UYDU İLETİŞİMİ GİRİŞ 1960 lı yılların başında, Amerikan Telefn ve Telgraf Şirketi (AT&T), ileri tasarımlı birkaç güçlü uydunun, AT&T uzak mesafe iletişim ağının tümünden daha yğun bir iletişim trafiği gerçekleştirebileceğini gösteren incelemeler yayınladı. Bu uyduların maliyetinin, bunlara eşdeğer yeryüzü mikrdalga sistemlerinin maliyetinin çk küçük bir kısmını luşturacağı hesaplanmıştı. Ne yazık ki AT&T bir kamu hizmet şirketi lduğu için, hükümetin getirdiği yasal düzenlemeler, AT&T nin uydu sistemleri geliştirmesine engel ldu. Uydu sistemleri geliştirme işi daha küçük ve çk daha az bütçeli şirketlere bırakıldı ve AT&T her yıl klasik yeryüzü mikr dalga sistemlerine milyarlarca dlarlık yatırımlar yapmayı sürdürdü. Bu nedenle, uydu teknljisindeki ilk gelişmeler yavaş ilerledi. Yıllar geçtikçe birçk tüketim maddesinin ve hizmetin fiyatı önemli ölçüde arttı; buna karşılık, her geçen yıl uydu iletişim hizmetlerinin fiyatları düştü. Birçk durumda uydu sistemleri, denizaltı kabllarından, yeraltına gömülmüş yeraltı kabllarından, görüş hattı mikrdalga radydan, trpsferik difüzynlu radydan ya da fiber ptik sistemlerden daha esnek sistemlerdir. Temel larak uydu, gökte bulunan bir rady tekrarlayıcısıdır (transpndef). Bir uydu sistemi şunlardan luşur: bir transpnder, uydunun çalışmasını denetleyecek yeryüzünde kurulmuş bir istasyn ve uydu sistemi aracılığıyla gerçekleştirilen iletişim trafiğinin iletimi ve alımı için gerekli tesisleri sağlayan yer istasynlarından luşan bir kullanıcı ağı. Uydu iletimleri yl ya da yük larak sınıflandırılır. Yl, yük çalışmasını destekleyen denetim mekanizmalarını içerir. Yük, sistemde taşınan gerçek kullanıcı bilgisidir. Her ne kadar sn yıllarda yeni veri hizmetlerine ve televizyn yayıncılığına lan talep artmışsa da, hâlâ uydu yükünün asıl kısmını klasik telefn knuşma sinyallerinin iletimi (analg ya da sayısal biçimde) luşturmaktadır. UYDULARIN TARİHİ En basit uydu türü, pasif yansıtıcıdır, pasif yansıtıcı, bir sinyali bir yerden bir başkasına sıçratan bir aygıttır. Ay, yeryüzünün dğal bir uydusudur; dlayısıyla, 1940 lı yılların snları ile 1950 li yılların başlarında, ay ilk uydu transpnderi haline gelmiştir. 1954 te A.B.D. Deniz Kuvvetleri, bu yeryüzünden-aya-aydan-yeryüzüne röle üzerinden ilk mesajları başarıyla iletmiştir. 1956 da Washingtn D.C. ile Havvaii arasında bir röle servisi kurulmuş ve bu servis 1962 yılına kadar güvenilir uzak mesafeli iletişim hizmeti vermiştir. Bu iletişim hizmetini sınırlayan tek şey, ayın iletime uygun knumda bulunup bulunmamasıydı. 1957 yılında, Rusya ilk aktif yeryüzü uydusu lan Sputnik I i fırlattı. Aktif bir uydu, yer istasynlarından bilgi alabilir, bilgiyi yükseltebilir ve yer istasynlarına tekrar iletebilir. Sputnik I, 21 gün byunca telemetri bilgisi iletti. Aynı yıl içinde daha snraki bir tarihte, Amerika Birleşik Devletleri Explrer I i uzaya fırlattı; bu uydu yaklaşık 5 ay byunca telemetri bilgisi iletti.
1958 yılında NASA, 150 pund (yaklaşık 68 kg) ağırlığında kni biçimli bir uydu lan Scre u fırlattı. Araçtaki bir bant kaydından Scre, Başkan Eisenhwer ın 1958 Nel knuşmasını yeniden yayınladı. Yeryüzü iletişimini bir uydu aracılığıyla aktarmak için kullanılan ilk yapay uydu Scre lmuştur. Scre, gecikmeli tekrarlayıcı bir uyduydu; yer istasynlarından mesajları alıyr, manyetik bir bantta saklıyr ve yörüngesinde bir süre ilerledikten snra yer istasynlarına bu mesajları tekrar yayınlıyrdu. 1960 yılında NASA, Bell Telefn Labratuarları ve Jet Prpulsin Labratry ile rtaklaşa bir çalışmayla Ech yu fırlattı; Ech, alüminyum kaplamalı 30 metre çapında plastik bir balndu. Ech, büyük bir yeryüzü anteninden rady sinyallerini pasif bir biçimde yansıtıyrdu. Ech, basit ve güvenilir bir araçtı, ancak yeryüzü istasynlarında aşırı yüksek güçlü vericiler gerektiriyrdu. Bir uydu transpnderinden yararlanılarak yapılan ilk kyanus ötesi iletim, Ech kullanılarak gerçekleştirildi. Ayrıca 1960 yılında A.B.D. Savunma Bakanlığı Curier ı fırlattı. Curier, 3 W lık güçle iletim yapıyrdu ve yalnızca 17 gün süreyle hizmet verdi. 1962 yılında AT&T, Telstar I i fırlattı; Telstar I, aynı anda alan ve ileten ilk uyduydu. Telstar I deki elektrnik dnanım, yeni keşfedilmiş lan Van Ailen kuşaklarından yayılan radyasyn nedeniyle hasara uğradı; dlayısıyla, yalnızca birkaç haftalık süreyle hizmet verebildi. Telstar II, elektrnik dnanım açısından Telstar I ile özdeşti, ancak radyasyna karşı daha dirençliydi. Telstar II, 1963 yılında başarılı bir biçimde fırlatıldı. Bu uydu, telefn, televizyn, faks ve veri iletimlerinde kullanılıyrdu. İlk başarılı kyanus ötesi görüntü sinyalleri iletimi, Telstar II ile gerçekleştirildi. Bu ilk dönem uyduları arasında hem aktif hem de pasif lanları vardı. Pasif bir uydu, bir sinyali yeryüzüne yalnızca geri yansıtan bir uydudur; uyduda sinyali yükseltecek ya da tekrarlayacak kazanç aygıtları yktur. Aktif bir uydu ise bir sinyali elektrnik larak tekrarlamak suretiyle yeryüzüne geri gönderir (yani, sinyali alır, yükseltir ve tekrar iletir). Pasif uyduların avantajlarından biri, uyduda gelişkin elektrnik dnanımın gerekli lmamasıdır; bu, her zaman pasif uyduların güçten yksun lduklarını göstermez. Bazı pasif uydularda, izleme ve aralıkla ilgili gereklilikleri yerine getirmek üzere bir rady fener vericisinin bulunması gerekir. Fener, bir yer istasynunun kilitlenebileceği ve antenlerini ayarlamak üzere ya da uydunun yerini tam larak belirlemek üzere kullanabileceği sürekli larak iletilen mdüle edilmemiş bir taşıyıcıdır. Pasif uyduların bir dezavantajı, iletilen gücü verimsiz bir şekilde kullanmalarıdır. Örneğin, Ech da yer istasynundan iletilen her 10 18 birimlik gücün yalnızca l birimlik kısmı yer istasynunun alma antenine geri gönderiliyrdu. YÖRÜNGESEL UYDULAR Bu ana kadar sözü edilen uydular, yörüngesel ya da senkrn lmayan uydu türleridir. Yani bu uydular, dünyanın çevresinde alçak yükseklikte eliptik veya dairesel bir patern izleyerek, dünyanın açısal hızından daha yüksek (ileriye dğru) ya da daha düşük (geriye dğru) bir açısal hızla dönerler. Dlayısıyla, yörüngesel uydular sürekli larak Yeryüzü ne ranla zaman açısından daha ileri giderler ya da daha geride kalırlar ve Yeryüzü nün herhangi
bir nktasına göre durağan kalmazlar. Böylece, yer istasynları uyduyu ancak yörüngede uygun bir knumda lduğunda kullanabilir; bu süre, yörünge başına 15 dakika gibi az bir süre bile labilmektedir. Yörüngesel uyduların bir başka dezavantajı, yer istasynlarında karmaşık ve pahalı izleme dnanımı gereksinimi yaratmalarıdır. Yeryüzü istasynları, her yörünge süresince uydu görüş alanına girdiğinde uydunun yerini saptamalı, snra antenini uyduya kilitlemeli ve uydu istasynun üzerinden geçerken nu izlemelidir. Yörüngesel uyduların önemli avantajlarından biri, kendi yörüngelerinde kalabilmek için tepkili rket gerektirmemeleridir. Daha ilginç yörüngesel uydu sistemlerinden biri, Svyet Mlniya sistemidir. Mlniya, halen kullanımdaki tek senkrn lmayan yörüngeli ticari uydu sistemidir. Mlniya nın yörüngesi, yerötesi yaklaşık 40,000 km; yerberisi ise yaklaşık 1000 km lan ldukça eliptik bir yörüngedir (bakınız Şekil 20-1). Yeröte, bir uydu yörüngesinin yeryüzüne lan maksimum uzaklığıdır; yerberi ise yeryüzüne lan minimum u/.aklığıdır. Mlniya sisteminde, yeröteye kuzey yarımkürenin üzerindeyken, yerberiye ise güney yarımkürenin üzerindeyken ulaşılır. Elipsin büyüklüğü, uydunun perydu bir yıldız gününün (dünyanın aynı meridyenden art arda iki üst geçişi arasında geçen süre) yansı lacak şekilde seçilmiştir. Benzersiz yörüngesel paterni sayesinde, Mlniya uydusu dünyanın dönüşüyle eşzamanlıdır. 12 saatlik yörüngesi esnasında. Mlniya kuzey yarımkürenin üzerinde yaklaşık 11 saat kalır. ŞEKİL 20-1 Svyet Mlniya uydusunun yörüngesi. SENKRON UYDULAR Senkrn uydular, yörüngede, Yeryüzü nün açısal hızına eşit bir açısal hızla dairesel bir patern izleyerek dönen uydulardır. Dlayısıyla, senkrn uydular Yeryüzü ndeki belli bir nktaya göre sabit bir knumda kalırlar. Bu uyduların bariz bir avantajı, kendi gölgelen dahilindeki bütün yer istasynları tarafından devamlı (% 100 lük bir süre) kullanılabilir lmalarıdır. Bir uydunun gölgesi, bu uyduya bir görüş hattı lan ve uydunun antenlerinin yayılım paterni dahilinde yer alan bütün yer istasynlarını içerir. Bu uyduların bariz bir dezavantajı, kendilerini sabit bir yörüngede tutacak gelişkin ve ağır, tepkili aygıtlar gerektirmeleridir. Senkrn bir uydunun yörüngesel süresi 24 saat lup, Yeryüzü nünki ile aynıdır. Şubat 1963 de fırlatılan Syncm I, senkrn bir uyduyu yörüngeye yerleştirme ylunda gösterilmiş ilk çabaydı. Syncm I, yörüngeye yerleşme esnasında kaybldu. Syncm II Şubat 1963 te, Syncm III de Ağusts 1964 te başarılı bir biçimde fırlatıldı. Syncm III uydusu,
1964 Olimpiyat Oyunlarını Tky dan yayınlamada kullanıldı. Syncm prjeleri, iletişimde senkrn uyduların kullanılabileceğini kanıtlamıştır. Syncm prjelerinden bu yana, birçk ülke ve özel kuruluş başarılı bir biçimde uydular fırlattılar; bu uydular, halen gerek ulusal gerekse bölgesel ve uluslararası yerküresel iletişimi sağlamada kullanılmaktadır. Bugün dünyada çalışır halde lan 80 in üzerinde uydu iletişim sistemi bulunmaktadır. Bu uydular dünya çapında sabit rtak taşıyıcılı telefn ve veri devreleri; nktadan nktaya kabllu televizyn (CATV); ağ televizyn dağılımı; müzik yayını; mbil telefn hizmeti ve şirketler, devlet daireleri ve askeri uygulamalar için özel ağlar sağlamaktadır. Intel sat (Uluslararası Telekmünikasyn Uydu Organizasynu) adıyla bilinen bir ulusararası ticari uydu ağının mülkiyeti, 100 dcn fazla ülkenin elindedir ve ağ bu ülkelerin luşturduğu bir knsrsiyum aracılığıyla yönetilmektedir. Intelsat, her ülkede ülkenin atadığı iletişim kurumları tarafından idare edilir. Intelsat ağı üye ülkelerine yüksek nitelikli, güvenilir hizmet sağlamakladır. Tabl 20-1 de, günümüzde mevcut uluslararası ve ulusal uydu sistemlerinin kısmi bir listesiyle bunların başlıca yükleri verilmiştir. TABLO 20-1 MEVCUT UYDU İLETİŞİM SİSTEMLERİ Karakteristik Sistem Westar Intelsat V SBS Fleetsatcm Operatör Western Intelsat Uydu İş A.B.D. Unin Sistemleri Savunma Telegraph Bakanlığı Anik D Telsat Kanada Frenakns bandı C C ve Ku Ku UHF, X C, Ku Kapsam alanı Cnsus Yerküresel, bölgesel, nktasal Cnsus Yerküresel Kanada, A.B.D. nin kuzeyi Transpnder 12 21 10 12 24 sayısı Transpnder 36 36-37 43 0.005-0.5 36 BW (MHz) EIRP (dbw) 33 23.5-29 40-43.7 26-28 36 Çklu erişim FDMA, TDMA TDMA FDMA FDMA FDMA, TDMA, yeniden, kullanım Mdülasyn FM, OPSK FDM/FM, QPSK scpc Hizmet Sabit tele, TTY C-bandı: 3.4-6.425 GHz Ku-bandı: 10.95-14.5 GHz X-bandı: 7.25-8.4 GHz TTY teletype TVD TV dağılımı FDMA TDMA Cnsus Sabit tele, TVD frekans bölmeli çklu erişim zaman bölmeli çklu erişim kıtasal Birleşik Devletler QPSK FM, QPSK FDM, FM, FM/TDV, Sabit tele, TVD Mbil askeri Sabit tele
YÖRÜNGESEL PATERNLER Bir kez fırlatıldıktan snra bir uydu yörüngesinde kalmaktadır, çünkü yeryüzü çevresindeki dönüşünün neden lduğu merkezkaç kuvveti, yeryüzünün çekim gücü tarafından dengelenmektedir. Uydu dünyaya ne kadar yakın dönüyrsa, yerçekimi gücü ve uyduyu yeryüzünün çekim gücüne kapılmaktan krumak için gereken hız kadar fazla lur. Yerküreye yakın (160 ile 480 kilmetre arası yükseklikte) dönen alçak yükseklikteki uydular, saatte yaklaşık 28.000 kilmetre hızla ilerlerler. Uydunun bu hızla bütün dünyanın çevresini dlaşması, yaklaşık 1 2 1 saat sürer. Dlayısıyla, uydunun belli bir yer istasynunun görüş hattında bulunduğu süre yörünge basma yalnızca 4 1 saat ya da daha azdır. Orta yükseklikteki uyduların (9500 kilmetre 19.000 kilmetre arası yükseldikte) dönme perydları, 5 saat ile 12 saat arasıdır ve bu uydular, bir istasynun görüş hattında yörünge başına 2 saat ile 4 saat arası kalırlar. Yüksek yükseklikteki senkrn uydular (30.000 kilmetre ile 40.000 kilmetre arası yükseklikte), saatte yaklaşık 11,000 kilmetre hızla dönerler ve 24 saatlik bir dönme peryduna sahiptirler, bu da dünyanın dönme perydu ile tam larak aynıdır. Snuç larak, bu uydular belli bir yer istasynuna göre sabit kalırlar ve 24 saat byunca kullanılabilmeleri mümkün lur. Şekil 20-2, alçak, rta ve yüksek yükseklikteki uydu yörüngelerini göstermektedir. Ayni uzaklıkta yerleştirilmiş, yüksek yükseklikli, dünya çevresinde ekvatrun üstünde dönen üç senkrn uydunun, kuzey ve güney kutuplanılın insan yerleşimi lmayan alanları dışında bütün yeryüzünü kapsadığı görülebilir. Şekil 20-2 Uydu yörüngeleri: (a) alçak yükseklik (dairesel yörünge. (160-480) kilmetre); (b) rta yükseklik (eliptik yörünge, 9500-19.000 kilmetre); (c) yüksek yükseklik (senkrn yörünge, 30,000-40,000 kilmetre). Şekil 20-3, dünyanın çevresinde dönerken bir uydunun izleyebileceği üç ylu göstermektedir. Uydu ekvatrun üstündeki bir yörüngede döndüğünde, buna ekvatr yörüngesi denir. Uydu, kuzey ve güney kutuplarının üstündeki bir yörüngede döndüğünde, buna kutup yörüngesi denir. Bu yörüngeler dışındaki tüm yörüngelere, eğimli yörünge denir. Dikkati çeken ilginç bir nkta, kutup yörüngesindeki tek bir uydunun dünya yüzeyinin % 100 ünü kapsayabilmesidir. Uydu, dünya çevresinde bylamasına bir yörüngede; dünya ise enlemesine bir eksen üzerinde döner. Dlayısıyla, uydunun yayılım paterni dünyanın
çevresinde diyagnal bir spiral şeklindedir. Snuç larak, yeryüzündeki her nkta günde iki kez uydunun yayılım paterni içine girer. ŞEKİL 20-3 Uydu yörüngeleri. ÖZET Senkrn Yörüngelerin Avantajları 1. Uydu belli bir yer istasynuna göre hemen hemen durağan kalır. Dlayısıyla, yer istasynlarında pahalı izleme dnanımına gerek yktur. 2. Bir uydudan bir başkasına geçmeye gerek lmaz, çünkü uydular yörüngelerini takip ederken hep yukarıdadır. Dlayısıyla, iletimde anahtarlama süreleri nedeniyle kesintiler lmaz. 3. Yüksek yükseklikteki senkrn uydular, alçak yükseldikteki yörüngesel benzerlerine ranla yeryüzünün çk daha geniş bir alanına ulaşabilirler. 4. Dppler etkisi ihmal edilebilir. Senkrn Yörüngelerin Dezavantajları 1.Yüksek yüksekliklerdeki senkrn uydularda yayınım süreleri çk daha uzundur. Senkrn bir uydu aracılığıyla iletişim kuran iki yer istasynu arasında sinyallerin gidip gelmesi arasında yayınım gecikmesi 500 ile 600 ms dir. 2. Daha uzun mesafeleri ve daha büyük yl kayıpları nedeniyle senkrn uydular daha yüksek iletim güçleri ve daha duyarlı alıcılar gerektirirler. 3. Bir senkrn uyduyu yörüngeye yerleştirmek ve rada utmak, uzayla ilgili çk kesin hesaplamalar ve yüksek düzeyde uzmanlık gerektirir. Ayrıca, bu uyduları kendi yörüngelerinde tutmak için uyduda tepkili mtrlar bulunmalıdır.
ŞEKİL 20-4 Azimut ve yükseklik açısı: bakış açıları. BAKIŞ AÇILARI Bir anteni bir uyduya yönlendirmek için, yükseklik açısını ve azimutu bilmek gerekmektedir (Şekil 20-4). Bunlara bakış açılan denir. Yükseklik açısı Yükseklik açısı, bir yer istasynu anteninden yayılan bir dalganın düzlemi ile ufuk arasındaki açıya veya yer istasynu anteniyle uydu arasındaki dğrunun yer istasynu anteniyle yeryüzü ufku arasındaki dğruyla luşturduğu açıya denir. Yükseklik açısı ne kadar küçük lursa, yayınım yapan dalganın yeryüzü atmsferinde kat etmesi gereken mesafe kadar büyük lur. Yeryüzü atmsferi byunca yayılan herhangi bir dalgada lduğu gibi, dalga sğurmaya maruz kalır, ayrıca gürültü tarafından ciddi bir biçimde bzulabilir. Dlayısıyla, yükseklik açısı çk küçük ve dalganın yeryüzü atmsferi içinde kat ettiği mesafe çk uzun lursa, dalga, iletimin yetersiz lmasına neden lacak kadar nitelik kaybına uğrayabilir. Genel larak 5, kabul edilebilir minimum yükseklik açısı larak değerlendirilir. Şekil 20-5, yükseklik açısının, nrmal atmsferik sğurma, yğun sisden kaynaklanan sğurma ve şiddetli yağmurdan kaynaklanan sğurma yüzünden yayınım yapan dalganın sinyal kuvvetini nasıl etkilediğini göstermektedir. 14/12 GHz bandın (Şekil 20-5b), 6/4 GHz banttan (Şekil 20-5a) daha ciddi bir etkiye maruz kaldığı görülebilir. Bunun nedeni, daha yüksek frekanslarda dalga bylarının daha küçük lmasıdır. Ayrıca, 5 den daha düşük yükseklik açılarında zayıflama çk çabuk artar. Azimut Azimut, bir antenin yatay bakma açısı larak tanımlanır. Gerçek kuzeyden derece larak saat yönünde ölçülür. Hem yükseklik açısı hem azimut, yer istasynunun enlemine ve yer
istasynu ile yörüngedeki uydunun bylamına bağlıdır. Ekvatr yörüngesindeki bir senkrn uydu için ölçme işlemi şu şekilde yapılır: iyi bir haritadan, yer istasynunun enlemini ve bylamını bulun. Tabl 20-2 den, uydunun bylamını bulun. Uydunun bylamı ile yer istasynunun bylamı arasındaki farkı derece cinsinden (AL) hesaplayın. Snra, Şekil 20-6 dan antenin azimutunu ve yükseklik açısını bulun. Şekil 20-6, ekvatr yörüngesinde senkrn bir uydu içindir. Tabl 20-2 Bir Ekvatr Yayında Knumlandırılmış Günümüzde Kullanılan Çeşitli Senkrn Uyduların Bylamsal Knumları Uydu Bylam ( W) Anik 1 104 Anik 2 109 Anik 3 114 Westar I 99 Westar II 123.5 Westar III 91 Satcm 1 135 Satcm 2 119 Cmstar D2 95 Palapa 1 277 Palapa 2 283 a 0 enlem. ÖRNEK 20-1 Texas eyaletinin Hustn kentinde bylamı 95.5 W ve enlemi 29.5 N lan bir yer istasynu bulunmaktadır. Bu örnek için uydu, RCA ya ait, bylamı 135 W lan Sat-cm 1 dir. Yer istasynu anteninin azimutunu ve yükseklik açısını bulun. Çözüm Önce, uydunun bylamı yer istasynunun bylamı ile arasındaki farkı bulun. L = 135-95.5 = 39.5 Şekil 20-6 dan, L ile yer istasynunun enleminin kesiştikleri nktayı bulun. Şekilden yükseklik açısının yaklaşık 35, azimutun ise güneyin yaklaşık 59 batısında lduğu görülmektedir.
Şekil 20-5 Atmsferik sğumaya bağlı zayıflama: (a) 6/4 GHz bant; (b) 14/12 GHz bant. YÖRÜNGE ARALIKLARI VE FREKANS TAHSİSİ Senkrn uydular, senkrn bir yörüngenin belli bir yayı içinde sınırlı bir alanı ve frekans tayfını paylaşmak zrundadırlar. Birbirine yakın ya da aynı frekansta çalışan uyduların iletimlerinin birbirleriyle karışmasının önlemek için, uydular uzayda birbirlerinden yelerince uzakta bulundurulmalıdır (Şekil 20-7). Uzaydaki belli bir alan içinde knumlandırılabilecek (yerleştirilebilecek) uydu yapılarının sayısı için fiziksel kşullardan kaynaklanan bir sınırlama söz knusudur. Gereken uzaysal ayırma şu değişkenlere bağlıdır: 1. Hem yer istasynunun hem uydu antenlerinin huzme genişlikleri ve yan lb yayılımı 2. RF taşıyıcı frekansı 3. Kullanılan kdlama ya da mdülasyn tekniği 4. Kabul edilebilir girişim sınırları 5. Gönderme taşıyıcı gücü
Genel larak, yukarıda belirtilen değişkenlere bağlı lmak kaydıyla 3 ile 6 arası uzaysal ayırma gerekmektedir. Uydu iletişiminde kullanılan en yaygın taşıyıcı frekansları, 6/4 GHz bandı ile 14/12 GH/. bandıdır. İlk sayı çıkarma hattı (yer istasynundan transpndere) frekansını; ikinci sayı ise indirme hattı (transpnderden yer istasynuna) frekansını göstermektedir. ŞEKİL 20-6 Kuzey yarımkürede bulunan yer istasynlarının azimut ve yükseklik açısı (180 ye referanslıdır). ŞEKİL 20-7 Senkrn yörüngedeki uyduların uzaysal ayırması. Çevre tetiklemeyi önlemek üzere farklı çıkarma hattı ve indirme hattı frekansları kullanılır (19. Bölüm). Taşıyıcı frekansı ne kadar yüksek lursa, belli bir kazanç için gereken anten çapı kadar küçük lur. Çğu ulusal uydu, 6/4 GHz bandı kullanır. Ne yazık ki, bu bant aynı zamanda geniş çapta yeryüzü mikrdalga sistemleri için kullanılmaktadır. Bir uydu ağı tasarımı yapılırken, mevcut mikrdalga hatlardan ya da bu hatlarla meydana gelebilecek girişimden kaçınmaya özen gösterilmelidir.
Senkrn yörüngedeki belli knumlara öteki knumlardan daha çk talep vardır. Örneğin, Kuzey Amerika ile Avrupa yı birbirine bağlamada kullanılan Atlantik kyanusunun rtasındaki knuma aşırı yüksek bir talep vardır. Yüksek talep gösterilen bir başka knum da Pasifik kyanusunun rtasıdır. WARC (Dünya İdari Rady Knferansı) tarafından tahsis edilen frekanslar Şekil 20-8 de özetlenmiştir. Tabl 20-3, Amerika Birleşik Devletleri nde çeşitli hizmetler için kullanılabilir bant genişliklerini göstermektedir. Söz knusu hizmetler şunları kapsamaktadır: sabit nkta (yeryüzünde sabit cğrafi nktalarda yerleştirilmiş yer istasynları arasında), yayın (geniş bir alanı kapsar), mbil (yerden uzay araçlarına, gemilere ya da kara taşıtlarına) ve uydular arası (uydudan uyduya çapraz bağlantılar). YAYILIM PATERNLERİ: AYAK İZLERİ Bir uydunun hizmet verebileceği yeryüzü bölgesi, şu unsurlar tarafından belirlenir: uydunun senkrn yörüngesindeki yeri, uydunun taşıyıcı frekansı ve uydu antenlerinin kazancı. Uydu mühendisleri belli bir uzay aracı için anteni, ve taşıyıcı frekansını, sınırlı iletim gücünü yeryüzünde belirgin bir alanda yğunlaştıracak şekilde seçerler. Uydu anteninin yayılım paterninin cğrafi temsiline ayak izi denir (Şekil 20-9). Kntur çizgileri, eşit alma güç yğunluğu sınırlarını gösterir. ŞEKİL 20-8 WARC uydu frekans tahsisleri.
TABLO 20-3 AMERİKA BİRLEŞİK DEVLETLERİ NDE MEVCUT RF UYDU BANT GENİŞLİKLERİ Frekans bandı (GHz) Bant Çıkarma hattı İndirme hattı C 5.9-6.4 3.7-4.2 X 7.9-8.4 7.25-7.75 Ku 14-14.5 11.7-12.2 Ka 27-30 17-20 30-31 20-21 V 50-51 40-41 Q - 41-43 V 54-58 ISL 59-64 Bant değişikliği (MHz) 500 500 500 - - 1000 2000 3900 5000 Bir uydu anteninin yayılım paterni şu üç şekilde sınıflandırılabilir: nktasal, bölgesel ya da yerküresel (Şekil 20-10). Yerküresel kapsama antenlerinin yayılım paternleri, yaklaşık 17 lik bir huzme genişliğine sahiptir ve yeryüzünün yaklaşık üçte birini kapsayabilir. Bölgesel kapsama, yeryüzü yüzeyinin üçte birinden daha az bir alanı içerir. Nktasal huzmeler, yayılan gücü çk küçük bir cğrafi alanda yğunlaştırırlar. ŞEKİL 20-9 Uydu anten yayılım paternleri ( ayak izleri ). Yeniden Kullanma Tahsis edilen bir frekans bandı dlduğu zaman, frekans tayfının yeniden kullanılması yluyla ek kapasite gerçekleştirilebilir. Bir antenin byutları artırıldığında (yani, anten kazancı artırıldığında), antenin huzme genişliği azaltılmış lur. Böylece, aynı frekanstaki farklı huzmeler, yeryüzünün farklı cğrafi alanlarına yönlendirilebilir. Buna frekansı yeniden kullanma denmektedir. Frekansı yeniden kullanmanın bir başka yöntemi, çift plarizasyn kullanmaktır. Farklı bilgi sinyalleri farklı yer istasyn alıcılarına, sinyallerin elektrmanyetik plarizasynları dikgen (rtgnal; 90 farklı fazda) yapılmak suretiyle aynı frekans bandından iletilebilir. Çift plarizasyn daha az etkili bir yöntemdir, çünkü yeryüzü atmsferi,
atmsferden geçen elektrmanyetik bir dalganın yönünü, yani plarizasynunu değiştirme eğilimi gösterir. Yeniden kullanma, sınırlı bir bant genişliğinin kapasitesini artırmanın bir başka yludur. ŞEKİL 20-10 Hüzmeler: A, nktasal; B, bölgesel; C, yerküresel. UYDU SİSTEM HAT MODELLERİ Temel larak, bir uydu sistemi üç ana bölümden luşur: çıkarma hattı, uydu transpnderi ve indirme hattı. Çıkarma Hattı Mdeli Bir uydu sisteminin çıkarma hattındaki ana bileşen, yer istasynu vericisidir. Tipik bir yer istasynu vericisi şu öğelerden luşur: bir IF mdülatörü, bir IF den RF ye mikrdalga yükseğe dönüştürücü, bir yüksek güç yükselteci (HPA) ve sn çıkış tayfını bant sınırlamasına tabi tutmak için bir devre (yani, bir çıkış bantgeçiren filtresi). Şekil 20-11, bir uydu yer istasynu vericisinin blk diyagramını göstermektedir. IF mdülatörü, giriş temelbant sinyallerini FM, PSK ya da QAM mdülasynlu bir ara frekansa dönüştürür. Yükseğe dönüştürücü (karıştırıcı ve bantgeçiren filtre), IF yi uygun bir RF taşıyıcı frekansına dönüştürür. HPA (yüksek güç yükselteci), sinyali uydu transpnderine iletmek için gerekli giriş duyarlığını ve çıkış gücünü sağlar. Yaygın larak kullanılan HPA lar klistrnlar ve ilerleyen dalga tüpleridir.
ŞEKİL 20-11 Uydu çıkarma hattı mdeli. Transpnder Tipik bir uydu transpnderi şu öğelerden luşur: bir giriş bant sınırlama devresi (BPF), düşük gürültülü bir giriş yükselteci (LNA), bir frekans çevirici, bir alçak düzey güç yükselteci ve bir çıkış bantgeçiren filtresi. Şekil 20-12, bir uydu transpnderinin basitleştirilmiş blk diyagramını göstermektedir. Bu transpnder bir RF den RF ye tekrarlayıcıdır. Diğer transpnder düzenlemeleri, mikrdalga tekrarlayıcılarda kullanılanlara benzeyen IF ve temelbant tekrarlayıcı düzenlemeleridir. Şekil 20-12 de, giriş BPF si, LNA nın girişine uygulanan tplam gürültüyü sınırlamaktadır. (LNA larak sıkça kulandan bir aygıt, tünel diydudur.) LNA nin çıkışı, yüksek bant çıkarma hattı frekansını alçak bant indirme hattı frekansına dönüştüren bir frekans çeviriciye (bir kaydırma silatörü ve bir BPF) beslenir. Genelde bir ilerleyen dalga tüpü lan düşük düzey güç yükselteci, ŞEKİL 20-12 Uydu transpnderi. ŞEKİL 20-13 Uydu indirme hattı mdeli. RF sinyalini indirme hattından yer istasynu alıcılarına iletim için yükseltir. Her RF uydu kanalı ayrı bir transpnder gerektirir. İndirme Hattı Mdeli Bir yer istasynu alıcısı şu öğeleri içerir: bir giriş BPF si, bir LNA ve bir RF den IF ye alçağa dönüştürücü. Şekil 20-13, tipik bir yer istasynu alıcısının blk diyagramını
göstermektedir. Burada da, BPF, LNA nın giriş gürültü gücünü sınırlar. LNA, tünel diytlu yükselteç ya da parametrik yükselteç gibi yüksek duyarlıklı, düşük gürültülü bir aygıttır. RF den IF ye alçağa dönüştürücü, alınan RF sinyalini bir IF frekansına dönüştüren karıştırıcı/bantgeçiren filtreden luşur. ŞEKİL 20-14 Uydular arası hat. Çapraz Bağlantılar Zaman zaman, uydular arasında iletişimi gerekli kılan bir uygulama lur. Bu, Şekil 20-14 de gösterilen uydu çapraz bağlantılarını ya da uydular arası bağlantıları (ISL ler) kullanmak suretiyle yapılır. ISL kullanmanın bir dezavantajı, hem vericinin hem de alıcının uzayda bulunmasıdır. Dlayısıyla, hem vericinin çıkış gücü hem de alıcının giriş duyarlığı sınırlı lur. UYDU SİSTEM PARAMETRELERİ Gönderme Gücü ve Bit Enerjisi Yer istasynu vericilerinde kullanılan yüksek güç yükselteçleri ve uydu transpnderlerinde kullanılan ilerleyen dalga tüpleri, dğrusal lmayan aygıtlardır; kazançları (çıkış gücü - giriş gücü ranı), giriş sinyal düzeyine bağlıdır. Tipik bir giriş gücü/çıkış gücü karakteristik eğrisi Şekil 20-15 de gösterilmiştir. Şekilden, giriş gücü 5 db azaldığında, çıkış gücünün yalnızca 2 db azaldığı görülmektedir. Bariz bir güç sıkıştırması söz knusudur. HPA nın dğrusal lmayan yükseltmesinin yl açtığı mdülasynlar arası bzulma miktarını azaltmak için, giriş gücü birkaç db azaltılmalıdır (zayıflatılmalıdır). Bu, HPA nın daha dğrusal bir bölgede çalışmasına imkan sağlar. Giriş düzeyinin zayıflatılma miktarı bir kayıpla eşdeğerdir ve yerinde bir adlandırmayla buna zayıflama kaybı (L b ) denmektedir. Mümkün lduğu kadar verimli bir şekilde çalışabilmesi için, bir güç yükseltecinin mümkün lduğu kadar dyuma yakın çalıştırılması gerekir. Dyum çıkış gücü P (dy) ya da yalnızca P t larak adlandırılır. Tipik bir uydu yer istasynu vericisinin çıkış gücü, bir yeryüzü mikrdalga güç yükseltecinin çıkış gücünden çk daha yüksektir. Dlayısıyla, uydu sistemleri ile ilgili hesaplamalar yapılırken, P t dbm (1 mw a göre desibel) larak değil, genellikle dbw (1 W a göre desibel) larak ifade edilir.
ŞEKİL 20-15 HPA giriş/çıkış karakteristik eğrisi. Çğu mdern uydu sistemlerinde klasik frekans mdülasynu (FM) değil, ya faz kaydırmalı anahtarlama (PSK) ya da dik-açı genlik mdülasynu (QAM) kullanılır. PSK ve QAM de, giriş temelbandı genellikle sayısal nitelikte lan PCM kdlanmış,. zaman bölmeli çğullanmış bir sinyaldir. Ayrıca, PSK ve QAM de, çk sayıda bit tek bir gönderme sinyalleme öğesine kdlanabilir (baud). Dlayısıyla, taşıyıcı gücünden daha anlamlı bir parametre, enerji blü bittir (E b ). Eb matematiksel larak şöyle ifade edilir: E b = P t T b (20-1a) burada E h = tek bir bitin enerjisi (J/bit) P, = tplam taşıyıcı gücü (W) T h - tek bir bitin süresi (s) ya da T h = \IF h (burada F h bit blü saniye -bps- cinsinden bit iletim hızıdır) lduğu için, P t E b = (20-1b) Fb ÖRNEK 20-2 1000 W lık bir tplam iletim gücü (P t ) için, 50 Mbps lik bir iletim hızında enerji blü biti (E h ) bulun. Çözüm 1 Tb = F b 1 = = 0.02x10 6 50x10 bps 6 s (T b nin biriminin saniye/bit-saniye blü bit- lması gerektiği izlenimi uyanmaktadır, ancak bölü bit, T b nin bit süresinin tanımında içerilmektedir.) Değerleri 20-1 a nlu Denklemde yerine kyarsak, şu snuç çıkar: E b = loooj/s (0.02 x İÜ -6 s/bit) = 20 µj (Burada da, birimlerin J/bit -jul blü bit- lduğu izlenimi uyanmaktadır, ancak blü bit, E b nin enerji blü bit tanımında içerilmektedir.)
1000J / s = = 20 J 50x10 bps E b µ 6 Lgaritma larak ifade edildiğinde, E b = 10 lg (20 x 10 6 ) = -47 dbj Genelde Pt dbw cinsinden, E h ise dbw/bps cinsinden ifade edilir. Böylece P t = 10 lg 1000 = 30 dbw E b = P t - 10 lg F h = P t - 10 lg (50 x 10 6 ) = 30 dbw - 77 db = -47 dbw/bps ya da yalnızca -47 dbw. Etkili İztrpik Yayılan Güç Etkili İztrpik yayılan güç (EIRP), eşdeğer gönderme gücü larak tanımlanır ve matematiksel larak şöyle ifade edilir: burada burada EIRP = P r A t EIRP = etkili İztrpik yayılan güç (W) P r = bir antenden yayılan tplam güç (W) A t = gönderme anten kazancı (W/W, yani birimsiz ran) Lgaritma larak ifade edildiğinde, EIRP (dbw) = P r (dbw) + A, (db) Verici çıkışına göre P r = P t - L b - L bf Öyleyse EKP = Pt - L b L bf + A t (20-2) P t = vericinin gerçek güç çıkışı (dbw) L b = HPA nin zayıflama kayıpları (db) L bf = tplam dallanma ve besleme hattı kaybı (db) A t = gönderme anten kazancı (db) ÖRNEK 20-3 Çıkış gücü 40 dbw (10.000 W), zayıflama kaybı 3 db, dallanma ve besleme hattı kaybı 3 db ve gönderme anten kazancı 40 db lan bir yer istasynu vericisinin EIRP sini bulun. Çözüm: Değerleri 20-2 nlu Denklemde yerine kyarsak, şu snucu elde ederiz: EIRP= P t L b - L bf + A t = 40 dbw - 3 db - 3dB + 40 db = 74 dbw Eşdeğer Gürültü Sıcaklığı Yeryüzü mikrdalga sistemlerinde, bir alıcıda ya da alıcı içindeki bir bileşende meydana gelen gürültü, gürültü faktörü parametresi ile ifade edilir. Uydu iletişim sistemlerinde, gürültüyü çğunlukla bir desibelin nda biri ya da yüzde biri gibi küçük artımlara ayırmak ya
da bu artımlar halinde ölçmek gereklidir. Standart biçimiyle gürültü faktörü, böyle kesin hesaplamalar için yetersizdir. Dlayısıyla, bir uydu sisteminin perfrmansını değerlendirirken, genelde çevresel sıcaklık (T) ve eşdeğer gürültü sıcaklığı (T e ) kullanılır. 19. Bölümde tplam gürültü gücünün matematiksel ifadesi şu şekilde verilmişti: burada burada N = KTB Denklemi yeniden düzenleyip Tyi bulmak üzere çözersek, şu snucu elde ederiz: N T= KB N = tplam gürültü gücü (W) K = Bltzmann sabiti (J/K) B = bant genişliği (Hz) T = çevrenin sıcaklığı (K) Gene 19. Bölümden (19-7 nlu Denklem), Te NF = 1+ T T e = eşdeğer gürültü sıcaklığı (K) NF = gürültü faktörü (mutlak değer) T = çevrenin sıcaklığı (K) 19-7 nlu Denklemi yeniden düzenlediğimizde, şu snucu elde ederiz T e = T(NF 1) Tipik larak, uydu transpnderlerinde kullanılan alıcıların eşdeğer gürültü sıcaklıkları 1000 K civarındadır. Yer istasynu alıcılarının T e değerleri 20 K ile 1000 K arasındadır. Eşdeğer gürültü sıcaklığı, aşağıdaki gibi lgaritmik larak dbk birimiyle ifade edildiğinde, genellikle daha yararlıdır: T e (dbk) = 10 lg T e 100 K lik bir eşdeğer gürültü sıcaklığı için, T e (dbk) şu lur: T e (dbk) = 10 lg 100 ya da 20 dbk Eşdeğer gürültü sıcaklığı, hesaplanması mümkün lan, ancak ölçülemeyen varsayımsal bir değerdir. Gürültü faktörü yerine çğunlukla eşdeğer gürültü sıcaklığı kullanılır, çünkü bir aygıtın ya da bir alıcının perfrmansını değerlendirirken bu aygıt ya da alıcının neden lduğu gürültüyü ifade etmede eşdeğer gürültü sıcaklığı kullanmak, daha dğru snuçlar veren bir yöntemdir. Temel larak eşdeğer gürültü sıcaklığı (T e ), bir aygıtın ya da yükseltecin girişindeki gürültü ile aygıt tarafından dahili larak eklenen gürültünün tplamıdır. Bu, yalnızca eşdeğer giriş gürültü sıcaklığını değerlendirmek suretiyle bir aygıtın gürültü özelliklerini analiz etmemize lanak sağlar. Aşağıdaki açıklamalardan da görüleceği gibi, T e bir uydu sisteminin perfrmansını değerlendirmede çk yararlı bir parametredir.
ÖRNEK 20-4 4 ve 4.01 lik gürültü faktörlerini eşdeğer gürültü sıcaklığına dönüştürün. Çevre sıcaklığı larak 300 K kullanın. Çözüm: Değerleri 20-7 nlu Denklemde yerine kyarsak, şu snucu elde ederiz: Te = T (NF 1) NF = 4 için: T e = 300(4-1) = 900K NF = 4.01 için: T e = 300 (4.01-1) = 903K Eşdeğer sıcaklıklardaki 3 lik farkın, iki gürültü faktörü arasındaki farkın 300 katına eşit lduğu görülmektedir. Dlayısıyla, iki alıcının ya da aygıtın gürültü perfrmanslarını karşılaştırmada eşdeğer gürültü sıcaklığı daha kesin ve dğru snuçlar veren bir yöntemdir. Gürültü Yğunluğu Basit bir biçimde ifade etmek gerekirse, gürültü yğunluğu (N 0 ), l Hz lik bant genişliğine nrmalleştirilmiş tplam gürültü gücü ya da l Hz lik bant genişliğinde mevcut gürültü gücüdür. Gürültü yğunluğu, matematiksel larak şöyle ifade edilir: N N = yada KT e (20-3a) B B burada N = gürültü yğunluğu (W/Hz) (N a genellikle watt larak ifade edilir; blü hertz, N 0 nun tanımında içerilmektedir) N = tplam gürültü gücü (W) B = bant genişliği (Hz) K = Bltzmann sabiti (J/K) T e = eşdeğer gürültü sıcaklığı (K) Lgaritma larak ifade edildiğinde, N 0 (dbw/whz) = 10 lg N - 10 lg B (20-3b) = 10 lg K + 10 lg T e (20-3c) ÖRNEK 20-5 10 MHz lik bir eşdeğer gürültü bant genişliği ve 0.0276 pw lık bir tplam gürültü gücü için, gürültü yğunluğunu ve eşdeğer gürültü sıcaklığını bulun. Çözüm Değerleri 20-3a nlu Denklemde yerine kyarsak, şu snucu elde ederiz: 16 N 276x10 W 23 W N = = = 276x10 6 B 10x10 Hz Hz ya da yalnızca 276 x l O 23 W. N = 10 lg (276 x 10-23 ) = -205.6 dbw/hz ya da yalnızca -205.6 dbw. Değerler 20-3b nlu Denklemde yerine knulduğunda, şu snuç çıkar: N = W(dBW)-B(dB/Hz) = -135.6 dbw - 70 (db/hz) = - 205.6 dbw
20-3a nlu Denklem yeniden düzenlenip, eşdeğer gürültü sıcaklığını bulmak üzere çözüldüğünde, şu snuç çıkar: N T = e K 23 276x10 J / çevrim = 23 1.38x10 J / K 1.38x l O 23 J/K = l0 lg 200 = 23 dbk = N (dbw)- l0 lg K = -205.6 dbw - (-228.6 dbwk) = 23 dbk Taşıyıcı-Gürültü Yğunluğu Oranı CİN, rtalama genişbant taşıyıcı gücü - gürültü yğunluğu ranıdır. Gçnişbant taşıyıcı gücü, taşıyıcı ile bu taşıyıcıya karşılık gelen yanbantların tplam gücüdür. Gürültü, nrmalleştirilmiş l Hz lik bant genişliğinde bulunan ısıl gürültüdür. Taşıyıcı-gürültü yğunluğu ranını, gürültü sıcaklığının bir fnksiynu larak da yazmak mümkündür. C/N n, matematiksel larak şöyle ifade edilir: C C = N KT e Lgaritma larak ifade edildiğinde, C (db) = C (dbw) - N,, (dbw) (20.4b) N Bit Enerjisi-Gürültü Yğunluğu Oranı E b /N, sayısal bir rady sistemini değerlendirmede, en önemli ve en sık kullanılan parametrelerden biridir. E b /N, ranı, farklı iletim hızları, mdülasyn teknikleri ya da kdlama yöntemleri kullanan sayısal sistemleri karşılaştırmada uygun bir yöntemdir. E b /N, matematiksel larak şöyle ifade edilir: E b C / Fb CB = = (20-5) N N / B NF b E b /N, sayısal sistem hesaplamaları ve perfrmans karşılaştırmalarında kullanım için uygun bir terimdir, ancak pratik uygulamalarda genişbant taşıyıcı güç-gürüllü yğunluğu ranını ölçmek ve bunu E b /N, ya dönüştürmek daha iyi bir yldur. 20-5 nlu Denklem yeniden düzenlendiğinde, aşağıdaki ifade elde edilir: E b C B = = N N F b E b /N ranı, taşıyıcı-gürültü ranı (C/N) ile gürültü bant genişliği-bit ranının (B/F b ) çarpımıdır. Lgaritma larak ifade edildiğinde, E b C B (db) = (db) + (db) (20-6) N N F b
Tplam genişbant taşıyıcı gücü (C) ile iletim hızı (bps) değişmediği sürece, enerji blü bit (E b ) sabit kalır. Ayrıca, gürültü sıcaklığı sabit kaldıkça gürültü yğunluğu da (N ) sabit kalır. Bundan şu snucu çıkarabiliriz: belli bir taşıyıcı gücü, bit iletim hızı ve gürültü sıcaklığında; E b /N ranı, kdlama yönteminden, mdülasyn tekniğinden ya da kullanılan bant genişliğinden bağımsız larak sabit kalır. Şekil 20-16, beklenen bir hata lasılığı P(e) ile P(e) yi gerçekleştirmek için gereken minimum C/N ranı arasındaki bağıntıyı grafiksel larak göstermektedir. Bulunan C/N değeri, minimum çift-taraflı Nyquist bant genişliği içindir. Şekil 20-17, beklenen bir P (e) ile bu P(e) yi gerçekleştirmek için gereken minimum E^N 0 ranı arasındaki bağıntıyı grafiksel larak göstermektedir. 10 5 lik (1/10 5 ) bir P(e), iletilen her 100.000 bit için bir bitin hatalı lma lasılığını göstermektedir. P (e), bit hata ranına (BER) benzer. ÖRNEK 20-6 Kherent ikili faz kaydırmalı anahtarlanmış (BPSK) bir verici, 20 Mbps lik bir bit iletim hızında çalışmaktadır. 10 4 lük bir hata lasılığı P(e) için: (a) Minimum çift-taraflı Nyquist bant genişliğine eşit bir alıcı bant genişliğinde minimum terik C/N ve E b /N ranlarını bulun. (b) Gürültü, bantgeçiren filtreden önce, bant genişliğinin Nyquist bant genişliğinin iki katına eşit lduğu bir nktada ölçüldüğünde, C/N yi bulun. (c) Gürültü, bantgeçiren filtreden önce, bant genişliğinin Nyquist bant genişliğinin üç katına eşit lduğu bir nktada ölçüldüğünde, C/N yi bulun. ŞEKİL 20-16. Çeşitli sayısal mdülasyn tekniklerinde C/N ye bağlı hata lasılığı P(e). (bant genişliği, minimum çift taraflı Nyquist bant genişliğine eşittir).
Çözüm (a) BPSK de, minimum bant genişliği bit iletim hızına eşittir: 20 MHz. Şekil 20-16 dan, minimum CİN 8.8 db dir. Değerleri 20-6 nlu Denklemde yerine kyarsak, şu snucu elde ederiz: E b C (db) = (db) + N N B F b (db) 6 20x10 = 8.8. db + 10 lg 6 20x10 = 8.8 db + 0 db = 8.8 db Nt: Alıcı gürültü bant genişliği, minimum Nyquist bant genişliğine eşit lduğunda, minimum E b /N minimum C/N ye eşit lur. 8.8 lik minimum E b /N Şekil 20-17 den dğrulanabilir. Gürültü bant genişliğini artırmanın minimum C/N ve E b /N ranlan üzerinde nasıl bir etkisi lur? Genişbant taşıyıcı gücü, gürültü bant genişliğinden tamamıyla bağımsızdır. Benzeri şekilde, bant genişliğindeki bir artış, gürültü gücünde buna karşılık gelen bir artışa neden lur. Dlayısıyla C/N de, gürültü bant genişliğindeki artışla rantılı bir azalış gerçekleşir. Eh, yalnızca genişbant taşıyıcı gücüne ve bit iletim hızına bağlıdır. Bu nedenle N gürültü bant genişliğindeki bir artıştan etkilenmez. N, l Hz lik bant genişliğine nrmalleştirilmiş gürültü gücüdür; dlayısıyla, N da gürültü bant genişliğindeki artıştan etkilenmez. ŞEKİL 20-17 Çeşitli sayısal mdülasyn tekniklerinde Eb/N ranına bağlı hata lasılığı P(e). (b) E b /N bant genişliğinden bağımsız lduğu için, C/N yi alıcıda, bant genişliğinin Nyquist bant genişliğinin iki katına eşit lduğu bir nktada ölçmenin, E^N 0 üzerinde kesinlikle hiçbir etkisi yktur. Bu nedenle E b /N, 20-6 nlu Denklemdeki sabit haline gelir ve yeni C/N değerini bulmada kullanılır. 20-6 nlu Denklemi yeniden düzenler ve hesaplanan E b /N ranını kullanırsak, şu snucu elde ederiz: C E b B (db) = (db) (db) N N F 6 40x10 = 8.8 db - 10 lg 6 20x10 b
= 8.8 db - 10 lg2 = 8.8 db - 3 db = 5.8 db (c) C/N ranını, alıcıda bant genişliğinin minimum bant genişliğinin üç katına eşit lduğu bir nktada ölçmek, C/N için aşağıdaki snucu verir: 6 C E b 60x10 = 10lg (db) 6 N N 20x10 = 8.8 db - 10 lg 3 = 4.03 db 8.8 db, 5.8 db ve 4.03 db lik C/N ranları, arzu edilen minimum E h /N 0 ve P(<?) yi gerçekleştirmek için alıcıda belli üç nktada ölçülmesi gereken C/N ranlarını göstermektedir. Eh/N,, dğrudan ölçülemediği için, E b /N ranını bulmak üzere geniş bant taşıyıcıgürültü ranı ölçülür ve snra bulunan değer 20-6 nlu Denklemde yerine kyulur. Dlayısıyla, E b /N ranını dğru larak bulmak için, alıcının gürültü bant genişliği bilinmelidir. ÖRNEK 20-7 Khercnt bir 8PSK verici, 90 Mbps lik bit iletim hızında çalışmaktadır. 10 5l lik bir hata lasılığı için: (a) Minimum çift-taraflı Nyquist bant genişliğine eşit bir alıcı bant genişliğinde minimum terik C/N ve E^N,, ranlarını bulun. (b) Gürültü, bant-geçiren filtreden önce, bant genişliğinin Nyquist bant genişliğinin iki katına eşit lduğu bir nktada ölçüldüğünde, C/ATyi bulun. (c) Gürültü, bant-geçiren filtreden önce, bant genişliğinin Nyquist bant genişliğinin üç katına eşit lduğu bir nktada ölçüldüğünde, C/ATyi bulun. Çözüm (a) 8PSK, 3 bps/hz lik bir bant genişliği verimliliğine sahiptir; dlayısıyla, bit iletim hızının üçte biri, yani 30 MHz lik bir minimum bant genişliği gerektirir. Şekil 20-16 dan, minimum C/N 18.5 db dir. Değerleri 20-6 nlu Denklemde yerine kyarsak, şu snucu elde ederiz: E b 30MHZ (db) = 18.5 db + 10 lg N 90Mbps = 18.5 db + (-4.8 db)= 13.7 db (b) 20-6 nlu Denklemi yeniden düzenleyip, E t JN 0 değerini yerine kyduğumuzda şu snucu elde ederiz: C (db)= 13.7 db- 10 lğ N 60MHZ 90Mbps = 13.7 db- (-1.77 db) = 15.47 db (c) Aynı şekilde, 20-6 nlu Denklemi yeniden düzenleyip, E,jN a değerini yerine kyduğumuzda şu snucu elde ederiz: C 90MHZ (db)= 13.7 db- 10 lğ N 90Mbps = 13.7dB-OdB= 13.7 db
Örnek 20-6 ve Örnek 20-7 den, E t JN 0 ve C/N ranlarının, yalnızca gürültü bant genişliği bit iletim hızına eşit lduğu zaman birbirine eşit lduğu açıkça görülmektedir. Ayrıca, ölçme nktasında bant genişliği arttığında, C/N azalır. İki sayısal rady sisteminin mdülasyn tekniği, bit iletim hızı, bant genişliği ve C/N ranları farklı lduğunda, çğunlukla hangi sistemin daha düşük hata lasılığına sahip lduğunu bulmak güçtür. E b /N bit iletim hızından, bant genişliğinden ve mdülasyn tekniğinden bağımsız lduğu için, iki sayısal rady sisteminin hata perfrmans lasılığını karşılaştırmada E b /N yi kullanmak uygun b,ir ölçüt luşturur. ÖRNEK 20-8 Aşağıda sıralanan iki sayısal rady sisteminin perfrmans özelliklerini karşılaştırın ve hangi sistemin daha düşük hata lasılığına sahip lduğunu bulun. QPSK 8PSK Bit iletim hızı Bant genişliği CİN 40 Mbps 1.5 x minimum 10.75 db 60 Mbps 2 x minimum 13.76 db Çözüm QPSK sistem için değerleri 20-6 nlu Denklemde yerine kyarsak, şu snucu elde ederiz: E b (db) = N ederiz: E C N (db) + 10lg = 10.75 db + 10 lg = 10.75 db + (-l. 25 db) = 9.5 db B Fb 1.5x20MHz 40Mbps Şekil 20-17 den, P(e) nin 10-4 lduğu görülür. 8PSK sistem için değerleri 20-6 nlu Denklemde yerine kyarsak, şu snucu elde N b (db) = 13.76dB+10lg = 13.76dB + (-1.76dB) = 12 db 2x20MHz 60Mbps Şekil 20-17 den, P(e) nm 10 3 lduğu görülür. QPSK sistemin daha düşük bir C/N ve E,JN,, ranı lmasına karşın, QPSK sistemin P(e) si, 8PSK sistemin P(e) sinden 10 kat daha düşüktür (daha iyidir). Kazanç-Eşdeğer Gürültü Sıcaklığı Oranı Temel larak kazanç-eşdeğer gürültü sıcaklığı ranı (G/T e ), bir uydu ya da yer istasynu alıcısının kalitesini temsil etmede kullanılan bir nitelik sayısıdır. Bir alıcının G/T e si, alma anten kazancının, alıcının eşdeğer gürültü sıcaklığına (T e ) ranıdır. Uydu sistemlerinde
karşılaşılan aşırı küçük alma taşıyıcı güçleri yüzünden, çğunlukla fiziksel larak antenin besleme nktasına bir LNA (düşük gürültülü yük-selteç) yerleştirilir. Durum bu lduğunda GIT C, alma anteni kazancı ile LNA nın kazancının tplamının, eşdeğer gürültü sıcaklığına ranıdır. Kazanç-eşdeğer gürültü sıcaklığı ranı, matematiksel larak şöyle ifade edilir: G Ar + A(LNA) = (20-7) T e T e Lgaritma larak ifade edildiğinde, şu snucu elde ederiz: G (dbk -1 )=ar(db)+a(lna) (db)-te (dbk -1 ) (20-8) T e Uydu transpnderindeki ve yer istasynu alıcılarındaki E b /N ve C/N ranlarını bulmak için, G/T e çk yararlı bir parametredir. Temel larak G/T e, bir hat bütçesini tamamlarken uydu ya da yer istasynu alıcısında gerekli lan tek parametredir. ÖRNEK 20-9 Alma anten kazancı 22 db, LNA kazancı 10 db ve eşdeğer gürültü sıcaklığı 22 dbk -1 lan bir uydu transpnderinin G/T e nitelik sayısını bulun. Çözüm Değerleri 20-8 nlu Denklemde yerine kyarsak, şu snucu elde ederiz: G (dbk -1 ) =22dB+10dB-22dBK -1 T e = 10dBK -1 UYDU SİSTEMİ HAT DENKLEMLERİ Sayısal bir uydu sisteminin hata perfrmansı, önceden ldukça iyi bir şekilde tahmin edilebilir. Şekil 20-18, sayısal bir uydu sisteminin basitleştirilmiş blk diyagramını göstermektedir; şekilde, sistem perfrmansını etkileyebilecek çeşitli kazançlar ve kayıplar gösterilmiştir. Sayısal bir uydu sisteminin perfrmansını değerlendirirken, çıkarma hattı ve indirme hattı parametreleri önce ayrı ayrı değerlendirilir, snra bu ŞEKİL 20-18 Hem çıkarma haltı hem indirme hattı bölümlerinde meydana gelen kazançların ve kayıpların gösterildiği uydu sisteminin bütünü. HPA, yüksek güç yükselteci; P t, HPA çıkış gücü; L b zayıflama kaybı; L f, besleme hattı kaybı: L b, dallanma kaybı; A t, gönderme anten kazancı; P r, tplam yayılan güç = P t L b - L b, - L f, EIRP. etkili iztrpik yayılan güç = P r A t ; L u atmsferin yl açtığı ek çıkarma hattı kayıpları; Lp, yl kaybı; A r alma anten kazancı; G/T e, kazanç-eşdeğer gürültü sıcaklığı ranı; C/N atmsferin yl açtığı ek indimle hattı kayıpları; LNA, düşük gürültülü yükselteç; C/T e, taşıyıcı-eşdeğer gürültü sıcaklığı ranı; C/N, taşıyıcı-gürültü yğunluğu ranı; E b /N, bit enerjisi-gürültü yğunluğu ranı; C/N, taşıyıcı-gürültü ranı.
parametreler uygun bir biçimde birleştirilerek, genel perfrmans bulunur. Şunu unutmayın: sayısal bir mikrdalga ya da sayısal rady, yalnızca başlangıçtaki ve de-mdüle edilen temelbant sinyallerinin sayısal ldukları anlamına gelmektedir. Radynun RF kısmı analgdur; yani, FSK, PSK, QAM ya da başka bir yüksek düzey mdülasynu, analg bir mikrdalga taşıyıcı üzerine binmektedir. HAT DENKLEMLERİ Aşağıdaki hat denklemleri, tek rady frekansı taşıyıcılı bir uydu sisteminin çıkarma hattı ve indirme hattı bölümlerini ayrı ayrı analiz etmede kullanılır. Bu denklemler yalnızca yer istasynu vericisi, yer istasynu alıcısı ve uydu transpndcri \\j> ilgili ideal kazançları, kayıpları ve ısıl gürültü etkilerini göz önünde bulundurur. Sistemin ideal lmayan yönleri bu bölümde daha ileride ele alınmıştır. Çıkarma Hattı Denklemi C A tpr (L pl u )A r A tpr (L pl = = N Kt K e u ) x G T e burada L^ ve L.j, sırasıyla ek çıkarma hattı ve indirme hatn atmsfer kayıplarıdır. Çıkarma ham ve indirme hattı sinyalleri, yeryüzü atmsferinden geçmek zrundadır, bu sinyaller atmsferde, havadaki nem, ksijen ve küçük parçacıklar tarafından kısmen sğurulur. Yükseklik açısına bağlı larak, RF sinyalinin atmsferde kat ettiği mesafe bir yer istasynundan ötekine değişim gösterir. L,, ve L d kayıpları temsil ettikleri için, l den küçük ndalık değerlerdir. GİT,,, alma anten kazancı blü eşdeğer giriş gürültü sıcaklığıdır. Lgaritma larak ifade edildiğinde, C N 4πD G = 10lg At Pr 20 lg( ) + 10 lg( ) 10lg Lu-10 lg K λ T EIRP - bş alan + uydu - ek - Bltzmann yer yl kaybı G/T e si atmsfer sabiti istasynu = EIRP (dbw) - Lp (db) + İndirme Hattı Denklemi C A tpr (L pl d )A r A tpr (L pl = = N Kt K e e kayıpları G (dbk -1 ) - L u (db) - K (dbwk) T, T e d ) x G T e Lgaritma larak ifade edildiğinde: C 4πD G = 10lg At Pr 20 lg( ) + 10 lg( ) 10lg Lu-10 lg K N λ T e
EIRP - bş alan + yer istasynu - ek - Bltzmann uydu yl kaybı G/T e si atmsfer sabiti = EIRP (dbw) - Lp (db) + HAT BÜTÇESİ kayıpları G (dbk -1 ) - L u (db) - K (dbwk) T e Tabl 20-4, üç tipik uydu iletişim sisteminin sistem parametrelerini sıralamaktadır. Sistemler ve bu sistemlere ait parametreler, mevcut ya da geleceğe dönük bir sistemi göstermemektedirler; bunlar yalnızca varsayımsal örneklerdir. Sistem parametreleri. bir hat bütçesi luşturmada kullanılır. Hat bütçesi, sistem parametrelerini tanımlar ve belli bir mdülasyn tekniği ve arzu edilen P(e) için hem uydu hem de yer istasynu alıcıları için gerçekleştirilmesi gereken C/N ve E b /N, ranlarını bulmada kullanılır. ÖRNEK 20-10 Aşağıdaki parametrelerle bir uydu sisteminin hat bütçesini tamamlayın. Çıkarma Hattı 1. Dyumda yer istasynu vericisinin çıkış gücü, 2000 W 33dBW 2. Yer istasynu zayıflama kaybı 3dB 3. Yer istasynu dallanma ve besleme hattı kayıpları 4dB 4. Yer istasynu gönderme anten kazancı 64dB (Şekil 20-19 dan, 14 GHz de 15 m) 5. Ek çıkarma hattı atmsfer kayıpları 0.6 db 6. Bş alan yl kaybı (Şekil 20-20 den 14 GHz de) 206.5dB 7. Uydu alıcısının GIT e ranı -5.3dBK 8. Uydu dallanma ve besleme hattı kayıpları 0dB 9. Bit iletim hızı 120 Mbps 10. Mdülasyn tekniği 8 PSK İndirme Hattı 1. Dyumda uydu vericisinin çıkış gücü,10w 10dBW 2. Uydu zayıflama kaybı 0.1dB 3. Uydu dallanma ve besleme hattı kayıpları 0.5 db 4. Uydu gönderme anten kazancı 30.8dB (Şekil 20-19 dan, 12 GHz de 0.37 m) 5. Ek indirme hattı atmsfer kayıpları 0.4dB 6. Bş alan yl kaybı (Şekil 20-20 den 12 GHz de) 205.6dB 7. Yer istasynu alma anten kazancı (15 m, 12 GHz) 62 db 8. Yer istasynu dallanma ve besleme hattı kayıpları 0dB 9. Yer istasynunun eşdeğer gürültü sıcaklığı 270 K 10. Yer istasynunun GIT e ranı 37 dbk
11. Bit iletim hızı 20 Mbps 12. Mdülasyn tekniği 8 PSK Tabl 20-4 Üç Varsayımsal Uydu Sisteminin Sistem Parametreleri A. Sistemi: 6/4GHZ, yerküresel kapsama, QPSK mdülasyn, 60 Mbps B: Sistemi : 14/12,yerküresel kapsama, 8PSK mdülasyn, 120 Mbps C: Sistemi 14/12 GHz, yerküresel kapsama, 8PSK mdülasyn, 120 Mbps Çıkarma Hattı Verici çıkış gücü (dyum, dbw 35 25 33 Yer istasynu zayıflama kaybı (db) 2 2 3 Yer istasynu dallanma ve besleme hattı kayıpları (db) 3 3 4 Ek atmsfer kaybı (db) 0.6 0.4 0.6 Yer istasynu anten kazancı (db) 55 46 64 Bş alan yl kaybı (db) 200 208 206.5 Uydu alma anten kazancı (db) 20 45 23.7 Uydu dallanma ve besleme hattı kaybı (db) 1 1 0 Uydunun eşdeğer gürültü sıcaklığı (K) 1000 800 800 Uydu G/Te si (dbk 1 ) -10 16-5.3 indirme Hattı Vericinin çıkış gücü (dygunluk, dbwz 18 20 30.8 Uydu zayıflama kaybı (db) 0.5 0.2 0.1 Uydu dallanma ve besleme hattı kayıpları (db) 1 1 0.5 Ek atmsfer kaybı (db) 0.8 1.4 0.4 Uydu anten kazancı (db) 16 44 10 Bş alan yl kaybı (db) 197 206 205.6 Yer istasynu alma anten kazancı (db) 51 44 62 Yer istasynu dallanma ve besleme hattı kaybı (db) 3 3 0 Yer istasynunun eşdeğer gürültü sıcaklığı (K) 250 1000 270 Yer istasynunun G/TV si (dbk 1 ) 27 14 37.7
ŞEKİL 20-19. Parablik bir antenin kazanç denklemine dayalı anten kazancı: A (db) = 10 lg η (πd /λ) 2 Burada D anten çapı, λ= bdalga byu ve η = anten verimliliğidir. Burada η = 0,55 tir. %100 verimli bir anten için dğru snucu bulmak üzere, değere 2,66 db ekleyin. Çözüm: Çıkarma hattı bütçesi: Lgaritma larak ifade edildiğinde, EIRP (yer istasynu) Uydu anteninde taşıyıcı güç yğunluğu = P t +A t L b L bf = 33 dbw + 64 db - 3 db 4 db = 90 db W C = EIRP (yer istasynu) L p L u = 90 dbw 206,5 db 0,6 db = 117,1 dbw
ŞEKİLS 2-20 Aşağıdaki ifadeden bulunan bş alan yl kaybı (L p ) L p = 183,5 = 20 lg F (GHz) Yükseklik açısı = 90, mesafe = 35,930 km. Uydudaki C/N : Böylece C N C C 1 = = x burada KT T K e e C N = C' x G T e 1 x K Lgaritma larak ifade edildiğinde, C G (db) = C' (dbw) + (dbk -1 )-10 lg (1.38 x 10-23 ) N C N Te C = C' x N = 117.1 dbw + (-5.3 dbk -1 )-(-228.6 dbwk) = 106.2 db Böylece E b C / Fb (db) = (db) -10 lg Fb N N E N b = 106.2 db 10 (lg 120 x 10 6 ) = 25.4 db ve minimum bant genişlikli bir sistem için 6 C E b B 40x10 = = 25.4 10 lg 6 N N F 120x10 b = 30.2 db İndirme hattı bütçesi: Lgaritma larak ifade edildiğinde, G T e
EIRP (uydu transpnderi) = P t + A t L b L bf = 10 dbw + 30.8 db 0.1 db 0.5 db = 40.2 dbw Yer istasynunun antenindeki taşıyıcı güç yğunluğu: C' = EIRP (dbw) L p (db) L d (db) = 40.2 dbw 205.6 db 0.4 db = 165.8 dbw Yer istasynu alıcısındaki C/N : C C C 1 C = = x burada = C' x N KT T K T Böylece C = N C' x e G T e e 1 x K G e T e Lgaritma larak ifade edildiğinde, C G (db) = C (dbw) + (dbk -1 ) 10 lg (1.38 x 10-23 ) N Te =165.8 dbw + (37.7 dbk -1 ) (-228.6 dbwk) = 100.5 db C/N yi Bulmanın alternatif bir yöntemi şudur: C (db) = C'(dBW)+Ar (db)-t e (dbk -1 ) K (dbwk) N C N E N b = 165.8 dbw + 62 db 10 lg 270 (-228.6 dbwk) = -165.8 dbw + 62 db 24.3 dbk-1 + 228.6 dbwk = 100.5 db C (db) = (db) 10 lg F b N = 100.5 db 10 lg (120 x 10 6 ) = 100.5 db 80.8 db = 19.7 db ve minimum bant genişlikli bir sistem için, 6 C E b B 40x10 = = 19.7 10 lg = 24.5 db 6 N N F 120x10 b