ELE 464/564 SAYISAL HABERLEŞME SİSTEMLERİ 1. GİRİŞ

Sayısal Haberleşme Sistemleri Bu dersin ön şartı ELE 361 zorunlu dersi Kitap: Proakis ve Salehi, Communications Systems Engineering, 2nd Ed. 2005 Sarp Ertürk, “Sayısal Haberleşme”, Birsen Yayınevi, 2010 (MATLAB Kodları) İşleyeceğimiz Konular (Proakis, Salehi) Ch 6: Huffman kodlaması, Nicemleme, PCM Ch 7: Gram-Schmit, Kipleme, Algılayıcı, Bit hata oranı, Senkronizasyon Ch 8: Semboller arası girişim, Nyquist kriteri, Hafızalı sinyaller, Kanal eşitleme, OFDM Ch 9: Hata düzelten (Blok, Çevrimsel, Evrişimsel) kodlar

Sayısal Haberleşme Sistemleri Değerlendirme Aracı 464 564 1 Ara Sınav %30 1 Dönem Sonu Sınavı %40 4 Ödev %20 1 Matlab Ödevi %10 Derslerde konu anlatımlarının yanı sıra Matlab kodlarının da üzerinden geçilecektir. Matlab ödev konusu (Henüz Kesinleşmedi) Ödevler Teorik sorularının yanında MATLAB soruları da olacaktır Haberleşme sistemlerini daha geniş ve güncel açıdan ele almak için ELE 463/563 Haberleşme Ağları ELE 461/561 Kablosuz Haberleşme ELE 562 Uydu Haberleşme Sistemleri

Tarihsel Gelişim Telgraf, Telefon, Radyo , Televizyon, Internet, Bilgisayar, Laptop, Smartphone … Telgraf Elektrik pil: Alessandro Volta - 1799 Telgraf : Samuel Morse – 1837 Değişken uzunluklu ikili kod (Mors Alfabesi) Sık kullanılan karakterler kısa kodlarla kodlanır (ör: E=., Q=--.-) Emile Baudot, Sabit uzunluklu kod - 1875 Transatlantik telgraf kablosu – 1858

Tarihsel Gelişim Telefon - Alexander Graham Bell – 1876 Karbon mikrofon Triod amplifier – Lee De Forest 1906 Transatlantik telefon kablosu- 1953 Elektromekanik anahtarlama, Strowger 1897 Sayısal anahtarlama, Bell Labs 1960

Tarihsel Gelişim - Telsiz İletim Oersted, Faraday, Gauss, Maxwell, Hertz 1820  Elektrik akımı manyetik alan üretir, Oersted 1831  Mıknatısın hareketi ile elektrik akımı oluşturulabilir, M. Faraday 1864  Elektromanyetik radyasyon tahmin edildi ve modellendi – Maxwell 1887  Maxwell’in teorisi deneysel olarak kanıtlandı , Hertz 1894  Radyo dalgalarını algılayan cihaz Olivier Lodge 1895 Telsiz telgraf , Guglielmo Marconi 1904 , 1906  Vacuum Tube – Diode, Triode 1920  Genlik Kiplemesi (AM) Edwin Armostrong 1933  Frekans Kiplemesi (FM) Edwin Armostrong 1929  Televizyon – V. K. Zworykin (1936, 1941)

Tarihsel Gelişim Son 50 sene 1947  Transistör (Bell Laboratuarı) 1958  Entegre devre 1958  Laser (Fiberoptik) 1962  Telstar Uydusu 1965  Intelsat – Early Bird uydusu 1969  ARPANET (Internet’in öncüsü) Fiber optik haberleşme 1990lar Hücresel gezgin haberleşme (GSM) 2000ler  Ses, Veri ve Görüntünün aynı kanaldan aktarımı (3. Jenerasyon Kablosuz İletişim)

1.2. Elektriksel Haberleşmenin Temel Elemanları Bilgi kaynağı, transducer, İletici, Kanal, Alıcı, transducer, alınan bilgi Bilgi kaynağı – probabilistik Bilgi  elektrik sinyali (transducer, ör: mikrofon, kamera) İletici: Elektrik sinyalini iletilmeye müsait bir forma sokar Ör. Analog ses iletimi: AM:500-1500KHz 10KHz bant genişliği Bilgi, sinyalin bir fiziksel özelliği ile kodlanır Genlik, frekans, faz kiplemesi Ör. Sayısal İletim Analog veri örneklenir, nicemlenir (01001001) Kanal kodlaması (Hata düzelten kodlar ve sonrasında kipleme)

1.2. Elektriksel Haberleşmenin Temel Elemanları Kanal Fiziksel ortam (hava, su, bakır tel, koaksiyel, fiber) Bozulma (Hepsi rasgeledir): Gürültü (termal, atmosferik, insan yapımı), Girişim (diğer kullanıcılar tarafından) Çok yollu sönümlenme (multipath fading) Deneysel gözlemlerden yol çıkılarak bulunan matematiksel ve istatistiksel modellerle modellenir Alıcı Taşıyıcı kipçözümü (filtreleme ve örnekleme) Örnekleme zamanlama hataları Karar mekanizması (detector) Performans gürültüden etkilenir (Bit Error Ratio - BER) Hata düzeltme (kod çözümü)

1.2. Elektriksel Haberleşmenin Temel Elemanları 1.2.1 Sayısal Haberleşme Sistemleri Analog sinyal – süreklidir Sayısal veriye çevrilir Örnekleme (Nyquist) ve Nicemleme Bu sayede hata denetimi yapılabilir ve kanal bozulmalarının etkileri sıfırlanabilir Analog iletimde bu mümkün değildir. Uzun mesafelerde gürültü çok etkili olur ve sinyal kalitesi giderek düşer Bazı veriler zaten sayısal olarak üretilmiştir Bilgisayarda üretilmiş her türlü doküman Burada örnekleme ve nicemlemeye gerek yoktur Kaynak kodlaması Bilgi sıkıştırılabilir (minimum bitle ifade edilir)

Analog Sinyal İletimi

Sayisal Haberleşme

Sayısal Haberleşme Sistemleri Kaynak Kodlaması: Girdiyi(ses, karakter vs.) ikili sayılara çevirir Amaç: En az bitle ifade etmek Çıktı: Information sequence (bilgi içeren bit dizisi) Kanal Kodlaması Amaç: Gürültü ve hatalara karşı bağışıklık sağlamak Metod: Fazladan bitler eklemek Hata sezen/düzelten kod bitleri Çıktı: Kod Kelimesi Sayısal kipleyici: Amaç: sayısal veriyi analog sinyalin fiziksel özelliğine kodlamak Yöntem: Genlik kiplemesi, Faz/Frekans Kaydırmalı Kipleme vb. Kip Çözücü: Amaç: Sinyalden kod kelimelerini geri elde etmek Kanal Kod Çözücüsü: Amaç: Kod kelimelerinden bilgiyi geri elde etmek, hatalar varsa sezmek/düzeltmek Kaynak Kod Çözücüsü: Amaç: Kaynağın ilettiği mesajı elde etmek (ses, karakter vs.)

Sayısal Haberleşme 1.2.2 Tarihçe Henry Nyquist (1924): Soru: Verilen kanal bant genişliği W için maksimum sinyal gönderim frekansı nedir? Cevap: 2W örnek/sn Sinyal türü: sinc fonksiyonu g(t)=sin(2piWt)/2piWt Claude Shannon (1948) Soru: İletilen örnekler alıcıda nasıl çözülür Cevap: Bir tür interpolasyon Hartley (1928) Sınırlı bir bant genişliği ve güç ile belli bir doğrulukla iletim yapmak istiyorsak veri hızının bir üst limiti vardır Wiener (1942) Gürültü altında kestirim: r(t)=s(t)+n(t) Optimum filtre (Wiener filter) Bilgi Kuramı: Bir kaynağın bilgi içeriği (logaritmik bir ölçüt buldu) Noktadan noktaya Gauss gürültülü kanal kapasitesi C=Wlog2(1+P/NoW) Buna ulaşmak imkansızdır ama yakınlaşmak mümkündür (günümüzde 0.2dB) Kotelnikov (1947) Birtakım sayısal haberleşme sistemlerinin analizi Hamming (1950) Hata düzelten kodlar Huffman (1952) Optimal kaynak kodlaması Bu bulgular ilk başlarda çok etki yaratmasa da sayısal elektroniğin gelişmesiyle uygulama şansı buldular

1.3 Haberleşme Kanalı ve Karakteristiği Bakır Kablo, Fiber optik, su altı (akustik), hava (telsiz), manyetik (teyp, disk) Genel problem: Gürültü (termal), Girişim (başka kullanıcılar), zayıflama (uzaklık), bozulma (genlik ve faz), sönümlenme (çok yollu) Kısıtlar: Maks. Güç, Bant genişliği, Kod, Zaman Bant genişliği (iki ayrı tanım) Sinyal eşit bozulduğu bant aralığı Servis sağlayıcı tarafından sağlanan bant aralığı Tel: 0-4KHz

1.3 Haberleşme Kanalı ve Karakteristiği Kablolu kanal Bakır tel, burgulu tel çifti (Telefon) <100KHz, crosstalk Koaksiyel (TV kablosu) <1MHz, Fiber optik(THz): çok az bozulma ve kayıp Tam yansıma LED, Laser /Fiber, yineleyici/Fotodedektör Kablosuz kanal Anten ile yayılım (boyut ~ ½,1/4 dalgaboyu) λ=c/f Örnek: WiFi 2.4GHz

Elektromanyetik dalgalar Yayılım (propagation) Yer dalgası yayılımı(ground wave) – düşük frekans Gök dalgası yayılımı(sky wave) – yüksek frekans (gündüz azalır) Görüş alanı yayılımı(LOS) – VHF-UHF Multipath Yansıyan sinyaller farklı mesafeler/süreler katederek hedefe ulaşır Bunlar alıcıda toplanır Birbirlirini güçlendirir veya zayıflatır Semboller arası girişim oluşturur Troposferik saçılım – 30-300MHz Gürültü: Atmosferik, termal … Atmosferik emilim 10 GHz’den sonra 30GHz’de 3dB/km (yoğun yağış durumunda) Engellerden yansıma (frekansla artar) Infrared: Duvarlardan geçemez Frekans arttıkça elektromanyetik dalga görünen ışığa benzer

Akustik İletişim Su altında iletişim Su altına konulan sensörlerden merkeze Elektromanyetik dalgalar Çok düşük frekans gerekir 10kHz frekans: 2.5 metrede 1/e kadar zayıflar (skin depth: 250/sqrt(f)) Ses dalgaları Onlarca, yüzlerce kilometre gidebilir Multipath: Su yüzeyi ve yerden yansıma Zamana bağlı sönümlenme: Dalgalar yüzünden Gürültü: Deniz canlıları tarafından Gürültü: Kıyılarda insanlar tarafından