HABERLEME SSTEMLERNE GR 1 GR Haberleme Sistemlerine Giri

HABERLEŞME SİSTEMLERİNE GİRİŞ 1. GİRİŞ

Haberleşme Sistemlerine Giriş • Kitap: J. G. Proakis ve M. Salehi, Fundamentals of Communication Systems, Pearson, 2014, 2 nd Edition. • Chapter’lar: 1. Giriş 2. … 3. Genlik Kiplemesi (AM) 4. Açı Kiplemesi (FM, PM) 5. Olasılık tekrarı ve Rasgele Süreçler 6. . . 7. Analog-Sayısal Çevrim 8. Gürültü Altında Sayısal İletim 9. Çok Boyutlu kiplemeler 10. Bant sınırlı kanalda sayısal iletim 11. … 12. . . 13. Hata Düzelten Kodlar

Haberleşme Sistemlerine Giriş • İşleyeceğimiz Konular – Giriş, Haberleşme sistemlerinin elemanları (Chp 1) 2 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): 5 saat – Olasılık, Rastgele değişkenler tekrarı, (Chp 5. 1): 6 saat – Analog Sayısal Çevrim (Sampling, Quant, Encoding, PCM) (Chp 7. 1, 7. 2, 7. 3, 7. 4): 6 saat – Gürültü Altında Sayısal İletim (Chp 8. 1 -8. 7): 11 saat – Çok boyutlu Kipleme (FSK, Karşılaştırma) (Chp 9. 5, 9. 7): 4 saat – Hata Düzelten Kodlar (Chp 13. 1, 13. 2): 4 saat • Ders web sitesi: http: //tgirici. etu. edu. tr/dersler/ELE 361

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. • Geçen seneden itibaren sayısal haberleşmeye ağırlık veriyoruz. • 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 1990 lar Hücresel gezgin haberleşme (GSM) 2000 ler Ses, Veri ve Görüntünün aynı kanaldan aktarımı (3. Jenerasyon) 2000 ler Bluetooth, Zig. Bee, nesnelerin Interneti 2010 lar -> 4. Jenerasyon (Daha yüksek veri hızı, çoklu antenler, heterojen ağlar) 2020 ler -> 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 -1500 KHz) • 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: 2 W örnek/sn • Sinyal türü: sinc fonksiyonu g(t)=sin(2 pi. Wt)/2 pi. Wt – 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=Wlog 2(1+P/N o. W) • Buna ulaşmak imkansızdır ama yakınlaşmak mümkündür (günümüzde 0. 2 d. B) – 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 -4 KHz

1. 3 Haberleşme Kanalı ve Karakteristiği • Kablolu kanal – Bakır tel, burgulu tel çifti (Telefon) <100 KHz, • crosstalk – Koaksiyel (TV kablosu) <1 MHz, – 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: Wi. Fi 2. 4 GHz

Elektromanyetik dalgalar • Yayılım (propagation) – NLOS: Non-line of sight • Yer dalgası yayılımı(ground wave) – düşük frekans (MF-0. 3 -3 MHz) • Gök dalgası yayılımı(sky wave) – Iyonosfer - yüksek frekans (gündüz azalır, gece artar, 330 MHz) • Troposferik saçılım – 40 -300 MHz, birkaç yüz mil mesafeye iletişim (güçlü ileticiler gerekir) – LOS: Line-of –sight (genellikle >30 MHz 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 – 30 GHz’de 3 d. B/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) • 10 k. Hz 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