İleri Sayısal Haberleşme Yrd. Doç. Dr. Birol SOYSAL Atatürk Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Ram Aokan

Sayısal Modülasyon Teknikleri: Bu derse sayısal modülasyon tekniklerinin en basit üç tipini inceleyerek başlayacağız. Bunlar; Genlik Kaydırmalı Anahtarlama (Amplitude Shift Keying, ASK) Frekans Kaydırmalı Anahtarlama (Frequency Shift Keying, FSK) Faz Kaydırmalı Anahtarlama (Phase Shift Keying, PSK) Bu tekniklerin tümünde, bir sinüzoidal işaretin bir parametresinin göndermek istediğimiz bilgiye bağlı olarak değiştirilmesi söz konusudur. Bir sinüzoidal işaretin değiştirilebilecek üç farklı parametresi vardır. Bunlar; Genlik, Frekans ve Faz’dır. Ortam, sinüzoidal işaretin üzerinde seyahat ettiği şeydir. Kablo bir ortam olduğu gibi, hava, su ve uzay boşluğu da birer ortamdırlar. Sinüs dalgası taşıyıcı olarak adlandırılır. Gönderilecek olan bilgi (ister ses, ister görüntü, isterse data olsun) ise bilgi işareti olarak adlandırılır. 05.04.2017 Birol SOYSAL DERS-4

Amplitude Shift Keying (ASK): Genlik kaydırmalı anahtarlamada, taşıyıcının genliği gönderilmek istenilen bilgi işaretine göre değiştirilir. 1 bitini göndermek için taşıyıcı özel bir genlik ile, 0 bitini göndermek için ise başka bir özel genlik ile gönderilir. Bu arada taşıyıcının frekansı sabit tutulur. Aç-Kapat Anahtarlama (On-Off Keying, OOK) ASK’nın özel bir biçimidir. Aşağıdaki şekilde de görüldüğü gibi, OOK’da genliklerden biri sıfır olarak gönderilir. 0010110010 baseband bit dizisi 05.04.2017 Birol SOYSAL DERS-4

Amplitude Shift Keying (ASK): Modülasyonlu işaret şeklinde ifade edilebilir. Zamanla değişimi ise aşağıdaki gibi olacaktır. İkili ASK (OOK) işareti 05.04.2017 Birol SOYSAL DERS-4

Frequency Shift Keying (FSK): Frekans kaydırmalı anahtarlamada taşıyıcının frekansı gönderilecek bilgi işaretine bağlı olarak değiştirilir. 1 biti için belirli bir f1 frekansı, 0 biti için yine belirli bir f2 frekansı gönderilir. Bu durumda taşıyıcının genliği sabittir, değiştirilmez. Modülasyonlu işaret şeklinde ifade edilebilir. Aynı bilgi işareti için zamanla değişimi ise İkili FSK işareti 05.04.2017 Birol SOYSAL DERS-4

Phase Shift Keying (PSK): Faz kaydırmalı anahtarlamada taşıyıcının fazı gönderilecek bilgi işaretine bağlı olarak değiştirilir. Burada faz olarak sinüzoidal işaretin başlangıç açısı dikkate alınmaktadır. 1 biti için taşıyıcı fazında değişiklik yapılmazken, 0 biti göndermek için taşıyıcı fazı 180o kaydırılarak gönderilir. Bu durumda taşıyıcının genliği ve frekansı sabittir, değiştirilmez. Modülasyonlu işaret şeklinde ifade edilebilir. Aynı bilgi işareti için modülasyonlu işaretin zamanla değişimi ise bir sonraki slaytta görülmektedir. Dikkat edilecek olursa, bit süresi sınırlarında 180o faz kaymaları rahatlıkla fark edilecektir. 05.04.2017 Birol SOYSAL DERS-4

Phase Shift Keying (PSK): İkili PSK işareti 05.04.2017 Birol SOYSAL DERS-4

Bir Değerlendirme: ASK teknikleri, işaret genliğini sıkıştıran ve bozan non-lineer cihazların etkilerinden en fazla etkilenen tekniklerdir. Bu bozulmadan kaçınmak için sistem, non-linear davranışların en çok ortaya çıktığı, maksimum güç noktasından uzak linear bölgede çalıştırılmalıdır. Bu probleme karşın, yüksek frekanslı taşıyıcılı sistemlerde ASK sıkça kullanılmaktadır. ASK ile PSK birleştirilerek Karesel Genlik Modülasyonu (Quadrature Amplitude Modulation, QAM) gibi hibrit sistemler ortaya çıkarılmaktadır. Bu tür sistemlerde hem genlik hem de faz aynı anda değiştirilmektedir. 05.04.2017 Birol SOYSAL DERS-4

Sayısal Nedir? Analog Nedir?: Bir haberleşme sisteminin önemli üç kısmı -Bilgi (Information), diğer adıyla baseband işaret, -Ortam veya kanal, -Taşıyıcı Bilgi işareti analog ve sayısal olarak iki formda ifade edilebilir. Analog işaret “sürekli” olarak da nitelendirilebilir. Genliği, maksimum ve minimum değerler arasında sonsuz sayıda değer alabilir. Ses işareti böyle bir işarettir. Sayısal cihazlar analog ses işaretini örnekleme ve kuantalama işlemleri ile sayısala çevirirler. 05.04.2017 Birol SOYSAL DERS-4

Sayısal Nedir? Analog Nedir?: Ortam, işaretin üzerinde seyahat ettiği, yayıldığı şeydir. Hava, uzay boşluğu ve kablo olabilir. Her birinin kendine özgü avantajları ve bozucu etkileri söz konusudur. Çok kısa bir kablo üzerinden bilgi taşırken bir taşıyıcıya ihtiyaç duyulmazken, Uzay boşluğu üzerinden bilgi iletmede, uydu haberleşmesinde olduğu gibi, çok yüksek frekanslı bir taşıyıcıya ihtiyaç vardır. Kayıpları ve bozulmaları mümkün olduğunca azaltmak için. Ortama bağlı olarak uygun taşıyıcının seçilmesi gerekir. Optik-fiber için ışık frekansları, mobil haberleşme için ise mikrodalga frekansları daha uygun düşer. 05.04.2017 Birol SOYSAL DERS-4

Sayısal Nedir? Analog Nedir?: Kablosuz her şey daima analogdur. Kablo ile taşınan işaretler analog da olabilir, sayısal da. Bir bilgisayar içerisindeki bütün haberleşme sayısal olarak gerçekleşir. Sayısal ortam üzerinden sayısal data iletimi. LAN haberleşmesi ise analog ortam üzerinden sayısal data iletimidir. AM ve FM radyo yayınları ise analog ortam üzerinden analog data iletimine örnek olarak gösterilebilirler. Genel olarak, sayısal bir sistemden bahsettiğimizde, aslında analog ortam üzerinden sayısal data iletiminden bahsediyoruz demektir. Bunun bir istisnası vardır. O da Darbe Kodlamalı Modülasyon (Pulse Code Modulation, PCM ) tekniğidir. Burada taşıyıcı yoktur. Tamamen sayısal bir sistemdir. 05.04.2017 Birol SOYSAL DERS-4

İşaret Uzayı ve Taban Fonksiyonlar: Fiziksel uzayda, koordinatları (x,y) olan bir vektörü tanımladığımızda, bu vektör (1,0) ve (0,1) fonksiyonlarının lineer kombinasyonu olarak tanımlamış oluruz. Herhangi bir vektör bu fonksiyonların kombinasyonu olarak yazılabilir. Birbiriyle ortogonal olan bu fonksiyonlar “Taban Fonksiyonlar” (Basis Function) olarak adlandırılır. Taban fonksiyonlara bir örnek olarak, birbirinden bağımsız ve birim genlik ve genişlikli darbelerdir. Bu darbeleri kullanarak herhangi bir işareti oluşturabiliriz. Bu darbelerin her biri taban fonksiyondur. Çok ideal bir set oldukları söylenemez. Rastgele bir işareti oluşturabilmek için bu fonksiyonlardan çok sayıda kullanmak gerekir. 05.04.2017 Birol SOYSAL DERS-4

İşaret Uzayı ve Taban Fonksiyonlar: Ortogonal darbe seti 05.04.2017 Birol SOYSAL DERS-4

İşaret Uzayı ve Taban Fonksiyonlar: Biz idealde minimum sayıda taban fonksiyonu ile maksimum sayıda analog veya sayısal rastgele işareti üretebilmeyi isteriz. Taban fonksiyonlarının sağlamasını istediğimiz özellikler şunlardır: -Yukarıdaki birim darbeler ve (1,0) ve (0,1) vektörler gibi birim enerjiye sahip olmaları, -Set içerisindeki bütün taban fonksiyonlarının birbirleriyle ortgonal olmaları. Matematiksel olarak aşağıdaki gibi ifade edilebilir: 05.04.2017 Birol SOYSAL DERS-4

İşaret Uzayı ve Taban Fonksiyonlar: Mükemmel taban fonksiyonları setine önemli bir örnek olarak birim genlikli Sinüs ve Cosinüs fonksiyonlarının oluşturduğu set gösterilebilir. Bu özel set, gerçek haberleşme sistemlerinde taşıyıcı işaret olarak kullanılırlar. Sinüs ve Cosinüs, haberleşmenin taban seti 05.04.2017 Birol SOYSAL DERS-4

I ve Q Kanalları Kavramı: İşaretin ne olduğu ile ilgilenmeden onu bir vektör olarak tanımlayalım. İşaret uzayında işaret vektörünün çizimi 05.04.2017 Birol SOYSAL DERS-4

I ve Q Kanalları Kavramı: Birinci şekilde işaret kartezyen koordinatlarda, ikinci şekilde ise kutupsal koordinatlarda gösterilmiştir. İşareti kutupsal koordinatlarda genliği ve açısıyla tanımlayabiliriz. Veya kartezyen koordinatlarda s11 ve s12 ile. Şekilde x ve y eksenleri sırasıyla In-phase ve Quadrature (I, Q) olarak adlandırılır. s11 ve s12 değerleri ise, yine sırasıyla işaretin I eksenine ve Q eksenine izdüşümüdür. s11 I işaretinin genliğini ve s12 Q işaretinin genliğini gösterir. Açı ise vektörün I ekseni ile yaptığı açıdır. İşaretin genliği, ve açısı, olarak hesaplanır. 05.04.2017 Birol SOYSAL DERS-4

Sembol, Bit, Baud: Sembol ile bit kavram olarak birbirlerinden tamamen farklı şeylerdir. Her ikisi de sinüzoidal işaretler veya dalgalarla temsil edilebilmelerine rağmen. Bit, bilgi birimidir. Sembol ise transmisyon enerji birimidir. Aynı zamanda iletim ortamı üzerinden taşınan bilgiye ait bitin temsilidir. Haberleşmede analog işaret biçimi, işaret içerisindeki bit sayısına bağlıdır ve bu işaret sembol olarak adlandırılır. Bir sembol her zaman bir bit anlamına gelmez. Kullanılan modülasyon türüne göre daha fazla sayıda bit içerebilir. Baud ise, haberleşme sisteminde saniyede gönderilen sembol sayısıdır. Eğer 200 sembol gönderiliyorsa bu 200 baud demektir. 05.04.2017 Birol SOYSAL DERS-4

Sayısal bilgi analog taşıyıcı tarafından taşınır Sembol, Bit, Baud: Sayısal bilgi analog taşıyıcı tarafından taşınır 05.04.2017 Birol SOYSAL DERS-4

PSK Modülasyonları: İkili Faz Kaydırmalı Anahtarlama (Binary Phase Shift Keying, BPSK): 05.04.2017 Birol SOYSAL DERS-4