HABERLEŞME SİSTEMLERİNE GİRİŞ

Haberleşme Sistemlerine Giriş Kitap: J.G. Proakis ve M. Salehi, Fundamentals of Communication Systems, Pearson, 2014, 2nd Edition. Chapter’lar: Giriş Sinyal ve Sistemler tekrarı Genlik Kiplemesi (AM) Açı Kiplemes (FM, PM) Olasılık tekrarı ve Rasgele Süreçler .. Analog-Sayısal Çevrim Gürültü Altında Sayısal İletim Çok Boyutlu kiplemeler Bant sınırlı kanalda sayısal iletim … Hata Düzelten Kodlar

Haberleşme Sistemlerine Giriş İşleyeceğimiz Konular Giriş, Haberleşme sistemlerinin elemanları (Chp 1) 2 saat Fourier dönüşümü, sinyal güç ve enerjisi, bant sınırlı sinyaller (Chp 2) 4 saat Genlik Kiplemesi (DSB, Conv AM, Implementation, Broadcasting) (Chp 3.1,3.2,3.3, 3.5) 4 saat Açı kiplemesi türleri (PM, FM), spektral analizleri ve gerçeklenmeleri (Chp 4): 4 saat Olasılık, Rastgele değişkenler tekrarı, (Chp 5.1): 4 saat Analog Sayısal Çevrim (Sampling, Quant, Encoding, PCM) (Chp 7.1,7.2,7.3,7.4): 4 saat Gürültü Altında Sayısal İletim (Chp 8.1-8.7): 10 saat Çok boyutlu Kipleme (FSK, Karşılaştırma) (Chp 9.5,9.7): 2 saat Bant-sınırlı Kanallarda İletim (Chp 10.1,10.2,10.3): 4 saat Hata Düzelten Kodlar (Chp 13.1, 13.2): 4 saat Ders web sitesi: http://tgirici.etu.edu.tr/dersler/ELE361

Haberleşme Sistemlerine Giriş Geçmişte analog haberleşmeye ağırlık veriyorduk.. Neden? AM , FM radyo yayınları analog haberleşme sistemleridir. Modası geçiyor olsa da, analog haberleşme konuları Sinyal ve Sistemler, ve Olasılık/Rasgele Değişkenler derslerinin güzel bir uygulamasıdır. Bu nedenle bütün okullarda bu konular hala okutulur. Bu dönemden itibaren sayısal haberleşmeye ağırlık vereceğiz. Sayısal haberleşmenin detayları için ELE 464 seçmeli dersi (Dr. Ayşe Melda Yüksel) Haberleşme sistemlerini daha geniş ve güncel açıdan ele almak için ELE 463/563 Haberleşme Ağları ELE 561 Kablosuz Haberleşme ELE 562 Uydu Haberleşme Sistemleri

Tarihsel Gelişim Telefon, Radyo , Televizyon, Internet (Bilgisayar, Laptop, Smartphone …) Telgraf Elektrik pil: Alessandro Volta - 1799 Telgraf : Samuel Morse – 1837 (1844) Değişken uzunluklu ikili kod (Mors Alfabesi) Sık kullanılan karakterler kısa kodlarla kodlanır (ör: E=., Q=--.-) Emile Baudot, Sabit uzunluklu kod - 1875 Transatlantik telgraf kablosu – 1858-1866

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 (1893, Nicola Tesla) 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 60 sene 1947  Transistör - Brattain, Bardeen, Schockley 1958  Entegre devre – Jack Kilby, Robert Noyce 1958  Laser (Fiberoptik) - Townes, Schawlow 1962  Telstar Uydusu 1965  Intelsat – Early Bird uydusu Fiber optik haberleşme 1990lar Hücresel gezgin haberleşme (GSM) 2000ler  Ses, Veri ve Görüntünün aynı kanaldan aktarımı (3. Jenerasyon) 2000ler  Bluetooth, ZigBee, nesnelerin Interneti 2010lar -> 4. Jenerasyon (Daha yüksek veri hızı, çoklu antenler, heterojen ağlar) 2020ler -> 5. Jenerasyon (Internet of Things) Yakın gelecek  Milimetrik Dalga, Terahertz

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. Frekans band tahsisi (AM:500-1500KHz) Ör. Bilgi, sinyalin bir fiziksel özelliği ile kodlanır Genlik, frekans, faz Bant genişliği, gürültü, girişim, eldeki imkanlara göre

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 Sayısal iletim: Karar mekanizması Performans gürültüden etkilenir

1.2. Elektriksel Haberleşmenin Temel Elemanları 1.2.1 Sayısal Haberleşme Sistemleri Analog sinyal – süreklidir Sayısal veriye çevrilir 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

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 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) NLOS: Non-line of sight Yer dalgası yayılımı(ground wave) – düşük frekans (MF-0.3-3MHz) Gök dalgası yayılımı(sky wave) – Iyonosfer - yüksek frekans (gündüz azalır, gece artar, 3-30MHz) Troposferik saçılım – 40-300MHz, birkaç yüz mil mesafeye iletişim (güçlü ileticiler gerekir) LOS: Line-of –sight (genellikle >30MHz VHF-UHF) Televizyon Multipath Yansıyan sinyaller farklı mesafeler/süreler kat ederek hedefe ulaşır İyonosferik saçılım Geniş bant hücresel haberleşme (şehir içi) Bunlar alıcıda toplanır Birbirlerini güçlendirir veya zayıflatır Semboller arası girişim oluşturur 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 (pahalı ekipmanlar) 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