Güncellenme Tarihi: 22.03.2014 1. GÖRÜŞ HATTI İLETİMİ (LINE-OF-SIGHT TRANSMISSION) Görüş hattı iletimi, alıcı ve verici antenlerin birbirlerini görecek şekilde yapılan telsiz iletimdir. 30 MHz’in üzerindeki frekanslarda, yer dalgası yayılması (ground wave propagation) ve gök dalgası yayılması (sky wave propagation) oluşamadığı için görüş hattı yayılması (line-of-sight propagation) ile iletişim yapılır. 30 MHz’in üzerindeki frekanslarda, elektromanyetik dalga iyonosferden yansımadan geçeceği için uydu iletişiminde uydu ile yer istasyonu arasında görüş hattı iletimi yapılır. Ayrıca, yeryüzünde yüksek yerlere kurulan alıcı ve vericilerin antenlerinin birbirlerini görecek şekilde yerleştirilmesiyle oluşturulan radyo link (radio link) sistemleri de görüş hattı iletimi yapar. 1.1 Görüş Hattı İletiminde İletim Ortamından Kaynaklanan Bozucu Etkenler İletim ortamındaki bozucu etkenler nedeniyle, iletişim sistemlerinde alınan sinyal gönderilen sinyale göre faklılıklar içerir. Bu farklılıklar, analog sinyaller için sinyal kalitesinin bozulmasına, sayısal sinyaller için bit hatalarının oluşmasına (1 bitin 0 bite dönüşmesi ya da tersi) sebep olur. Görüş hattı iletiminde rastlanan en önemli bozucu etkenler söyle sıralanabilir: 1. Zayıflama ve zayıflama bozulması (attenuation and attenation distortion) 2. Serbest uzay kaybı (free spasce loss) 3. Gürültü (noise) 4. Atmosfer soğurması (atmospheric absorption) 5. Çok yolluluk (multipath) 1.1.1 Zayıflama ve Zayıflama bozulması (Attenuation and Attenation Distortion) Zayıflama, sinyalin iletim ortamında ilerlerken (yayılırken) gücünün azalmasıdır. Buna iletim kaybı (transmission loss) da denir. İletim uzaklığı arttıkça ve frekans yükseldikçe sinyalin iletim ortamında uğradığı zayıflama artar. Kablo gibi kılavuzlu iletim ortamlarında (guided media), birim uzaklık için zayıflama (kayıp) desibel (dB) türünden sabit bir değerdir. Atmosfer gibi kılavuzsuz iletim ortamlarında (unguided media) zayıflama ile uzaklık ve atmosferin yapısı arasında daha karmaşık bir ilişki vardır. İletim ortamı olarak atmosferin kullanıldığı durumlarda, yağmur ve kar yağışları zayıflamayı artıran etkenlerdir. Zayıflama konusunda mühendislik açısından üç etken göz önüne alınmalıdır: 1. Alınan sinyalin anlaşılabilir olması için, alınan sinyal gücünün alıcıdaki elektronik devrelerin algılaması ve yorumlaması için yeterli seviyede olması gerekir. Zayıflamanın etkisini giderebilmek için analog iletişimde iletim ortamında belirli aralıklarla yükselteçler (amplifiers) kullanılır. Yükselteçler sinyali ve gürültüyü aynı oranda yükselttikleri için ve kendileri de ek gürültü oluşturdukları için genellikle tercih edilmezler. Sayısal iletişimde iletim ortamında belirli aralıklarla tekrarlayıcılar (repeaters) kullanılır. 2. Alıcıdaki çözücü girişindeki sinyal gücünün gürültü gücüne oranı (SNR or S/N: Signal-toNoise Ratio) belirli bir seviyenin üzerinde olmalıdır. Sayısal iletişimde, alıcının çözücü girişindeki SNR’yi yükseltmek için çözücüden önce uyumlu süzgeçler (matched filters) kullanılır. 3. İletim ortamında yayılan sinyalin yüksek frekans bileşenleri alçak frekans bileşenlerine göre daha fazla zayıflar. Böylece, alınan sinyalin dalga şeklinde bozulmalar olur. Bu tür bozulmaya zayıflama bozulması (attenuation distorsion) denir. Zayıflama bozulması sonucunda, sinyalin taşıdığı mesajın anlaşılabilirliği azalır. Zayıflama bozulmasını azaltmak için, alıcıda ortamın bozucu etkilerini giderici yönde kazanç (gain) ve faz (phase) özelliklerine sahip dengeleyiciler (equalizers) kullanılır. Örneğin, sinyalin yüksek frekans bileşenleri iletim ortamında daha fazla zayıflayacağı için, vericide ya da alıcıda sinyalin yüksek frekans bileşenleri alçak frekans bileşenlerine göre daha fazla güçlendirilir. 1/7 Güncellenme Tarihi: 22.03.2014 1.1.2 Serbest uzay kaybı (Free Space Loss) Sinyalin elektromanyetik dalga halinde boşlukta yayılırken, çapı uzaklıkla artan küresel yüzeyler halinde yayılması sonucunda dağılması ve birim alana düşen gücünün azalması serbest uzay kaybı olarak tanımlanır. Uydu iletişiminde sinyal zayıflamasına neden olan en önemli etken serbest uzay kaybıdır. İdeal bir izotropik anten için serbest uzay kaybı (Lfs), verici antenine uygulanan sinyal gücünün (Pt) alıcı antenine ulaşan sinyal gücüne (Pr) oranı olarak tanımlanır ve matematiksel olarak şöyle ifade edilir: P  4 d   4 fd  L fs  t      Pr     c  2 2 (1) Burada, Pt : Verici antene uygulanan sinyal gücü (watt) Pr : Alıcı antene ulaşan sinyal gücü (watt) f : Taşıyıcı sinyalin frekansı (Hz) λ : Taşıyıcı sinyalin dalgaboyu (m) d : Antenler arasındaki yayılma uzaklığı (m) c : Işık hızı (3×108 m/s) Eşitlik (1)’den, serbest uzay kaybının frekansın ve uzaklığın karesi ile arttığı görülmektedir. İzotropik anten için serbest uzay kaybı, desibel türünden şöyle ifade edilebilir: P  4 d   4 d   10log10 t  10log10    20log10   Pr        20log10 (4 )  20log10 d  20log10  2 L fs ( dB ) L fs ( dB )  20log10   20log10 d  21,98 dB  4 fd   4 fd   10log10    20log10    c   c   20log10 (4 )  20log10 f  20log10 d  20log10 c (2) (3) 2 L fs ( dB ) (4)  20log10 f  20log10 d  147,56 dB İzotropik antenin kazancı bir kabul edilmektedir (G=1). Yönlendirmeli antenlerde (directional antennas), anten kazancı izotropik antene kıyasla birden büyüktür. Verici ve alıcı anten kazançlarını da (sırasıyla, Gt ve Gr) göz önüne alırsak, serbest uzay kaybı anten kazançlarının çarpımı oranında azalır. L fs ( dB ) P 1  4 d   t    Pr Gt Gr    2 (5) Anten kazancı ile antenin etkin alanı (effective area) arasındaki ilişki: G Burada, 4 Ae 2 4 f 2 Ae  c2 (6 G : Anten kazancı Ae : Antenin etkin alanı (m2) F : Taşıyıcı frekansı ) λ : Taşıyıcı sinyalin dalgaboyu (m) c : Işık hızı (3×108 m/s) Eşitlik (6)’yı Eşitlik (5)’de yerine koyarsak, yönlendirmeli antenlerle yapılan iletişimdeki serbest uzay kaybını antenlerin etkin alanları türünden ifade edebiliriz. 2/7 Güncellenme Tarihi: 22.03.2014 L fs ( dB ) P 1  t  Pr Gt Gr Burada, (4 d ) 2  4 d         4 At  4 Ar       2  2    ( d ) 2 (cd ) 2  2 At Ar f At Ar (7) Gt : Verici antenin kazancı Gr : Alıcı antenin kazancı At : Verici antenin etkin alanı Ar : Alıcı antenin etkin alanı Eşitlik (7)’den, serbest uzay kaybının antenlerin etkin alanları ile ters orantılı olduğu görülmektedir. Mikrodalga Link Bütçesi (Microwave Link Budget) Problem Bir mikrodalga vericisi 30 GHz’de 3 watt’lık verici gücü ile yayın yapmaktadır. Verici ve alıcı anten kazançlarının, sırasıyla, 25 dB ve 15 dB olduğunu, serbest uzay kaybının 60 dB, yağmur kayıplarının 10 dB olduğunu varsayarak alıcı antenine gelen sinyal gücünü dBW ve watt türünden hesaplayınız. Çözüm Pt (dBW) = 10 log10 3 = 10 (0,477) = 4,77 dBW Pr (dBW) = Pt (dBW) + Gt + Gr - LS - LY = 4,77 + 25 + 15 – 60 - 10 = - 25,23 dBW - 25,23 = 10 log10 Pr ; - 2,523 = log10 Pr ; 10-2,523 = Pr ; Pr = 0,003 W = 3 mW 1.1.3 Gürültü (Noise) İletişim sistemlerinde alıcının aldığı sinyal, verici tarafından gönderilen ve iletim ortamında zayıflama ve bozulmalara uğramış olan sinyali ve alıcı ile verici arasında bu sinyal üzerine eklenen istenmeyen sinyalleri içerir. İstenmeyen bu sinyaller gürültü (noise) olarak tanımlanır. Gürültü, iletişim sisteminin performansını kısıtlayan en önemli etkendir. Gürültü dört sınıf altında ele alınabilir: 1. 2. 3. 4. Isıl gürültü (thermal noise) İntermodülasyon gürültüsü (intermodulation noise) Çapraz-karışım (crosstalk) Dürtü gürültüsü (impulse noise) (1) Isıl Gürültü (Thermal Noise) Isıl gürültü, ortam sıcaklığı nedeniyle iletkenlerdeki elektrik yüklerinin (genellikle iletim elektronlarının) rastgele hareket etmeleri sonucunda iletkenin (veya pasif devre elemanının) uçları arasında oluşan ve rastgele değişen elektriksel gerilimdir. Bir elektronik gürültü türü olan ısıl gürültü, tüm elektrik devre elemanlarında ve iletim hatlarında bulunur ve ortam sıcaklığı ile doğru orantılı olarak artar; ancak mutlak sıfır sıcaklığında (0 oKelvin=-273 oC) sıfırdır. Isıl gürültü frekans spektrumunda düzgün dağılıma sahiptir (uniformly distributed) ve bu nedenle beyaz gürültü (white noise) olarak da bilinir. Isıl gürültü 0 oK’in üzerindeki sıcaklıklarda yok edilemez, fakat ortam sıcaklığının azaltılabildiği yerlerde ısıl gürültünün aşırı derecede artması önlenebilir. Bu nedenle, ısıl gürültü iletişim sistemlerinin başarımlarına üst sınır getiren bir etkendir. Isıl gürültü frekanstan bağımsız kabul edildiği için, B Hz'lik bir bantgenişliğinde T oK sıcaklığındaki bir ortamda (örneğin bir cihaz veya bir iletkende) bulunan ısıl gürültü miktarı watt türünden No = kTB W olarak hesaplanır (k: Boltzman sabiti = 1.3803 x 10-23 J / oK). 3/7 (8) Güncellenme Tarihi: 22.03.2014 Noise from the thermal agitation of electrons (thermal noise) and noise from the discreteness of the electrical charge (shot noise). (2) İntermodülasyon Gürültüsü (Intermodulation Noise) : Aramodülasyon gürültüsü İntermodülasyon Gürültüsü (aramodülasyon gürültüsü), bir iletişim sisteminde vericinin, alıcının, iletim ortamının ya da herhangi bir öğenin doğrusal olmayan (nonlinear) özelliğe sahip olması durumunda, farklı frekanslardaki sinyallerin aynı iletim ortamını paylaşmaları sonucunda, doğrusal olmayan öğenin çıkışında istem dışı oluşan ve asıl sinyalle girişim yapabilen sinyallerdir. İntermodülasyon gürültüsü, iki farklı frekanstaki sinyalin doğrusal olmayan özelliğe sahip bir sistemde karışmaları (mixing) sonucunda, sistem çıkışında bu frekansların toplamı, farkı ya da bunların katları olan frekanslarda oluşan istenmeyen sinyallerdir. Örneğin, f1 ve f2 frekanslarındaki işaretler doğrusal olamayan özelliğe sahip bir sisteme uygulandığında, sistem çıkışında f1+f2 frekansında oluşan istenmeyen sinyaller intermodülasyon gürültüsüdür ve gürültü f1+f2 frekansında iletilen bir sinyal ile (asıl sinyal) girişim yaparak asıl sinyalin bozulmasına neden olur. (3) Çapraz-karışım (Crosstalk) Çapraz karışım, bir iletişim sisteminde bir devredeki ya da kanaldaki sinyalin istenmeyen bir şekilde diğer devre ya da kanaldaki sinyali etkilemesidir. Kablolu iletişimde çapraz-karışım, kabloların birbirlerine bitişik ya da yakın olmaları durumunda, bir kablodaki sinyalin etkileşim sonucunda diğer kablodaki sinyal üzerine istenmeyen bir şekilde eklenmesine neden olur. Bu durumda, bir kanaldaki ses ya da sinyal diğer kanalda da duyulur. Bitişik ya da yakın kablolar arasındaki istenmeyen etkileşim kapasitif, endüktif ve kondüktif olmak üzere üç şekilde oluşabilir: a) Kapasitif bağlaşım (capacitive coupling), bitişik iki kablo arasında oluşabilecek kapasitif özellik sonucunda bu kablolardaki sinyallerin birbirlerini etkilemeleridir. Kapasitif bağlaşım durumunda, sinyallerin yüksek frekans bileşenlerinde daha fazla etkilenme olur. Çünkü kapasitörün empedansı yüksek frekanslarda daha düşüktür. b) Endüktif bağlaşım (inductive coupling), bitişik ya da yakın iki kablo arasında oluşabilecek manyetik etkileşim nedeniyle bu kablolardaki sinyallerin birbirlerini etkilemeleridir. Endüktif bağlaşım, bir kablodaki akımın yarattığı manyetik alanın diğer kablonun iki ucu arasında bir gerilim indüklemesi şeklinde oluşur. Endüktif bağlaşım durumunda, sinyallerin alçak frekans bileşenlerinde daha fazla etkilenme olur. Çünkü endüktörün empedansı alçak frekanslarda daha düşüktür. Analog iletişimde, endüktif bağlaşımı azaltmak için bükümlü çift kablolar (twisted pair cables) ve ekranlama (shielding) kullanılır. Bükümlü çift kabloların ekranlı (shielded or foiled) ve ekransız (unshielded) türleri vardır: STP (Shielded Twisted Pair) kablosu ve UTP (Unshielded Twisted Pair) kablosu. Çapraz-karışımı azaltmanın diğer bir yolu da analog sinyali sayısala çevirip iletmektir, çünkü sayısal işaretler çapraz-karışımdan daha az etkilenir. c) Kondüktif bağlaşım (conductive coupling), bitişik kabloların iletkenlerinin birbirlerine temas etmeleri ya da aralarındaki yalıtkanlığın bozularak iletkenlik oluşması sonucunda kablolardaki sinyallerin birbirlerini etkilemeleridir. Kondüktif bağlaşım durumunda, sinyaller DC dahil tüm frekans spektrumunda birbirlerini etkiler. Telefon haberleşmesi yaparken bir başka hattaki konuşmanın ya da bazı sinyal seslerinin duyulması, çapraz-karışıma günlük hayatımızdan verilebilecek en güzel örnektir. Telefon haberleşmesinde çapraz-karışımın etkileri iki türlü incelenir: Yakın uç çapraz-karışımı (NEXT: Near End Crosstalk) ve uzak uç çapraz-karışımı (FEXT: Far End Crosstalk). Yakın uç çapraz-karışımı (NEXT: Near End Crosstalk) Bir kablo çiftinin bir ucuna uygulanan sinyalin komşu kablo çiftinin aynı taraftaki ucunda oluşturduğu çapraz-karışım etkisidir. 4/7 Güncellenme Tarihi: 22.03.2014 Uzak uç çapraz-karışımı (FEXT: Far End Crosstalk) Bir kablo çiftinin bir ucuna uygulanan sinyalin komşu kablo çiftinin diğer ucunda oluşturduğu çapraz-karışım etkisidir. Gönderme Uygulanan sinyal Bir kablo çifti (b) 6 dilime bölün müş hücre A A NEXT FEXT Komşu kablo çifti A A Şekil 1 Yakın ve uzak çapraz karışım A A A Ortak kanal girişimi (co-channel interference) A A Ortak kanal girişimi, telsiz iletişimde aynı frekans bandını kullanan vericilerin oluşturduğu çaprazA karışıma co-channel interference (CCI) adı verilir. CCI çeşitli nedenlerden oluşabilir: A 1. Elverişsiz hava koşulları: Örneğin, normal şartlarda atmosferi delerek A dışarı çıkması beklenen A troposferden aşağı doğru VHF sinyalleri, anormal yüksek basınçlı hava koşullarında A bükülerek (kırılıma uğrayarak), hedeflenenden daha uzak mesafelere ulaşarak oradaki yerel A vericilerin sinyalleriyle girişim yaparlar. A VHF Yansıyan VHF Troposfer Yer Küre Yerel verici Şekil 2 Troposferde kırılıma uğrayan elektromanyetik dalda. 2. Kötü frekans planlaması sonucunda, aynı frekansta fakat zıt polarizasyondaki yayınlar (frequency reuse) arasında nadiren de olsa girişim olabilir. 3. Aşırı kalabalık radyo spekturumu vericiler arasında girişime neden olabilir. Co-channel interference, radyo kaynaklarının uygun kullanımıyla (radio resource management) kontrol edilebilir. (4) Dürtü gürültüsü (Impulse Noise) Dürtü gürültüsü, kısa süreli, düzensiz ve göreceli olarak yüksek genlikli rasgele elektriksel değişimlerdir (energy spikes). Dürtü gürültüsü genellikle, yıldırım, şimşek, buji çakmaları ve bozuk elektriksel kontaklarda oluşan elektrik arkları gibi dış elektromanyetik etkilerden oluşur. Dürtü gürültüsünün analog veri üzerindeki etkisi sayısal veri üzerindeki etkisine göre daha azdır. Örneğin, dürtünün etkisi altında kalmış bir ses iletişiminde, alıcıda çıtırtı ve çatırtı sesleri duyulur fakat anlaşılabilirlik çok fazla etkilenmeyebilir. Öte yandan, örneğin 1 Mbps hızında yapılan bir sayısal iletişimde, 10 ms süren bir dürtü gürültüsü 10000 bitin yok olmasına neden olur. 5/7 Güncellenme Tarihi: 22.03.2014 1.1.4 Atmosfer Soğurması (Atmospheric Absorption) Verici ve alıcı antenler arasındaki serbest uzay kaybına ek olarak, atmosferin elektromanyetik dalgayı soğurması sonucunda da alınan sinyal gücünde zayıflama olur. Su buharının (H2O) yarattığı kayıp 22 GHz civarında maksimum değer ulaşır (0,2 dB/km); oksijenin yarattığı kayıp ise, 60 GHz civarında maksimum değere ulaşır (10 dB/km) [STALLING, 2005, P355, Şekil 11.10]. Kar ve yağmur yağışı ve sis (havada asılı su damlacıkları) radyo dalgalarının saçılmasına neden olduğu için sinyal gücünde önemli ölçüde zayıflama yaratır. Yağışların fazla olduğu bölgelerde, iletim mesafesi kısa tutulmalı ve düşük frekans bantları kullanılmalıdır. 1.1.5 Çokyollu Yayılma (Multipath Propagation) Vericiden gönderilen sinyalin engellerden yansıyan, yön değiştiren ya da saçılan kopyalarının farklı uzunluktaki yollar kat etmeleri sonucunda farklı gecikmelerle alıcıya gelmeleri çokyolluluk olarak tanımlanır. Çokyolluluk durumunda, vericiden gönderilen sinyalin direkt dalga bileşenine ek olarak sinyalin çokyollu kopyaları (multipath copies) da alıcıya farklı gecikmelerle ulaşır. Bunun sonucunda, alıcıya gelen toplam sinyalin gücü zaman zaman artar ya da azalır. Bu olayın etkisine çokyolluluk etkisi (multipath effect), çokyolluluk girişimi (multipath interference), çokyolluluk bozulması (multipath distortion) ya da çokyolluluk sönümlemesi (multipath fading) adları verilir. En kötü durumda, vericiden gönderilen sinyalin direkt dalga bileşeni alıcıya ulaşmayabilir; alıcıya sadece sinyalin çokyollu kopyaları ulaşabilir. Çokyolluluk, genellikle şehir içindeki telsiz mobil iletişimde ortaya çıkar. Çokyolluluğa neden olan olayları dört sınıfa ayırabiliriz: 1. 2. 3. 4. Yansıma (reflection) Kırılım (refraction) Kırınım (diffraction) Saçılma (scattering) Yansıma (reflection), elektromanyetik dalganın dalda boyundan büyük boyutlarda (d > λ) ve içine giremeyeceği bir yüzeye çarptığı zaman yön değiştirmesidir. Yansıyan dalga Gelen dalga θ1 θ2 θ1= θ2 Geliş açısı: θ1; Yansıma açısı: θ2; Cismin boyutları: d; Dalga boyu: λ; Yansıma için d > λ Gelen dalga Kırılım (refraction), elektromanyetik dalganın ortamda yayılırken, farklı yoğunluktaki bir ortama geçmesi durumunda, yayılma hızının değişmesi nedeniyle, yönünü değiştirerek yayılmaya devam etmesidir. Kısaca, elektromanyetik dalganın bükülmesi (bending) olarak da tanımlanabilir. Elektromanyetik dalganın hızı ortam yoğunluğu ile ters orantılıdır; az yoğun ortamdan çok yoğun ortama geçerken normale yaklaşır. Ortamların kırılım indeksleri n1 ve n2 ile gösterilmektedir. 6/7 Normal θ1 n1 n2 θ2 Kırılıma uğrayan dalga Geliş açısı: θ1; Kırılım açısı: θ2 n1sin θ1 = n2sin θ2 Güncellenme Tarihi: 22.03.2014 Kırınım (diffraction), elektromanyetik dalganın dalga boyundan büyük boyutlarda (d > λ) ve içine giremeyeceği bir cismin kenarında yön değiştirerek ya da dalga boyundan büyük ve içine giremeyeceği bir yüzeydeki dalga civarında ya da daha küçük çaplı bir delikten yön değiştirerek yoluna devam etmesidir. Gelen dalga Kırınıma uğrayan dalga Gelen dalga Kırınıma uğrayan dalga Cismin boyutları: d > λ Açıklığın çapı: d ≤ λ Saçılma (scattering), elektromanyetik dalganın dalda boyu civarında ya da daha küçük boyutta (d ≤ λ) ve içine giremeyeceği bir cisme çarptığı zaman, daha zayıf elektromanyetik dalgalar halinde her yöne doğru yayılmasıdır. Gelen dalga Saçılan dalgalar Çokyolluluğun Olumsuz Etkileri (1) Analog iletişimde sönümlenmeye (fading) neden olur, (2) Sayısal iletişimde semboller arası girişime (ISI: intersymbolinterference) neden olur. Çokyollu yayılmanın mobil iletişimde alıcıya gelen sinyal üzerindeki iki olumsuz etkisi olan sönümlenme (fading) ve sembollerarası girişimin (ISI: Intersymbol interference) nasıl oluştuğunu kısaca açıklayalım. Analog iletişiminde, alıcı girişine gelen sinyal kopyalarının fazları farklı olduğu için bunlar aynı yönde olduklarında birbirlerine eklenerek alınan sinyalin gücünü artırırlar, ters yönde olduklarında ise alınan sinyalin gücünü azaltırlar. Bunun sonucu olarak, alınan sinyal gücü zaman içinde değişme gösterir. Alınan sinyal gücünün zaman içinde değişmesine sönümlenme (fading) denir. Çokyolluluğun dışında, atmosfer şartlarındaki değişmeler de analog iletişimde sönümlenme yaratabilir (yağmur gibi). Sayısal iletişimde, vericiden gönderilen bir darbenin (pulse) çokyolluluk nedeniyle farklı fazlardaki kopyalarının alıcıya ulaşması görüş hattı (LOS: Line-of-Sight) üzerinden ulaşan bir sonraki darbe ile girişim yapması sonucunda sembollerarası girişim oluşur. Gönderilen 1. darbe Gönderilen 2. darbe Alınan 1. darbe (LOS) Alınan 2. darbe (LOS) 1. darbenin çokyolulluk kopyaları 7/7 Sembollerarası girişim (ISI) 2. darbenin çokyolulluk kopyaları