DUMLUPINAR ÜNİVERSİTESİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
9. BÖLÜM
ANALOG SİSTEMLER
Analog Sistemler
n
n
n
n
Giriş
9.1 Analog Bağlantılarına Genel Bakış
9.2 Taşıyıcı – Gürültü Oranı (CNR)
9.2.1 Taşıyıcı Gücü
9.2.2 Fotodedektör ve Ön yükselteç Gürültüleri
9.2.3 Bağıl Şiddet Gürültüsü(RIN)
9.2.4 RIN Üzerindeki Yansıma Değerleri
9.2.5 Sınırlayıcı Koşullar
9.3 Çok Kanallı İletim Teknolojileri
9.3.1 Çok Kanallı Genlik Modülasyonu (Multichannel AM)
9.3.2 Çok Kanallı Frekans Modülasyonu (Multichannel FM)
9.3.3 Alt Taşıyıcı Çoklayıcısı (SCM)
Giriş
n
n
n
n
Fiber optiklerin, telekomünikasyon ağlarında ilk olarak uygulanmasından bu yana,
bunların yaygın olarak kullanımı dijital bağlantıları kapsamaktadır.
Bunun bazı örnekleri; mikrodalga - karışık sinyalleri, hibrid fiber kullanan abone
servisleri (HFC), video dağıtımı, anten kumandası ve radar sinyal işlemcileridir.
Analog uygulamaların çoğunda lazer-diyot ileticiler kullanılır, bundan dolayı bu
bölümde optik kaynaklar üzerinde durulacaktır.
Bir analog fiber optik sistem uygulanırken düşünülmesi gereken parametreler
* Taşıyıcı-gürültü oranı(CNR)
* Bant genişliği(B) ve
* İletişim sisteminde lineer olmayan sinyal bozulmalarıdır.
9.1 Analog Bağlantılarına Genel Bakış
Optik fiber bağlantıları için en basit şekil, optik çıkışın kaynaktan basitçe
mesaj-sinyal düzeyindeki eğim noktası etrafında akımı çeşitlendirerek ayarlandığı
doğrudan gerilim modülasyonudur. Böylece bilgi sinyalleri temel bantlara doğrudan
gönderilmiş olur.
Oldukça karışık ama, daha verimli bir metot ise, elektrik alt taşıyıcılarındaki
temel bant sinyallerini kaynağın gerilim modülasyonuna çevirmektir. Bu işlem,
standart genlik modülasyonu(AM), frekans modülasyonu(FM) ve faz
modülasyonu(PM) teknikleri kullanılarak yapılabilir.
Analog bağlantının temel elemanları
9.2 Taşıyıcı – Gürültü Oranı (CNR)
Analog sistemlerin performansının analizini yaparken ,RF alıcı tarafından
fotodedektör işlemleri girişin de genellikle rms taşıyıcı gücün, rms gürültü gücüne
oranı hesaplanır.Bu orana da taşıyıcı – gürültü oranı (CNR) denir.
Herhangi bir sinyal kirliliğiyle alakalı taşıyıcı gürültü oranı olan CNRi ile N tane
sinyal zayıflatma(bozma) faktörü bize aşağıdaki formülü verir.
N æ
1
1 ö÷
= åç
CNR i =1 çè CNR i ÷ø
Farklı taşıyıcı frekanslarında çalışan çoklu mesaj kanalları, aynı fiber üzerinden
eş zamanlı olarak gönderildiği an harmonik ve modüler arası bozulmalar oluşur.
Prensip olarak fiber sinyal zayıflamalarının 3 baskın sebebi vardır.Bunlar;
* Vuruş(shot) gürültüsü
* Optik yükselteç gürültüsü
* Lazer kırpması
9.2.1 Taşıyıcı Gücü
Taşıyıcı gücü bulmak için ilk olarak vericideki sinyale bakılır. Şekil ‘ de
görüldüğü üzere sürücü akımı boyunca optik kaynak, sabit eğimli akım ve zamanla
değişken sinüsoit toplamına eşittir. Çıkış daki optik gücün şekli(P(t)), giriş sürücü
akımı ile aynı biçime sahiptir.
Eğer zamanla değişken analog sürücü sinyali s(t) ise,
Pt ,eğimli akım bölümünün optik çıkış gücü olup, m ise modülasyon
indeksidir.Buna göre ;
Ppeak
elde edilir.
Pt
Sinüsoidal alıcı sinyali için, alıcının çıkışında taşıyıcı gücün formülü
aşağıdaki gibidir.
m=
__
1
C =
( m R0 M P )
2
R0
,fotodedektörün birim kazanç cevabıdır.M ise fotodedektör kazancıdır.
P
, ortalama alınan optik güç
9.2.3 Şiddete(Yoğunluğa) Bağlı Gürültü (RIN)
Bir semicondactor lazer içinde, genlikteki dalgalanmaları veya çıkışın şiddeti
optik yoğunluk gürültüsünü üretir. Bu dalgalanmalar sıcaklık değişmelerinden veya
lazer çıkışın da kendiliğinden ortaya çıkarak oluşabilir. Rastgele yoğunluk
dalgalanmalarından oluşan gürültüye şiddete bağlı gürültü (RIN) denir. RIN ,
yoğunluk dalgalanma ortalamalarının karesi olarak tanımlanır.
Bu eşitliklerden faydalanarak tek kanallı AM sistemi için taşıyıcı gürültü oranı ise;
(
)
1
2
m R0 M P
C
2
=
2
N
RIN R0 P B + 2 q (I P + I D ) M 2 F ( M ) B + (4 k B T R eq )B F t
(
)
Two buried – heterostructure lazer
diyotlar için bağıl şiddet gürültüsünün bir
örneğidir.100 MHz de ölçülmüş gürültü
seviyesidir.
Bir InGaAsP buried-heterosturucture
lazerin RIN değeri,birkaç farklı eğim
seviyelerinde modülasyon frekansının bir
fonksiyonu gibidir.
9.2.4 RIN Üzerindeki Yansıma Değerleri
Yüksek hızda analog bağlantısını uygularken lazer’e geri dönen optik
yansımaları minimize etmek için özel önlemler alınmalıdır.Şekil’ den de görüldüğü
üzere geri yansıyan sinyaller RIN’i 10-20 dB arttırabilir.
RIN’deki artış optik sinyallerin geri yansımasından dolayıdır.
9.2.5 Sınırlayıcı Koşullar
n
Alıcıdaki optik güç seviyesi düşük olduğu zaman,ön yükselteç devre gürültüsü, sistem
gürültüsünü baskılar.Bu sebep den dolayı aşağıda ki formül elde edilir.
(
)
1
2
m
M
P
R0
æCö
= 2
ç ÷
è N ølim it1 (4 k B T Req )B F t
n
İyi tasarlanmış fotodiyotlar için geniş ve yüzeyel karanlık akımlar alıcıdaki orta
dereceli optik sinyal bölümleriyle karşılaştırıldığında vuruş(shot) gürültüleri daha
küçüktür.Bundan dolayı vuruş gürültüsü, sistem gürültüsünü baskılayacaktır. Bu
sebep den aşağıda ki formül ortaya çıkar;
1
mR0 M P
æCö
2
=
ç ÷
è N ølim it 2 2qF ( M ) B
n
Eğer lazer yüksek RIN değerine sahip olursa yansıma gürültüsü diğer gürültüleri
baskılar.Buna göre taşıyıcı-gürültü oranı şu hale gelir;
1
2
(
mM )
C
æ ö
= 2
ç ÷
RIN B
è N ølim it 3
Taşıyıcı gürültü oranı alıcıdaki optik güç seviyesinin bir fonksiyonudur.Böylece RIN
yüksek güçlerde hakim olur,quantum gürültüsü orta seviyelerde C/N nin her 1 dB güç
azalmasında 1 dB’lik düşüş verir.Düşük ışık seviyelerindeki alınmış güçte C/N’nin her 1 dB
düşüşünde 2 dB zayıflar.
9.3 Çok Kanallı İletim Teknolojileri
Şimdiye kadar incelediğimiz tek durum, bir tek sinyalin bir kanal
üzerinden iletilmesiydi. Geniş band içinde ki analog uygulamalarda,
mesela kablolu televizyon (CATV) gövde yapısında ihtiyaç duyulan,
analog sinyallerin aynı fiber üzerinden gönderilmesidir. Bunu yapmak
için, bir çoklayıcı teknolojisi kullanılabilir ki bu da bir sayıda ki temel band
sinyallerinin, kararlı N tane farklı frekanslara sahip ƒ1,ƒ2…ƒN alt taşıyıcıyı
bastırmasıdır.
Bunlardan Genlik Modülasyonu(AM), CATV müşterilerinin
donanımları ile uyum içinde çalışabilen basit ve efektif değerdir fakat
gürültü ve nonlineer bozulmalar için bu sinyal çok hassastır.
Frekans Modülasyonu(FM), AM’ den daha büyük bir band genişliği
gerektirir ki bu da yüksek bir sinyal-gürültü oranı ile daha hassas
doğrusal olmayan kaynakları sağlamaktadır.
SCM işlemlerinin yüksek frekansları için ise geniş bir band üzerinde
analog ve dijital sinyallerinin her ikisinde de bozulmalar meydana
gelebilir.
9.3.1 Çok Kanallı Genlik Modülasyonu
Şekil’ de çok kanallı iletim teknolojisine göre birleştirilmiş yardımcı taşıyıcıların
bağımsız mesajları gösterilmiştir. Bir RF gücünü birleştirmek daha sonra
hesaplamak,bunlar (N) genlik modülasyonu taşıyıcılarına teslim etmek için, karışık bir
frekans – bölücü – çoklayıcı (FDM) sinyalidir ki bu yoğunluk(şiddet) modülleri de bir
lazer diyottur.
Standart teknoloji için frekans –bölücü-çoklayıcının(FDM) N tane bağımsız bilgi durum sinyalleri
Rastgele fazları olan birçok sayıdaki FDM taşıyıcıları için, taşıyıcılar güç
kaynakları üzerine eklenir.Böylece N kanalları için optik modülasyon indeksi olan m,
her kanalın modülasyon indeksi olan mi ile aşağıda verilen formülle tanımlanır.
m=æ
ç å mi2 ö÷
è i =1 ø
N
1
2
Frekans fi+fj-fk (üçlü-vuruş IM ürünleri olarak bilinirler) ve frekans 2fi-fj (2-ton
3.derece IM ürünleri olarak bilinirler)’nin çoğu çok kanallı sistemlerin bant genişliği
içine düştüğü zaman, bu frekanslardaki 3.derece IM bozulmuş ürünler daha
baskındır.
Eğer band geçiren bir sinyal birçok sayıda eşit aralıklı taşıyıcılar içerirse, birkaç
IM terimi aynı frekansın yanında veya yakınında olacaktır.”Beat – stackting” olarak
adlandırılan bu sinyal bir güç kaynağı üzerine ilave edilir.Örneğin N tane eşit aralıklı
eşit genlik taşıyıcıları , r ’inci (rth) taşıyıca uygun düşen 3. derece IM ürünlerinin
sayısı aşağıdaki formülde verilmiştir.
[
]
1
1ì
N
rü
D1,2 = íN - 2 - 1- (-1) (-1) ý
2
2î
þ
2fi+fj tipinin 2 ton terimleri içindir ve
D1,1,1 =
[
]
r
(N - r +1) + 1 ìí(N -3)2 - 5 - 1 1- (-1)N (-1)N+rüý
2
4î
2
þ
fi+fj-fk tipinin üçlü vuruş terimleri içindir.
Tablo 1
Kanal sayını belirten N değerinin 1 ile 8 arasındaki değişimi için 3.derece üçlü vuruş
intermodülasyon ürünlerinin sayısının bozulması
Tablo 2
Kanal sayını belirten N değerinin 1 ile 8 arasındaki değişimi için 3.sıra 2 tone intermodülasyon
ürünlerinin sayısının bozulması
Küme oluşturan vuruş sonuçlarına genellikle ikinci dereceden birleşim
(composite second order (CSO)) ve üçlü vuruş birleşimi (compisite triple order(CTB))
için başvurulur.Bu küme oluşturan vuruş sonuçları çok kanallı AM bağlantılarının
performansını anlatmak için kullanılırlar.Bunlar şu şekilde tanımlanır;
Şekil 1 (ƒ1±ƒ2)
60 tane genlik modülasyonlu CATV kanalı
için tahmin edilen bağımlı CSO
performansıdır.FM radyo yayını için 88 ile
120 MHz arası ayrılmıştır.
Şekil 2 (ƒ1±ƒ2±ƒ3)
60 tane genlik modülasyonlu CATV
kanalı için tahmin edilen bağımlı CTB
performansıdır.FM radyo yayını için 88
ile 120 MHz arası ayrılmıştır.
9.3.2 Çok Kanallı Frekans Modülasyonu
Frekans modülasyonu(FM) için bir teknik olarak her alt taşıyıcı mesaj sinyali
tarafından modülasyon yapılır. Bu da daha geniş bir band genişliğine ihtiyaç
duyar.(Her kanal için FM’de 30 MHz AM ‘de ise 4 MHz ); ama C/N oranı S/N oranını
etkilemektedir.
Bir FM dedektörü çıkışındaki S/N oranı dedektörün girişindeki C/N oranından
daha büyüktür.Bu büyüklük altta verilmiştir.
2
é
æ D f pp ö ù
3
B
æSö
æCö
ç
÷ ú+w
ç ÷ = ç ÷ + 10 log ê
ç
÷
ê
2
N
N
f
f
è øout è øin
vè
v ø úû
ë
B,gerekli olan band genişliğidir; ∆ƒpp, modülatörün tepeden tepeye frekans
genişliğidir; ƒv, en yüksek video frekansıdır; w, video band genişliğinde gözle
görülebilen beyaz gürültünün ağırlık faktörüdür.
Eğer her kanal için optik kanal indeksi %5 olursa ,her FM TV programı stüdyo
kalitesine ulaşması için -120dB/Hz’den daha az RIN gerektirir.Bu da S/N≥56 dB
gerektirmektedir.
Şekil ’de RIN değerinin optik modülasyon indeksine oranı verilmiştir.TV
sistemlerindeki AM ve FM yayınları karşılaştırılmıştır.
Birkaç farklı sinyal gürültü oranlarının AM ve FM video sinyalleri için optik
modülasyon indeksi her kanaldaki RIN değerleridir.
9.3.3 Alt Taşıyıcı Çoklayıcısı (SCM)
Alt taşıyıcılı çoklayıcı (SCM) kelime olarak,aynı sistem içinde dijital ve analog
çoklu kanalların her ikisini birden çoklamadaki kabiliyetidir.
Şekil ’ de gösterilen SCM’nin temel yapısıdır.N tane bağımsız analog ve dijital
temel band sinyallerinin karışımı, giriş için verici oluşturmaktadır.Bu sinyaller ayrıca
ses,veri,video,dijital ses,yüksek çözünürlüklü video veya diğer analog –dijital bilgiler
taşıyabilir.Her gelen sinyal si(t) , ƒi frekansına sahip lokal osilatör de (LO) karıştırılır.
Lokal osilatör de kullanılan frekanslar 2 - 8 GHz arasındadır ve alt taşıyıcılar olarak
bilinir.Modüle edilmiş alt taşıyıcıları birleştirmek, lazer diyodu sürmek için kullanılan
bir birleştirilmiş frekans bölmeli çoklayıcı sinyali verir.

Download Report