ELE 464/564SAYISAL 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 • Derslerde konu anlatımlarının yanı sıra Matlab kodlarının

da üzerinden geçilecektir.

• Geçer not: tüm ödevlerin teslimi ve %50 ödev ortalaması• 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

Değerlendirme Aracı 464 5641 Ara Sınav %30 %301 Dönem Sonu Sınavı %40 %303 Ödev %15 %153 Matlab Ödevi %15 %15Araştırma ve sunum %10

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 – olasılıksal• Bilgi elektrik sinyali (transducer, ör: mikrofon,

kamera)• İletici:

– Elektrik sinyalini iletilmeye müsait bir şekle 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 sinyalkalitesi 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)

– Claude Shannon (1948)• 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

Görünen Işık

21

http://andy96877.blogspot.com.tr/p/visible-light-communication-vlc-is-data.html

Gelecek Kablosuz Ağlar

• Akıllı evler, mekanlar• Otomatize otoyollar• Vücut içi ağlar• Nesnelerin interneti

– Akıllı altyapılar– Güvenlik ve izleme– Sağlık– Ulaşım– Sanayi …

Var olan sistemler•4G hücresel (LTE-advanced)•4G wireless LAN/wifi (802.11ac)•mmWave massive MIMO•Uydu sistemleri•Bluetooth•Zigbee

Pek yakında•5G hücresel ve WiFi sistemler•Tasarsız ve bilişsel ağlar•Enerji hasadı yapan sistemler•Kimyasal/moleküler haberleşme•Sağlık, biyoilaç ve sinirbilim uygulamaları