Bölüm 3 Veri İletişiminin Temelleri (Basics of Data Transmission) Yrd. Doç. Dr. B. Demir Öner 1 İletişim Sisteminin Bileşenleri (1) Bir iletişim sisteminin amacı, bilgiyi kaynaktan varışa iletmektir. Giriş mesajı Kaynak Giriş Dönüştürücüsü Giriş işareti Verici Gönderilen işareti İletim ortamı İstenmeyen Etkiler Alınan işareti Alıcı Gürültü Zayıflama Bozulma Karışma Çıkış işareti Çıkış Dönüştürücüsü Çıkış mesajı Varış (Kullanıcı) 2 1
İletişim Sisteminin Bileşenleri (2) Kaynak (source): Ses, ışık, sıcaklık v.b.,mesajın yaratıldığı yerdir. Bilgisayar gibi kaynaklar elektriksel işaret (electrical signal) oluşturduğundan giriş dönüştürücüsüne gerek yoktur. Giriş Dönüştürücüsü (input transducer): Elektriksel olmayan giriş mesajlarını elektriksel işaretlere dönüştürür. Örneğin mikrofon. Bu işarete tabanbant ya da temelbant işareti de denir. Gönderici (transmitter): Verimli bir gönderim için tabanbant işareti üzerinde bazı değişiklikler yapar. Modülasyon ve yükseltme gibi değişikliklerden sonra, işaret iletim ortamına gönderilir. Göndericide örnekleyici, kodlayıcı, önvurgulayıcı (preemphasizer) gibi altsistemler de bulunabilir. İletim ortamı ya da kanal (transmission medium or channel): Bir çift tel (twin line), eşeksenli kablo (coaxial cable), dalga-kılavuzu (waveguide), ışıl lif (fiberoptic cable), atmosfer gibi işaretin gönderildiği ortamdır. 3 İletişim Sisteminin Bileşenleri (3) Alıcı (receiver): Göndericinin ve iletim ortamının işaret üzerinde yaptıkları değişiklikleri tersine çevirmek için gerekli işlemleri yapar. Alıcıda demodülatör, kod çözücü, süzgeç, artvurgulayıcı (deemphasis), yükselteç gibi altsistemler bulunabilir. Alıcı çıkışındaki işaret çıkış dönüştürücüsüne uygulanır. Çıkış Dönüştürücüsü (output transducer): Elektriksel işaretleri kullanıcının ihtiyaç duduğu orijinal biçimine dönüştürür. Hoparlör, resim tüpü ya da LCD ekran en sık rastlanan örneklerdir. Varış (destination): Mesajın gönderildiği birimdir. Mesajı alan bir insan (kullanıcı), bir bilgisayar, bir yazıcı ya da grafik çizici olabilir. Çıkış mesajı gönderilen orijinal mesajın bir benzeridir. 4 2
Mesaj, Veri ve Bilgi Mesaj ya da ileti (message), bilginin (information) fiziksel olarak ortaya çıkış biçimidir. Veri (data), bilginin sayısal sistemler tarafından işlenebilir duruma getirilmiş olan biçimidir. Kısaca, veri bilginin sayısallaştırılmış biçimidir. Bilgi (information), mesaj ya da verinin taşıdığı anlamdır. Veri iletişimi (data communication), sayısal bilgiyi işleyebilecek sistemler arasında yapılan iletişimdir. 5 Analog ve Sayısal Mesajlar Analog mesaj (analog message), zamana bağlı değişen, belirli bir aralıktaki tüm değerleri alabilen, süreklilik gösteren ve bilgi taşıyan fiziksel bir büyüklüktür. Örnekler: Konuşurken oluşturduğumuz ses dalgalarının şiddeti Televizyon ekranındaki görüntüyü oluşturan noktalardan birinin parlaklık düzeyi Bir uçak jiroskopunun açısal konumu Ortam sıcaklığı Atmosfer basıncı Bir gölün su seviyesi Sayısal mesaj (digital message), sonlu bir ayrık öğeler kümesinden seçilmiş öğelerden (sembollerden) oluşan ve bilgi taşıyan sıralı bir dizidir. Örnekler: Bu sayfada yazılı olan karakterler Bilgisayar klavyesindeki tuşlara basılmasıyla oluşan karakter dizisi Mors alfabesi ile yazılmış bir telgraf mesajı (mark/space: işaret/boşluk) 6 3
Analog ve Sayısal İşaretler (1) Elektriksel işaret (electrical signal) ya da sadece işaret (signal) mesajın elektriksel biçimidir. Analog işaret (analog signal), zamana bağlı değişen, belirli bir aralıkta tüm değerleri alabilen, süreklilik gösteren ve bilgi taşıyan elektriksel değişimlerdir. Örnekler: Mikrofon çıkışındaki elektriksel işaret Analog video kamera çıkışındaki elektriksel işaret Sayısal işaret (digital signal), sonlu bir ayrık öğeler kümesinden seçilmiş elektriksel sembollerden oluşan ve bilgi taşıyan sıralı bir dizidir. Örnekler: İki elektriksel sembolden (0 V ve 5 V ya da -3 V ve +3 V gibi) oluşan ikili işaret (binary signal) Üç sembolden oluşan üçlü işaret (ternary signal) M sembolden oluşan M-li işaret (M-ary signal) 7 Analog ve Sayısal İşaretler (2) Genlik Zaman (a) Analog işaret Genlik 5 V 1 0 1 1 0 0 1 1 0 V Zaman (b) Sayısal (İkili) işaret Şekil 3.1 Analog ve Sayısal İşaret Örnekleri 8 4
Analog İletişime Göre Sayısal İletişimin Üstünlükleri Sayısal iletişim gürültüden (noise) ve bozulmadan (distortion) daha az etkilenirler. Sayısal tekrarlayıcılar (regenerative repeaters) kullanarak sayısal işaret iletim ortamındaki gürültüden ve bozulmalardan arındırılarak tekrar üretilebilir. Sayısal donanımlar daha esnek yapıda gerçekleştirilebilir ve mikroişlemcilerin, sayısal anahtarlama devrelerinin (digital switching circuits) ve VLSI (Very Large Scale Integrated) tümleşik devrelerinin kullanımı için elverişlidir. Hata oranının (error rate) azaltılması, kalitenin arttırılması ve gizlilik amacıyla sayısal işaret kodlanabilir. Sayısal işaretin çoğullanması analog işarete göre daha kolaydır. Sayısal iletişimde SNR (Signal-to-Noise Ratio: İşaret Gürültü Oranı) ile bantgenişliği arasındaki değiştokuş daha iyi kontrol edilebilir. Örneğin, iletim bantgenişliğinin arttırılmasına karşılık ortam gürültüsünün etkisi azaltılabilir. 9 Analog Sayısal Dönüşümünde Uygulanan Adımlar Sayısal iletişimin üstünlükleri nedeniyle, bir çok uygulamada analog işaret sayısal işarete dönüştürüldükten sonra sayısal iletişim sistemleri ile iletilir. Analog işaretin sayısal işarete dönüştürülmesi için analog işaret üzerinde sırasıyla yapılması gereken işlemler: 1. Örnekleme (sampling), 2. Nicemleme (quantization) ve 3. Kodlama (coding) İşlemleridir. 10 5
Bantgenişliği Bantgenişliği (bandwidth), bir sürekli spektrumda sınırlayıcı frekans değerleri arsındaki farktır. Bir işaretin bantgenişliği (bandwidth of a signal), o işaretin frekans spektrumunun genişliğinin bir ölçüsüdür ve B = f H f L olarak ifade edilir.» Burada, f H ve f L işaretin sırasıyla en yüksek ve en düşük önemli frekans bileşenlerinin değerleridir.» Önemli frekans bileşeni, işaretin temel frekans bileşenin %10 una eşit ya da ondan büyük frekans bileşenidir). Periyodik bir işaret f(t) nin frekans bileşenlerini bulmak için f(t) nin Fourier serisi açılımı elde edilir.» Bu açılımda, sabit değer (varsa) ve sinüzoidallerden oluşan terimler (sinüs ve kosinüs terimleri) f(t) nin frekans bileşenleridir.» Sabit değer f(t) nin ortalamasını (doğru akım değerini) verir.» Frekans bileşenlerinin genlikleri frekans eksenine karşı çizildiğinde f(t) nin genlik spektrumu elde edilir. 11 Genlik Spektrumu ve İşaretin Bantgenişliği (1) Bir işaretin frekans bileşenleri genliklerinin frekansa göre çizimine işaretin genlik spektrumu (amplitude spectrum) denir. Örnek: f(t) A f(t) nin Fourier açınımı: 0 Şekil 3.2 Fourier serisi açılımı bulunacak olan dikdörtgen darbe dizisi f(t) f(t) = (A/2) + (2A/p) cosw o t - (2A/3p) cos3w o t + T o (2A/5 p) cos5w o t - (2A/7 p) cos7w o t + t Temel harmonik (temel frekans): f o = 1/T o = w o /2p Hz 12 6
Genlik Spektrumu ve İşaretin Bantgenişliği (2) C n 2A/π A/2 2A/5π 0 w o 3w o 5w o 7w o - 2A/7π 2A/9π 9w o 11w o - 2A/11π w rad/s - 2A/3π Önemli frekans bileşenleri Bantgenişliği (BW) Şekil 3.3 f(t) nin genlik spektrumu ve bantgenişliği 13 Genlik Spektrumu ve İşaretin Bantgenişliği (3) Periyodik olmayan bir işaretin genlik spektrumu işaretin zaman alanı ifadesinin Fourier dönüşümü alınarak elde edilir. Örnek olarak aşağıdaki f 1 (t) dikdörtgensel darbeyi (pulse) ele alalım. f 1 (t) A - /2 0 /2 t (s) f 1 (t) nin Fourier dönüşümü olan aşağıdaki sinc fonksiyonu genliğinin çizimi bir sonraki sayfada f 1 (t) nin genlik spektrumu olarak verilmiştir. /2 jwt jwt sin( w / 2) F1 ()() w f1 t e dt Ae dt A w / 2 /2 14 7
(a) (b) -6π/ Genlik Spektrumu ve İşaretin Bantgenişliği (4) -4π/ f 1 (t) A - /2 0 /2 F 1 (ω) -2π/ A t (s) Bu durumda, Bantgenişliği genlik spektrumunun sıfır frekans ile genliğin ilk sıfır kesim frekansı arasındaki frekans farkı olarak kabul edilir. Darbe genişliği azaldıkça bantgenişliği artar. B = 2π/ rad/s = 1/ Hz 2π/ 6π/ 0 4π/ ω (rad/s) B Periyodik olmayan dikdörtgensel darbe (rectangular pulse) Şekil 3.4 (a) Dikdörtgen vurum f 1 (t); (b) f 1 (t) nin Fourier dönüşümü olan F 1 (w) nın genliğinin frekansa karşı çizimi (frekans spektrumu) 15 Sistem ya da Kanal Bantgenişliği (1) Bir sistemin ya da iletim kanalının girişine uygulanan işaretin frekans bileşenlerini çıkışına önemli derecede bozmadan iletebildiği frekans aralığına o sistemin ya da iletim kanalının bantgenişliği denir. Sistem çıkışındaki zayıflamanın 3 db ye kadar izin verilmesi durumu için tanımlanan bantgenişliğine, sistemin 3 db bantgenişliği (3 db bandwidth) ya da etkin bantgenişliği (effective bandwidth) denir. Sistemin giriş-çıkış aktarım işlevi H(w) nın maksimum değerinin 1/ 2 ya da 0,707 ile çarpımına eşit değere düştüğü frekanslara kesim frekansları (cutoff frequencies) ya da yarım güç frekansları (half power frequencies) denir. Çünkü sistem, bu frekanslardaki giriş işaretini gücünü yarıya düşürerek çıkışına aktarır. Sistem, 3 db bantgenişliğinin dışındaki frekanslar için, girişindeki frekans bileşenlerinin güçlerini yarıdan fazla azaltarak çıkışına aktarır. Decibel (db), iki işaret seviyesi arasındaki oranın ölçüsüdür. 16 8
Sistem ya da Kanal Bantgenişliği (2) Desibeli (db) türünden kazanç: G db = 10 log 10 (P out / P in ) = 10 log 10 [(V 2 out / R)/(V 2 in/r)]= 20 log 10 (V out /V in ) R yük direncine göre, P in ve P out, sırasıyla giriş ve çıkış güçleri, V in ve V out ise giriş ve çıkış gerilimleridir. Yarı güç frekanslarında (kesim frekansları) kazanç: G db = 10 log 10 (1/2) = 10 (- 0.3) = - 3 db ya da giriş çıkış gerilimleri türünden: G db = 20 log 10 (V out /V in ) = 20 log 10 (1/ 2) = 20(- 0.15) = - 3 db -3 db lik bir kazanç, +3 db değerinde bir kayıptır. 17 Sistem ya da Kanal Bantgenişliği (3) 1 V Giriş işaretinin spektrumu Giriş Sistem ya da kanal Çıkış 0.707 V 1 V Çıkış işaretinin spektrumu 0 f 2 f 4 f 6 f 8 f 10 f 12 f 14 f 16 f (Hz) 0 f 2 f 4 f 6 f 8 f 10 f 12 f 14 f 16 f (Hz) B = f 14 f 2 Şekil 3.5 Bir sistemin / kanalın 3-dB bantgenişliği H AGS (w) 1 0.707 H BGS (w) 1 0.707 0 w c w rad/s 0 w 1 w 2 w rad/s 3 db Bantgenişliği: B = w c rad/s (a) 3 db Bantgenişliği: B = w 2 - w 1 rad/s (b) Şekil 3.6 Genlik spektrumları, kesim frekansları ve bant genişlikleri (a) Alçak geçiren süzgeç (b) Bant geçiren süzgeç 18 9
Ses İletim Hatları (Voice Grade Lines) (1) Örnek 3.1 Telefon santralları ve telefon hatları ses iletimi için tasarlığından, bant genişliği 3-4 khz dir. Bu nedenle telefon hatlarına ses iletim hatları (voice grade lines) denir. 8-bit lik karakterlerin R bps hızında gönderildiğini düşünelim. 8 bit in gönderilmesi için gereken süre T = 8/R saniye Temel harmonik (temel frekans bileşeni) f o = 1/T o = 1/T = R/8 Hz f o aynı anda frekans bileşenleri arasındaki farkı da belirler. 19 Örnek 3.1 (devamı) Ses İletim Hatları (Voice Grade Lines) (2) Bantgenişliği 3000 Hz olan bir hattan N sayıda harmoniğin iletilebildiğini düşünelim 3000(Hz) 24000 N Harmonik R / 8(Hz/Harmonik) R Görüldüğü gibi, kanal bantgenişliği değiştirilmeden R arttırılırsa, alıcıya ulaşan harmonik sayısı N azalacaktır.. Örneğin, B = 3 khz ve R = 9600 bps için, 24000 24000 N 2,5 Harmonik R 9600 20 10
Örnek 3.1 (devamı) Ses İletim Hatları (Voice Grade Lines) (3) N tamsayı olacağı için alıcıya ulaşan harmonik sayısı N=2 dir. Aşağıda 8 bit lik bir işaretin değişik sayıda harmoniklerinin gönderildiği durum incelenmiştir. Gönderilen harmonik sayısı azaldıkça, dalga biçiminin bozulduğunu görüyoruz. Çizelge 3.1 de değişik iletim hızları (R) için 8 bit lik işaretin iletim süresi (ms) Temel (birinci) harmonik (Hz) Alıcıya ulaşan harmonik sayısı (N) gösterilmiştir. İletim hızı R arttıkça, alıcıya ulaşan harmonik sayısının azaldığını görüyoruz. 21 (a) (b) (c) (d) (e) Genlik Genlik Genlik Genlik Genlik Çeşitli Harmonik Sayıları için Alıcıya İletilen İşaretin Dalga Biçimi 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 Zaman T 0 Zaman T 1 1 0 Zaman T 0 Zaman T 0 Zaman T RMS Genlik 0.5 0 1 3 6 9 12 15 Harmoniklerin sayısı f o 0 1 f o 0 1 2 0 1 2 3 4 İkili işaretin frekans spektrumu DC terimi ve 1. harmonik Harmoniklerin sayısı DC terimi ilk 2 harmonik Harmoniklerin sayısı DC terimi ilk 4 harmonik Harmoniklerin sayısı DC terimi ilk 7 harmonik 0 1 2 3 4 5 6 7 Harmoniklerin sayısı Şekil 3.7 (a) İkili işaret ve frekans görüngesi, (b)-(e) Çeşitli harmonik sayıları için alıcıya iletilen işaretin dalga biçimi (genlikler rms türünden) 22 11
Veri Hızı ve İletilen Harmonik Sayısı Arasındaki İlişki Çizelge 3.1 İletim Hızı (R bps) 8 bit lik bir karakterin İletim Süresi (T ms) Birinci Harmonik (Hz) İletilen Harmoniklerin Sayısı (N) 300 26.67 37.5 80 600 13.33 75 40 1200 6.67 150 20 2400 3.33 300 10 4800 1.67 600 5 9600 0.83 1200 2 19200 0.42 2400 1 38400 0.21 4800 0 23 Ses İletim Hatlarında Kullanılan Çeşitli Modemler Modem Standardı İletim Hızı (kbps) ITU V.32 4.8-9.6 14.4 ITU V.32 bis 19.2 ITU V.34 28.8 ITU V.42 bis 38.4 ITU V.90 56 24 12
Örnekleme (Sampling) (1) Bant Sınırlı İşaret B Hz ile bantsınırlı bir işaret, En yüksek frekans bileşeni B Hz olan ya da Bantgenişliği B Hz olan bir alçak geçiren süzgeçten geçirilerek bantgenişliği sınırlandırılmış olan bir işarettir. Örnekleme Teoremi B Hz ile bantsınırlı bir işaret 2B Hz hızında örneklenirse, bu örnekler kullanılarak örneklenen işaret orijinal durumuna benzer şekilde tekrar elde edilebilir. Örnekleme frekansı 2B nin altına ise örnekler kullanılarak işaretin orijinal biçimine benzer şekilde elde edilmesi mümkün değildir. 25 Örnekleme (Sampling) (2) Minimum örnekleme hızına Nyquist örnekleme hızı ve buna karşı gelen maksimum örnekleme aralığına Nyquist örnekleme aralığı denir. Nyquist örnekleme hızı ( Nyquist sampling rate): f s = 2B Hz Nyquist örnekleme aralığı (Nyquist sampling interval): T s = 1/f s = 1/2B saniye 26 13
Örnekleme teoremini kanıtlamak için B Hz ile bandsınırlı işareti f(t) yi ve onun Fourier dönüşümü F(f) yi aşağıda verilen şekilde kabul edelim: f(t) Örnekleme (Sampling) (3) F(f) Örneklenecek olan işaret f(t) ile birim dürtü katarı (unit impulse train) s(t) nin çarpımı örneklenmiş işaret (sampled signal) olan f () s t yi verir. Birim dürtü katarı s(t) ve onun Fourier dönüşümü S(f) aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.......... 3T s 2T s T s 0 t -B 0 B f 1 s()() t t nts 0 Ts n 2T s 3T s t 2 T s 1 T s 1 0 1 S()() f T 1 T s s n 2 T s n f T... f s 27 Örnekleme (Sampling) (4) Örneklenmiş işaret (sampled signal) f () s t ve onun Fourier dönüşümü Fs () f : f () s t F () s f F(0) / T s...... 0 t Örneklenmiş işaret yi alçak geçiren süzgeçten geçirerek örneklenen işaret f(t) nin benzerini elde edebiliriz. Alçak geçiren süzgeci ideal kabul edelim ve genlik karakteristiğini H(f) ile gösterelim. 2 T s 1 T s -B 0 B 1 T s 2 T s f Alçak Geçiren F () s f Süzgeç f () s t H() f F()()() t F s f H f f ()()() t f s t h t 28 14
Örnekleme (Sampling) (5) Uygulamada kullanılan örnekleme hızı Örnekleme hızı 2B nin biraz üstünde tutulursa, işaretin tekrar elde edilmesinde kullanılan alçak geçiren süzgecin tasarımında kolaylık sağlanmış olur. Uygulamada kullanılan örnekleme hızı: f s = 2B + f kb Hz Burada, f kb koruma bandıdır (guard band). Bu durumda, örnekleme aralığı: T s = 1/f s = 1/(2B + f kb ) saniye Eğer n farklı işarete ait örnekler Zaman Bölüşümlü Çoğullama (TDM: Time Division Multiplexing) yöntemi ile çoğullanacaklarsa, bu durumda örnek süreleri T s /n saniyeden fazla olmamalı. 29 Örnek 3.2 3 khz ile bantsınırlı ses işaretleri 2 khz lik koruma bandı kullanılarak örnekleniyor. Örnekleme hızını ve örnekleme aralığını bulalım. Çözüm Örnekleme (Sampling) (6) Örnekleme hızı: f s = 2B + f kb = 2 x 3000 + 2000 = 8000 Hz = 8 khz Örnekleme aralığı: T s = 1/f s = 1/8000 = 125x10-6 s = 125 µs Böylece her 125 µs de bir ses işaretinden bir örnek alınmalıdır. 30 15
Darbe Kod Modülasyonu (PCM: Pulse Code Modulation) (1) PCM işaretinin elde edilmesi için yapılan işlemler: Örnekleme Nicemleme Kodlama Bu işlemler örneksel işaretten sayısal işaret elde edilmesi için de yapışmıştı. Örnekleyici çıkışındaki işarete örneklenmiş işaret (sampled signal) denir. Nicemleme ya da kuantalama (quantization), örneklerin seviyelerini önceden belirlenmiş sınırlı sayıdaki seviyelerden en yakın olanlarına eşitleme işlemidir. Nicemleyicinin (quantizer) çıkışındaki işarete nicemlenmiş işaret ya da kuantalanmış işaret (quantized signal) adı verilir. Nicemlenmiş işaretin ikili sayı ile kodlanması sonucunda PCM işareti elde edilir. 31 Darbe Kod Modülasyonu (PCM: Pulse Code Modulation) (2) f(t) Örnekleyici Nicemleyici İkili Kodlayıcı PCM işareti f 1 (t) f 30 (t) Sync. Sign. Örnekleyici ve Çoğullayıcı (a) Nicemleyici (b) İkili Kodlayıcı 30 kanallı PCM işareti Synchronization channel: Eşzamanlama Kanalı Signaling channel: İşaretleşme Kanalı Şekil 3.8 (a) Tek Kanallı ve (b) 30 Kanallı PCM işaretlerinin Üretilmesi 32 16
Darbe Kod Modülasyonu (PCM: Pulse Code Modulation) (3) Genlik Genlik 7 6 5 4 3 2 1 0 T s f(t): Analog işaret Örneklenmiş işaret Nicemlenmiş işaret t 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 PCM işareti PCM = T s / 3 Şekil 3.9 Analog işaret f(t), Örneklenmiş işaret ve 8 düzeyde nicemlenmiş PCM işareti t 33 Bilgi İçeriği (Information Content) Bir işaretin bilgi içeriği, o işareti tanımlamak için gerekli bit sayısına eşittir. Başka bir değişle, bir işaretin bilgi içeriği, o işaretin ikili işaret (binary signal) eşdeğerindeki bit sayısına eşittir. M düzeyden oluşan bir işaretin bilgi içeriği, düzeylerin eşit olasılıkla gönderilmesi durumunda, H = log 2 M bit/sembol (ya da bit/sembol aralığı ya da bit/aralık) ya da H = log 2 (1/P) bit/sembol Burada P = 1/M, her sembolün kullanılma (ortaya çıkma) olasılığıdır. Örneğin, eşit olasılıklı 8-düzeyli bir işaretin bilgi içeriği (Şekil 3.10): H = log 2 8 = log 2 2 3 = 3 log 2 2 = 3 bit/aralık 34 17
8-Düzeyli İşaret ve İkili İşaret Eşdeğeri 8-Düzeyli İşaret İkili İşaret Eşdeğeri 7 6 5 4 3 2 1 0 T 8 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 T 2 = T 8 / 3 t t Şekil 3.10 35 Ortalama Bilgi İçeriği (Average Information Content Entropy) (1) Belleksiz, ayrık bir kaynağın ortalama bilgi içeriği, her sembol aralığındaki bilgi bitlerinin ortalama sayısıdır. M M 1 H Pk Ik Pk log 2 bit/sembol(ya da bit/sembol aral ığı) P k 1 k 1 k Burada P k, k inci sembolün üretilme (ya da gönderilme) olasılığıdır. Eğer olasılıklar eşit ise: H = log 2 M bit/sembol Aşağıdaki eşitlik tüm logaritma tabanları için geçerlidir. 1 Limp 0 ( P log) 0 P H ile P ters orantılıdır. log1=0 olduğundan, P = 0 ve P = 1 için, H = 0. 36 18
Ortalama Bilgi İçeriği (Average Information Content Entropy) (2) Örneğin, bir ikili işaret düşünelim. 1 gönderme olasılığı p ve 0 gönderme olasılığı 1-p olsun. Bu durumda bilgi içeriği H, 1 1 H() p plog()(1) 2 log() p 2 bit/sembol p 1 p H(p) H max = 1 0 0.5 1 p Şekil 3.11 İkili işaret için ortalama bilgi içeriğinin olasılığa göre değişimi Bu çizimden aşağıdaki iki önemli sonuç çıkarılır: 1) p=0 ve p=1 için H=0 2) p=0.5 için H=H max 37 Sembol Hızı, Bilgi Hızı ve İletim Hızı (1) Sembol hızı (symbol rate), bir saniyede gönderilen sembol sayısıdır ve birimi sembol/saniye dir. Sembol süresi T s saniye olan bir sembol dizisinin hızı (üretim ya da iletim hızı) r = 1/T s sembol/s. Bilgi hızı (information rate), bir saniyede gönderilen ortalama bilgi bitlerinin sayısıdır. R = r (sembol/s) H (bit/sembol) = r H bit/s (ya da bps) İletim hızı (data rate) ya da veri iletim hızı (data transmission rate), bir saniyede gönderilen veri sayısıdır (bilgi ve denetim bitlerinin toplam sayısı); bit hızı (bit rate), veri hızı (data rate) ya da iletim hızı (transmission rate) olarak da adlandırılır. 38 19
Sembol Hızı, Bilgi Hızı ve İletim Hızı (2) Örnek 3.3 3 khz bant sınırlı bir işaret Nyquist hızında örnekleniyor ve 256 düzeyde nicemleniyor. Bu durumda: a) Bant genişliği : B = 3 khz olduğu için; Örnekleme hızı : f s = 2B = 6 khz; Örnekleme aralığı : T s = 1/f s = 1/6000 =166x10-6 = 166 µs b) Sembol hızı : r = 1/T s = f s = 6000 sembol/s = 6 ksembol/s c) Bilgi içeriği : H = log 2 M = log 2 256 = log 2 2 8 = 8 log 2 2 = 8 bit/sembol Eşit olasılık için Bilgi hızı: R = r H = 6000 x 8 = 48000 bps = 48 kbps olacaktır. 39 Kanal Kapasitesi ya da Sistem Kapasitesi Bir iletişim kanalı ya da sistemi üzerinden kabul edilebilir hata olasılığı ile gönderilebilecek en yüksek iletim hızına kanal kapasitesi (channel capacity) ya da sistem kapasitesi (system capacity) denir İletim hızını R ile, kanal kapasitesini C ile gösterirsek, kabul edilebilir yanılgı sınırları içinde iletim yapabilmek için C R ya da C min = R koşulunun sağlanması gerekir. Maksimum Kanal Kapasitesi Shannon un maksimum kanal kapasitesi teoremine göre, bantgenişliği B Hz olan AWGN tipi gürültülü bir kanalın maksimum kanal kapasitesi: C max = B log 2 (1 + S/N) bps Burada S/N, işaret gücünün gürültü gücüne oranıdır ve SNR işaret-gürültü oranı (signal-to-noise ratio) denir ve değeri genellikle decibel (db) olarak verilir. Bu oran, denklemde yerine konulmadan önce decibel den oran değerine dönüştürülmelidir. AWGN: Additive White Gaussian Noise 40 20
Maksimum Kanal Kapasitesi Örnek Bant-genişliği 3000 Hz ve işaret-gürültü oranı 30 db olan bir kanalın maksimum kapasitesini bulalım. B = 3000 Hz ve S/N=30 db değerlerinden. 30 db = 10 log 10 (S/N); 3 = log 10 (S/N) ; 10 3 = S/N ; S/N = 1000 C max = B log 2 (1 + S/N) = 3000 log 2 (1 + 1000) = 3000 log 2 (1001) = 3000 [log 10 (1001) /log 10 (2)] = 3000 (3/0,3) = 30000 bps = 30 kbps 41 Çoğullama (Multiplexing) (1) Bir iletim ortamının iletim kapasitesini birden fazla kullanıcı arasında paylaştırarak (bölüştürerek), aynı iletim ortamı üzerinden aynı anda birden fazla iletişim olanağı sağlanmasına çoğullama denir. Çoğullama, iletim ortamının verimli kullanılmasını ve böylece iletim maliyetinin düşmesini sağlar. n giriş MUX Tek iletim ortamı n iletim kanalı DEMUX n çıkış MUX: Multiplexer DEMUX : Demultiplexer Şekil 3.12 Çoğullama 42 21
Yukarıdaki öbek çizimde: Çoğullama (Multiplexing) (2) Çoğullayıcının girişine n farklı işaret uygulanmıştır. Bu giriş işaretinin her birine temelbant işareti (baseband signal) adı da verilir. Göndericide bulunan çoğullayıcı, kullanılan çoğullama yöntemine göre, n giriş işaretini uygun şekilde iletim kanalına yerleştirerek tek bir işaret haline getirir. Bu işarete çoğullanmış işaret (multiplexed signal) ya da bileşik temelbant işareti (composite baseband signal) adı verilir. Çoğullanmış işaret, uygulamaya bağlı olarak, doğrudan ya da yüksek frekanslı bir modülatör üzerinden alıcıya gönderir. Alıcıda bulunan çoğullama çözücü, kullanılan çoğullama yöntemine göre, çoğullayıcıda yapılan işlemin tersini yaparak, her kanaldaki işareti çoğullanmış işaretten ayırarak ilgili çıkışa aktarır. 43 Başlıca çoğullama yöntemleri: Çoğullama (Multiplexing) (3) FDM: Sıklık Bölüşümlü Çoğullama (Frequency Division Multiplexing) TDM: Zaman Bölüşümlü Çoğullama (Time Division Multiplexing) WDM: Dalgaboyu Bölüşümlü Çoğullama (Wavelength Division Multiplexing) CDM: Kod Bölüşümlü Çoğullama (Code Division Multiplexing) Yalnızca FDM ve TDM yöntemlerini inceleyeceğiz. 44 22
Çoğullama (Multiplexing) (4) FDM Birden fazla giriş işaretinin frekans spektrumunu yan yana getirilerek aynı iletim ortamı üzerinden aynı anda birden fazla iletişim olanağı sağlanmasına frekans bölüşümlü çoğullama denir. Giriş işaretleri spektrumlarının yan yana getirilmesi, her spektrumun uygun değerde alt taşıyıcı (subcarrier) frekansına kaydırılması ile gerçekleştirilir. Spektrumların kaydırılmasında genlik modülasyonunun bir türü olan tek yanbant modülasyonu (Single Sideband Modulation SSB)" kullanılır. Böylece, iletim ortamının kullanılabilen bantgenişliği uygun bantgenişliğindeki frekans aralıklarına verimli bir şekilde paylaştırılmış olur. Kanal (channel) ya da iletim kanalı (transmission channel) adı verilen bu frekans aralıklarının her biri ayrı bir haberleşme için kullanılır. Bir iletim ortamının bantgenişliği n kanala bölünürse, aynı iletim ortamı üzerinden aynı anda n farklı iletişim yapılabilir. Toplam bantgenişliğinin kanallar arasında ne şekilde paylaştırılacağı uygulamaya bağlıdır. 45 Çoğullama (Multiplexing) (5) n sayıda kanaldan, n sayıda iletişim aynı ortamı kullanarak yapılır. Bu n sayısı uygulamaya göre değişir. Her kanal genişliği koruma bandı ile birlikte B Hz ve eşit genişlikte ise, FDM işaretinin bantgenişliği B FDM = nb olacaktır. Aşağıdaki sayfalarda FDM çoğullayıcısının: Blok diyagramı, Göndericideki yeri, FDM imi, FDM çoğullama ayrıştırıcısı Alıcıdaki yeri ve FDM sıradüzeni gösterilmiştir. 46 23
F 1 (f) 0 B 1 f f 1 (t) Çoğullama (Multiplexing) (6) SSB modülatörü f c1 f c1 (t) Anten F 2 (f) 0 B 2 f F n (f) 0 B n f f 2 (t) f n (t) SSB modülatörü f c2 SSB modülatörü f cn f c2 (t) f cn (t) + f b(t) Temel Bant Modülatörü f c f c (t) Frekans bölüşümlü çoğullama (a) FDM Verici (FDM Transmitter) F b (f) Koruma bandı B 1 B 2 B n Şekil 3.13 0 f c1 f c2 f cn f B (b) Çoğullanmış işaretin genlik spektrumu 47 Çoğullama (Multiplexing) (7) Anten BPF 1 f c1 (t) SSB Demodülatörü f c1 f 1 (t) f c (t) Temel Bant Demoülatörü f c f b (t) BPF 2 BPF n f c2 (t) f cn (t) SSB Demodülatörü f c2 SSB Demodülatörü f cn f 2 (t) f n (t) Frekans Bölüşümlü Çözücü (Frequency Division Demultiplexer) BPF: Bant Geçiren Süzgeç (Band Pass Filter) Şekil 3.14 Bir FDM Alıcısı (FDM Receiver) 48 24
Ses kanalları 0 4 khz 1 2 3 12 1. düzey MUX Çoğullama (Multiplexing) (8) Kanal 1 Kanal 12 60 64 104108 f (khz) Grup 1 60-108 khz 2. düzey MUX Grup 5 Grup 1 12 1 Grup 2 Grup 5 312 360 408 504 552 f (khz) Süper grup 1 312-552 khz 3. düzey MUX Ana grup (master group) F(f) Ses işaretinin genlik spektrumu Süper grup 10 0 4 f (khz) Şekil 3.15 FDM Sıradüzeni (FDM hierarchy) 49 TDM Birden fazla bilgi işaretinden belirli aralıklarla alınan örneklerin art arda gelen zaman aralıklarında sıra ile aynı iletim ortamı üzerinden gönderilmesine zaman bölüşümlü çoğullama denir. Bu zaman dilimlerine kanal ya da iletim kanalı denir. Çoğullanacak işaretlerin bant-genişlikleri B Hz ise, örnekleme hızı f s 2B Hz olmalıdır. İki tür TDM vardır: Eşzamanlı TDM Çoğullama (Multiplexing) (9) Eşzamansız TDM (İstatiksel çoğullama) 50 25
25.02.2015 Eşzamanlı TDM Eşzamanlı TDM Şekil 3.16 da mekanik anahtarlarla gösterilmiştir. Ancak uygulamada bu anahtarlama işlemi elektronik olarak gerçekleştirilir. Mekanik örnekteki anahtarın her Ts saniyede dönüşünü tamamladığını ve her konumdatsaniye süre kaldığını düşünelim. Böylece, her giriş işaretinden her Ts saniyede birtsürelik örnekler alınmış olur. Eşzamanlı TDM de, Çoğullama (Multiplexing) (10) Birinci kanal, önceden belirlenmiş bir gerilim düzeyindeki ya da özel tanımlanmış bir koddaki eşzamanlama işaretini göndermek için kullanılır. Buna eşzamanlama kanalı denir. Eşzamanlama işareti çoğullayıcıdaki S 1 ve çoğullama çözücüdeki S 2 anahtarlarını eşzamanlar. Alıcı, eşzamanlama işareti geldikten sonra sırayla çıkış kanallarına atama yaparak girişteki çoğullanmış işareti ilgili çıkışlara ayrıştırır. 51 Çoğullama (Multiplexing) (11) Giriş işaretleri f 1 (t) f 2 (t) f 3 (t) f n (t) Çoğullayıcı (MUX) Temelbant Süzgeci TDM işareti Eşzamanlı Anahtarlar Verici f c f b (t): Temelbant işareti Anten Anten S 1 S 2 İletim Ortamı LPF: Alçak Geçiren Süzgeç (Low Pass Filter) Şekil 3.16 Eşzamanlı TDM Alıcı f c f b (t): Temelbant işareti Çoğullama çözücü (DEMUX) Çıkış işaretleri LPF LPF LPF LPF f 1 (t) f 2 (t) f 3 (t) f n (t) 52 26
25.02.2015 Çoğullayıcı çıkışındaki TDM işareti, Çoğullama (Multiplexing) (12) Temelbant süzgecine uygulanır, süzgeç çıkışında temelbant işareti elde edilir, uygun bir verici ve anten ile atmosfere ortamına aktarılır. ya da sayısal çoğullayıcıdan geçirilerek hat devresi ile iletim hattına aktarılır. Her kanaldan alınan birer örnek ve bunlara ek olarak bir eşzamanlama ile bir işaretleşme kanalı bir çerçeve (frame) oluşturur. Çerçeve gruplarına çoklu-çerçeve (multi-frame) denir. Örneğin, 30-kanallı PCM de 16 çerçeve bir çoklu-çerçeve oluşturur. Şekil 3.17 de, 4 iletişim kanalından ve bir eşzamanlama kanalından oluşan bir TDM sistemi gösterilmiştir. Burada çerçeve süresi T ve örnekleme süresi τ olarak alınmıştır. Ayrıca, çerçeve süresi T nin örnekleme aralığı T s ye eşit olduğu da Şekil 3.17 den görülmektedir. 53 Çoğullama (16) Genlik (a) Giriş İşaretleri Genlik (b) TDM İşareti Genlik Eşzamanlı TDM de TDM ve Temelbant İşaretleri E 1 2 3 4 E 1 2 3 4 E 1 2 3 4 E 1 2 3 4 E Eşzamanlama Darbeleri E 1 2 3 4 E 1 2 3 4 E 1 2 3 4 E 1 2 3 4 E f 1 (t) f 2 (t) f 3 (t) f 4 (t) f 1 (t) f 2 (t) f 3 (t) f 4 (t) T τ t Çerçeve t (c) Temelbant İşareti Şekil 3.17 E 1 2 3 4 E 1 2 3 4 E 1 2 3 4 E 1 2 3 4 E 54 t 27
Çoğullama (Multiplexing) (14) TDM işareti NRZ (Non-Return to Zero) darbeleri ile elde edilmiştir. Bu durumda TDM işaretinin bant-genişliği aşağıdaki gibi bulunur: B TDM 1 1 n nfs Hz T / n T s Burada, fs örnekleme frekansıdır; kanal sayısı n, eşzamanlama ve eğer varsa işaretleşme kanalını da içermektedir. Örneğin, 30-kanal PCM için - 30 konuşma kanalı (Kanal 1-15 ve 17-31), - Bir eşzamanlama kanalı (Kanal 0), - Bir işaretleşme kanalı (Kanal 16) bulunmaktadır. - Bu durumda n = 32. Eğer TDM işareti analog bir işaretlerin çoğullanması sonucunda elde edilirse, buna TDM-PAM işareti (Time Division Multiplexed-Pulse Amplitude Modulated signal) denir. s 55 Çoğullama (Multiplexing) (17) Eşzamanlı olmayan TDM (İstatiksel TDM) Her kanal, her an dolu olmayacağından eşzamanlı TDM de boş duran kanallar olacaktır. Eşzamanlı olmayan TDM bu durumu ortadan kaldırmak için kullanılmayan kanalları dinamik olarak istek gelen yerlere atar ve böylece verim artar. Giriş tampon bellekleri sırayla taranır ve çerçeve dolana kadar veri toplanır, sonra da çerçeve gönderilir. Her çerçevede bulunan paketlerde, adres, kontrol, uzunluk bilgisi ve veri taşınır. Eşzamanlı TDM de n sayıda giriş/çıkış varsa, her çerçevede n + (1 ya da 2) sayıda zaman dilimi olacaktır. Eşzamansız TDM de n sayıda giriş/çıkış varsa, her çerçevede k sayıda zaman dilimi olacaktır ve genelde bu sayı k<n dir. Karşı taraftaki çoğullama çözücü (demultiplexer) TDM çerçevesini alınca, zaman dilimlerindeki paketlerin adres alanlarını okuyarak paketleri uygun çıkışlardaki tampon belleklere iletir. 56 28
Çoğullama (Multiplexing) (18) t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 Users A 1 A 2 A A nın Gönderdiği Paketler Tampon Bellek (buffer memory) B C D B 1 B 2 Veri C 1 İletim Ortamı t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8 D 1 D 2 Boşa giden iletim kapasitesi Boş (veri yok) Başlık Eşzamanlı TDM Eşzamanlı olmayan TDM A 1 B 1 C 1 D 1 A 2 B 2 C 2 D 1 1. Çerçeve 2. Çerçeve A 1 B 1 B 2 D 1 1. Çerçeve 2. Çerçeve Kullanılabilir iletim kapasitesi Şekil 3.18 Eşzamanlı ve Eşzamansız TDM Hücreleri 57 Kodlama (Coding) (1) Bilginin önceden tanımlanmış sembollerle tanımlanmasına kodlama denir. Örneğin ikili kodlamada, bilgi sıfır ve birlere dönüştürülür. Kodu oluşturan elemanlara kod elemanları (code elements) ya da sembol (symbol) denir (örneğin, ikili kodlama için 0 ve 1). Ayrık bir kümeye ait bir değeri ifade etmek için kullanılan bir kodun belirli sembollerinden oluşan düzenlemeye kod kelimesi (code word) ya da karakter (character) denir. Yazı iletiminde en yaygın olarak ASCII (American Standard Code for Information Interchange) kodu kullanılır. 58 29
Kodlama (Coding) (2) ASCII kodunda her karakter yedi bit ile kodlanır. Dolayısı, 2 7 =127 karakter (alfabetik, sayısal, denetim, ve özel karakterler) kodlanabilmektedir. ASCII kodundaki 7 bit (b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1) içinde, b7 en önemli bit (msb: Most Significant Bit), b1 en önemsiz bit (lsb: Least Significant Bit) diye adlandırılır. Veri iletiminde hata denetimi için eşlik biti (parity bit) sekizinci bit b8 en önemli bit konumuna eklenir. IBM e özgü EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code) de kullanılmaktadır. 8 bitlik bir kod olup eşlik biti içermez. Bu kodla 2 8 = 256 karakter gösterilebilir; ancak, yalnızca 109 u kullanılmaktadır. 59 Kodlama (Coding) (3) Çizelge 3.3 Bazı Karakterlerin ASCII Kodu Karşılıkları Karakter ASCII Kodu Karakter ASCII Kodu A 1000001 + 0101011 B 1000010-0101101 C 1000011 / 0101111 A 1100001? 0111111 B 1100010 CAN (Cancel) 0011000 0 0110000 CR (Carriage Return) 0001101 1 0110001 LF (Line Feed) 0001010 2 0110010 DEL (Delete) 1111111 3 0110011 BS (Backspace) 0001000 60 30
Hat Kodlaması (Line Coding) (1) Hat Kodlaması, iletilecek olan işareti iletim ortamının özelliklerine uygun biçime getirerek iletişimin ortamdaki gürültü, zayıflama, bozulma ve girişim gibi bozucu etkenlerden daha az etkilenmesi amacıyla uygulanır. İletilecek sayısal işaret Hata denetim/ Güvenlik Kodlaması/ Çoğullama Hat Kodlayıcı Modülatör Alçak Geçiren Kanal Band Geçiren Kanal Kanal Kodlaması Şekil 3.19 Hat kodlamasının iletişimdeki yeri 61 Hat Kodlaması (Line Coding) (2) Hat kodlamasında göz önünde bulundurulması gereken konular: 1. İletim bantgenişliği gereksinimi 2. Alçak frekanslardaki spektrum 3. Zamanlama içeriği 4. Hata gözleme 5. Verimlilik 1. İletim Bantgenişliği Gereksinimi (Transmission Bandwith Required) İletim bantgenişliğinin kısıtlayıcı olduğu durumlarda, çok düzeyli hat kodları (multilevel line codes) kullanarak iletilecek olan işaretin bantgenişliği azaltılır. Böylece, iletilen semboller birden fazla sayıda bilgi biti içerir. Çok düzeyli kodlama aynı bit hata oranı (bit error rate) için ikili kodlamaya göre daha düşük işaret-gürültü oranına (SNR) ihtiyaç duyar. 62 31
Hat Kodlaması (Line Coding) (4) 2. Alçak Frekanslardaki Spektrum (Low Frequency Spectrum) Kodlamada işaretin doğru akım bileşeninin olabildiğince sıfıra yakın tutulması gerekir. Çünkü iletim ortamında bağlaşım (coupling) için kullanılan transformatörler ve kapasitörler işaretin alçak frekans bileşenlerini zayıflatırlar ve doğru akım bileşeninin geçmesine izin vermezler. Bu nedenle, iletim hattına gönderilen işaretin doğru akım bileşeninin (yani, ortalamasının) sıfır ya da sıfıra çok yakın olması istenir. 3. Zamanlama İçeriği (Timing Content) Alıcının (ya da kullanılıyorsa tekrarlayıcıların) karar verme devrelerinin zamanlamasını yapabilmesi için saat işaretlerini iletilen işaretten güvenilir bir şekilde elde edebilmesi gerekir (clock extraction). Bunun için hat kodunun iletilen işarette yeteri kadar yoğunlukta geçiş (transition) sağlaması gerekir. Burada geçiş, düzey değişikliği anlamında kullanılmıştır. İkili işaretteki geçişler, 1 den 0 a ya da 0 dan 1 e olan düzey değişiklikleridir. 63 Hat Kodlaması (Line Coding) (6) 4. Hata gözleme (Error Monitoring) Hat kodu iletilen bilgi dizisine fazlalık ya da artıklık (redundancy) ekleyerek iletim hattındaki hata oranının gözlenmesini sağlayabilir. Örneğin, hat kodlaması bazı sembol dizilerini oluşturmayacak şekilde yapılır; eğer bu geçersiz sembol dizileri iletim sırasında oluşursa, alıcı bunların iletim hataları olarak algılar ve bunların sayısına bağlı olarak hattın performansını belirler. 5. Verimlilik (Efficiency) Hat kodlamasının yukarıda açıklanan özellikleri sağlayabilmesi için genellikle iletilen bilgi işaretine ek bilgiler ilave edilmesi gerekir. Fazlalık ya da artıklık (redundancy) olarak tanımlanan bu ek bilgiler aşağıdaki eşitlikle tanımlanan hat kodunun verimliliğinin düşmesine neden olur. E = % (H / H max ) x 100 E : Hat kodu verimliliği, H : İletilen sembol başına taşınan ortalama bilgi içeriği, H max : Fazlalık olmaması durumunda iletilebilecek sembol başına düşen maksimum bilgi içeriğidir. 64 32
25.02.2015 Kodların sınıflandırılması: Bit kodları (bit-by-bit codes: bit den bit e kodlar) Blok kodları (block codes) Hat Kodlaması (Line Coding) (8) Bit yerleştirme (bit insertion) Blok yerleştirme (block insertion) İlişkili kodlama (correlative coding) ya da kısmi tepki kodları (partial response codes) 65 İkili İşaret 1) Unipolar NRZ 2) Polar NRZ 3) Bipolar NRZ 4) Unipolar RZ 5) Polar RZ 6) Bipolar RZ or AMI 7) Pseudoternary 8) HDB3 9) CMI 10) Manchester Hat Kodlaması (Line Coding) (8) +V 0 +V 0 -V +V 0 -V +V 0 +V 0 -V +V 0 +V 0 -V +V 0 -V +V 0 -V +V 0 -V 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 V B 0 0 V 11) Differential +V 0 Manchester -V 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 Şekil 3.20 Bit türü hat kodlaması örnekleri T Bit aralığı 66 33
25.02.2015 Veri İletim Türleri (Data Transmission Types) (1) Tek-yönlü iletim (simplex transmission) tek yönde yapılan bir iletimdir (örneğin, radyo, TV yayınları) Yarı-çift yönlü iletim (half-duplex transmission) aynı anda olmamak koşulu ile her iki yönde yapılan iletimdir (örneğin, bas-konuş bırak dinle türü telsiz iletişimi). Tam-çift yönlü iletim (full-duplex transmission) aynı anda her iki yönde de yapılan iletimdir (örneğin, telefon iletişimi, bilgisayar iletişimi). 67 Paralel İletim (Parallel Transmission) Veriye ait n sembolün n iletim kanalı üzerinden aynı anda gönderilmesine paralel iletim denir. Aşağıdaki şekilde 8-bitlik paralel iletim gösterilmiştir. Burada, 8 veri kanalı ve Veri İletim Türleri (2) İki de denetim kanalı bulunmaktadır.» Hazır / Meşgul (ready / busy) kanalı alıcıya verinin gönderime hazır olduğunu belirtir.» İstek (demand) kanalını alıcı, vericiye göndermiş olduğu verinin alındığını ve yeni verilerin beklendiğini bildirmesi için kullanılır. 68 34
Veri İletim Türleri (3) Gönderici Kanal 1 Kanal 2 Kanal 3 Kanal 4 Kanal 5 Kanal 6 Kanal 7 Kanal 8 Hazır / Meşgul İstek Alıcı Veri Hatları Denetim Hatları Şekil 3.34 8-bitlik paralel iletim 69 Paralel İletimin Özellikleri Veri İletim Türleri (4) Paralel İletim sadece kısa mesafelerde kullanılır Üretimdeki değişik tolerans sınırlarından dolayı paralel iletim kanalların gecikmeleri farklı olabilir. Böylece uzaklık arttıkça gecikmeler arasındaki fark da büyüyecektir. Uzaklık arttıkça, çoklu devrelerin ve tellerin de maliyeti artacaktır. Öte yandan, paralel iletim kısa uzaklıklarda daha hızlıdır. Bu nedenlerden, paralel iletim aynı baskı devre kartı üzerinde ya da bir birine çok yakın olan çekmeceler ya da aygıtlar arasında kullanılır. 70 35
Seri İletim (Serial Transmission) Veri İletim Türleri (5) Verinin aynı iletim kanalı üzerinden art arda semboller halinde gönderilmesine seri iletim denir. İkili iletişimde (binary communication) sembol olarak 0 ya da 1 bit kullanılır. Bilgisayar ağları üzerinden yapılan veri alışverişi seri iletim ile yapılır. İletim hızı bir saniyede gönderilen sembol sayısı anlamına gelen baud ile ya da bir saniyede gönderilen bit sayısı bps (bits per second) ile tanımlanır. İkili iletimde, iletim hızı baud ve bps türünden aynı değerde olur. 71 Veri İletim Türleri (6) Seri İletimin Özellikleri: Veri iletim hızı yavaş, İletim hatları daha uzun, İletim hattı ve devreler daha ucuzdur Seri ve Paralel İletimin Özet Karşılaştırması Nitelikleri (Attributes) 1 İletim hızı (transmission speed) 2 Kablo uzunluğu (length of transmission cable) 3 İletim kablosu maliyeti (cost of transmission cable) 4 İletim donanımı maliyeti (cost of transmission hardware) Seri İletim (Serial Transmission) Yavaş (slow) Uzun (long) Düşük (low) Düşük (low) Paralel İletim (Parallel Transmission) Hızlı (fast) Kısa (short) Yüksek (high) Yüksek (high) 72 36
Veri İletim Türleri (7) Örnek 4-sembollü bir işaret kullanarak (semboller: -2, -1, +1, +2 volt gerilim düzeyleri olsun) seri veri iletimi yapılıyor. Sembol süresi 50 μs dir. Semboller eşit olasılıkla iletiliyor. Bu durumda, a) Sembol hızı: r = 1 / T = 1 / 50 10 6 b) Bir sembolün bilgi içeriği: c) İşaretin iletim hızı (bit hızı): olarak elde edilir. = 20000 sembol/s = 20 ksembol/s H = log 2 N = log 2 4 = 2 bit/sembol R = r (sembol/s) H (bit/sembol) = (20000 sembol/s) (2 bit/sembol) = 40000 bit/s = 40 kbps 73 Kullanılan eşzamanlama yöntemine göre seri iletim iki türe ayrılır: 1. Senkron (Synchronous: Eşzamanlı) ve 2. Asenkron (Asynchronous: Eşzamansız) olarak ikiye Asenkron İletim (Asychronous Transmission) Asenkron (eşzamansız) iletim, göndericide ve alıcıda ayrı saat işaretleri (clock signals) kullanılan seri iletim türüdür. Gönderilecek bilgi karakter adı verilen bloklara ayrılır. Alıcı, göndericinin her karakter başlangıcında gönderdiği başla biti (start bit) ni sezerek kendi saat işaretini göndericideki saat işareti ile eşzamanlı duruma getirir. Karakter adı verilen bloklar 7 ya da 8 bit den oluşur. Örneğin, ASCII kodunda, hata sezmede kullanılan eşlik biti (parity bit) ile birlikte, bir karakter 8 bit ile kodlanır. Bir karakterin asenkron olarak iletilmesi için karakterin başına bir başla biti (start bit) karakterin sonuna ise bir dur biti (stop bit) eklenir. Başla biti 0, dur biti ise 1 dir. Veri İletim Türleri (8) 74 37
Veri İletim Türleri (9) lsb msb b 1 b 2 b 3 b 4 b 5 b 6 b 7 P V = 0 1 1 0 1 0 1 0 Eşlik biti (Çift eşlik denetimi İçin) (a) V harfinin ASCII kodu karşılığı Mantıksal 1 Mantısal 0 boş lsb msb P boş 0 1 1 0 1 0 1 0 Başla biti Dur biti (b) V harfinin ASCII kodunda asenkron iletimi için mantık düzeyleri Şekil 3.35 V harfinin ASCII kodunda asenkron iletimi 75 Veri İletim Türleri (10) ASCII karakterlerinin asenkron (eşzamansız) iletimi. Her karakterin başında başla biti ile eşzamanlama yenilendiği için, eşzaman kaybından doğacak hatalar engellenir. Boş Başla biti Eşlik biti Dur biti Başla biti Eşlik biti 0 b 1 b 2 b 3 b 4 b 5 b 6 b 7 P 1 0 b 1 b 2 b 3 b 4 b 5 b 6 b 7 P 1 Dur biti Boş 1. karakter 2. karakter Şekil 3.36 Asenkron iletim ile ASCII kodlu karakterlerin art arda iletilmesi 76 38
25.02.2015 Veri İletim Türleri (11) Senkron İletim (Synchronous Transmission) Senkron (eşzamanlı) iletim, saat darbelerinin gönderici tarafından ya da merkezi bir birim tarafından alıcıya gönderildiği seri iletim türüdür. Senkron iletimde eşzamanlamayı sağlamak için uygulanan üç temel yöntem vardır: 1. Saat işaretinin göndericiye ve alıcıya merkezi bir birim tarafından gönderilmesi, 2. Saat işaretinin alıcıya gönderici tarafından ayrı bir kanal üzerinden gönderilmesi, 3. Saat işaretinin alıcıya gönderici tarafından verinin bir bileşeni olarak gönderilmesi. 77 Senkron İletim (devamı) Veri İletim Türleri (12) Saat işaretinin göndericiye ve alıcıya merkezi bir birim tarafından gönderilmesi, yüksek maliyetli olup genellikle büyük hacimlerdeki veri iletimi ve yüksek hızlardaki iletişim sistemleri için uygulanır. Saat işaretinin alıcıya gönderici tarafından ayrı bir kanal üzerinden gönderilmesi yöntemi, saat işaretinin alıcıya gönderilmesi için ayrı bir iletim kanalı kullandığından, kanal kapasitesinin veri iletim hızından büyük olduğu durumlarda kullanılabilir. Saat işaretinin alıcıya gönderici tarafından verinin bir bileşeni olarak gönderilmesi yöntemi, Saat işareti alıcıya gelen verinin içinden çekilip çıkartılarak elde edildiği için yaygın olarak kullanılır ve en verimli eşzamanlama yöntemidir. Bu eşzamanlama yöntemi Timing Extraction (zamanlamanın çekilip çıkartılması) ya da Clock Recovery (saat darbelerini geri kazanımı) olarak bilinir. 78 39
25.02.2015 Senkron İletim (devamı) Veri İletim Türleri (13) Sayısal işaretlerin iletiminde, saat işaretinin veri işareti içine gömülmesi için Manchester ve Differential Manchester kodlama yöntemleri yaygın olarak kullanılır. Bu yöntemde alıcı, ikili kodla gelen veri işaretini, saat işareti frekansına ayarlanmış yüksek Q çarpanlı bir rezonans devresinden ya da bir faz kilitleme devresinden geçirerek göndericinin saat işareti ile eşzamanlı bir saat işareti elde eder. Senkron veri iletimini iki grup altında inceleyebiliriz: Karakter yapılı iletim (character-oriented transmission), Bit yapılı iletim (bit-oriented transmission). 79 Senkron İletim (devamı) Karakter yapılı iletimde, Veri İletim Türleri (14) Gönderici, göndereceği karakter bloğunun (kontrol ve/veya veri karakterlerinden oluşan bir karakter grubu) başlangıcını ve bitimini alıcıya belirtmek için, karakter bloğunun başına ön ek (preamble) ve sonuna son ek (postamble) adı verilen ve özel karakterlerden oluşun eşzamanlama karakterleri ekler. Örneğin, eşzamanlama karakterleri olarak art arda bir ya da daha fazla SYN karakterleri kullanılabilir. SYN karakterlerinden sonra gelen ilk farklı karakter gönderilen karakter bloğunun başlangıcını belirtir. Art arda gönderilen SYN karakterleri hattın boş olduğunu gösterir. 80 40
Senkron İletim (devamı) Karakter yapılı iletimde, Veri İletim Türleri (15) Eşzamanlama için kullanılan ön ek ve son ek ile gönderilen karakter bloğunun tamamı bir karakter yapılı çerçeve (character-oriented frame) olarak tanımlanır. Karakter bloklarının art arda gönderilmesi durumunda, sadece ön ek kullanmak yeterlidir. Veri ve denetim bloklarında eşzamanlama karakterine rastlanmasını önlemek için göndericide ve alıcıda karakter doldurma (character stuffing) gibi yöntemler kullanılır. 81 Senkron İletim (devamı) Veri İletim Türleri (16) Bit yapılı iletimde, Bir bit katarının başlangıcını ve bitimini alıcıya belirtmek için, göndereceği bit katarının başına ve sonuna bayrak (flag) adı verilen özel kodlar ekler. Bit yapılı iletimde, bayrak olarak genellikle 8 bit den oluşan 01111110 kodu kullanılır. Art arda gönderilen bayraklar hattın boş olduğunu gösterir. Eşzamanlama için kullanılan bayraklar ile veri bitleri katarının tamamı bir bit yapılı çerçeve (bit-oriented frame) olarak tanımlanır. Veri ve denetim bloklarında bayrak karakterine rastlanmasını önlemek için göndericide ve alıcıda bit doldurma (bit stuffing) gibi yöntemler kullanılır. 82 41
Veri İletim Türleri (17) Önek SYN Öbek denetim damgaları ve veri (a) Karakter yapılı çerçeve Sonek SYN Önek Sonek 01111110 01111110 Bayrak (b) Bit yapılı çerçeve Bayrak Şekil 3.37 Karakter yapılı ve bit yapılı çerçeveler 83 Her karakter için başla ve dur biti göndermek yerine, karakter bloklarının tümü için bir önek ve sonek gönderildiğinden, asenkron iletime göre, senkron iletimde verimlilik daha yüksektir. Örneğin, Veri İletim Türleri (18) ASCII kodunun kullanıldığı asenkron iletimde 1 başla biti, 1 dur biti ve 1 eşlik biti de gönderileceğinden, 3/10=30% fazlalık taşınacaktır. Ya da iletim verimliliği, 7/10 = 70% olacaktır. Öte yandan senkron iletimin yapıldığı ve 48 denetim bitinin kullanıldığı toplam 1 000 lik bir bit-yapılı çerçevede (HDLC çerçevesi), fazlalık 48/1000 = 4.8%, iletim verimliliği ise 952/1000 = 95.2% olarak bulunur. 84 42
İletim Ortamından Kaynaklana İstenmeyen Etkenler (1) İletişimde, gönderilen işaret iletim ortamı tarafından yaratılan istenmeyen etkenlerin etkisi altında kalır. Başlıca etkenleri şöyle sıralanabilir: 1. Gürültü (noise) 2. Zayıflama (attenuation) 3. Bozulma (distorsion) 4. Girişim (interference) 85 Gürültü (Noise) Beklenmedik bir şekilde oluşan istenmeyen rasgele elektriksel değişiklikler elektriksel gürültü (ya da kısaca gürültü) olarak tanımlanır. Bunlara parazit de denilmektedir. Gürültü kaynakları, Sistem içi ve Sistem dışı olmak üzere iki türe ayrılır. İletim Ortamından Kaynaklana İstenmeyen Etkenler (2) 86 43
25.02.2015 İletim Ortamından Kaynaklana İstenmeyen Etkenler (3) 1. Sistem İçi Gürültü Kaynakları (Internal Noise Sources) Sistem içi gürültü kaynakları, elektrik sistemlerindeki devre elemanları ve iletkenlerdir. Bunların yarattığı istenmeyen rasgele elektriksel değişiklikler ısıl gürültü ve atış gürültüsü olmak üzere iki türe ayrılır. a) Isıl Gürültü (Thermal Noise) Elektronların iletken içindeki rasgele hareketlerinden oluşur. İletkenin sıcaklığı arttıkça serbest elektronların enerji seviyeleri artacağından iletken içindeki rasgele hareketleri artar ve bu da ısıl gürültünün artmasına neden olur. Bu gürültü ancak mutlak sıfır (-273 o C) sıcaklığında oluşmaz. 87 Sistem İçi Gürültü Kaynakları (Internal Noise Sources) (b) İletim Ortamından Kaynaklana İstenmeyen Etkenler (4) Atış Gürültüsü (Shot Noise) Transistör ve diyot gibi yarı-iletken öğelerin p-n eklemlerinde elektronların rasgele hareketleri sonucunda oluşan rasgele elektriksel değişmelerdir. Uygulamada önlemler alınarak sistem içi gürültü azaltılabilir, ancak tamamen yok edilemez. 88 44
İletim Ortamından Kaynaklana İstenmeyen Etkenler (5) 2. Sistem Dışı Gürültü Kaynakları (External Noise Sources) istem dışı gürültü kaynakları, elektriksel sistemin içinde bulunduğu ortam tarafından yaratılan ve elektriksel sistemde istenmeyen rasgele elektriksel değişmelere neden olabilen olaylardır. Yıldırım düşmeleri ve şimşek çakmaları Elektriksel fırtınalar Güneş patlamaları Elektrikle çalışan aygıtların hatalı kontaklarında oluşan arklar Floresan lambaları Elektrik motorlarının çalışmaları Uygun önlemler alınırsa bu tür kaynaklardan oluşan gürültü en aza indirilebilir ya da uygulamaya bağlı olarak bunlardan engellenebilir. 89 İletim Ortamından Kaynaklana İstenmeyen Etkenler (6) Gürültü iletim hızını sınırlayan en önemli etkenlerden biridir. İletişimde gürültünün etkilerini azaltmanın yanı sıra, asıl önemli olan, işaret gücünün gürültü gücüne oranı olan SNR (Signal-to- Noise Ratio) nin arttırılmasıdır. SNR = İşaret gücü / Gürültü gücü İletişimde verici ile alıcı arasındaki uzaklık arttıkça, işaret gücü azalır buna karşılık gürültü gücü artar. Bu nedenle iletim ortamının uzunluğu arttıkça SNR azalır. İletim ortamında zayıflamış olan işaretin gücünü arttırmak için yükselteç kullandığımızda, işaret gücü ile birlikte gürültü gücünü de arttırmış oluruz. Buna ilave olarak yükseltecin yarattığı gürültü SNR nin daha da azalmasına sebep olur. Bu nedenle sayısal iletişim tercih edilmekte ve yaklaşık her 2 km de bir tekrarlayıcı (repeater) kullanılmaktadır. 90 45
İletim Ortamından Kaynaklana İstenmeyen Etkenler (7) Gönderici Çıkışı Tekrarlayıcı Girişi Tekrarlayıcı Çıkışı Alıcı Girişi Alıcı Çıkışı Gönderici Tekrarlayıcı Alıcı İletim Ortamı İletim Ortamı Şekil 3.38 Sayısal işaretin tekrarlayıcı ve alıcıda yeniden üretilmesi 91 İletim Ortamından Kaynaklana İstenmeyen Etkenler (8) Yeniden üretme özelliği olan bir tekrarlayıcıda karar verme devresi 0 yerine 1 alındığına karar verirse (ya da tersi), bir iletim hatası oluşmuş demektir. Yanlış karar verme olasılığı sistemin başarım (performans) ölçütüdür. Karar verme devresinin girişindeki SNR yüksek ise yanlış karar verme olasılığı düşüktür. Yanlış yapma olasılığı azaldıkça, sistemin başarımı artar. Alıcıda çözücü (demodulator) çıkışındaki SNR ne kadar yüksek olursa, gelen işaretin 0 ya da 1 olduğuna karar vermede yapılacak yanılgı o kadar az olur. Bunun için alıcı girişlerinde özel süzgeçler kullanılır (optimum filters, örneğin uyumlu süzgeç: matched filter). 92 46
25.02.2015 Zayıflama (Attenuation) İletim Ortamından Kaynaklana İstenmeyen Etkenler (9) Zayıflama, iletim ortamında ilerleyen elektriksel işaretin gücünün azalması demektir. Buna iletim kaybı (transmission loss) da denir. İletim ortamında kat edilen mesafe ve işaretin frekansı arttıkça işaretin zayıflaması da artar. Zayıflamanın etkilerini azaltmak için iletim ortamında tekrarlayıcılar (repeaters) ve dengeleyiciler (equalizers) kullanılır. Özel filtrelerin genlik ve faz karakteristikleri ortamın genlik ve faz karakteristiklerinin yarattığı bozulmayı telafi edecek şekilde seçilir. 93 Bozulma (Distorsion) İletim ortamınında ya da iletişimde yer alan sistemlerin eksik tepki (response) vermeleri sonucunda oluşan dalga şekli değişikliklerine bozulma denir. Bozulmaya neden olan etkenler: İletim Ortamından Kaynaklana İstenmeyen Etkenler (10) Sistemin bantgenişliğinin yetersiz olması, Sisteme uygulanan elektriksel enerji seviyesi değişikliklerine yeteri kadar hızlı uyum sağlayamaması Bu bozulmalar sistemde enerji depolayan öğelerin (kapasitör ve endüktör gibi) bulunmasından ya da iç yapılarında bu öğeler gibi özellik gösteren sistemlerden kaynaklanır. Örneğin, iki telden oluşan bir iletim hattı direnç özelliğinin yanı sıra kapasitif ve endüktif özellik de gösterir. Direnç özelliği nedeniyle zayıflamaya, kapasitif ve endüktif özelliği nedeniyle de bozulmaya sebep olur. 94 47