Saysal Sinyaller D Roddy Chapter 10 Saysal letiimin

Sayısal Sinyaller D Roddy Chapter 10

Sayısal İletişimin Bileşenleri

Sayısal Sinyaller • Sinyal: Bilgiyi (ses, video, veri) taşıyan gerilim • Sayısal: Gerilimin ayrık değerler aldığı durum, • Başarım – Bit hata oranı – Kesinti: İstenen başarımda iletim yapılamama • Ör. TV için 0. 2% – Gecikme: İletimden alıma kadar geçen süre • Ör. GEO-> 278 msn • Sinyaller (bilgi taşıyan gerilim) – Telefon • Örnekleme , Nicemleme, Kaynak Kodlaması • PCM, DPCM – TV • Analog: • Sayısal: MPEG 2/4 Sıkıştırma (DVB) – Veri

Darbe Genlik Kodlaması (PCM) • Amaç: kaynak sinyalini mümkün olduğu kadar az bozulmuş şekilde alıcıya aktarmak – Herhangi bir kaynak sinyali için – Robust olmalı • Ses/görüntü sayısala çevrilmelidir – Örnekleyici-Nicemleme (Quantization)-PCM Codec – Önce Filtrelenir (Düşük geçirgen 300 Hz, yüksek geçirgen 4000) – Örnekleme (8000 örnekleme frekansı – Nyquist) – Eşit (Uniform) Nicemleme • • • [-xmax, +xmax] arası, N=2 v seviye olsun Her bölge Δ = xmax/2 v-1 uzunluğunda Nicemleme hatası (- Δ/2, + Δ /2) aralığında eşit dağılımlı Nicemleme gürültüsü xmax 2/(3 x 4 v) SQNR= 3 x 4 v x E[Xn 2] (Ör: PCM 256, [-1, 1] SQNR=48. 16 d. B)

Örnekleme ve Nicemleme •

Eşit Olmayan (Non-uniform) PCM • Gerçekte ses sinyali eşit dağılımlı değildir – Eşit olmayan nicemleme gerekir. • Amaç: SQNR’ı azaltmak – Sinyal genelde küçüktür, nadiren büyük olur • Büyük sinyaller daha seyrek nicemlenir • Companding +uniform quantization – Mu ve A law • MC 145500 –Motorola Codec – 1. bit pozitif negatif – 3 bit chord – 4 bit quantization – Bitler tersine çevrilerek 1 sayısı artırılır. – Rb =64 kbps sıkıştırılırsa azaltılabilir

Bir sonraki tablo bu karakteristiği yaklaşık olarak sağlamaktadır. Matlab: «compand» fonksiyonu

DM ve DPCM • Delta Kiplemesi: (16 -32 kbps) – 16 veya 32 bit/örnek – Her iki örnek arasındaki fark bir bitle kodlanır – Matlab dpcmenco, dpcmdeco fonksiyonları • Uyarlamalı Delta Kiplemesi (16 -64 kbps) – Önceki örneklerden tahmin edilen sinyal gerçek sinyalden çıkarılır. 4 bit/örnek ile kodlanır • Vocoder (2. 4 -4. 8 kbps) – Ses üretme mekanizması bir filtre olarak modellenir (10 -50 msn periyotlarla) – Filtre katsayıları gönderilir

10. 4: Zaman Bölmeli Çoklama (TDM) • Ör. T 1 sistemi (Japonya ve Kuzey Amerika ) – – – Multiplexer demultiplexer 24 telefon konuşması tek kanaldan iletilir. Çerçeve süresi 1/8000=125 mikrosn. 8 X 24+1=193 bit 125 mikro sn’de iletilir: 1. 544 Mbps veri hızı Fatura bilgisi, meşgul sinyali, arayan no. gibi bilgiler de aynı kanaldan iletilir (1. 333 kbps)

Zaman Bölmeli Çoklama (devam) • Ör. CEPT Sistemi (Avrupa) – 30 telefon konuşması tek kanaldan iletilir. – Çerçeve süresi 1/8000=125 mikrosn. – 8 X 30+16=256 bit 125 mikro sn’de iletilir: 2. 048 Mbps veri hızı • Sayısal konuşma interpolasyonu – Konuşmadaki boşluklardan yararlanarak daha çok konuşmayı tek bir hatta sıkıştırmak

Sayısal TV Yayını • Digital Video Broadcasting (Sıkıştırma) – Görüntü (MPEG-2: 2 Mbps), – Ses (MP 2: 192 -256 kbps, AC 3: 192 -448 kbps) – Sıkıştırma sayesinde bir uydu yüzlerce kanal iletebilir • Hizmet kalitesi – – – CTD: Cell transfer delay CDV: Cell delay variation CLR: Cell Loss Ratio CER: Cell error ratio CMR: Cell misinsertion rate SECBR: Severely errored cell block ratio

Sayısal Sinyal İletimi • Şifreleme (Encryption) – Bitler üzerinde güvenlik amaçlı işlemler • Kanal Kodlaması – Hatalara dayanıklılık amacıyla mesaja ek bit eklenmesi • Karıştırma (Scrambling) – Bitlerin dizilimini daha kullanışlı hale getirmek için karıştırmak • Sayısal Kipleme – Bant sarfiyatını sınırlamak ve semboller arası girişimi engellemek için mesajı analog bir sinyale bindirmek

10. 2: Sayısal Tabanbant Sinyaller • Bilginin kodlanmış hali (0 ve 1 ler, yani bitler) – Tabanbant: 0 -f arasındaki frekans aralıklarını kapsayan modüle edilmemiş sinyal. – Analog sinyalin nicemlenmesiyle oluşabilir – Ör. Darbe Genlik Kodlaması (PCM): Telefon – Direkt olarak sayısal olarak bilgisayarda üretilebilir • Sayısal dalgalar iletilir – Bit periyodu Tb – Birden fazla sayısal sinyal TDM kullanılarak birleştirilebilir

Sayısal Dalgalar (Digital Waveforms) • Non return to zero (NRZ) – Tek kutuplu – Unipolar • DC bileşeni var, uzun mesafelere iletilemez – Kutuplu – Polar • DC bileşeni daha az olsa da hala var • Bit zamanlamasını korumak zor (11111…. ) • Return to zero (RZ) – Bit periyodunun ortasında sıfıra dönülür – Uzun 11111 veya 0000 dizilerinde bile devamlı geçişler olur. – DC bileşeni vardır • Manchester Kodlaması – DC bileşeni yoktur – NRZnin iki katı bant genişliği gerekir • Alternate Mark Inversion (AMI) – 0’lar 0 volt ile gönderilir 1’ler ise +-1 olarak sürekli değişir. – 0 DC bileşeni

. . • Dörtlü sinyal – 11: 3 A, 10: A, 01: -A, 00: 3 A – sembol=2 bit. Sembol oranı : baud – Bant genişliği yarıya iner – m=log 2 M, Tsym=m. Tb, Rsym=Rb/m

10. 5 Bant Gereksinimi • Kablosuz iletişimde sinyal bir bant aralığında taşınır • Birkaç noktada sinyal filtrelenir – İletici, kanal ve alıcı – Bu etkiler sonucunda kare şeklindeki fonksiyon alıcıya uzamış olarak gelir • Semboller arası girişim: ISI – Örneklemeyi doğru yerde yapmak önemlidir – Fonksiyonlar da özel olarak seçilebilir

10. 5 Bant Gereksinimi • İdeal düşük geçirgen filtre zaman alanında yavaş sönümlenir – ISI artabilir • Raised cosine (yükseltilmiş kosinüs) – Frekans alanında daha fazla yer kaplıyor ama zaman alanında çabuk sönümleniyor – Azalma faktörü (rolloff) – İletici ve alıcıda bu fonksiyonun karekökü kullanılır

T 1 bit rate= ?

10. 6: Sayısal Kipleme • Sayısal veri analog bir taşıyıcıya bindirilir – Buna modulasyon-kipleme denir – Bilgi, Analog sinyalin fiziksel bir özelliği üzerine kodlanır • Faz, Frekans, Genlik • 2 veya daha fazla seviyeli kipleme olabilir • Bu kitapta özellikle BPSK ve QPSK anlatılmakta • 8 PSK, 16 PSK ile verim artar ancak hata oranı da artar.

10. 6. 1: İkili Faz Kaydırmalı Kipleme (BPSK) •

10. 6. 2: Dördün Faz Kaydırmalı Kipleme (QPSK)

QPSK

MSK – Minimum Shift Keying •

MSK • The figure below shows the waveform of sub-carrier MSK The center frequency of the carrier is 1, 500 Hz and the deviation is ± 300 Hz. Therefore, the data 1 (mark) frequency is 1, 200 Hz and data 0 frequency (space) is 1, 800 Hz. The bit phase is offset by 90 degrees in relation to the respective carrier frequency.

Daha Yüksek Dereceli Kiplemeler

Kiplenmiş Sinyalin Spektrumu • Dikey eksen: d. B cinsinden taşıyıcı sinyale görecel, i olarak güç spektral yoğunluğu (W/Hz) • Yatay eksen: Kiplenmiş sinyal frekansı - taşıyıcı frekansı farkının bit oranına bölümü • Filtrelenmemiş kiplenmiş sinyal • İki konu – Kiplnemiş snyal spektrumunun ana lobu: Bant genişliği gereksinimi – Yan lobların azalma hızı: Yan taşıyıcılara olan girişim – QPSK (M=4, m=2) bu açıdan BPSK’den (M=2, m=1) üstün – MSK ise daha iyi bir yan lob başarımı gösteriyor ama ana lob daha büyük

10. 6. 3: İletim hızı ve bant genişliği • QPSK: Sembol başına iki bit • Bant genişliği sembol oranı ile doğru orantılı • Sembol başına gönderilen bit sayısı arttıkça sembol oranı düşürülebilir – dolayısıyla bant genişliği de düşer • BIF=2 B=(1+ρ)Rsym, – QPSK: Rsym=Rb/2, o halde: BIF=(1+ρ)Rb/2 • QPSK, BPSK’e göre iki kat verimli , ancak – Daha karmaşık devre (ör. S/P çevirici)

BPSK DE-BPSK QPSK

10. 6. 4: Bit Hata Oranı (BER) •

Bit Hata Oranı (BER) • BPSK: BER=SER • QPSK: BER=SER/2 (Gray Coding ile) • M-QAM, M-PSK: BER=SER/log 2 M

Bit Hata Oranı için Gereken SNR

Spektral Verimlilik •

10. 7: Taşıyıcı Sinyalinin Alıcıda Üretilmesi •

Diğer Konular • Şifreleme: Yetkisiz erişimi önlemek için • Karıştırma: Bit dizisini rastgele yapmak amacıyla karıştırmak. Böylece frekans spektrumu düzleşir.

Sorular • 1, 2, 5, 6, 7, 8, 9, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17