydunun yörüngeye yerleştirilmesiyle birlikte görevin icra edildiği kısımdır. Uydunun tüm ekipmanları uzay ortamına dayanıklı malzemelerden seçilir. Yer kesimi uydu yörüngeye yerleştirildikten sonra uydu ile iletişiminin gerçekleştirildiği yer istasyonlarından oluşur. İletim hattı, iletişim için gerekli olan uzay boşluğu, hava gibi ortamlardır. İletim hattına serbest uzay yol kayıpları etki eder. Uydu haberleşme sistemlerinin performansı, iletilen veri ile alınan veri arasındaoluşan farkın değerlendirilmesiyle hesaplanabilir. Uydudan elde edilen veri, yer istasyonuna iletilirken, alıcı verici sistem gürültüsü, yol kaybı ve atmosferik kayıpların sebep olduğu çeşitli bozulmalara maruz kalır. Bunun yanı sıra haberleşme sistemlerinde kullanılan modülasyon ve kodlama teknikleri sistem performansına etki eder.

18 2 Uydu haberleşme sistemlerinde geçmişten günümüze performansın artırmasına yönelik çalışmalar yapılmaktadır. Haberleşme sistemlerinde kullanılan modülasyon tekniğinin sistem perfomansına etkisi büyüktür. Şimdiye kadar yapılan çalışmalarda bir kısım modülasyon tekniklerinin karşılaştırmalı olarak veri indirme performansına etkisi incelenmiştir ve elde edilen karşılaştırmaya göre ideal modülasyon tekniği belirlenmeye çalışılmıştır [2,3]. Bir kısım araştırmacılar sistemde oluşan faz gürültüsü üzerine çalışmıştır. Bunun için faz gürültüsünün modellemesi yapılmış ve modülasyon sistemleri üzerine etkisi incelenmiştir [4]. Bazı çalışmalarda ise gürültünün demodülasyon sinyaline etkisi incelenmiş ve bu etkinin giderilmesine yönelik çalışma yapılmıştır [5]. Ayrıca uydu haberleşme kanalında oluşan modülasyon kayıplarının incelenmesi son yıllarda yapılan çalışmalar içerisindedir [6]. Bunların yanı sıra doğrusal olmayan uydu haberleşme kanallarında kullanılacak modülasyon teknikleri üzerinde araştırma yapılmıştır [7]. Sabit modülasyon tekniklerinin yeterli gelmediği durumlarda uyarlanabilen modülasyon teknikleri kullanılmıştır ve haberleşme performansının arttırılması hedeflenmiştir [8]. Uydu haberleşme sistemlerinin doğasından gelen kısıtlı güç ve kısıtlı bant genişliği nedeniyle özellikle derin uzay çalışmalarında yüksek performanslı modülasyon teknikleri geliştirilmiştir [9]. Bu çalışmada, kullanılan modülasyon tekniğinin sistem performansına etkisi analiz edilmektedir. Modülasyon türlerinden 8-Faz Kaymalı Anahtarlama (8-Phase ShiftKeying 8-PSK), 16-Faz Kaymalı Anahtarlama (16-Phase ShiftKeying 16- PSK), 32-Faz Kaymalı Anahtarlama (32-Phase ShiftKeying 32-PSK), Dörtgensel Faz Kaymalı Anahtarlama (QuadraturePhaseShiftKeying -QPSK) ve Ofset Dörtgensel Faz Kaymalı Anahtarlama (OffsetQuadraturePhaseShiftKeying - OQPSK) modülasyon tekniklerinin sistem performansına etkisi Matlab SIMULINK benzetim programı kullanılarak incelenmiştir. Tezinikinci bölümünde uydu haberleşme sistemlerin tarihi ve gelişimi hakkında bilgi verilmiş olup uydu haberleşme sisteminin ana bileşenleri olan uzay bölümü ve yer bölümü ve uydu yörüngeleri hakkında genel bilgi verilmiştir. Üçüncübölümde uydu hat denklemlerini oluşturan parametreler ve iletişim performansını oluşturan

19 3 parametreler açıklanmıştır. Dördüncü bölümde modülasyon teknikleri hakkında bilgi verilmiştir. Beşinci bölümde ise yapılan benzetim çalışması hakkında ayrıntılı bilgi verilmiş olup, altıncı bölümde sonuçlar ve öneriler yer almaktadır.

20 4 2. UYDU HABERLEŞME SİSTEMLERİ 2.1. Uydu Haberleşmesinin Tarihçesi İkinci dünya savaşı, haberleşme ve mikrodalga teknolojilerindekigelişmeleri de beraberinde getirmiştir. Bu iki teknolojinin bir arada kullanılmasıyla birlikte uydu haberleşme çağı başlamıştır. Uydu haberleşmesi, daha önce kullanılan, kablolu ve radyo frekans haberleşme sistemlerinin erişemediği bölgelerin kapsanmasını sağlamıştır. Uzay çağı 1957 de Sovyetler Birliği tarafından bilimsel amaçlı Sputnik inuzaya gönderilmesiyle başlar. Takip eden yıllarda bilimsel çalışmalar devam etmiştir de ABD başkanı Eisenhover Score isimli uydu ile yeni yıl mesajı yayınlanmıştır da yansıtıcı olarak görev yapan ECHO gönderilmiştir. Aynı yıl içinde depola ve yönlendir (storeandforward) işlevine sahip COURIER uydusu uzaydaki yerini almıştır de ilk röle uyduları Telstar ve Relay fırlatılmıştır te ise ilk yer durağan (Geostationary) uydu olan SYNCOM fırlatılmıştır [12]. İlk ticari GEO uydusu Intelsat1 (ya da EarlyBird) 1965 te gönderilmiş ve daha sonra gönderilen INTELSAT serisinin de ilk uydusu olmuştur. Aynı yıl, Sovyetler Birliğinin haberleşme uydusu MOLNYA serisi fırlatılmıştır Uydu Sistemlerinin Gelişimi Uydu haberleşme tarihinde yapılan ilk uydular düşük kapasiteli ve yüksek maliyetli uydulardı. Örneğin Intelsat1, 68 kg ağırlığında, 480 telefon kanalı kapasiteli ve kanal başına 32,500$ maliyetli olan bir uyduydu. Maliyetlerin yüksek olmasının sebebi, fırlatıcı maliyetlerinin fazla olması, kapasitenin düşük olması, görev ömrünün kısa olması gibi etkenlerdi. Maliyeti düşürmek, daha güvenilir fırlatıcıların üretilmesine neden oldu. İlk zamanlarda kullanılan fırlatıcılar daha ağır uyduları yörüngeye yerleştirmekteydi (Intelsat 8A 3600kg). Ayrıca mikrodalga teknolojisindeki gelişmelerle birlikte çoklu hüzme antenleri geliştirildi. Bu antenlerde, hüzmelerin

21 5 karaların kanal şekillerine göre uyarlanması sağlanmakta, hüzmeler arası frekansın yeniden kullanımı mümkün olmakta, ayrıca yüksek güçlü yükselteçler kullanılabilmekteydi [12]. Uyduların kapasitelerinin arttırılmasıyla birlikte telefon kanallarının maliyetleri de düştü (Intelsat 8, kanallı, kanal başına maliyet 3500$). 90 lı yılların ortasında haberleşme maliyetlerinin düşürülmesine ilave olarak, öne çıkan bir başka özellik uydu haberleşme sisteminin sağladığı hizmet çeşitliliğiydi. İlk zamanlarda bunlar bir noktadan diğerine kablolu sistemlerde olduğu gibi haberleşmeyi taşımak için tasarlandılar. Uzun haberleşme hatlarının kurulmasıyla uydu kapsama alanı genişletildi. Böylece EarlyBird uydusu ile Atlantik Okyanusunun iki farklı ucunda kurulan iki yer istasyonun haberleşmesi sağlandı. Uyduda çeşitli kısıtlar nedeniyle küçük anten kullanılırken, yer istasyonunda, pahalı büyük alıcı antenler kullanıldı (Maliyeti 10 miyon $, 30m çaplı antenler). Uyduların boyutlarınınve güçlerinin arttırılmasıyla yer istasyonu boyutları ve buna bağlı olarak maliyetler azaltıldı. Bununla birlikte uyduların sinyalleri bir bölgeden diğer bir bölgeye iletmek ya da sinyalleri toplamak gibi diğer özelliklerinin kullanılabilmesi de mümkün oldu. Sinyallerin bir noktadan diğerine iletimi yerine, iletim tek bir vericiden birçok yayılmış alıcıya doğru ya da tersi olacak şekilde yapıldığında hub sistemi oluşmaktadır. Bu sistem ile çoklu veri iletim ağları, uygun yayın ağları, veri toplama ağları geliştirilmiştir [12] Uydu Haberleşme Sistemleri Uydu haberleşme sistemleri, uzay bölümü ve yer bölümü olarak iki kısımda incelenir.

22 Uzay bölümü Uzay bölümü uydunun kontrol ve görüntüleme gibi işlevlerinin gerçekleştiği kısımdır. Uydunun hayati fonksiyonlarının kontrolünün gerçekleştiği izleme, uzak ölçme ve komuta kontrol (TT&C) operasyonlarının yapıldığı uydunun kontrol merkezi ile birlikte çalışır. Yer istasyonundan gönderilen radyo dalgaları uydu üzerinde bulunan alıcılar tarafından alınır. Yer istasyonu ve uydu arasındaki bu hat yukarı hat (uplink) olarak adlandırılır. Aynı şekilde uydudan gönderilen veriler yer istasyonu alıcıları ile alınır. Bu hat ise aşağı hat (downlink) olarak adlandırılır. Sinyallerin iletilmesinde hat kalitesi taşıyıcı gürültü (carriertonoise - C/N) oranı ile belirlenir. Hat kalitesi modülasyon tipine, kullanılan kodlama gibi özelliklere de bağlıdır. Uzay kesimini oluşturan uydu, görev yükü ve platform olarak iki kısımdan oluşur. Görev yükü, uydunun türüne göre, alıcı verici antenler ve bunların tüm elektronik bileşenlerinden ya da kamera, radar gibi görüntüleme birimlerinden oluşur. Platform ise görev yükünün çalışabilmesini sağlayan altsistemlerden oluşur. Bu altsistemler: Uydu Yapısalı, Elektrik Güç Kaynağı, Isı Kontrol Sistemi, Yörünge ve Yönelim Kontrol Sistemi, İtki Ekipmanları, İzleme/Uzölçüm ve Kontrol (TT&C) ekipmanlarındanoluşur.

23 Yer bölümü Yer bölümü, uydunun yönetildiği ve gerekli uzölçümlerin alındığı yer istasyonlarından oluşur. Yer istasyonlarının çoğu, karasal ağlarla ya da küçük istasyonlarla (VSAT)son kullanıcıya bağlanır. İstasyonların boyutları uydu hattında taşıdıkları trafiğin yoğunluğuna ya da trafiğin çeşidine göre değişkenlik gösterir. En büyük anten çapı Intelsat uyduları için 30 m iken doğrudan yayın (direct-broadcast) yapanistasyonlarda en küçük çaplı anten 0,6 m ya da elde kullanılan mobil istasyonlarda daha da küçük çaplı antenler kullanılabilir. Yer istasyonun yapısı Şekil 2.1 de gösterilmektedir. Şekil 2.1. Yer istasyonunun genel yapısı Yörünge çeşitleri Yörünge uydunun izlediği eğridir. Bu eğri, bir düzlem içinde en uzun uzunluğu yerötede (apogee) en kısa uzunluğu ise yerberide (perigee) olan bir elips şeklindedir.

24 8 Uydu, yörüngede hareketi sırasında, dünyadan uzaklaştıkça daha yavaş, dünyaya yaklaştıkça daha hızlı hareket eder (Kepler kanunu) [1,10]. En çok bilinen yörüngeler aşağıda verilmektedir: 1. Eliptik Yörünge: Eliptik yörüngede, yörünge ile ekvator düzlemi arasında 64 derece eğik açı bulunur. Bu şekildeki yörünge karasal potansiyel düzensizliklerine karşı kararlı durumdadır ve yörüngenin eğimi yörünge periyodunun büyük kısmı boyunca yüksek enlemlerin kapsanmasını sağlar. Bu yörünge Sovyetler Birliği tarafından 12 saatlik periyodu olan Molnya sistemi tarafından kullanılır (Şekil2.2). Uydu bu yörüngede yeröte altında kalan bölgelerde 8 saatlik bir periyodda kalabilir. Farklı yörüngelere yerleştirilmiş üç farklı uydu ile sürekli kapsama sağlanabilir. Yapılan çalışmalar sonucunda 24 saatlik periyodu olan Tundra yörüngesi elde edilmiştir. Bu yörüngeler özellikle binaların, yeryüzü şekillerinin neden olduğu maskeleme etkisinin olduğu alanlarda, cep telefonu ve haberleşme sistemleri için kullanılır. Aslında, eliptik yörünge, uydu yerötede 90 dereceye yakın yükseliş açısındayken, orta enlemlerde hat bağlantısı olasılığını arttırır. Avrupa Uzay Ajansı (European Space Agency ESA), Sayısal Yayın ve Arşimed projelerinde eliptik yüksek eğimli yörüngeler (High Earth Orbit - HEO) üzerinde çalışmalarını sürdürmektedir [12]. Optimize sistemde 8 saat periyodlu 6 uydu ile kesintisiz kapsama sağlanabilmektedir (Avrupa, Kuzey Amerika, Doğu Asya).

25 9 Şekil 2.2. Molniyauydusunun yörüngesi 2. Dairesel Düşük Dünya Yörüngesi (Dairesel LEO): Uydu irtifası sabit ve birkaç yüz km olmaktadır. Periyod 1,5 saat civarındadır. 90 derece eğimde, bu tip yörüngeler uydunun dünyanın her bir bölgesinden geçebilmesini sağlar(şekil 2.3). Bu nedenle bu yörüngeler gözlem uyduları tarafından kullanılır. (SPOT uydusu 830km, 98,7 derece yörüngeeğimiyle, periyodu 101 dakika). Depola-ilet şeklinde haberleşmede kullanılırlar [10,12].

26 10 Şekil 2.3. Dairesel polar düşük irtifa yer yörüngesi(leo) 3. Dairesel MEO: km irtifaya sahiptirler, 50 derece eğimleri vardır. Periyodları 6 saattir. Gerçek zamanlı haberleşme için uydudan oluşan takım uydularla dünyanın çevresi kapsanır (INMARSAT 10 uydu ile 2düzlemde 45 derece eğimli). 4. Eğimli Dairesel Yörünge (Ekvator Yörüngesi): GEO uyduların en çok kullandığı yörünge türüdür.35,786 km irtifada dünyayla aynı yöndedir. Dünya ile aynı yönde, aynı periyotta döner. Uydu bu şekilde dünyadan bakıldığında sabit bir nokta olarak görülür.

27 11 3. UYDU HAT DENKLEMLERİ Uydunun yer istasyonu ile haberleşebilmesi için, uydu haberleşme hattı büyük önem taşır.uydu ve yer istasyonu blok şemasına bir örnek Şekil 3.1 de verilmiştir. Burada kullanılan uydu sinyallerinin tekrarlayıcı özelliği mevcuttur. Yer istasyonu tarafından oluşturulan bilgi işareti, kodlanarak modülatöre gelir. Taşıyıcıya bindirilmiş işaret yukarı çeviriciye gelir. Sinyalin iletilecek güç seviyesine ulaşabilmesi için, güç yükseltecinde gücü arttırılarak verici anteni ile sinyal iletilir. Şekil3.1 de gösterilen uydu bir tekrarlayıcı uydu olduğundan, alıcı anteni ile alınan sinyal yükseltilerek verici antene gelir ve buradan iletim gerçekleştirilir. Sinyalin ulaşması gereken diğer yer istasyonu, alıcı anteni ile sinyal alınır. Düşük gürültü blok çeviricisine ulaşan sinyal buradan demodülasyon için demodülatör bloğuna iletilir. Kod çözme işleminden geçtikten sonra bilgi işareti elde edilmiş olur [11]. Şekil 3.1. Uydu ve yer istasyonu blok şeması Bu bölümde uydu ile yer istasyonu arasında haberleşmenin gerçekleştiği iletim hattını etkileyen parametreler verilecektir.

28 Anten Karakteristiği Anten karakteristiği; kazanç, yayılım örüntüsü, açısalhüzme genişliği ve polarizasyon parametreleri ile ifade edilir Kazanç Anten kazancı, verilen bir yönde birim katı açı başına güç yayılımının, aynı güçle beslenen izotropik antenin birim katı açı başına güç yayılım oranı şeklinde ifade edilir [12]. Güç yayılımın maksimum olduğu bölgede (boresight) kazanç maksimumdur ve şu şekilde hesaplanır: 4 / (3.1) Burada;, 3 10 /, f :Çalışma frekansı, : Antenin etkin açıklığıdır. D yarıçaplı yansıtıcı antenin geometrik alanı A: /4 (3.2) olarak ifade edilir. Bu durumda anten etkin açıklığı : (3.3) biçiminde verilir. Eşitlik (3.3) te anten verimliliğini ifade eder. Buradan hareketle antenin maksimum kazancı aşağıdaki eşitlikte hesaplanır.

29 13 / / (3.4) (3.4) te verilen denklem izotropik anten kazancı şeklinde (dbi) olarak ifade edilirse;, 10 / 10 / elde edilir. Anten verimlilik faktörü, :Aydınlanma verimliliği (illumunationefficiency) : Dağılmaverimliliği (spill-overefficiency) : Yüzey bitiş verimliliği (surfacefinishefficiency) olmak üzere; (3.5) olarakhesaplanır ve genellikle % 55 ile % 75 arasında değer alır Yayılım örüntüsü Anten yayılım örüntüsü, yönlü kazancın değişimini gösterir. Dairesel açıklığı olan bir anten ya da yansıtıcı için örüntünündönüşsel simetrisi bulunur. Anten yayılım örüntüsü ya kutupsal gösterilimle ifade edilir, ya dakartezyanşeklinde gösterilir. Şekil 3.2 de kutupsal gösterim vekartezyen gösterim biçimleri verilmiştir [12].

30 14 Şekil 3.2Anten ışıma örüntüsü: (a) kutupsal gösterim, (b) kartezyangösterim Anahüzme (mainlobe) maksimum yayılımı gösterir, yanhüzmeler (sidelobes) kaybı ifade ederler. Bu nedenle yan hüzmeler mümkün oldukça küçük tutulmalıdır Açısal hüzme genişliği Açısalhüzme genişliği, kazancın maksimum olduğu açı değeri olarak ifade edilir. 3 dbhüzme genişliği Şekil 3.3 te gösterilmiştir. kazancın yarıya düştüğü açı değerini verir. 70 / 70 / (3.6) Maksimum ışıma yönündeki açısında görülen kazanç:, 12 / ; 0 (3.7) şeklinde ifade edilir. (3.4) ve (3.7) denklemlerinden anten kazancı: / 70/ (3.8) olarak hesaplanır.

31 Polarizasyon Antenden yayılan dalga elektrik ve manyetik alan bileşenlerine sahiptir. Antenden yayılan bu iki bileşen birbirlerine diktir. Kural olarak polarizasyon, elektrik alanın yönü ile tanımlanır. Dalganın polarizasyonu elektrik alanın yönü şeklinde kabul edilir [11]. Polarizasyon yayılım yönündeki dönmesi ve eksenel oran parametreleriyle ifade edilir. Yayılım yönündeki dönme yönü (yayılım yönüyle birlikte): Sağ el (righthand) ya da sol el (lefthand) olarak ifade edilir. Eksenel Oran (AR):Eksenel oran elektrik alanın maksimum ve minimum genliklerinin oranıdır ( / Aynı zamanda polarizasyon ifadesinde kullanılan elipsin maksimum/minimum oranınıdır. AR=1 olduğunda polarizasyon dairesel polarizasyon olarak ifade edilir. Eğer polarizasyon tek eksende ifade ediliyorsa doğrusaldır (Şekil 3.3). Şekil 3.3. Elektromanyetik dalganın kutupsal (polar) karaktekteristiği

32 16 Birbirine dik dairesel polarizasyona sahip iki dalga sağ el dairesel polarizasyonu ve sol el dairesel polarizasyonu olarak ifade edilir. Aynı şekilde birbirine dik doğrusal polarizasyona sahip iki dalga ise yatay ve dikey polarizasyonlu olarak ifade edilir. Belli bir polarizasyon için tasarlanmış anten, kendisiyle aynı polarizasyona sahip dalgaları alabilir ve yine aynı şekilde iletebilir. Fakat gelen dalga anten polarizasyonuna dikey ise anten tarafından alınamaz. Dikey polarizasyon özelliği ile aynı noktalar arasında kurulan iki eş zamanlı hattın aynı frekansta çalışması mümkündür. Bunun için ya her uçta iki tane polarize anten bulunmalıdır, ya da tercihen iki polarizasyon özelliğine sahip tek anten kullanılır. Bu iletişim sırasında antenlerden kaynaklanan kusurlar, diğer antenlerin yayılım etkileri gibi polarizasyonu bozabilecek etkenler göz önünde bulundurulmalıdır. Bu etkenler iletim hattında girişime neden olabilir. Şekil 3.4 te iki dik doğrusal polarizasyona sahip alıcı ve verici elektrik alanların genlikleri verilmiştir. Bu şekle göre a ve b genlikleri eşit, her iki dalganın elektrik alanının eş zamanlı olduğu kabul edilirse ve aynı polarizasyonla alınan dalgaların genlikleri ve alınan dik polarizasyondur. Şekil 3.4. Birbirine dik polarizasyonda, alınan ve iletilen elektrik alan genlikleri

33 17 Şekil 3.4 de çapraz polarizasyonun yalıtımı (XPI) : / ya da / ile ifade edilir. Buradan yola çıkılarak; 20log / (3.9) elde edilir. Çapraz polarizasyon ayrıklığı ise (XPD) : / ile ifade edilir. Logaritmik olarak yazılırsa; 20log / (3.10) olur. Dikdörtgen-dairesel polarizasyon karakteristiklerinde, çapraz polarizasyon ayrıklığı; 20log AR 1 / AR 1 (3.11) şeklindedir. Buradan da eksenel oran AR; 10 1 / 10 1 (3.12) şeklinde belirtilir Verilen Bir Yöndeki Güç Yayılımı Etkin izotropikışınım gücü (EIRP) Bir radyo frekans kaynağı tarafından gücü ile beslenen izotropik bir antenin katı açısının güç yayınımına oranı [12,14]:

34 18 /4 [W/steradyan] (3.13) olarak verilir. Şekil 3.5. Güç akı yoğunluğu Kaynaktan R kadar uzakta, gerçek biranten kullanıldığında ise bu orana anten kazancı ve anten açıklığı gibi parametreler de dahil olur ve /4 / (3.14) biçimindeelde edilir (Şekil 3.5). Burada belirtilen verici anten kazancı, ise Etkin İzotropik Işıma Gücüdür.

35 Güç akı yoğunluğu Alıcı tarafından alınan güç: /4 (3.15) denklemi ile ifade edilir. Burada güç akı yoğunluğunu verir Alınan Sinyal Gücü Alıcı etkin açıklık alanı olan ve verici antenden R kadar uzakta bulunan alıcı antende görülen alıcı gücü [4,6]: / [W] (3.16) ile ifade edilir. parametresi anten kazancıyla ilişkilendirilirse; / 4 / [ ] / 4 / /4 /4 [W] (3.17) 1/ [W] (3.18) olarak ifade edilir. Burada belirtilen serbest uzay kaybı ve kazancıdır. alıcı anten

36 20 Boşluk Uzay Kaybı: Boşluk uzay kaybı alıcı ve verici izotropik anten arasındaki alınan ve iletilen güçlerin oranı olarak belirtilir [12,14]. /4 (3.19) Verici ve alıcı sistemler arasında çeşitli kayıplar meydana gelmektedir. Bu kayıplar: Atmosfer zayıflatmasının neden olduğu kayıplar, Alıcı ve verici sistemlerdeki kayıplar, Yönlendirme bozukluğu (depointing) kayıpları, Polarizasyon uyumsuzluklarından kaynaklanan kayıplardır. a. Atmosfer zayıflatması Atmosfer zayıflatması troposferde meydana gelen, yağmur, bulut, buzlanma gibi meteorolojik olayların sebep olduğu zayıflatmadır. İletim sistemindeki toplam yol kaybı desibel olarak: (3.20) ifade edilir. Daha önce de belirtildiği gibi serbest uzay kaybı ve da atmosferik zayıflatmadır [12]. b. Alıcı ve verici sistemlerdeki kayıplar Alıcı ve verici sistemlerde, alıcı ya da verici ile anten arasında besleme kayıpları bulunur.

37 21 Şekil 3.6. Alıcı ve verici sistem arasındaki kayıplar Şekil 3.6 dan görüleceği üzere, verici çıkış gücü, anten giden verici gücü ile gösterildiğinde; [dbw] elde edilir. Verici anten ve verici arasındaki besleme kaybı ; [db] (3.21) olarak ifade edilir. Buradan; = şeklinde ifade edilebilir. Alıcı anten ve alıcı arasındaki besleme kaybı ; [db] (3.22) olarak bulunur. c. Yönlendirme bozukluğu (depointing) kayıpları Birbirine tam olarak doğrultulmamış alıcı-verici antenler arasında yönlendirme bozukluğu kayıpları oluşur (Şekil 3.7).

38 22 Şekil 3.7. RF hattın geometrisi Yönlendirme bozukluğu olması durumunda oluşanoluşan kayıplar; 12 / [db] (3.23) 12 / [db] (3.24) eşitlikleriyle hesaplanır. Burada verici tarafında, ise alıcı tarafında yönlendirme bozukluğu nedeniyle oluşan kayıplardır. verici taraftaki bozulma açısı, ise alıcı taraftaki bozulma açısıdır [12]. d. Polarizasyon uyumsuzluklarından kaynaklanan kayıplar Alıcı anten ve alınan dalganın polarizasyonları birbirine uymadığı zaman polarizasyon uyumsuzluk kayıpları oluşur. Alıcıya gelen güç, tüm kayıplar dikkate alındığında; / 1/ / [W] (3.25) olarak hesaplanabilir [12].

39 Alıcı Girişindeki Gürültü Gücü Gürültünün kaynağı Gürültü kaynağı; Anten alma alanı içinde, doğal kaynakların ışınımı sonucu yayılan gürültü Alıcı ekipmanların bileşenlerinin oluşturduğu gürültü olarak iki kısımda incelenebilir Gürültünün tanımı ve karakteristiği Zararlı gürültü gücü, modüle edilmiş taşıyıcının B bantgenişliği içinde görülen gürültüdür (Şekil 3.8). Taşıyıcı sinyale karışan gürültü veri kayıplarına sebep olabilir. Şekil 3.8. Beyaz gürültünün spektral yoğunluğu Genellikle gürültü modeli olarak Beyaz Gürültü (White Noise) kullanılır. Beyaz gürültünün spektral güç yoğunluğu (PowerSpectralDensity - PSD) ile belirtilir. Eşdeğer gürültü gücü olan ; [W] (3.26) şeklinde belirtilebilir. Burada; : Gürültü bant genişliğidir.

40 24 Gürültü Sıcaklığı, T: / / [K] (3.27) olarak verilir. Burada 1, [dbw/hzk]:boltzman sabitidir Anten gürültü sıcaklığı Anten gürültü sıcaklığı ) aşağıdaki denklemle ifade edilir [12]:,, [K] (3.28) Burada;, :, yönünde konumlanmış yayılım yüzeyinin parlaklık sıcaklığı,, : Anten kazancıdır. ise uzay katı açısıdır Zayıflatıcının gürültü sıcaklığı zayıflatma değeri bulunan bir zayıflatıcının gürültü sıcaklığı etkin zayıflama gürültü sıcaklığı ya bağlı olarak aşağıdaki eşitlikte verilir [12]. 1 (3.29) Sistem gürültü sıcaklığı Şekil 3.9 da görüldüğü gibi alıcı, anten, besleyici giriş ve çıkışlarında gürültü sıcaklıkları oluşur [12].

41 25 Şekil 3.9. Alıcı sistem Şekil 3.9 gibi bir alıcı sistemde gürültü sıcaklığı iki kısımda incelenir: Besleyici çıkışı- anten arası gürültü sıcaklığı, Alıcı-besleyici girişi arası gürültü sıcaklığı, Bu durumda; 1 / [K] (3.30) / / 1 [K] (3.31) olarak belirtilir. Burada; : Alıcı taraftaki besleyici kaybı, : Alıcı taraftaki besleyici kazancı, 1/ : Alıcı gürültü sıcaklığıdır.

42 Alıcı Girişindeki Taşıyıcı - Gürültü Oranı (Carrier tonoiseratio - C/N) Tanım Taşıyıcı gürültü oranı C/N sistem tasarımı için çok önemli bir faktördür. Alıcı girişinde görülen güç ile ifade edilirse taşıyıcı gücü olarak ifade edilebilir. Sistem gürültüsü ise olarak belirtilmektedir ( ).Bu durumda taşıyıcı gürültü oranı; / / İ 1/ ı ı ı ı 1/ (3.32) / 1/ / / / 1 1/ (3.33) olarak ifade edilir. Burada; : Polarizasyon kaybı, : Boşluk uzay kaybı, : Atmosfer kaybı, : Maksimum verici anten kazancıdır [12]. Taşıyıcı gürültü oranı sayısal sistemlerde bit enerjisi başına gürültü oranı olan / cinsinden ifade edilirler. (3.34) Burada; B : Bant genişliği, : Bit hızı, :Bit enerjisidir.

43 Alıcı ekipmanbaşarım ölçütü (Figure of Merit) Eş den de anlaşıldığı gibi taşıyıcı gürültü oran / : Vericinin EIRP karakteristiği İletim ortamı: 1/ Alıcı ekipman karakteristiği gibi faktörlere bağlıdır Bit hata oranı (Bit Error Rate - BER) Sayısal haberleşme sistemlerinde bit hata sayısı, haberleşme sistemi üzerinden iletilen veri akışı sırasında gürültü, girişim, bozulma, bit senkronizasyonu gibi nedenlerle değişerek alınan bitlerin sayısıdır [13]. BER iletim kanalında iletilen hatalı bitlerin sayısının iletilen tüm veriye oranıdır. BER iletişim sistemlerinde performans kriteri olarak değerlendirilir. İletim kanalında oluşan, gürültü, bozulma, bit senkronizasyon sorunları, zayıflatma gibi etkiler bit hata oranını etkiler. Seçilen modülasyon tekniğine, kullanılan kanal kodlamasına göre bit hata oranı iyileştirilebilir [13]. Şekil 3-9 da değişik modülasyon türlerine göre BER değişim grafiği görülmektedir.

44 28 Şekil 3.10.BPSK/QPSK, 8-PSK, 16-PSK modülasyonları için BER eğrisi Hat bütçesi (Link budget) Hat bütçesi alıcı verici arasındaki her bir kaynağın kazanç ve kayıp performansının değerlendirilmesi için kullanılan yöntemdir [14]. Daha önce de Eş.3.17 de belirtilen eşitlikten yola çıkılarak uydu hat bütçesi hesaplanır. Uydu verici alıcı sistemlerinin güç tasarımı, hat bütçesi hesaplarına göre yapılır.

45 29 4. MODÜLASYON TEKNİKLERİ Sayısal haberleşme sistemleri bilgi (temelbant), iletim ortamı ve taşıyıcı olmak üzere üç kısımdan oluşur. Bilgi sayısal ya da analog olabilir. Analog işaret maksimum ve minimum değerleri olan sürekli bir işarettir. Örneğin ses işareti genliği belirli bir aralıkta değişen analog bir işarettir. Sayısal işaret ise analog işaretin örneklenmiş ve boyutlandırılmış bir biçimidir. Analog işaret örneklenip, boyutlandırıldıktan sonra her seviye ikili sayıya dönüştürülür. İletişim sistemlerinin amacı, bir bilgi kaynağından gelen mesaj sinyalinin hedef kullanıcının anlayabileceği bir şekilde iletilmesini sağlamaktır. Bunun için verici sistem, sinyal mesajını haberleşme kanalı boyunca iletim için uygun bir şekle dönüştürür. Bu dönüştürme işlemine modülasyon denir [16].Modülasyon ile bilgi işareti, daha uzak mesafelere iletim için taşıyıcı sinyal üzerinde iletilir. Genellikle taşıyıcı işaret olarak yüksek frekanslı sinüzoidal işaret kullanılır. Taşıyıcı işaretin genlik, frekans ve faz gibi özellikleri yapılan modülasyonun türüne göre değişiklik gösterilir. Analog giriş işaretine göre taşıyıcı parametrelerinin değişimi sürekli ise bu modülasyon tekniği analog modülasyon olarak adlandırılır. Eğer değişim ayrık ise sayısal modülasyon olarak adlandırılır [16] Analog Modülasyon Teknikleri Analog modülasyon teknikleri, genlik modülasyonu, frekans modülasyonu ve faz modülasyonu olmak üzere üç kısıma ayrılır [17].

46 Genlik modülasyonu (Amplitude Modulation - AM) Genlik modülasyonunda taşıyıcı işaretin genliği iletilen mesaja karşılık olarak değişir [15]. Yüksek frekanslı taşıyıcı işaretin bilgi işareti ile modülasyonu sonucu oluşan genlik modülasyonlu işaret Şekil 4.1 de verilmiştir. Şekil 4.1. Genlik modülasyonu Frekans modülasyonu (Frequency Modulation - FM) Frekans modülasyonunda taşıyıcı işaretin frekansı iletilen mesaja karşılık olarak değişir [15]. Yüksek frekanslı taşıyıcı işaretin bilgi işareti ile modülasyonu sonucu oluşan frekansmodülasyonlu işaret Şekil4.2 de verilmiştir.

47 31 Şekil 4.2. Frekans modülasyonu Faz modülasyonu (Phase Modulation - PM) Faz modülasyonunda taşıyıcı işaretin fazı iletilen mesaja karşılık olarak değişir [15]. Yüksek frekanslı taşıyıcı işaretin bilgi işareti ile modülasyonu sonucu oluşan faz modülasyonlu işaret Şekil 4.3 de verilmiştir. Şekil 4.3. Faz modülasyonu

48 Sayısal Modülasyon Teknikleri Uydu haberleşme sistemlerinde sayısal modülasyon teknikleri kullanılır. Sayısal modülasyonda veri I (in-phase) ve Q (quadrature) kanalları ile iletilir. I ve Q kanalları birbirine dik (ortagonal) olduğu için bu kanallar ile farklı veriler iletilir. Bu durum bantgenişliğinin verimli bir şekilde kullanılmasına olanak sağlar [15,16]. Şekil 4.4. (a) I ve Q kanallarının yansıması (projection), (b) I ve Q kanallarının kutupsal gösterimi Şekil 4.4 (a) da x ekseni I kanalının y ekseni ise Q kanalının yansımalarını (projection) vermektedir. I yansımasının, ise Q yansımasının uzunluğudur. Şekil 4.4 (b) de de ise I ve Q kanallarının kutupsal gösterimi verilmiştir. Uzunluk genliği belirtirken, açı fazı vermektedir. Ayrıca sayısal haberleşmede bit ve sembol kavramlarıda önemlidir. Bit Sayısal haberleşmede bilgi 1 ve 0 ikili sistemi ile temsil edilir. Burada 1 ve 0 ikilisinin her biri bir biti gösterir [17].

49 33 Sembol Sembol bir darbenin bitlerden oluşan sayılarla gösterimidir. Bit bilginin birimini verirken sembol iletim enerjisinin birimini verir [17]. Sayısal modülasyon teknikleri temelde üçe ayrılır. 1. Genlik Kaydırmalı Anahtarlama -ASK (AmplitudeShiftKeying) 2. Frekans Kaydırmalı Anahtarlama -FSK (FrequencyShiftKeying) 3. Faz Kaydırmalı Anahtarlama -PSK (PhaseShiftKeying) Genlik kaymalı anahtarlama tekniği (Amplitude Shift Keying - ASK) Genlik kaydırmalı anahtarlama tekniği, taşıyıcının sabit frekans değerine karşılık genliğinin değiştiği bir modülasyon tekniğidirask tekniği için eşitlik (4.1) kullanılır. Açma Kapama Anahtarlama Tekniği (OOK:ON-OFF Keying) ASK modülasyonuna bir örnektir [17]. sin 2πft (4.1) Şekil 4.5. Temel bant bilgi dizisi

50 34 Şekil 4.6. İkili ASK (OOK) Şekil 4.5 te iletilecek işaretin sayısal olarak gösterimi verilmiştir. Şekil 4.6 da ise iletilecek işaretin bit değerine göre taşıyıcı işaretin genliğinin değişimi görülmektedir Frekans kaymalı anahtarlama tekniği (Frequency Shift Keying - FSK) Frekans kaydırmalı anahtarlama tekniğinde, bilgiye karşılık taşıyıcının frekansı değişir. Eş.4.2 de belirtildiği gibi, gelen bilgi işaretinin frekansı taşıyıcı işaretin frekansı ve frekansları ile değişir. Eş. 4.2 de Aişaretin genliğini, taşıyıcı fazını, T ise periyodu belirtir (4.2) Şekil 4.7. İkili FSK

51 35 Şekil 4.7 de iletilecek işaretin bit değerine karşılık taşıyıcı işaretinin frekans değişimi verilmiştir [17] Faz kaymalı anahtarlama tekniği (Phase Shift Keying - PSK) Faz kaydırmalı anahtarlama tekniğinde, bilgiye karşılık sinüzoidal taşıyıcının fazı değiştirilir. Eş. 4.3 te, taşıyıcının açısını ifade etmektedir. açısı PSK modülasyonun çeşidine göre değişiklik gösterir. 1 ç 0 ç (4.3) Faz kaydırmalı anahtarlama tekniğinin BPSK (BinaryPhaseShiftKeying), QPSK (QuadraturePhaseShiftKeying), OQPSK (OffsetQuadraturePhaseShiftKeying), ve son yıllarda özellikle derin uzay haberleşme sistemleri için geliştirilen FQPSK (FeherQuadraturePhaseShiftKeying), gibi özelleşmiş türleri bulunmaktadır [17]. a. İkili faz kaymalı modülasyon tekniği (Binary Phase Shift Keying - BPSK) İkili Faz Kaydırmalı Anahtarlama tekniğinde, iletilecek işaretin değerine göre taşıyıcı fazı 180 derece değişir. BPSK modülasyonunda her sembol 1 bit ile gösterilir. Eş 4.4 te iletilecek bit değerine göre, taşıyıcı işaretin fazının değiştiği görülür. 2 1 ç 2 0 ç (4.4)

52 36 Şekil 4.8. İkili PSK Taşıyıcı Şekil 4.9. İkili PSK kümeleşme gösterimi Şekil 4.8. de iletilecek işarete karşılık taşıyıcı işaretin faz değişimi gösterilmiştir. Şekil 4.9. da ise BPSK modülasyonu kümeşleme (constellation) diyagramı gösterilmiştir. 0 derecede görülen yansıma, 180 derecede görülen yansıma olarak ifade edildiğinde Çizelge 4.1elde edilir. Çizelge 4.1. BPSK modülasyonu Sembol Bit İfade 1Hz de Modülasyon İşareti 0 Hz de I 0 Hz de Q S S Çizelgede verilen semboller, E : Sinyalin ya da bitin enerjisi

53 37 f : Taşıyıcı işaretin frekansı T:İşaretin periyodu E aynı zamanda /2 ye eşittir. Buradan hareketle sinyal genliği; 2E / (4.5) olarak ifade edilir. Burada A işaretin genliğidir bit dizisinin BPSK modülasyonu ile iletilmesi için aşağıdaki taşıyıcı işaret kullanılır. Şekil bit dizisinin faz geçiş gösterimi Şekil 4.10 da da görüldüğü gibi her bit değişiminde 180 derecelik bir faz geçişi olur. Bu şekilde verilen örnekte taşıyıcı frekansıf =1Hz dir. Gerçek haberleşme sistemlerinde ise taşıyıcı frekansı çok daha yüksektir. Bu nedenle faz, bir periyod boyunca çok fazla faz geçiş döngüsü gerçekleşir [17]. Haberleşme sistemlerinde kullanılan yükselteçlerin doğrusal olmama özelliği sebebiyle, özellikle doyum noktalarına yakın çalışma aralıklarında, geçişler sırasında iletilecek işaretin genliğinde ani değişmeler ve işarette bozulmalar meydana gelir. Alıcı tarafında ise bozulmuş verinin çözülmesi zorlaşır. Bu nedenle modülasyon da faz geçişleri önem taşır [17].

54 38 b. Dörtgensel faz kaymalı anahtarlama tekniği (Quadrature Phase Shift Keying - QPSK) DörtgenselFaz Kaydırmalı Anahtarlama tekniği BPSK modülasyon tekniğinin genişletilmiş halidir. PSK tekniklerinin her biri M-ARY işaretlerindendir. QPSK damodüle edilmiş işaretin kutupsal gösterimi Eş. 4.6 da verilmiştir. 2 i: 1,..,M (4.6) Burada; darbe şekillendirme fonksiyonudur. Sayısal faz modülasyonunda alınan işaretin bit değerine göre sinüzoidal işaretin fazı değişir. Bu durumda en fazla değişim 2π olacaktır. 2π lik faz açısının M nicemleme seviyeleri PSK modülasyon çeşitleri için kullanılabilir. BSPK, QPSK, 8-PSK, 16-PSK ve 32-PSK için M sayıları Çizelge 4.2. de verilmiştir. Çizelge 4.2.Modülasyon çeşitlerine göre nicemleme Modülasyon Tipi Nicemleme BPSK M=2 QPSK M=4 8PSK M=8 16PSK M=16 32PSK M=32 Modülasyon türlerine göre kümeleşme diyagramları birbirinden farklı şekilde oluşur. Şekil 4.11 de BPSK, QPSK, 8PSK için kümeleşme diyagramı verilmiştir.

55 39 Şekil (a) BPSK, (b) QPSK, (c) 8-PSK kümeleşme diyagramları Temel bant PSK işaretleri için Şekil 4.12 de gösterilen kare darbe kullanılır. Kare darbenin genliği A ile ifade edilir. Bu darbenin enerjisi, R=1 ohm luk dirençle T periyodu boyunca ile ifade edilir. Buradan A yı çekersek Eş.4.7 elde edilir. Şekil Temel bant PSK işareti gösterimi 1için olur. (4.7) Eş 4.6 da belirtilen darbe şekillendirme fonksiyonu aşağıdaki gibi ifade edilir. 0 (4.8) Eş 4.7 Eş 4.6 içinde yazılırsa Eş.4.9 elde edilir. 2 0,1, (4.9)

56 40 2 :, 2 : Zamanla değişken, : Bilgi işareti ile değişken parametrelerdir. BPSK nın faz değişimi 180 derecede olurken, QPSK nın faz değişimi 90 derecede gerçekleşir. Eş 4.9 un45 derecelik faz farkı ile ifadesi aşağıdaki gibidir. 2 (4.10) Eş 4.10 trigonometrik olarak açılırsa, 2 2 (4.11) elde edilir. QPSK tekniği için dikey I ve Q kanallarında i değeri 0,1,2,3 değerlerinden biri olabilir. Bu durumda, eşitlikleri elde edilir. Buradan,

57 (4.12) Eş 4.12 şeklinde gösterim modülasyonun dörtgensel biçimidir. Bu şekilde faz modüleli işaret, faz değişimine göre genliği değişen iki dörtgensel işaretin değişimi olarak gösterilebilir. Gerçekte haberleşme sistemlerinde kullanılan osilator sürekli olarak sinüs ve kosinüs işareti üretir. Bu nedenle istenildiği zaman istenilen taşıyıcı sinyal paketi oluşturulamayabilir. Gereken fazda sinyalin üretilebilmesi için I ve Q kanallarının kullanıldığı modülasyon tekniklerine başvurulur. İletilecek sinyalin kümeleşme diyagramı üzerine adreslenmesi farklı şekillerde yapılabilir. PSK modülasyonlarında Gri Kod (GrayCode) tekniği kullanılır. Bu teknik ile komşuluk gelen her bir fazda iletilecek bit, bit dizisinden sadece 1 bit farklıdır. Bu şekilde iletim sırasında oluşabilecek bir hatadan sadece 1 bit etkilenmiş olur. QPSK da bu sistem çok verimli işler. M>4 olduğu durumlarda ise bu kodlama sistemi her zaman işe yaramayabilir. Çizelge 4.3.QPSK modülasyonu Sembol Bit İfade Faz 1 Hz de Modülasyon İşareti 0 Hz de I 0 Hz de Q S /4 45º 1 1 S /4 135º -1 1 S /4 225º -1-1 S /4 315º 1-1

58 42 QPSK Kümeleşme Diyagramı Kümeleşme (constellation) dörtgen uzayda sembollerin gösterilme biçimidir. QPSK için 4 sembol kullanılır (Çizelge 4.3). Her bir sembol 2 bitten oluşur. QPSK kümeleşme diyagramı Şekil 4.13 te verilmiştir. Şekil QPSK kümeleşme diyagramı QPSK Modülasyon Diyagramları Modülasyon için Şekil 4.14 de blok diyagram verilmiştir. Şekil Modülasyonun kutupsal gösterimi

59 43 Şekil Modülasyonun I ve Q kanallarını kullanarak dörtgenselgösterimi Kutupsal modülasyon sistem olarak oldukça yalındır fakat çarpma ve karekök alma gibi karmaşık işlemler gerektirir [17]. Dörtgensel modülasyon ise sayısal haberleşmede tercih edilen, donanımlara uygulaması daha kolay olan bir modülasyon tekniğidir (Şekil 4.15). Modüle edilmiş işaret, 2 (4.13) gibi de ifade edilebilir. Burada; : Faz duyarlılığı : Bilgi işareti Faz duyarlılığı bir sembolün maksimum faz kaymasıdır. Modülasyon ile faz duyarlılığı arasıdaki ilişki: (4.14) olarak ifade edilir.

60 44 Taşıyıcısı bastırılmış PSK işaretinde modülasyon indeksi 1 e eşittir ve maksimum faz kayması %90 dır. PSK işaretlerinin hepsinin taşıyıcısı bastırılmıştır (carriersuppressed) ve %100 modülasyon indeksine sahiptirler. Darbe Şekillendirme Fonksiyonu: Bant genişliğini verimli kullanmak için darbe şekillendirme işlemi gerçekleştirilir. Bilgi işareti kare dalgalar halinde gönderilmez. Çünkü bu haliyle işaret oldukça geniş bir bant genişliği gerektirir. Bunun yerine sinyal şekillendirilerek, bilgiyi kaybetmeyecek şekilde daha az bant genişliği ile semboller arası girişim engellenebilir [17]. En önemli darbe şekillendirme yöntemi Kök Yükseltilmiş Kosinüs (RootRaisedCosine -RRC) yöntemidir. Bu yöntem ile kare dalga şeklindeki sinyal kosinüs dalga şeklinde iletilir. RRC yönteminin yuvarlama(roll-off) parametresi vardır. Bu parametre ile sinyalin şekli ve bant genişliği kontrol edilir. Darbe şekillendirme fonksiyonları şu şekilde gruplandırılabilir [17]: 1. Kök Yükseltilmiş Kosinüs (RootRaisedCosine-QPSK ile kullanılır), 2. Yarım Sinüzoidal (Minimum ShiftKeying - MSK ile kullanılır), 3. Gauss (Gaussian Minimum ShiftKeying - GMSK ile kullanılır), 4. Dörtgensel Kısmi Cevap (Quadraturepartialresponse) (QPR ile kullanılır) Uydu haberleşme sistemlerinde darbe şekillendirme yöntemi olarak RRC kullanılır. Bu nedenle diğer darbe şekillendirme yöntemleri burada ayrıntılı olarak anlatılmamaktadır.

61 45 Şekil RRC şekillendirilmiş I ve Q işaretleri Şekil da RRC fonksiyonunun şekillendirdiği I ve Q kanallarındaki işaretler için bir örnek verilmiştir. Darbe şekillendirme fonksiyonları ile bant genişliği verimliliği arttırılırken, BER artar [17]. RRC fonksiyonunun nasıl kullanıldığı, MPSK modülasyonun donanım uygulaması ile Şekil 4.17 de gösterilmiştir. Şekil MPSK modülasyonu donanım uygulaması

62 46 Şekil 4.17 de görüldüğü gibi, bilgi işareti I ve Q kanallarına gidecek şekilde ikiye ayrılıyor. Herbir kanal için tabloya başvurularak işaret genlikleri belirlenir. I ve Q kanalları çıkışında kullanılan darbe şekillendirici filtre RRC ile sinyaller şekillenir. Daha sonra I kanalından gelen şekillendirilmiş işaret taşıyıcı işaret ile modüle edilirken, Q kanalından gelen işaret 90 derece faz kayması uygulanarak taşıyıcı işaret ile modüle edilir. Bu iki kanaldan gelen modüle edilmiş işaret toplanarak çıkışa verilir [17]. Sabit Zarf Modülasyonu (ConstantEnvelopeModulation-CEM) Sabit zarflı işaretler hakkında net bir tanım olmamakla birlikte sabit zarfı tanımlamak için aşağıdaki tanımlar kullanılır. 1. Sembol hızında örnekleme yapılırken, örneklenen genlik değeri sabit olmalıdır. 2. Süreksiz faz değişimleri görülmez. 3. Bir sinyalin minimum ve maksimum genlikleri bir periyod boyunca sabittir. 4. Sinüs dalga ideal bir sabit zarf işaretidir. Yüksek güç yükselteçleri sinyalin genliğini arttırırken, yapısından kaynaklanan doğrusal olmama özelliği nedeniyle işaretin bozulmasına neden olur. Bu nedenle sabit zarf işaretleri, yüksek güç yükselteçlerinde (High PowerAmplifier - HPA) daha az bozulma meydana getirdikleri için kablosuz haberleşme sistemlerinde tercih nedenidir. QPSK modülasyonu süreksiz faz kaymasına sahip olduğu için tamamen sabit zarflı modülasyon değildir. Sabit zarflı modülasyona örnek olarak FSK verilebilir (Şekil 4.18).

63 47 Şekil Sabit zarflı FSK c. Ofset dörtgensel faz kaymalı anahtarlama (Offset QPSK - OQPSK) OQPSK modülasyonu QPSK modülasyonunda yapılan küçük bir değişiklikle elde edilmiştir. Şekil OQPSK modülasyonu blok diyagramı Şekil 4.19 da da görüldüğü gibi OQPSK modülasyonun QPSK modülasyonundan farkı Q kanalından gelen şekillendirilmiş işaret (sembol zamanının yarısı) gibi bir gecikme süresi sonunda taşıyıcı ile modüle edilmesidir. Böylece I ve Q kanallarından gelen işaretler aynı anda iletilmezler. Bunun sonucu olarak faz kayması sınırlandırılır. Böylece OQPSK, QPSK modülasyonundan daha çok sabit zarflı özellikte olur. Doğrusal kanallarda OQPSK ve QPSK BER değeri aynı iken, doğrusal olmayan kanallarda OQPSK BER değeri daha düşüktür. Uydu gibidoğrusal olmayan

64 48 özellikleri bulunan yüksek güçlü yükselteçlerin kullanıldığı sistemlerde, bu özellikler sebebiyle OQPSK modülasyonu daha çok tercih edilir [17,18]. d. Feherdörtgensel faz kaymalı anahtarlama (Feher QPSK -FQPSK ) QPSK modülasyon çeşitlerinden biri olan FQPSK Feher tarafından 2000 yılında bulunmuştur. Bu teknik ile daha verimli ve büyük BER oranlarına ulaşmak mümkündür [19]. Daha çok derin uzay haberleşme tekniklerinde kullanılan bu modülasyon türü NASA nın geliştirdiği projelerde kullanılmaktadır [20]. Bu tezde yer gözlem uyduları haberleşme sistemi incelendiğinden FQPSK modülasyonu detaylandırılmamıştır. e. Minimum kaymalı anahtarlama (Minimum Shift Keying- MSK) Şekil 4.20 de blok diyagramı verilen MSK modülasyontekniği OQPSK modülasyon tekniğine benzer yapıdadır. Aradaki fark darbe şekillendirme yönteminden kaynaklanmaktadır. OQPSK modülasyonunda darbe şekillendirme yöntemi olarak RRC kullanılırken, MSK da Yarım Dalga Sinüs şekillendirme yöntemi kullanılır. MSK sürekli faz modülasyonu sınıfındadır, bu nedenle doğrusal olmayan yükselteçlerde kullanım için uygundur [17]. Şekil 4.20.MSK modülatörü blok diyagramı

65 49 f. Gauss minimum kaymalı anahtarlama (Gaussian Minimum Shift Keying GMSK ) Bu modülasyon tekniğinde darbe şekillendirici olarak Gauss darbe şekillendirici kullanılır. GMSK daha çok mobil haberleşme sistemlerinde kullanılır (GSM,DECT,CDPD,vs). GMSK genel olarak MSK ya benzer. Aradaki fark kullanılan darbe şekillendiricinin yarım dalga sinüs yerine gauss olmasıdır [17]. g. 8 Faz kaymalı anahtarlama ( 8 Phase Shift Keying- 8-PSK) 8 PSK modülasyonunda 8 sembol iletilir. Her bir sembol 3 bitten oluşur. İletilen işaretlerde küçük faz geçişleri bulunur. QPSK ya göre BER oranı yüksektir. Buna rağmen 8-PSK nın kullanılmasının sebebi sembol başına daha fazla bit iletiminin olmasıdır. 8-PSK nın throughput değeri QPSK dan %50 daha fazladır [17]. Aynı zamanda bant genişliği en fazla olan modülasyon tekniğidir (Şekil 4.21). Şekil PSK modülasyonun kümeleşme diyagramı ve I,Q kanallarının genlikleri Çizelge 4.4. de 8 PSK Modülasyon sinyalleri gösterilmektedir.

66 50 Çizelge PSK modülasyonu Sembol Bit İfade Faz 1 Hz de Modülasyon İşareti 0 Hz de I 0 Hz de Q S º S /4 45º S /2 90º S /4 135º S /8 180º S /8 225º S /8 270º S /8 315º

67 51 h. Faz kaymalı anahtarlama ( Phase Shift Keying ( PSK)) PSK modülasyon tekniğinde 8 sembol vardır ve bit başına 2 bit taşınır. QPSK kümeleşmesinin yanında kaymış farklı bir kümeleşme yolu daha bulunur(şekil 4.22). Şekil PSK kümeleşme gösterimi PSK kümeleşmesinde önce A yolundan bir sembol iletilir daha sonra ise B yolundan bir sembol iletilir. Network analizörde bakıldığında kümeleşme diyagramı 8 PSK gibi görülebilir. QPSK ile aynı BER ve bant genişliğine sahiptir [17]. PSK modülasyonunun avantajı, faz geçişlerinin küçük olmasıdır. Böylece komşu taşıyıcı girişimi daha az meydana gelir. Bu modülasyon tekniği pek çok mobil sistemde kullanılabilir [17]. i. 16 Faz kaymalı anahtarlama ( 16 Phase Shift Keying - 16-PSK) 16 PSK da sembol başına 4 bit taşınır. Semboller kümeleşme diyagramına 22,5 açı ile yerleştirilir. Sembol başına daha fazla bit taşımasına rağmen nadir kullanılır.

68 52 16-PSK nın bant verimliliği her sembolde 4 bit taşıdığı için fazladır, fakat BER oranı yüksektir. 16-QAM aynı bant genişliği verimine sahipken, BER oranı çok daha düşüktür [17]. j. 32 Faz kaymalı anahtarlama ( 32 Phase Shift Keying - 32-PSK) 32 PSK da sembol başına 5 bit taşınır. Semboller kümeleşme diyagramına 11,25 açı ile yerleştirilir. BPSK, QPSK, OQPSK, 8-PSK, 16-PSK yöntemlerine göre bant verimliliği en iyi olan PSK modülasyonudur. Fakat BER oranı diğer PSK modülasyonlarına kıyasla daha yüksektir[17]. k. 16-Dörtgensel genlik modülasyonu (16-Quadrature Amplitude Modulation(16-QAM )) Genlik KaydırmalıAnahtarlama tekniği ve Faz Kaydırmalı Anahtarlama tekniğinin birleştirilmesi ile Dörtgensel Genlik Modülasyonu (QuadratuteAmplitudeModulation - QAM) meydana gelir [9]. QAM kümeleşmesi 16 nokta ile ifade edilir (Şekil 4.23.). Şekil QAM kümeleşme gösterimi PSK modülasyonunda semboller kümeleşme diyagramında dairesel olarak yerleştirilirkenqam de semboller değişen genlikler Şekil 4.23 görüldüğü gibi diyagrama yerleştirilirler.

69 53 5. MODÜLASYON TEKNİKLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI Bu çalışmanın amacı, oluşturulan uydu yer istasyonu haberleşme benzetim modelinde, farklı modülasyon tekniklerinin haberleşme performansı üstüne etkisini incelemektir. Bu çalışmada ele alınan uydu bir yer gözlem uydusudur. Uyduya ilişkin parametreler Çizelge 5.1 de verilmiştir. Modelleme; uydu, iletim hattı ve yer istasyonu olmak üzere üç kısımda oluşturulur. Modelleme Matlab SIMULINK programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Çalışmaya ait matlab kodları Ek-1, Ek- 2,Ek-3 de verilmiştir. Uydu haberleşmesi simulink modeli ise Ek-4 de verilmiştir. Uydu kısımı, uydunun telemetri haberleşmesinin sağlandığı X bant verici bloğu kullanılarak modellenmiştir. Verici bloğunda, sinyal üreteci, modülatör, güç yükselteci ve anten kazancı modellenmiştir. İletim hattı modellenirken, boşluk uzay kaybı ve Doppler ve faz kaymalarından oluşan hatalar hesaba katılmıştır. Yer istasyonu modellemede alıcı blok olarak modellenmiştir. Alıcı blokta ise alıcıda oluşan sistem gürültüsü, faz gürültüsü, faz ve frekans ofseti ve demodülatör modellenmiştir. Modülatör girişi ve demodulatör çıkışı birbiri ile kıyaslanarak BER performansları, farklı modülasyon tekniklerine göre kıyaslanmıştır. Çizelge 5.1.Modellemede kullanılan yer gözlem uydusu özellikleri Parametre Yörünge Yüksekliği Yörünge Eğimi X Bant Frekansı X Bant Gücü X Bant Bant genişliği Değer 686 km 98 derece 8320MHz 7 watt 40 MHz

70 Uydu Verici Bloğu Bu çalışmada, uydu üzerindeki X bant verici bloğu kullanılarak modelleme yapılmıştır. Verici bloğu, Rastgele tamsayı üreteci Temel band modülatör Yükseltilmiş kosinüs verici fitresi Yüksek güç yükselteci (HPA) Anten kazanç bloğu kısımlarından oluşmaktadır. Rastgele tamsayı üreteci ile rastgele bir veri katarı üretilir. Üretilen veri modülatör bloğuna gelerek kullanılan modülasyon türüne göre modülasyon kümesine eşleştirilir. Yükseltilmiş kosinüs filtresi, karekök yükseltilmiş kosinüs darbe şekillendirme yöntemini kullanarak, modüle edilmiş işareti örnekler ve şekillendirir. Şekillendirilmiş işaret ise yürüyen dalga güç yükselteci ile yükseltilir. Son olarak iletilecek işaret, anten kazancıda eklenerek iletim hattına gönderilir. Uydu verici blok modellemesi Şekil 5.1 de verilmiştir [21]. Şekil 5.1.Uydu verici bloğu 5.2. İletim Hattı Bu modellemede, dünyadan uzaklığı 686 km olan bir yer gözlem uydusu kullanılmıştır. İletim hattında, sinyal mesafeye bağlı olarak zayıflamaya uğramaktadır. Sinyaldeki bu zayıflama boşluk uzay kaybı bloğu ile hesaplanmaktadır. Ayrıca oluşacak faz ve Doppler kayması hatalarının faz/frekans

71 55 ofset bloğu ile benzetimi yapılmıştır. İletim hattına ilişkin blok modeli Şekil 5.2 de verilmiştir [21]. Şekil 5.2.İletim hattı 5.3. Yer İstasyonu Alıcı Bloğu Yer istasyonu alıcı bloğu aşağıdaki blok elemanları kullanılarak modellenmiştir: Alıcı ısıl gürültü bileşeni Alıcı anten kazancı Faz gürültüsü I/Q dengesizlik giderici DC bileşenleri giderme I ve Q kanallarını otomatik kazanç kontrolü Faz/frekans ofseti Yükseltilmiş kosinüs alıcı filtresi Temel banddemodülatör İletim hattından gelen sinyal alıcı tarafında çeşitli gürültülere maruz kalır. Bu çalışmada sistemin etkin sıcaklık gürültüsü toplamalı beyazgauss gürültüsü ile modellenir. Alıcı anten bloğu, yer istasyonunda bulunan ve çapı 6 m alınan bir parabolik çanak antenin kazancını verir. Faz gürültü bloğu faz kırpışma gürültüsünden kaynaklanan bozulmaları vermektedir. I/Q dengesizlik giderme bloğunda, sinyalin DC ofseti, genlikten ya da fazdan gelen dengesizlikler modellenir. DC bileşenleri giderme bloğu, DC ofset kompanzasyonu sağlamaktadır. I ve Q kanallarının otomatik kazanç kontrolü, I ve Q kanallındaki sinyallerin birlikte ya da ayrı ayrı otomatik kazanç kontrolünü gerçekleştirir. Faz/frekans ofset bloğu iletim

72 56 hattındaki faz ve Doppler hatalarını düzeltmek için sinyalin döndürüldüğü bloktur. Faz ve Doppler hataları düzeltildikten sonra sinyal yükseltilmiş kosinüs alıcı filtresine gelir ve bu filtre modüleli sinyale yine aynı şekilde karekök yükseltilmiş kosinüs darbe şekillendirme yöntemini kullanarak karşılık bir filtre uygular. Daha sonra modüleleli işaret demodülatör bloğuna gelir ve küme düzleminde eşleştirilmiş veri katarı modülasyondan önceki halini alır. Yer istasyonu blok modellemesi Şekil 5.3 te verilmiştir [21]. Şekil 5.3. Yer istasyonu alıcı bloğu 5.4. Performans Değerlendirme Bu çalışmada öncelikle bir uydu haberleşme sisteminin modellemesi yapılmıştır. Modellemede kullanılan sistem özellikleri Çizelge 5.2 de verildiği gibidir. Modellemede 8-PSK, 16-PSK, 32-PSK, QPSK ve OQPSK modülasyon teknikleri için performans karşılaştırılması yapılmış ve sonuçlar incelenmiştir. Modülatör çıkışı ve demodülatör çıkışları alıcı verici sinyal tayf grafiği kullanılarak verilmiştir. Ayrıca her modülasyon tekniği için verici tarafta ve alıcı tarafta oluşan kümeleşme eşleşmesi verilmiştir. Performans değerlendirmesi Eb/No - BER değerlerine bakılarak yapılmıştır.

73 57 Çizelge 5.2.Modellemede kullanılan yer gözlem uydusu özellikleri Parametre Değer Uydu yüksekliği 686 km Frekans 8320 Mhz Verici Anten Çapı 0.05 m Alıcı Anten Çapı 6m Gürültü sıcaklığı 290K (tipik) Yüksek Güç Yükselteci Geri Çekilme (backoff) Seviyesi 30 db (doğrusal olmama özelliği ihmal edilebilir) Faz Düzeltme Yok Dopler Hatası Yok Faz Gürültüsü (ihmal edilebilir) I/Q Dengesizliği Yok Otomatik Kazanç Kontrolü Tipi Sadece büyüklük Boşluk Uzay Yol Kaybı Faz gürültüsüz ve doğrusal yükselteç kullanılan sistemde elde edilen sonuçlar Çizelge 5.2 de belirtilen faz gürültüsü parametresi -100 dbc/hz gibi ihmal edilebilir bir seviyede alınarak yapılan modelleme sonuçları bu kısımda incelenmiştir. 8- PSK,16-PSK, 32-PSK, QPSK ve OQPSK için elde edilen değerler aşağıda verilmiştir. 8-PSK için elde edilen sonuçlar: Çizelge 5.2 de belirtilen şartlar altında 8-PSK modülasyon tekniği için elde edilen sonuçlar aşağıda verilmiştir.

74 58 Şekil PSK verici kümeleşme diyagramı 8-PSK modülasyonunda veri katarı kümeleşme diyagramında her bir sembol 3 bit ile ifade edilecek şekilde eşleştirilir. Kümeleşme diyagramında I ve Q bileşenleri olan ve aralarında 45 derece açı bulunan 8 nokta oluşmuştur (Şekil 5.4). Şekil PSK alıcı kümeleşme diyagramı Alıcı tarafında ise alınan sinyal kümeleşme digramında yine aynı şekilde eşleştirilmiştir. Sistem modelinde faz gürültüsü ihmal edilir olduğu için noktaların etrafında dağılma kabul edilir seviyededir.(şekil 5.5).

75 59 Şekil PSK alıcı ve verici güç tayfı Şekil 5.6 da yeşil ile gösterilen grafik verici güç tayfını, mavi ile gösterilen grafik ise alıcı güç tayfını belirtmektedir. Sistemde faz gürültüsü ve yüksek güç yükseltecinden kaynaklanan hatalar ihmal edilebilir düzeyde kullanıldığı için, alıcı ve verici güç tayf grafikleri üst üste gelmiştir (yeşil grafik). 16-PSK için elde edilen sonuçlar: Çizelge 5.2 de belirtilen şartlar altında 16-PSK modülasyon tekniği için elde edilen sonuçlar aşağıda verilmiştir.

76 60 Şekil PSK verici kümeleşme diyagramı 16-PSK modülasyonunda veri katarı kümeleşme diyagramında her bir sembol 4 bit ile ifade edilir. Şekil 5.7 de görülen kümeleşme diyagramında I ve Q kanallarında, birbirleri arasında 22,5 derece açı bulunan 16 nokta görülmektedir. Şekil PSK alıcı kümeleşme diyagramı Alıcı taraftaki kümeleşme diyagramında verici kümeleşme diyagramında belirtilen eşleşmeye uygun 16 noktadaki eşleşme görülmektedir (Şekil 5.8)Sistem modelinde faz gürültüsü ihmal edilir olduğu için noktaların etrafında dağılmakabul edilebilir seviyededir.

77 61 Şekil PSK alıcı ve verici güç tayfı Şekil 5.9 da yeşil ile gösterilen grafik verici güç tayfını, mavi ile gösterilen grafik ise alıcı güç tayfını belirtmektedir. Sistemde faz gürültüsü ve yüksek güç yükseltecinden kaynaklanan hatalar ihmal edilebilir düzeyde kullanıldığı için alıcı ve verici güç tayf grafikleri üst üste gelmiştir (yeşil grafik). 32-PSK için elde edilen sonuçlar: Çizelge 5.2 de belirtilen şartlar altında 32-PSK modülasyon tekniği için elde edilen sonuçlar aşağıda verilmiştir. Şekil PSK verici kümeleşme diyagramı

78 62 32-PSK modülasyonunda veri katarı kümeleşme diyagramında her bir sembol 5 bit ile ifade edilir. Şekil 5.10 da görülen kümeleşme diyagramında I ve Q kanallarında, birbirleri arasında 11,25 derece açı bulunan 32 nokta görülmektedir. Şekil PSK alıcı kümeleşme diyagramı Alıcı taraftaki kümeleşme diyagramında verici kümeleşme diyagramında belirtilen eşleşmeye uygun 32 noktadaki eşleşme görülmektedir (Şekil 5.11). Sistem modelinde faz gürültüsü ihmal edilir olduğu için noktaların etrafında dağılma kabul edilir seviyededir. Şekil PSK alıcı ve verici güç tayfı

79 63 Şekil 5.12 de yeşil ile gösterilen grafik verici güç tayfını, mavi ile gösterilen grafik ise alıcı güç tayfını belirtmektedir. Sistemde faz gürültüsü ve yüksek güç yükseltecinden kaynaklanan hatalar ihmal edilebilir düzeyde kullanıldığı için alıcı ve verici güç tayf grafikleri üst üste gelmiştir (yeşil grafik). QPSK için elde edilen sonuçlar: Çizelge 5.2 de belirtilen şartlar altında QPSK modülasyon tekniği için elde edilen sonuçlar aşağıda verilmiştir. Şekil QPSK verici kümeleşme diyagramı QPSK modülasyonunda veri katarı kümeleşme diyagramında her bir sembol 2 bit ile ifade edilir. Şekil 5.13 de görülen kümeleşme diyagramında I ve Q kanallarında, birbirleri arasında 180 derece açı bulunan 4 nokta görülmektedir.

80 64 Şekil QPSK alıcı kümeleşme diyagramı Alıcı taraftaki kümeleşme diyagramında verici kümeleşme diyagramında belirtilen eşleşmeye uygun 4 noktadaki eşleşme görülmektedir (Şekil 5.14).Sistem modelinde faz gürültüsü ihmal edilir olduğu için noktaların etrafında dağılma kabul edilir seviyededir. Şekil QPSK alıcı ve verici güç tayfı Şekil 5.15 te yeşil ile gösterilen grafik verici güç tayfını, mavi ile gösterilen grafik ise alıcı güç tayfını belirtmektedir. Sistemde faz gürültüsü ve yüksek güç

81 65 yükseltecinden kaynaklanan hatalar ihmal edilebilir düzeyde kullanıldığı için alıcı ve verici güç tayf grafikleri üst üste gelmiştir (yeşil grafik). OQPSK için elde edilen sonuçlar: Çizelge 5.2 de belirtilen şartlar altında OQPSK modülasyon tekniği için elde edilen sonuçlar aşağıda verilmiştir. Şekil OQPSK verici kümeleşme diyagramı Şekil 5.13 ve Şekil 5.16 da görüleceği gibi OQPSK kümeleşme diyagramı QPSK kümeleşme diyagramı ile aynıdır. I ve Q kanallarında, birbirleri arasında 180 derece açı bulunan 4 nokta görülmektedir.

82 66 Şekil QPSK alıcı kümeleşme diyagramı Alıcı taraftaki kümeleşme diyagramında verici kümeleşme diyagramında belirtilen eşleşmeye uygun 4 noktadaki eşleşme görülmektedir (Şekil 5.17). Sistem modelinde faz gürültüsü ihmal edilir olduğu için noktaların etrafında dağılma kabul edilir seviyededir. Şekil OQPSK alıcı ve verici güç tayfı

83 67 Şekil 5.18 te yeşil ile gösterilen grafik verici güç tayfını, mavi ile gösterilen grafik ise alıcı güç tayfını belirtmektedir. Sistemde faz gürültüsü ve yüksek güç yükseltecinden kaynaklanan hatalar ihmal edilebilir düzeyde kullanıldığı için alıcı ve verici güç tayf grafikleri üst üste gelmiştir (yeşil grafik). Sistem modellemesi sembol için yapılmıştır. BER değeri Çizelge 5.3 te verildiği gibidir. Çizelge 5.3.Faz gürültüsüz sistemde BER değerleri Modülasyon BER (5000 Sembol) 8-PSK ~0, PSK ~0, PSK ~0,0003 QPSK ~0,0002 OQPSK ~0,0002

84 Yüksek seviyede faz gürültüsü ve doğrusal yükselteç kullanılan sistemde elde edilen sonuçlar Çizelge 5.2 de belirtilen faz gürültüsü parametresi -48dBc/Hz gibi yüksek seviyede alınarak yapılan modelleme sonuçları bu kısımda incelenmiştir. 8-PSK,16-PSK, 32- PSK, QPSK ve OQPSK için elde edilen değerler aşağıda verilmiştir. 8-PSK için elde edilen sonuçlar: Alıcı tarafında modellenen faz gürültüsü yüksek seviyede seçildiğinde elde edilen verici ve alıcı kümeleşme diyagramları Şekil 5.19 ve Şekil 5.20 de verilmiştir. Şekil Yüksek faz gürültülü 8-PSK verici kümeleşme diyagramı

85 69 Şekil Yüksek faz gürültülü ve doğrusal yükselteç kullanılan sistemde 8-PSK alıcı kümeleşme diyagramı Şekil 5.20 de de görüldüğü gibi, sistemde yüksek faz gürültüsü mevcutken kümeleşme noktalarında dağılmalar söz konusudur. Seçilen faz gürültüsü şiddeti daha da arttırıldığındaalıcı tarafında görülen kümeleşme noktaları tamamen dağılacaktır. Şekil Yüksek faz gürültülü ve doğrusal yükselteç8-psk alıcı ve verici güç tayfı Şekil 5.21 de kırmızı ile gösterilen grafik verici güç tayfını, mavi ile gösterilen grafik ise alıcı güç tayfını belirtmektedir. Sistemde yüksek faz gürültüsü kullanıldığından alıcı çıkışı ve verici çıkışında görülen güç seviyeleri arasında yaklaşık 20 dbm fark oluşmaktadır.

86 70 16-PSK, 32 PSK, QPSK ve OQPSK için elde edilen sonuçlar: Yüksek faz gürültüsü sisteme eklendiğinde, 8-PSK alıcı kümeleşem diyagramında (Şekil 5.20) olduğu gibi 16-PSK, 32 PSK, QPSK ve OQPSK için de kümeleşme noktalarında bir dağılma söz konusudur (Şekil 5.22). Şekil Yüksek faz gürültülü sistemde alıcı kümeleşme diyagramları (a) 16-PSK, (b) 32-PSK, (c) QPSK, (d) OQPSK Alıcı ve verici arasındaki güç tayfları gösterimi16-psk, 32-PSK, QPSK, OQPSK için Şekil 5.23 te verildiği gibidir. Şekilde kırmızı ile gösterilen grafik verici güç tayfını, mavi ile gösterilen grafik ise alıcı güç tayfını belirtmektedir. Bu şekilde görüldüğü gibi 16-PSK, 32-PSK, QPSK grafiklerinde verici ve alıcı çıkışında yaklaşık 20 dbm bir fark oluşurken, bu fark OQPSK için 20 dbm den fazladır.

87 71 Şekil 5.23.Yüksek faz gürültülü sistemde alıcı-verici güç tayfı(a) 16-PSK, (b) 32- PSK, (c) QPSK, (d) OQPSK Sistem modellemesi sembol için yapılmıştır. BER değeri Çizelge 5.4 te verildiği gibidir. Çizelge 5.4.Yüksek faz gürültülü ve doğrusal yükselteçli sistemde BER değerleri Modülasyon BER (5000 Sembol) 8-PSK ~0, PSK ~0, PSK ~0,003 QPSK ~0,002 OQPSK ~0,002

88 Yüksek seviyede faz gürültüsü ve doğrusal olmayan yükselteç kullanılan sistemde elde edilen sonuçlar Yüksek faz gürültüsü bulunan sistemde, alıcı tarafında kullanılan yükseltecin doğrusal olmayan özellikte seçilmesiyle yapılan modelleme sonuçları bu kısımda incelenmiştir. Çizelge 5.2 de belirtilen faz gürültüsü parametresi -48dBc/Hz ve yüksek güç yükselteci geri çekilme (backoff) seviyesi 1 dbolarak alınmıştır. 8- PSK,16-PSK, 32-PSK, QPSK ve OQPSK için elde edilen değerler aşağıda verilmiştir. 8-PSK için elde edilen sonuçlar: Yüksek faz gürültüsü bulunan ve doğrusal özellikli olmayan yükselteç kullanılan sistemde 8-PSK için elde edilen alıcı kümeleşme diyagramı (Şekil 5.24) ve vericialıcı üç tayfı (Şekil 5.25) aşağıda verilmiştir. Şekil Yüksek faz gürültülü ve doğrusal olmayan yükselteç kullanılan sistemde 8-PSK verici kümeleşme diyagramı

89 73 Şekil Yüksek faz gürültülü ve doğrusal olmayan yükselteç kullanılan sistemde 8-PSK alıcı kümeleşme diyagramı 16-PSK, 32 PSK, QPSK ve OQPSK için elde edilen sonuçlar: Yüksek faz gürültüsü bulunan sistemde bir sisteme eklendiğinde, 8-PSK alıcı kümeleşme diyagramında (Şekil 5.24) olduğu gibi 16-PSK, 32 PSK, QPSK ve OQPSK için de kümeleşme noktalarında bir dağılma söz konusudur (Şekil 5.26). Alıcı ve verici arasındaki güç tayfları gösterimi 16-PSK, 32-PSK, QPSK, OQPSK için Şekil 5.27 de verildiği gibidir. Şekilde kırmızı ile gösterilen grafik verici güç tayfını, mavi ile gösterilen grafik ise alıcı güç tayfını belirtmektedir. Bu şekilde görüldüğü gibi 16-PSK, 32-PSK, QPSK grafiklerinde verici ve alıcı çıkışında yaklaşık 20 dbm bir fark oluşurken, bu fark OQPSK için 20 dbm den fazladır.

90 74 Şekil 5.26.Yüksek faz gürültülü ve doğrusal olmayan özellikli yükselteç kullanan sistemde alıcı kümeleşme diyagramları (a) 16-PSK, (b) 32-PSK, (c) QPSK, (d)qpsk Alıcı ve verici arasındaki güç tayfları gösterimi 16-PSK, 32-PSK, QPSK, OQPSK için Şekil 5.26 da verildiği gibidir. Şekilde kırmızı ile gösterilen grafik verici güç tayfını, mavi ile gösterilen grafik ise alıcı güç tayfını belirtmektedir. Bu şekilde görüldüğü gibi 16-PSK, 32-PSK, QPSK grafiklerinde verici ve alıcı çıkışında yaklaşık 20 dbm bir fark oluştuğu görülmektedir.

91 75 Şekil 5.27.Yüksek faz gürültülü ve doğrusal olmayan özellikli yükselteç kullanan sistemde alıcı-verici güç tayfı (a)16-psk, (b) 32-PSK, (c) QPSK, (d) OQPSK Sistem modellemesi sembol için yapılmıştır. BER değeri Çizelge 5.4 te verildiği gibidir. Çizelge 5.5.Yüksek faz gürültülü ve doğrusal olmayan güç yükselteçli sistemde BER değerleri Modülasyon BER (5000 Sembol) 8-PSK ~10 16-PSK ~10 32-PSK ~10 QPSK ~0,025 OQPSK ~0,02

92 Modelleme Sonucu Yapılan bu çalışmada 8-PSK, 16-PSK, 32-PSK, QPSK ve OQPSK modülasyon tekniklerinineb/no - BER performansına etkisi, bir yer gözlem uydusunda, haberleşmenin benzetiminin yapıldığı bir modelde incelendi.haberleşmede kullanılan frekans, yer gözlem uydularında görüntü gibiuzölçümleri indirmede kullanılan bantlardan X bant içerisinde bir frekans seçilerek yapıldı.haberleşme sistemi uydu, iletim hattı ve yer istasyonu olarak üç bölüm halinde modellendi. Kullanılan modelde kayıplar ve sistem gürültüsü dikkate alındı. Kayıplar yörünge yüksekliğine bağlı boşluk uzay kaybı ile sistem gürültüsü ise Toplanır Beyaz Gauss Gürültüsü (Additive White GaussianNoise-AWGN) modellenerek sisteme eklendi. İlk olarak sistemde faz gürültüsü olmadığı ve kullanılan güç yükseltecinin doğrusal olduğu kabul edildi. Kullanılan modülasyon teknikleri uydu haberleşme benzetim modeli üzerinden değiştirilerek Çizelge 5.2 de belirtilen parametrelerle Eb/No BER değişimi SIMULINK ve MATLAB Bertool yardımıyla çizdirildi. İlk modelleme performans sonuçlarında, kullanılan MPSK modülasyon tekniklerinde, modülasyon mertebesinin artmasının, aynı Eb/No değeri için BER i arttırdığı görüldü. Böylece 8-PSK modülasyonun 32-PSK modülasyonuna göre daha düşük BER oluşturduğu gözlemlendi.dörtgensel modülasyonlardan QPSK ve OQPSK nın yaklaşık aynı BER sonucu verdiği görüldü (Şekil 5.28). Bu modelde QPSK ve OQPSK modülasyonlarının daha düşük BER değeri ile daha iyi bir performans oluşturduğu görüldü.

93 77 Şekil 5.28.Faz gürültüsüz ve doğrusal güç yükseltecinin kullanıldığı sistemde Eb/No- BER performans karşılaştırması İkinci modellemede sisteme faz gürültüsü eklendi ve yine güç yükseltecinin doğrusal olduğu kabul edildi. Kullanılan modülasyon teknikleri uydu haberleşme benzetim modeli üzerinden değiştirilerek Çizelge 5.2 de belirtilen faz gürültüsü parametresi -48dBc/Hz olarak alındı. Eb/No BER değişimi SIMULINK ve MATLAB Bertool yardımıyla çizdirildi. Performans karşılaştırmasında ilk modellemede olduğu gibi kullanılan MPSK modülasyon tekniklerinde modülasyon mertebesinin artmasının, aynı Eb/No değeri için BER i arttırdığı görüldü. Dörtgensel modülasyonlardan QPSK ve OQPSK nınise daha düşük BER sağladığı görüldü. En iyi Eb/No-BER performansını OQPSK ile sağlandığı görüldü (Şekil5.29).

94 78 Şekil Yüksek seviyede faz gürültülü ve doğrusal güç yükseltecinin kullanıldığı sistemde Eb/No- BER performans karşılaştırması Son yapılan modellemede sisteme eklenen faz gürültüsünün yanında doğrusal olmayan güç yükselteci kullanıldı. Kullanılan modülasyon teknikleri uydu haberleşme benzetim modeli üzerinden değiştirilerek Çizelge 5.2 de belirtilen faz gürültüsü parametresi -48dBc/Hz ve yüksek güç yükselteci geri çekilme (backoff) seviyesi 1 db olarak alındı. Eb/No BER değişimi SIMULINK ve MATLAB Bertool yardımıyla çizdirildi. Performans karşılaştırmasında ilk iki modellemeden daha yüksek Eb/No ya karşılık 0 BER değerinin elde edildiği görüldü. MPSK modülasyon tekniklerinde modülasyon mertebesinin artmasının, aynı Eb/No değeri için BER i arttırdığı görüldü. Dörtgensel modülasyonlardan QPSK ve OQPSK nın ise daha düşük BER sağladığı görüldü. En iyi Eb/No-BER performansını OQPSK ile sağlandığı görüldü (Şekil5.30).

95 79 Şekil 5.30.Yüksek seviyede faz gürültülü ve doğrusal olmayan güç yükseltecinin kullanıldığı sistemde Eb/No- BER performans karşılaştırması Yapılan çalışmalara ait kodlar ve SIMULINK modeli EK1,2,3,4 te verilmiştir.

96 80 6. SONUÇ ve ÖNERİLER Uydu haberleşmesinde haberleşme performansı kayıpsız veri iletimi açısından oldukça önem taşır. Aynı zamanda sistem gücü, haberleşme bant genişliği verimi ve kodlama teknikleri performansa etki eden diğer unsurlardır. Bant genişliği verimini arttırmak için çeşitli gelişmiş modülasyon teknikleri kullanılır. Bu çalışmada bir yer gözlem uydusunun uzölçüm haberleşme sisteminde kullanılan farklı modülasyon tekniklerinin haberleşme performansına etkisi incelendi. Öncelikle uydu, iletim hattı ve yer istasyonun benzetimi SIMULINK te yapıldı. Uydu bölümü modellenirken, rastgele tamsayı üreteci bilgi kaynağı olarak kullanıldı. Modellemelerin birbirleriyle kıyaslanması açısından, her bir model için modülatör bloğu sırayla 8-PSK, 16-PSK,32-PSK, QPSK, OQPSK olarak seçildi. Modülatör çıkışında bant genişliği verimi sağlayabilmek için darbe şekillendirici filtre (RRC) kullanıldı. Sinyal iletilmeden önce bir yüksek güç amfisinden geçirildi. İletim hattına etki eden boşluk uzay kaybı ve Doppler- faz kayması kayıplarından sadece boşluk uzay kaybı hesaba katıldı. Yer istasyonu belirlenirken alıcı sistem gürültü sıcaklığı AWGN olarak modellendi. Yine alıcı tarafında seçilen modülasyona uygun demodülatör bloğu kullanıldı. Bu çalışmada, ayrıca güç yükseltecinin doğrusal olmama özelliği ve sistem faz gürültüsü incelendi. Faz gürültüsüz ve doğrusal güç yükselteç kullanan sistem için, yüksek seviyede faz gürültülü ve doğrusal güç yükselteç kullanan sistem için ve yüksek seviyede faz gürültülü ve doğrusal olmayan güç yükselteci kullanan sistem için modülasyon tekniklerinin karşılaştırması yapıldı. Haberleşme sistem performansı, Eb/No ve BER kıyaslamasıyla hesaplandı. Doğrusal olan yüksek güç yükseltecinde karşılaştırılan gelişmiş modülasyon tekniklerinden QPSK ve OQPSK modülasyonlarının, karşılaştırılan diğer 8-PSK,16 PSK ve 32-PSK modülasyon tekniklerine göre daha düşük BER sağladığı görüldü. 8-PSK, 16-PSK ve 32-PSK teknikleri arasında ise, modülasyon mertebesi arttıkça BER in arttığı görüldü. Doğrusal olmayan yüksek güç yükseltecinde kullanıldığında ise en düşük BER değerinin OQPSK modülasyonunda sağlandığı görüldü.ayrıca faz gürültüsünün

97 81 sisteme eklenmesi ile elde edilen sonuçlardan yine dörtgensel modülasyon tekniklerinden OQPSK modülasyon tekniğinin performans karşılaştırmasında daha düşük BER sağladığı görüldü. Bu durumda özellikle günümüzde kullanılan güç yükselteçlerinin doğrusal olmama özelliğinin haberleşme performansı üzerindeki bozucu etkilerinigidermek için kullanılabilecek en etkili modülasyon tekniğinin OQPSK modülasyon tekniği söylenebilir. Bu çalışma, sistem haberleşme performansını etkileyen diğer bir bileşen olan kodlama tekniklerin karşılaştırmalı olarak ele alınarak incelenmesiyle geliştirilebilir.

98 82 KAYNAKLAR 1. Elbert, B. Introduction to Satellite Communication Third Edition, Artech House, Boston 7-14 (2008) 2. Gronemeyer. S., Mcbride, A., MSK and Offset QPSK Modulation IEEE Transactions on Communications, 24(8): (1976) 3. Belce, Ö., Comparison of Advanced Modulation Schemes for LEO Satellite Downlink Communications IEEE, , 432:437 (2003) 4. Baran, O., Kasal, M., Vágner, P., Urbanec, T., Modeling of the Phase Noise Influence in the General M-PSK System IEEE, , 393:398 (2011) 5. Boiko, J., Stetsiuk, V., Michan, V., Improving Noise Immunity ofqpsk Demodulation of Signals in Digital Satellite Communication Systems, IEEE, , 1:12 (2012) 6. Raghavan, S., Williams, L., Modulation Loss Analysis for Amplitude Modulated FSK Signal, TCSET:257 (2012) 7. Caldwel, J., Robertson, C., M-ary Hyper Phase-Shift Keying Over Non-Linear Satellite Channels, IEEE, ,23:28 (2009) 8. Butchart, K., Braun, M., An Adaptive Modulation Scheme for Low Earth Orbit Satellites, IEEE Network, (1998) 9. Zhidong, X.,Gengxin, Z., Dongming, B., Constant Envelope Enhanced FQPSK and Its Performance Analysis, Journal of Communications and Networks, 13(5): (2011) 10. Elbert, B. Satellite Communication Applications Handbook Second Edition, Artech House, Boston (2004) 11. Kolawole, M., Satellite Communication Engineering, Marcel Dekker, Melbourne, (2002) 12. Maral,G., Bousquet, M., Satellite Communications Systems Third Edition, Wiley, Toulouse, 1-76 (2009)

99 İnternet: Zyren, J., Petrick, A Tutorial on Basic Link Budget Anaysis, INTERSIL, June (1998) 15. İnternet: Haykin, S., Communication Systems Fourth Edition Wiley, New york, (2001) 17. Kayran, Panayırcı, Aygölü, Sayısal Haberleşme, Birsen Yayınevi, (2009) 18. Gusmio,A., Estaves,N., Bandwidth Efficiency with OQPSK-type DigitalModulation and Nonlinear Amplification, IEEE, CH2829-0/90/ (1990) 19. Feher K., FQPSK: a superior modulation technique for mobile and personel communications IEEE Trans. On Broadcasting, 39(2): (1993) 20. Bin, T.,Yujing, S., A Constant Envelope FQPSK Modulation for Deep Space Communications China Communications, December (2006) 21. İnternet:

100 EKLER 84

101 85 EK-1 NRZ Kodlayıcı için Matlab Kodları % NRZ_Encoder function [time,output,fs]=nrz_encoder_qpsk(input,rb,amplitude,style) Fs=10*Rb; %örnekleme frekansı Ts=1/Fs; % örnekleme periodu Tb=1/Rb; % bit periodu output=[]; switchlower(style) case {'manchester'} forcount=1:length(input), fortemptime=0:ts:tb/2-ts, output=[output (-1)^(input(count))*amplitude]; end fortemptime=tb/2:ts:tb-ts, output=[output (-1)^(input(count)+1)*amplitude]; end end case {'unipolar'} forcount=1:length(input), fortemptime=0:ts:tb-ts, output=[outputinput(count)*amplitude]; end end case {'polar'} forcount=1:length(input), fortemptime=0:ts:tb-ts, output=[outputamplitude*(-1)^(1+input(count))]; end end otherwise, disp('nrz_encoder(input,rb,amplitude,style)-unknownmethodgiven as ''style'' argument'); disp('acceptedstylesare ''Manchester'', ''Unipolar'' and ''Polar'''); end time=0:ts:tb*length(input)-ts;

102 86 EK-2 MPSK Simülasyonu için Kullanılan Matlab Fonksiyonu Kodları function [simulatedser, theoreticalser]= simulatempsk(m,n,ebn0db,rc) k=log2(m); EsN0dB = EbN0dB+10*log10(k); datasym=ceil(m.*rand(n,1)); %--- I and Q kanalları I = 1/sqrt(2)*cos((dataSym-1)/M*2*pi); Q = 1/sqrt(2)*sin((dataSym-1)/M*2*pi); %--- Mapping I and Q toone M-PSK symbol--- m_psk = (I+1i*Q); %M-PSK Mapping %--- Reference ConstellationfordemodulationandError rate computation-- s_i=zeros(1,m);s_q=zeros(1,m); for i=1:1:m s_i(i)= 1/sqrt(2)*cos((i-1)/M*2*pi); s_q(i)= 1/sqrt(2)*sin((i-1)/M*2*pi); end %---PlaceholderforSymbolErrorvaluesforeach Es/N0-- simulatedser = zeros(1,length(esn0db)); index=1; for x=esn0db, % %Channel NoiseforvariousEb/N0 % %Addingnoisewithvarianceaccordingtotherequired Es/N0 EsN0lin = 10.^(x/10);%Converting Es/N0 dbvaluetolinearscale noisesigma = 1/sqrt(2)*sqrt(1/(2*Rc*EsN0lin));%Standarddeviationfor AWGN Noise noise = noisesigma*(randn(length(m_psk),1)+1i*randn(length(m_psk),1)); received = m_psk + noise; % I-Q Branching r_i = real(received); r_q = imag(received); %---Decision Maker-Compute (r_i-s_i)^2+(r_q-s_q)^2 andchoosethesmallest r_i_repmat = repmat(r_i,1,m); r_q_repmat = repmat(r_q,1,m); distance = zeros(length(r_i),m); %placeholderfordistancemetric mindistindex=zeros(length(r_i),1); for j=1:1:length(r_i) %---Distancecomputation - (r_i-s_i)^2+(r_q-s_q)^ distance(j,:) = (r_i_repmat(j,:)-s_i).^2+(r_q_repmat(j,:)-s_q).^2; %---capturetheindex in thearraywherethe minimum distanceoccurs [dummy,mindistindex(j)]=min(distance(j,:)); end y = mindistindex; %Theindexbecomesthedecodedsymbol % SymbolError Rate Calculation simulatedser(index) = sum(y~=datasym)/n; index=index+1; end %----- ComputeTheoreticalSymbolErrorRates EbN0lin = 10.^(EbN0dB/10); theoreticalser = log10(erfc(sqrt(ebn0lin*k)*sin(pi/m)));

103 87 EK-3Modülasyon Tekniklerinin Karşılaştırıldığı Matlab Fonksiyonu Kodları N= ; %Number of inputsymbols EbN0dB = 0:2:12; %Define EbN0dB rangeforsimulation k=2:1:5; % Number of Symbolsforeach M-PSK modulation Rc=1; %Rc = code rate for a codedsystem. Since nocoding is usedrc=1 % M=2.^k; %for M-PSK modulation. simulatedser = zeros(length(m),length(ebn0db)); theoreticalser = zeros(length(m),length(ebn0db)); plotcolor =['b','g','r','c']; for i=m, [simulatedser(i,:),theoreticalser(i,:)]= simulatempsk(i,n,ebn0db,rc); end %Plotcommands j=1; for i=m, plot(ebn0db,log10(simulatedser(i,:)),sprintf('%s-',plotcolor(j))); holdon; j=j+1; end j=1; for i=m, plot(ebn0db,theoreticalser(i,:),sprintf('%s*',plotcolor(j))); holdon; j=j+1; end legend('simulated - QPSK','Simulated - 8-PSK','Simulated PSK','Simulated - 32-PSK','Theoretical - QPSK','Theoretical - 8- PSK','Theoretical - 16-PSK','Theoretical - 32-PSK'); xlabel('eb/n0(db)'); ylabel('symbolerror Rate (Ps)'); title('eb/n0 (db) VsSymbolError Rate forvarious M-PSK schemes'); gridon;

104 EK-4 Uydu Haberleşme Modeli Simulink ModeliResmi 88