Veri İletişimi Temelleri

07.02.2014
Bölüm 3
Veri leti imi Temelleri
(Basics of Data Transmission)
1
leti im Sisteminin Bile enleri (1)
Bir ileti im sisteminin amacı,
bilgiyi kaynaktan varı a iletmektir.
Giri
mesajı
Giri
i areti
Giri
Dönü türücüsü
Gönderilen
i areti
Verici
Kaynak
Alınan
i areti
letim
ortamı
stenmeyen
Etkiler
Çıkı
i areti
Alıcı
Gürültü
Zayıflama
Bozulma
Karı ma
Çıkı
mesajı
Çıkı
Dönü türücüsü
Varı
(Kullanıcı)
2
1
07.02.2014
leti im Sisteminin Bile enleri (2)
• Kaynak (source): Ses, ı ık, sıcaklık v.b. ,mesajın yaratıldı ı
yerdir. Bilgisayar gibi kaynaklar elektriksel i aret (electrical
signal) olu turdu undan giri dönü türücüsüne gerek yoktur.
• Giri Dönü türücüsü (input transducer): Elektriksel
olmayan giri mesajlarını elektriksel i aretlere dönü türür.
Örne in mikrofon. Bu i arete tabanbant i areti de denir.
• Gönderici (transmitter): Verimli bir gönderim için tabanbant
i areti üzerinde bazı de i iklikler yapar. Modülasyon ve
yükseltme gibi de i ikliklerden sonra, i aret iletim ortamına
gönderilir. Göndericide örnekleyici, kodlayıcı, önvurgulayıcı
(preemphasizer) gibi altsistemler de bulunabilir.
3
leti im Dizgesinin Bile enleri (3)
• letim ortamı ya da kanal (transmission medium or channel):
Bir çift tel (twin line), e eksenli kablo (coaxial cable), dalga-kılavuzu
(waveguide), ı ıl lif (fiberoptic cable), atmosfer gibi i aretin
gönderildi i ortamdır.
• Alıcı (receiver): Göndericinin ve iletim ortamının i aret üzerinde
yaptıkları de i iklikleri tersine çevirmek için gerekli i lemleri yapar.
Alıcıda demodülatör, kod çözücü, süzgeç, artvurgulayıcı
(deemphasis), yükselteç gibi altsistemler bulunabilir. Alıcı
çıkı ındaki i aret çıkı dönü türücüsüne uygulanır.
• Çıkı Dönü türücüsü (output transducer): Elektriksel i aretleri
kullanıcının ihtiyaç dudu u orijinal biçimine dönü türür. Hoparlör,
resim tüpü ya da LCD ekran en sık rastlanan örneklerdir.
• Varı (destination): Mesajın gönderildi i birimdir. Mesajı alan bir
insan (kullanıcı), bir bilgisayar, bir yazıcı ya da grafik çizici olabilir.
Çıkı mesajı gönderilen orijinal mesajın bir benzeridir.
4
2
07.02.2014
Mesaj, Veri ve Bilgi
• Mesaj ya da ileti (message): Bilginin fiziksel olarak
görüntüsüdür.
• Veri (data): Bilginin sayısal olarak i lenebilece i biçimidir.
Kısaca, veri bilginin sayısalla tırılmı biçimidir.
• Bilgi (information): leti ya da verinin anlamıdır.
• Veri ileti imi (data communication): Sayısal bilgiyi
i leyebilecek sistemlerin veri aktarımıdır.
5
Örneksel ve Sayısal Mesajlar
• Analog mesaj (analog message), zamana ba lı
de i en, belirli bir aralıktaki tüm de erleri alabilen,
süreklilik gösteren ve bilgi ta ıyan fiziksel bir büyüklüktür.
Örnekler:
–
–
–
–
Konu urken olu an ses dalgaları
I ık yo unlu u
Ortam sıcaklı ı
Atmosfer basıncı
• Sayısal mesaj (digital message), sonlu bir ayrık ö eler
kümesinden seçilmi ö elerden (sembollerden) olu an ve
bilgi ta ıyan sıralı bir dizidir.
Örnekler:
–
–
–
Bu sayfada yazılı olan karakterler
Bilgisayar klavyesindeki tu lara basılmasıyla olu an karakter dizisi
Mors alfabesi ile yazılmı bir telgraf mesajı (mark/space: i aret/bo luk)
6
3
07.02.2014
Örneksel ve Sayısal
aretler (1)
• Elektriksel i aret (electrical signal) ya da sadece “i aret
(signal)” mesajın elektriksel biçimidir.
• Analog i aret (analog signal), zamana ba lı de i en, belirli
bir aralıkta tüm de erleri alabilen, süreklilik gösteren ve bilgi
ta ıyan elektriksel de i imlerdir. Örnekler:
– Mikrofon çıkı ındaki elektriksel i aret
– Analog video kamera çıkı ındaki elektriksel i aret
• Sayısal i aret (digital signal), sonlu bir ayrık ö eler
kümesinden seçilmi elektriksel sembollerden olu an ve bilgi
ta ıyan sıralı bir dizidir. Örnekler:
–
ki elektriksel sembolden (0 V ve 5 V ya da -3 V ve +3 V gibi)
olu an ikili i aret (binary signal)
– Üç sembolden olu an üçlü i aret (ternary signal)
– M sembolden olu an M-li i aret (M-ary signal)
7
Örneksel ve Sayısal
aretler (2)
Genlik
Zaman
(a) Analog i aret
Genlik
5V
1
0
1
1
0
0
1
1
Zaman
0V
(b) Sayısal ( kili) i aret
8
4
07.02.2014
Analog leti ime Göre
Sayısal leti imin Üstünlükleri
• Sayısal ileti im gürültüden (noise) ve bozulmadan
(distorsion) daha az etkilenir (regenerative repeaters).
• Sayısal donanımlar daha esnek yapıda
gerçekle tirilebilir. Mikroi lemci ve VLSI tümle ik
devrelerin kullanımı için elveri lidir.
• Hata oranının azaltılması, kalitenin arttırılması ve gizlilik
amacıyla sayısal i aret kodlanabilir.
• Sayısal i aretin ço ullanması analog i arete göre daha
kolaydır.
• Sayısal ileti imde SNR (Signal-to-Noise Ratio: aret
gürültü oranı ile bantgeni li i arasındaki de i toku daha
iyi kontrol edilebilir (örne in, iletim bantgeni li ini
arttırarak ortam gürültüsünün etkisi azaltılabilir).
9
Analog – Sayısal Dönü ümünde
Uygulanan Adımlar
• Örnekleme (sampling)
• Kuantalama ya da nicemleme
(quantization)
• Kodlama (encoding)
10
5
07.02.2014
BANTGEN L
• Bantgeni li i (bandwidth), bir sürekli spektrumda
sınırlayıcı frekans de erleri arsındaki farktır.
– Bir i aretin bantgeni li i (bandwidth of a signal), o i aretin
frekans spektrumunun geni li inin bir ölçüsüdür ve B = fH – fL
olarak ifade edilir.
» Burada, fH ve fL i aretin sırasıyla en yüksek ve en dü ük önemli
frekans bile enlerinin de erleridir.
» Önemli frekans bile eni, i aretin temel frekans bile enin %10’una e it
ya da ondan büyük frekans bile enidir).
– Periyodik bir i aret f(t)’nin frekans bile enlerini bulmak için f(t)’nin
Fourier serisi açılımı elde edilir.
» Bu açılımda, sabit de er (varsa) ve sinüzoidallerden olu an terimler
(sinüs ve kosinüs terimleri) f(t)’nin frekans bile enleridir.
» Sabit de er f(t)’nin ortalamasını (do ru akım de erini) verir.
» Frekans bile enlerinin genlikleri frekans eksenine kar ı çizildi inde
f(t)’nin genlik spektrumu elde edilir.
11
Genlik Spektrumu ve
aretin Bantgeni li i (1)
Bir i aretin frekans bile enleri genliklerinin frekansa göre çizimine
i aretin genlik spektrumu (amplitude spectrum) denir.
Örnek:
f(t)
τ
A
0
To
t
Dikdörtgensel darbe (vurum) katarı: f(t)
f(t)’nin Fourier Açınımı:
f(t) = (A/2) + (2A/π)cosωot - (2A/3π)cos3ωot +
(2A/5 π)cos5ωot - (2A/7 π)cos7ωot + · · ·
Temel harmonik (temel frekans): fo = 1/To = ωo/2π Hz
12
6
07.02.2014
Genlik Spektrumu ve
aretin Bantgeni li i (2)
f(t)’nin Genlik Spektrumu
Cn
2A/
A/2
2A/5
3ω
ωo
0 ωo
5ω
ωo
2A/9
7ω
ωo
9ω
ωo
- 2A/7
11ω
ωo
- 2A/11
• • •
ω rad/s
- 2A/3
Önemli frekans bile enleri
Bantgeni li i (BW)
13
Genlik Spektrumu ve
aretin Bantgeni li i (3)
• Periyodik olmayan bir i aretin genlik spektrumu i aretin
zaman alanı ifadesinin Fourier dönü ümü alınarak elde edilir.
• Örnek olarak a a ıdaki f1(t) dikdörtgensel darbeyi (pulse) ele
alalım.
f1(t)
A
-τ/2 0 τ/2
t (s)
• f1(t)’nin Fourier dönü ümü olan a a ıdaki “sinc” fonksiyonu
genli inin çizimi bir sonraki sayfada f1(t)’nin genlik spektrumu
olarak verilmi tir.
F1(w ) =
∞
−∞
f1(t )e− jwt dt =
τ /2
−τ /2
Ae− jwt dt = Aτ
sin(wτ / 2)
wτ / 2
14
7
07.02.2014
Genlik Spektrumu ve
aretin Bantgeni li i (4)
f1(t)
Periyodik olmayan
dikdörtgensel darbe
(rectangular pulse)
A
-τ/2 0 τ/2
τ
F1(ω)
Aτ
t (s)
Bu durumda, Bantgeni li i genlik spektrumunun
sıfır frekans ile genli in ilk sıfır kesim frekansı
arasındaki frekans farkı olarak kabul edilir. Darbe
geni li i azaldıkça bantgeni li i artar.
B = 2 /τ rad/s = 1/τ Hz
-6 /τ
2 /τ
-2 /τ
-4 /τ
0
6 /τ
4 /τ
ω (rad/s)
B
f1(t)’nin genlik spektrumu
15
Sistem ya da Kanal Bantgeni li i (1)
• Bir sistemin ya da iletim kanalının giri ine uygulanan i aretin
frekans bile enlerini çıkı ına önemli derecede bozmadan
iletebildi i frekans aralı ına o sistemin ya da iletim kanalının
bantgeni li i denir.
– Sistem çıkı ındaki zayıflamanın 3 dB’ye kadar izin verilmesi durumu
için tanımlanan bantgeni li ine, sistemin “3 dB bantgeni li i (3 dB
bandwidth)” ya da “etkin bantgeni li i (effective bandwidth)” denir.
– Sistemin giri -çıkı aktarım i levi H(w)’nın en büyük de erinin
1/ 2 = 0,707’ye dü tü ü frekans de erlerine kesim frekansları
(cutoff frequencies) ya da yarım güç frekansları (half power
frequencies) denir. Çünkü sistem, bu frekanslardaki giri i aretini
gücünü yarıya dü ürerek çıkı ına aktarır.
– Sistem, 3 dB bantgeni li inin dı ındaki frekanslar için, giri indeki
frekans bile enlerinin güçlerini yarıdan fazla azaltarak çıkı ına aktarır.
– Decibel (dB), iki i aret seviyesi arasındaki oranın ölçüsüdür.
16
8
07.02.2014
Sistem ya da Kanal Bantgeni li i (2)
• Decibel (dB) olarak kazanç:
GdB = 10 log10 (Pout / Pin)
= 10 log10 [(V2out / R)/(V2in/R)]= 20 log10 (Vout/Vin)
R yük direncine göre, Pin ve Pout, sırasıyla giri ve çıkı
güçleri, Vin ve Vout ise giri ve çıkı gerilimleridir.
• Yarı güç frekanslarında (kesim frekansları) kazanç:
GdB = 10 log10 (1/2) = 10 (- 0.3) = - 3 dB
ya da giri çıkı gerilimleri türünden:
GdB = 20 log10 (Vout/Vin) = 20 log10 (1/ 2)
= 20(- 0.15) = - 3 dB
-3 dB’lik bir kazanç, +3 dB de erinde bir kayıptır.
17
Sistem ya da Kanal Bantgeni li i (3)
1V
0
Giri i aretinin
spektrumu
f2
f4
f6
f8
Giri
f10
f12 f14
Çıkı i aretinin
spektrumu
Çıkı
Sistem
ya da
kanal
1V
0.707 V
0
f16 f (Hz)
f2
f4
f6
f8
f10 f12 f14 f16 f (Hz)
B = f14 – f2
Bir sistem ya da kanalın 3-dB bantgeni li i
HAGS(ω
ω)

HBGS(ω
ω)

1
0.707
1
0.707
0
ωχ
ω rad/s
3 dB Bantgeni li i: B = ωχ rad/s
(a)
0
ω1
ω2
ω rad/s
3 dB Bantgeni li i: B = ω2 − ω1 rad/s
(b)
Aktarım i levi çizimi, kesim frekansları ve bant geni li i
(a) Alçak geçiren süzgeç (b) Bant geçiren süzgeç.
18
9
07.02.2014
Ses letim Hatları
(Voice Grade Lines) (1)
Örnek 3.1
• Telefon santralları ve telefon hatları ses iletimi için
tasarlı ından, bant geni li i 3-4 kHz’dir. Bu nedenle telefon
hatlarına ses iletim hatları (voice grade lines) denir.
• 8-bit’lik karakterlerin R bps hızında gönderildi ini
dü ünelim.
• 8 bit’in gönderilmesi için gereken süre
T = 8/R saniye
• Temel harmonik (temel frekans bile eni) fo:
fo = 1/To = 1/T = R/8 Hz
• fo aynı anda frekans bile enleri arasındaki farkı da belirler.
19
Ses letim Hatları
(Voice Grade Lines) (2)
Örnek 3.1 (devam)
• Bantgeni li i 3000 Hz olan bir hattan N sayıda harmoni in
iletilebildi ini dü ünelim
N=
3000 (Hz)
R/8 (Hz/Harmonik)
=
24000
R
harmonik
Görüldü ü gibi, kanal bantgeni li i de i tirilmeden R
arttırılırsa, alıcıya ula an harmonik sayısı N azalacaktır..
• Örne in, B = 3 kHz ve R = 9600 bps için,
N=
2400
24000
=
= 2,5 harmonik
R
9600
20
10
07.02.2014
Ses letim Hatları
(Voice Grade Lines) (3)
Örnek 3.1 (devam)
• N tamsayı oldu u için alıcıya ula an harmonik sayısı N=2’dir.
• A a ıda 8 bit’lik bir i aretin de i ik sayıda harmoniklerinin
gönderildi i durum incelenmi tir. Gönderilen harmonik sayısı
azaldıkça, dalga biçiminin bozuldu unu görüyoruz.
• Çizelge 3.1 de de i ik iletim hızları (R) için
– 8 bit’lik i aretin iletim süresi (ms)
– Temel (birinci) harmonik (Hz)
– Alıcıya ula an harmonik sayısı (N)
gösterilmi tir. letim hızı R arttıkça, alıcıya ula an harmonik
sayısının azaldı ını görüyoruz.
21
8-bit m, Genlik Görüngesi ve
Özgün me Yakla ıklama
(a)
Genlik
1
0
(b)
Genlik
Genlik
Genlik
Genlik
Zaman →
T
1
0 1
3
fo
6
9
12
Harmoniklerin sayısı
15
0 1
fo
Harmoniklerin sayısı
DC terimi ilk 2 harmonik
Zaman →
T
1
0 1 2
Harmoniklerin sayısı
DC terimi ilk 4 harmonik
0
(e)
T
kili i aretin frekans spektrumu
DC terimi ve birinci harmonik
0
(d)
Zaman →
1
0
(c)
RMS
Genlik
0.5
0 11 0 0 0 1 0
Zaman →
T
1
01 2 3 4
Harmoniklerin sayısı
DC terimi ilk 7 harmonik
0
Zaman →
T
0 1 2 34 5 67
Harmoniklerin sayısı
22
11
07.02.2014
Veri Hızı ve Harmoniler Arasındaki li ki
letilen
Birinci
Harmoniklerin
Harmonik (Hz)
Sayısı (N)
letim Hızı
(R bps)
8 bit’lik bir karakterin
letim Süresi (T ms)
300
26.67
37.5
80
600
13.33
75
40
1200
6.67
150
20
2400
3.33
300
10
4800
1.67
600
5
9600
0.83
1200
2
19200
0.42
2400
1
38400
0.21
4800
0
23
Ses letim Hatlarında
Kullanılan Çe itli Modemler
Modem Standardı
ITU V.32
Gönderim Hızı (kbps)
4.8 - 9.6 – 14.4
ITU V.32 bis
19.2
ITU V.34
28.8
ITU V.42 bis
38.4
ITU V.90
56
24
12
07.02.2014
Örnekleme (Sampling) (1)
Bant Sınırlı aret
B Hz ile bantsınırlı bir i aret,
• En yüksek frekans bile eni B Hz olan ya da
• Bantgeni li i B Hz olan bir alçak geçiren süzgeçten
geçirilerek bantgeni li i sınırlandırılmı olan
bir i arettir.
Örnekleme Teoremi
B Hz ile bantsınırlı bir i aret 2B Hz hızında örneklenirse, bu
örnekler kullanılarak örneklenen i aret orijinal durumuna
benzer ekilde tekrar elde edilebilir.
Örnekleme frekansı 2B’nin altına ise örnekler kullanılarak
i aretin orijinal biçimine benzer ekilde elde edilmesi mümkün
de ildir.
25
Örnekleme (Sampling) (2)
• Minimum örnekleme hızına “Nyquist örnekleme hızı” ve
buna kar ı gelen maksimum örnekleme aralı ına “Nyquist
örnekleme aralı ı” denir.
• Nyquist örnekleme hızı ( Nyquist sampling rate):
fs = 2B Hz
• Nyquist örnekleme aralı ı (Nyquist sampling interval):
Ts = 1/fs = 1/2B saniye
26
13
07.02.2014
Örnekleme (Sampling) (3)
Uygulamada kullanılan örnekleme hızı
• Örnekleme hızı 2B’nin biraz üstünde tutulursa, i aretin tekrar
elde edilmesinde kullanılan alçak geçiren süzgecin
tasarımında kolaylık sa lanmı olur.
• Uygulamada kullanılan örnekleme hızı: fs = 2B + fkb Hz
Burada, fkb koruma bandıdır (guard band).
• Bu durumda, örnekleme aralı ı: Ts = 1/fs = 1/(2B + fkb) saniye
• E er n farklı i arete ait örnekler Zaman Bölü ümlü Ço ullama
(TDM: Time Division Multiplexing) yöntemi ile
ço ullanacaklarsa , bu durumda örnek süreleri Ts/n
saniyeden fazla olmamalı.
27
Örnek 3.2
Örnekleme (Sampling) (4)
3 kHz ile bantsınırlı ses i aretleri 2 kHz’lik koruma bandı
kullanılarak örnekleniyor. Örnekleme hızını ve örnekleme
aralı ını bulalım.
Çözüm
Örnekleme hızı: fs = 2B + fkb = 2 x 3000 + 2000
= 8000 Hz = 8 kHz
Örnekleme aralı ı: Ts = 1/fs = 1/8000 = 125x10-6 s = 125 µs
Böylece her 125 µs’de bir ses i aretinden bir örnek
alınmalıdır.
28
14
07.02.2014
Darbe Kod Modülasyonu
(PCM: Pulse Code Modulation) – (1)
• PCM i aretinin elde edilmesi için yapılan i lemler:
– Örnekleme
– Nicemleme
– Kodlama
• Bu i lemler örneksel i aretten sayısal i aret elde edilmesi için de
yapı mı tı.
• Örnekleyici çıkı ındaki i arete örneklenmi i aret (sampled signal) denir.
• Nicemleme ya da kuantalama (quantization), örneklerin seviyelerini
önceden belirlenmi sınırlı sayıdaki seviyelerden en yakın olanlarına
e itleme i lemidir.
• Nicemleyicinin (quantizer) çıkı ındaki i arete nicemlenmi i aret ya da
kuantalanmı i aret (quantized signal) adı verilir.
• Nicemlenmi i aretin ikili sayı ile kodlanması sonucunda PCM i areti
elde edilir.
29
Darbe Kod Modülasyonu
(PCM: Pulse Code Modulation) – (2)
f(t)
f1(t)
f30(t)
Sync.
Sign.
Örnekleyici
Nicemleyici
kili Kodlayıcı
PCM i areti
(a)
•
•
•
Örnekleyici
ve
Ço ullayıcı
Nicemleyici
kili Kodlayıcı
30 kanallı
PCM i areti
(b)
Synchronization channel: E zamanlama Kanalı
Signaling channel: aretle me Kanalı
(a) Tek Kanallı ve (b) 30 Kanallı PCM i aretlerinin Üretilmesi.
30
15
07.02.2014
Darbe Kod Modülasyonu
(PCM: Pulse Code Modulation) – (3)
Genlik
7
6
5
4
3
2
1
0
f(t): Analog i aret
Örneklenmi i aret
Nicemlenmi i aret
Ts
1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0
Genlik
t
PCM
i areti
t
τPCM = Ts / 3
Örneksel i aret f(t), Örneklenmi i aret, 8 düzeyde
nicemlenmi PCM i areti
31
Bilgi çeri i (Information Content)
Bir i aretin bilgi içeri i, o i areti tanımlamak için gerekli “bit”
sayısına e ittir. Ba ka bir de i le, bir i aretin bilgi içeri i, o
i aretin ikili i aret (binary signal) e de erindeki bit sayısına
e ittir.
M düzeyden olu an bir i aretin bilgi içeri i, düzeylerin e it
olasılıkla gönderilmesi durumunda,
H = log2M bit/sembol (ya da bit/sembol aralı ı ya da
bit/aralık)
ya da
H = log2(1/P) bit/sembol
Burada P = 1/M, her sembolün kullanılma (ortaya çıkma)
olasılı ıdır. Örne in, e it olasılıklı 8-düzeyli bir i aretin bilgi
içeri i:
H = log28 = log223 = 3 log22 = 3 bit/aralık
32
16
07.02.2014
8-Düzeyli
aret ve kili
7
6
5
4
3
2
1
0
8-Düzeyli
aret
aret E de eri
T8
1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0
kili aret
E de eri
t
t
T2 = T8 / 3
33
Ortalama Bilgi çeri i
(Average Information Content – Entropy) - 1
Belleksiz, ayrık bir kayna ın ortalama bilgi içeri i, her sembol
aralı ındaki bilgi bitlerinin ortalama sayısıdır.
H=
M
k =1
PkIk =
M
k =1
Pk log2
1
Pk
bit/sembol
(ya da bit/sembol aralı ı)
Burada Pk , k inci sembolün üretilme olasılı ıdır.
E er olasılıklar e it ise:
H = log2M bit/sembol
34
17
07.02.2014
Ortalama Bilgi çeri i
(Average Information Content – Entropy) - 2
• A a ıdaki e itlik tüm logaritma tabanları için geçerlidir.
Limp →0 (P log
1
)=0
P
• H ile P ters orantılıdır.
• log1=0 oldu undan, P = 0 ve P = 1 için, H = 0 .
• Örne in, bir ikili i aret dü ünelim. “1” gönderme olasılı ı p ve
“0” gönderme olasılı ı 1-p olsun. Bu durumda bilgi içeri i H,
1
1
H ( p ) = p log2 ( ) + (1 − p ) log2 (
) bit/sembol
p
1− p
35
Ortalama Bilgi çeri i
(Average Information Content – Entropy) - 3
H(p)
Hmax = 1
0
0.5
kili Entropi
1
p
levi.
Bu çizimden a a ıdaki iki önemli sonuç çıkarılır:
1) p=0 ve p=1 için H=0
2) p=0.5 için H=Hmax
36
18
07.02.2014
Sembol Hızı, Bilgi Hızı ve letim Hızı (1)
Sembol hızı (symbol rate), bir saniyede gönderilen sembol
sayısıdır ve birimi sembol/saniye’dir. Sembol süresi Ts saniye
olan bir sembol dizisinin hızı (üretim ya da iletim hızı)
r = 1/Ts sembol/s.
Bilgi hızı (information rate), bir saniyede gönderilen ortalama
bilgi bitlerinin sayısıdır.
R = r (sembol/s) H (bit/sembol) = r H bit/s (ya da bps)
letim hızı (data rate) ya da veri iletim hızı (data
transmission rate), bir saniyede gönderilen veri sayısıdır (bilgi
ve denetim bitlerinin toplam sayısı); bit hızı (bit rate), veri hızı
(data rate) ya da iletim hızı (transmission rate) olarak da
adlandırılır.
37
Sembol Hızı, Bilgi Hızı ve letim Hızı (2)
Örnek 3.3
3 kHz bant sınırlı bir i aret Nyquist hızında örnekleniyor ve 256 düzeyde
nicemleniyor. Bu durumda:
a) Bant geni li i
: B = 3 kHz oldu u için;
Örnekleme hızı
: fs = 2B = 6 kHz;
Örnekleme aralı ı
: Ts = 1/fs= 1/6000 =166x10-6 = 166 µs
b) Sembol hızı
: r = 1/Ts= fs= 6000 sembol/s = 6 ksembol/s
c) Bilgi içeri i
: H = log2M = log2256 = log228
= 8 log22 = 8 bit/sembol
E it olasılık için Bilgi hızı: R = r H = 6000 x 8 = 48000 bps = 48 kbps
olacaktır.
38
19
07.02.2014
Kanal Kapasitesi ya da Sistem Kapasitesi
Bir ileti im kanalı ya da sistemi üzerinden kabul edilebilir hata
olasılı ı ile gönderilebilecek en yüksek iletim hızına kanal
kapasitesi (channel capacity) ya da sistem kapasitesi
(system capacity) denir
letim hızını R ile, kanal kapasitesini C ile gösterirsek, kabul
edilebilir yanılgı sınırları içinde iletim yapabilmek için
ya da
C
R
Cmin= R
ko ulunun sa lanması gerekir.
39
Maksimum Kanal Kapasitesi (1)
Shannon’un maksimum kanal kapasitesi teoremine göre,
bantgeni li i B Hz olan gürültülü bir kanalın maksimum kanal
kapasitesi:
Cmax= B log2 (1 + S/N) bps
Burada S/N, i aret gücünün gürültü gücüne oranıdır ve SNR
i aret-gürültü oranı (signal-to-noise ratio) denir ve de eri
genellikle decibel olarak verilir. Bu oran, denklemde yerine
konulmadan önce decibel’den oran de erine dönü türülmelidir.
40
20
07.02.2014
Maksimum Kanal Kapasitesi (2)
Örnek
Bant-geni li i 3000 Hz ve i aret-gürültü oranı 30 dB olan bir
kanalın maksimum kapasitesini bulalım.
B=3000 Hz ve S/N=30 dB de erlerinden.
30 dB = 10 log10(S/N);
3 = log10(S/N); 103 = S/N; S/N = 1000
Cmax = B log2 (1 + S/N) = 3000 log2 (1 + 1000)
= 3000 log2 (1001)
= 3000 [log10 (1001) /log10(2)] = 3000 (3/0.3)
= 30000 bps = 30 kbps
Yorum: Kodlama ya da sıkı tırma yapmadan bu kanalda en
çok 30 kbps hızında iletim yapılabilir.
41
Ço ullama (Multiplexing) (1)
• Bir iletim ortamının iletim kapasitesini birden fazla kullanıcı
arasında payla tırarak (bölü türerek), aynı iletim ortamı
üzerinden aynı anda birden fazla ileti im olana ı
sa lanmasına ço ullama denir.
• Ço ullama, iletim ortamının verimli kullanılmasını ve
böylece iletim maliyetinin dü mesini sa lar.
• Öbek gösterim:
42
21
07.02.2014
Ço ullama (Multiplexing) (2)
•
•
•
•
•
Yukarıdaki öbek çizimde:
Ço ullayıcının giri ine n farklı i aret uygulanmı tır.
Bu giri i aretinin her birine “temelbant i areti (baseband
signal)” adı da verilir.
Göndericide bulunan ço ullayıcı, kullanılan ço ullama
yöntemine göre, n giri i aretini uygun ekilde iletim kanalına
yerle tirerek tek bir i aret haline getirir. Bu i arete ço ullanmı
i aret (multiplexed signal) ya da bile ik temelbant i areti
(composite baseband signal) adı verilir.
Ço ullanmı i aret, uygulamaya ba lı olarak, do rudan ya da
yüksek frekanslı bir modülatör üzerinden alıcıya gönderir.
Alıcıda bulunan ço ullama çözücü, kullanılan ço ullama
yöntemine göre, ço ullayıcıda yapılan i lemin tersini yaparak,
her kanaldaki i areti ço ullanmı i aretten ayırarak ilgili çıkı a
43
aktarır.
Ço ullama (Multiplexing) (3)
• Ba lıca ço ullama yöntemleri:
– FDM: Sıklık Bölü ümlü Ço ullama (Frequency
Division Multiplexing)
– TDM: Zaman Bölü ümlü Ço ullama (Time Division
Multiplexing)
– WDM: Dalgaboyu Bölü ümlü Ço ullama
(Wavelength Division Multiplexing)
– CDM: Kod Bölü ümlü Ço ullama (Code Division
Multiplexing)
• Yalnızca FDM ve TDM yöntemlerini inceleyece iz.
44
22
07.02.2014
Ço ullama (Multiplexing) (4)
FDM
• Birden fazla giri i aretinin frekans spektrumunu yan yana
getirilerek aynı iletim ortamı üzerinden aynı anda birden
fazla ileti im olana ı sa lanmasına frekans bölü ümlü
ço ullama denir.
• Giri i aretleri spektrumlarının yan yana getirilmesi, her
spektrumun uygun de erde alt ta ıyıcı (subcarrier)
frekansına kaydırılması ile gerçekle tirilir.
• Spektrumların kaydırılmasında genlik modülasyonunun bir
türü olan “tek yanbant modülasyonu (Single Sideband
Modulation – SSB)" kullanılır.
45
FDM
Ço ullama (Multiplexing) (5)
• Böylece, iletim ortamının kullanılabilen bantgeni li i uygun
bantgeni li indeki frekans aralıklarına verimli bir ekilde
payla tırılmı olur.
• “Kanal (channel)” ya da “iletim kanalı (transmission
channel)” adı verilen bu frekans aralıklarının her biri ayrı bir
haberle me için kullanılır.
• Bir iletim ortamının bantgeni li i n kanala bölünürse, aynı
iletim ortamı üzerinden aynı anda n farklı ileti im yapılabilir.
•
Toplam bantgeni li inin kanallar arasında ne ekilde
payla tırılaca ı uygulamaya ba lıdır.
46
23
07.02.2014
Ço ullama (Multiplexing) (6)
• n sayıda kanaldan, n sayıda ileti im aynı ortamı kullanarak
yapılır.
• Bu n sayısı uygulamaya göre de i ir.
• Her kanal geni li i koruma-bandı ile birlikte B Hz ve e it
geni likte ise, FDM iminin bant-geni li i BFDM= nB
olacaktır.
• A a ıdaki sayfalarda FDM ço ullayıcısının:
– Blok diyagramı,
– Göndericideki yeri,
– FDM imi,
– FDM ço ullama ayrı tırıcısı
– Alıcıdaki yeri,
– FDM sıradüzeni gösterilmi tir.
47
Ço ullama (Multiplexing) (7)
F1(f)
f1(t)
0
B1 f
0
B2 f
F2(f)
Fn(f)
0
fc1(t)
SSB modülatörü
Anten
fc1
f2(t)
SSB modülatörü
•
•
•
fc2
fn(t)
SSB modülatörü
fc2(t)
•
•
•
fb(t)
Temel Bant
Modülatörü
fc
fc(t)
fcn(t)
fcn
Bn f
+
Frekans bölü ümlü ço ullama
(a) FDM Verici (FDM Transmitter)
Koruma bandı
Fb(f)
B1
0
fc1
Bn
B2
fc2
B
fcn
f
(b) Ço ullanmı i aretin genlik spektrumu
48
24
07.02.2014
Ço ullama (Multiplexing) (8)
BPF1
Anten
Temel Bant
Demoülatörü
fc
fc(t)
fb(t)
BPF2
•
•
•
BPFn
fc1(t)
SSB Demodülatörü
fc1
f1(t)
fc2(t)
SSB Demodülatörü
fc2
f2(t)
fcn(t)
SSB Demodülatörü
fcn
•
•
•
fn(t)
Frekans Bölü ümlü Çözücü
(Frequency Division Demultiplexer)
BPF: Bant Geçiren Süzgeç (Band Pass Filter)
FDM Alıcı (FDM Receiver)
49
Ço ullama (Multiplexing) (9)
Kanal 1
Kanal 12
•••
60 64 104 108
f (kHz)
•••
Grup 1
Ses kanalları
Grup 5
12
1 Grup 2
0 – 4 kHz
•••
•••
1
312
360
408 504
552 f (kHz)
2
1. düzey
Grup 1
3
MUX
60-108 kHz 2. düzey Süper grup 1
12
MUX
312-552 kHz 3. düzey Ana grup
•••
|F(f)|
Ses i aretinin
genlik spektrumu
0 4
•••
Grup 5
MUX
Süper grup 10
f (kHz)
FDM Sıradüzeni (FDM hierarchy)
50
25
07.02.2014
Ço ullama (Multiplexing) (10)
TDM
• Birden fazla bilgi i aretinden belirli aralıklarla alınan
örneklerin art arda gelen zaman aralıklarında sıra ile aynı
iletim ortamı üzerinden gönderilmesine zaman bölü ümlü
ço ullama denir.
• Bu zaman dilimlerine kanal ya da iletim kanalı denir.
• Ço ullanacak i aretlerin bant-geni likleri B Hz ise,
örnekleme hızı fs 2B Hz olmalıdır. ki tür TDM vardır:
– E zamanlı TDM
– E zamansız TDM ( statiksel ço ullama)
51
Ço ullama (Multiplexing) (11)
E zamanlı TDM
• A a ıda mekanik anahtarlarla e zamanlı TDM
gösterilmi tir. Ancak uygulamada bu anahtarlama i lemi
elektronik olarak gerçekle tirilir.
• Mekanik örnekteki anahtarın her Ts saniyede dönü ünü
tamamladı ını ve her konumda τ saniye süre kaldı ını
dü ünelim. Böylece, her giri i aretinden her Ts saniyede
bir τ sürelik örnekler alınmı (örnekleme yapılmı ) olur.
52
26
07.02.2014
Ço ullama (Multiplexing) (12)
E zamanlı Anahtarlar
Giri
i aretleri
f1(t)
f2(t)
f3(t)
Anten
Çıkı
i aretleri
Anten
S2
S1
Verici
fc
Temelbant
Süzgeci
fn(t)
Ço ullayıcı
(MUX)
TDM
i areti
Alıcı
fc
letim
Ortamı
fb(t): Temelbant
i areti
fb(t): Temelbant
i areti
LPF
f1(t)
f2(t)
f3(t)
LPF
fn(t)
LPF
LPF
Ço ullama
çözücü
(DEMUX)
LPF: Alçak Geçiren Süzgeç (Low Pass Filter)
E zamanlı TDM
53
Ço ullama (Multiplexing) (13)
• E zamanlı TDM de,
- Birinci kanal, önceden belirlenmi bir gerilim
düzeyindeki ya da özel tanımlanmı bir koddaki
e zamanlama i aretini göndermek için kullanılır. Buna
e zamanlama kanalı denir.
- E zamanlama i areti ço ullayıcıdaki S1 ve ço ullama
çözücüdeki S2. anahtarlarını e zamanlar.
- Alıcı, e zamanlama i areti geldikten sonra sırayla çıkı
kanallarına atama yaparak giri teki ço ullanmı i areti
ilgili çıkı lara ayrı tırır.
54
27
07.02.2014
Ço ullama (Multiplexing) (14)
• Ço ullayıcı çıkı ındaki TDM i areti,
- Temelbant süzgecine uygulanır, süzgeç çıkı ında
temelbant i areti elde edilir, uygun bir verici ve anten
ile atmosfere ortamına aktarılır.
- ya da sayısal ço ullayıcıdan geçirilerek hat devresi ile
iletim hattına aktarılır.
• Her kanaldan alınan birer örnek ve bunlara ek olarak bir
e zamanlama ile bir i aretle me kanalı bir çerçeve
(frame) olu turur.
• Çerçeve gruplarına çoklu-çerçeve (multi-frame) denir.
Örne in, 30-kanallı PCM ‘de 16 çerçeve bir çoklu-çerçeve
olu turur.
55
Ço ullama (Multiplexing) (15)
• A a ıdaki ekilde, 4 ileti im kanalından ve bir
e zamanlama kanalından olu an bir TDM sistemi
gösterilmi tir. Burada çerçeve süresi T ve örnekleme süresi
olarak alınmı tır.
• Ayrıca çerçeve süresi T nin örnekleme aralı ı Ts ye e it
oldu u durum da gösterilmi tir.
• TDM i areti NRZ (Non-Return to Zero) darbeleri ile elde
edilmi tir. Bu durumda TDM i aretinin bant-geni li i
a a ıdaki gibi bulunur:
BTDM =
1
τ
=
1
n
=
= nfs Hz
Ts / n Ts
56
28
07.02.2014
Ço ullama (Multiplexing) (16)
• Yukarıdaki e itlikte kanal sayısı n, e zamanlama ve e er
varsa i aretle me kanalını da içermektedir.
• Örne in, 30-kanal PCM için
- 30 konu ma kanalı (Kanal 1-15 ve 17-31),
- Bir e zamanlama kanalı (Kanal 0),
- Bir i aretle me kanalı (Kanal 16) bulunmaktadır.
- Bu durumda n = 32.
• E er TDM i atetin analog bir i aretlerin ço ullanması
sonucunda elde edilirse, buna TDM-PAM i areti (Time
Division Multiplexed-Pulse Amplitude Modulated signsl)
denir.
57
Ço ullama (17) E
zamanlı TDM’de TDM ve Temelbant
aretleri
Genlik
(a) Giri
f1(t)
f2(t)
f3(t)
aretleri
E 1 2 3 4 E 1 2 3 4 E 1 2 3 4 E 1 2 3 4 E
f4(t)
t
E zamanlama Darbeleri
Genlik
(b) TDM
f1(t)
f2(t)
f3(t)
areti
E 1 2 3 4 E 1 2 3 4 E 1 2 3 4 E 1 2 3 4 E
T
Genlik
(c) Temelbant
Çerçeve
f4(t)
t
areti
E 1 2 3 4 E 1 2 3 4 E 1 2 3 4 E 1 2 3 4 E
t
58
29
07.02.2014
Ço ullama (Multiplexing) (18)
E zamansız TDM ( statiksel TDM)
• Her kanal, her an dolu olmayaca ından e zamanlı TDM de
bo duran kanallar olacaktır .
• E zamansız TDM bu durumu ortadan kaldırmak için
kullanılmayan kanalları dinamik olarak istek gelen yerlere
atar ve böylece verim artar.
• Giri tampon bellekleri sırayla taranır ve çerçeve dolana
kadar veri toplanır, sonra da çerçeve gönderilir. Her
çerçevede bulunan paketlerde, adres, kontrol, uzunluk
bilgisi ve veri ta ınır.
• E zamanlı TDM’de n sayıda giri /çıkı varsa, her çerçevede
n + (1 ya da 2) sayıda zaman dilimi olacaktır. E zamansız
TDM de n sayıda giri /çıkı varsa, her çerçevede k sayıda
zaman dilimi olacaktır ve genelde bu sayı k<n dir.
59
Ço ullama (19) E zamanlı ve E zamansız TDM Gözeleri
t0 t1 t2 t3 t4
Users A1
A
B
A2
A’nın Gönderdi i
Paketler
Giri Yastık (Tampon)
Bellekleri
B1 B2
letim Ortamı
C1
C
D1
D
t0
t1
t2
D2
A1
Paket ya da
Göze
t5
B1
C1
D1
A2
1.Çerçeve
Veri
Ba lık
t4
t6
t7
t8
Bo a Giden letim Sı ası
E zamanlı TDM
Bo
t3
E zamansız
TDM
A1
B1
1.Çerçeve
B2
C2
D1
2. Çerçeve
B2
D1
Kullanılabilir
iletim alanı
2. Çerçeve
60
30
07.02.2014
Kodlama (Coding) (1)
• Bilginin önceden tanımlanmı sembollerle tanımlanmasına
kodlama denir.
• Örne in ikili kodlamada, bilgi sıfır ve birlere dönü türülür.
• Kodu olu turan elemanlara kod elemanları (code
elements) ya da sembol (symbol) denir (örne in, ikili
kodlama için 0 ve 1).
• Ayrık bir kümeye ait bir de eri ifade etmek için kullanılan
bir kodun belirli sembollerinden olu an düzenlemesine kod
kelimesi (code word) ya da karakter (character) denir.
61
Kodlama (Coding) (2)
• Yazı iletiminde en yaygın olarak ASCII (American Standard
Code for Information Interchange) kodu kullanılır.
• ASCII kodunda her karakter yedi bit ile kodlanır. Dolayısı,
27=127 karakter (alfabetik, sayısal, denetim, ve özel
karakterler) kodlanabilmektedir.
• ASCII kodundaki 7 bit (b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1) içinde, b7 en
önemli bit (msb: Most Significant Bit), b1 en önemsiz bit (lsb:
Least Significant Bit) diye adlandırılır. Veri iletiminde hata
denetimi için sekizinci bit b8 en önemli bit konumuna eklenir.
• IBM’e özgü EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal
Interchange Code) de kullanılmaktadır. 8 bitlik bir kod olup
e lik biti içermez. Bu kodla 28 = 256 karakter gösterilebilir;
ancak, yalnızca 109 u kullanılmaktadır.
62
3.61
31
07.02.2014
Kodlama (Coding) (3)
Bazı Karakterlerin ASCII Kodu Kar ılıkları
Karakter
ASCII Kodu
Karakter
ASCII Kodu
A
1000001
+
0101011
B
1000010
-
0101101
C
1000011
/
0101111
A
1100001
?
0111111
B
1100010
CAN (Cancel)
0011000
0
0110000
CR (Carriage Return)
0001101
1
0110001
LF (Line Feed)
0001010
2
0110010
DEL (Delete)
1111111
3
0110011
BS (Backspace)
0001000
63
Hat Kodlaması (Line Coding) (1)
letilecek
Hata denetim/
Sayısal
aret
Güvenlik
Kodlaması/
Alçak
Geçiren
Kanal
Hat
Kodlayıcı
Ço ullama…
Modülatör
Band
Geçiren
Kanal
Kanal Kodlaması
64
32
07.02.2014
Hat Kodlaması (Line Coding) (2)
• Hat Kodlaması, iletilecek olan i areti iletim ortamının
özelliklerine uygun biçime getirerek ileti imin ortamdaki
gürültü, zayıflama, bozulma ve giri im gibi bozucu
etkenlerden daha az etkilenmesi amacıyla uygulanır.
• Hat kodlamasında göz önünde bulundurulması gereken
konular:
- letim bantgeni li i gereksinimi
- Alçak frekanslardaki spektrum
- Zamanlama içeri i
- Hata gözleme
- Verimlilik
65
Hat Kodlaması (Line Coding) (3)
Hat kodlamasında göz önünde tutulacak konular:
1. letim Bantgeni li i Gereksinimi
(Transmission Bandwith Required)
•
letim bantgeni li inin kısıtlayıcı oldu u durumlarda, çok
düzeyli hat kodları (multilevel line codes) kullanarak
iletilecek olan i aretin bantgeni li i azaltılır.
• Böylece, iletilen semboller birden fazla sayıda bilgi biti
içerir.
• Çok düzeyli kodlama aynı bit hata oranı (bit error rate) için
ikili kodlamaya göre daha dü ük i aret-gürültü oranına
(SNR) ihtiyaç duyar.
66
33
07.02.2014
Hat Kodlaması (Line Coding) (4)
2. Alçak Frekanslardaki Spektrum
(Low Frequency Spectrum)
• Kodlamada i aretin do ru akım bile eninin olabildi ince
sıfıra yakın tutulması gerekir.
• Çünkü iletim ortamında ba la ım (coupling) için kullanılan
transformatörler ve kapasitörler i aretin alçak frekans
bile enlerini zayıflatırlar ve do ru akım bile eninin
geçmesine izin vermezler.
• Bu nedenle, iletim hattına gönderilen i aretin do ru akım
bile eninin (yani, ortalamasının) sıfır ya da sıfıra çok yakın
olması istenir.
67
Hat Kodlaması (Line Coding) (5)
3. Zamanlama çeri i (Timing Content)
• Alıcının (ya da kullanılıyorsa tekrarlayıcıların) karar verme
devrelerinin zamanlamasını yapabilmesi için saat
i aretlerini iletilen i aretten güvenilir bir ekilde elde
edebilmesi gerekir (clock extraction).
• Bunun için hat kodunun iletilen i arette yeteri kadar
yo unlukta “geçi (transition)” sa laması gerekir. Burada
“geçi ”, düzey de i ikli i anlamında kullanılmı tır. kili
i aretteki geçi ler, 1’den 0’a ya da 0’dan 1’e olan düzey
de i iklikleridir.
68
34
07.02.2014
Hat Kodlaması (Line Coding) (6)
4. Hata gözleme (Error Monitoring)
• Hat kodu iletilen bilgi dizisine “fazlalık ya da artıklık
(redundancy)” ekleyerek iletim hattındaki hata oranının
gözlenmesini sa layabilir.
• Örne in, hat kodlaması bazı sembol dizilerini
olu turmayacak ekilde yapılır; e er bu geçersiz sembol
dizileri iletim sırasında olu ursa, alıcı bunların iletim
hataları olarak algılar ve bunların sayısına ba lı olarak
hattın performansını belirler.
69
Hat Kodlaması (Line Coding) (7)
5. Verimlilik (Efficiency)
• Hat kodlamasının yukarıda açıklanan özellikleri
sa layabilmesi için genellikle iletilen bilgi i aretine ek bilgiler
ilave edilmesi gerekir.
• “Fazlalık ya da artıklık (redundancy)” olarak tanımlanan bu
ek bilgiler a a ıdaki e itlikle tanımlanan hat kodunun
verimlili inin dü mesine neden olur.
E = % (H / Hmax) x 100
Burada,
E : Hat kodu verimlili i,
H : letilen sembol ba ına ta ınan ortalama bilgi içeri i,
Hmax : Fazlalık olmaması durumunda iletilebilecek
sembol ba ına dü en maksimum bilgi içeri idir. 70
35
07.02.2014
Hat Kodlaması (Line Coding) (8)
Kodların sınıflandırılması:
• Bit kodları (bit-by-bit codes: bit’den bit’e kodlar)
• Blok kodları (block codes)
- Bit yerle tirme (bit insertion)
- Blok yerle tirme (block insertion)
•
li kili kodlama (correlative coding) ya da kısmi tepki
kodları (partial response codes)
71
Hat Kodlaması (9) Bit-bit hat kodlaması örnekleri
kili
aret
1) Unipolar NRZ
2) Polar NRZ
3) Bipolar NRZ
4) Unipolar RZ
5) Polar RZ
6) Bipolar RZ or AMI
7) Pseudoternary
8) HDB3
9) CMI
10) Manchester
11) Differential
Manchester
Bit aralı ı
+V
0
+V
0
-V
+V
0
-V
+V
0
+V
0
-V
+V
0
+V
0
-V
+V
0
-V
+V
0
-V
+V
0
-V
+V
0
-V
1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1
1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1
0
0
0 V
B 0 0 V
1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1
T
72
36
07.02.2014
Veri letim Türleri (Data Transmission Types) (1)
• Tek-yönlü letim (Simplex Transmission) tek yönde
yapılan bir iletimidir (örne in, radyo, TV yayınları)
• Yarı-çift yönlü letim (Half-duplexTransmission) aynı
anda olmamak ko ulu ile her iki yönde yapılan iletimdir
(örne in, bas-konu bırak dinle türü telsiz ileti imi).
• Tam-çift yönlü letim (Full-duplexTransmission) aynı
anda her iki yönde de yapılan iletimdir (örne in, telefon
ileti imi, bilgisayar ileti imi).
73
Veri letim Türleri (2)
Paralel letim (Parallel Transmission)
• Veriye ait n sembolün n iletim kanalı üzerinden aynı anda
gönderilmesine paralel iletim denir.
• A a ıdaki ekilde 8-bitlik paralel iletim gösterilmi tir.
Burada,
- 8 veri kanalı ve
-
ki de denetim kanalı bulunmaktadır.
» READY / BUSY (hazır/me gul) kanalı alıcıya
verinin gönderime hazır oldu unu belirtir.
» DEMAND (istek) kanalını alıcı, vericiye göndermi
oldu u verinin alındı ını ve yeni verilerin
beklendi ini bildirmesi için kullanılır.
74
37
07.02.2014
Veri letim Türleri (3)
Gönderici
Kanal 1
Kanal 2
Kanal 3
Kanal 4
Kanal 5
Kanal 6
Kanal 7
Kanal 8
Aıcı
Hazır/Me gul
stek
Veri
Hatları
Denetim
Hatları
Sekiz-Bitlik Paralel letim
75
Veri letim Türleri (4)
• A a ıdaki nedenlerden dolayı paralel iletim sadece kısa
uzaklıklarda kullanılır:
- Üretimdeki de i ik tolerans sınırlarından dolayı paralel
iletim kanalların gecikmeleri farklı olabilir. Böylece
uzaklık arttıkça gecikmeler arasındaki fark da
büyüyecektir.
- Uzaklık arttıkça, çoklu devrelerin ve tellerin de maliyeti
artacaktır.
• Öte yandan, paralel iletim kısa uzaklıklarda daha hızlıdır.
• Bu nedenden, paralel iletim aynı baskı devre kartı
üzerinde ya da bir birine çok yakın olan çekmeceler ya da
aygıtlar arasında kullanılır.
76
38
07.02.2014
Veri letim Türleri (5)
Seri letim (Serial Transmission)
• Verinin aynı iletim kanalı üzerinden art arda semboller
halinde gönderilmesine seri iletim denir.
•
kili ileti imde (binary communication) sembol olarak 0 ya
da 1 bit kullanılır.
• Bilgisayar a ları üzerinden yapılan veri alı veri i seri iletim
ile yapılır.
•
letim hızı bir saniyede gönderilen sembol sayısı anlamına
gelen “baud” ile ya da bir saniyede gönderilen bit sayısı
“bps (bits per second)” ile tanımlanır.
•
kili iletimde, iletim hızı “baud” ve “bps” türünden aynı
de erde olur.
77
Veri letim Türleri (6)
Seri letim (Serial Transmission)
• Seri iletimin özellikleri:
- Veri gönderim hızı yava ,
- letim hatları daha uzun,
- letim hattı ve devreler daha ucuzdur
• Kullanılan e zamanlama yöntemine göre seri iletim
- E zamanlamalı (synchronous) ve
- E zamansız (asynchronous) olarak ikiye ayrılır.
78
39
07.02.2014
Veri letim Türleri (7)
Örnek
4-sembollü i aret kullanarak (semboller: -2, -1, +1, +2 volt
gerilim düzeyleri olsun) seri veri iletimi yapılıyor. Sembol süresi
50 s’dir. Semboller e it olasılıkla iletiliyor. Bu durumda.
a) Sembol hızı: r = 1 / T = 1 / 50 106
= 20000 sembol/s = 20 ksembol/s
b) Bir sembolün bilgi içeri i:
H = log2 N = log2 4 = 2 bit/sembol
c) aretin iletim hızı (bit hızı):
R = r (simge/s) H (bit/simge)
= (20000 simge/s) (2 bit/simge)
= 40000 bit/s = 40 kbps
olarak elde edilir.
79
Veri letim Türleri (8)
Asenkron letim (Asychronous Transmission)
• Asenkron (e zamansız) iletim, göndericide ve alıcıda ayrı
saat i aretleri (clock signals) kullanılan seri iletim türüdür.
• Gönderilecek bilgi karakter adı verilen bloklara ayrılır.
• Alıcı, göndericinin her karakter ba langıcında gönderdi i
“ba la biti (start bit)”ni sezerek kendi saat i aretini
göndericideki saat i areti ile e zamanlı duruma getirir.
• Karakter adı verilen bloklar 7 ya da 8 bit’den olu ur.
Örne in, ASCII kodunda, hata sezmede kullanılan e lik biti
(parity bit) ile birlikte, bir karakter 8 bit ile kodlanır.
• Bir karakterin asenkron olarak iletilmesi için karakterin
ba ına bir ba la biti (start bit) karakterin sonuna ise bir
dur biti (stop bit) eklenir. Ba la biti “0”, dur biti ise “1”dir.
80
40
07.02.2014
Veri letim Türleri (9)
lsb
msb
b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 P
V=0 1 1 0 1 0 1 0
E lik biti
(E lik Denetimi çin)
(a) V harfinin ASCII kodu
Mantıksal 1
bo
Mantısal 0
lsb
0
msb P
1 1
0
1
0
1
bo
0
Dur biti
Ba la biti
(b) V harfinin ASCII kodunda e zamansız iletimi için mantık düzeyleri .
V harfinin ASCII kodunda e zamansız iletimi
81
Veri letim Türleri (10)
• ASCII karakterlerinin e zamansız iletimi.
• Her karakterin ba ında ba la biti ile e zamanlama
yenilendi i için, e zaman kaybından do acak hatalar
engellenir.
Dur biti
Ba la biti
Ba la biti
Bo
0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 P 1 0
1. karakter
Dur biti
Bo
b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 P 1
2. karakter
82
41
07.02.2014
Veri letim Türleri (11)
Senkron letim (Synchronous Transmission)
• Senkron (e zamanlı) iletim, saat darbelerinin gönderici
tarafından ya da merkezi bir birim tarafından alıcıya
gönderildi i seri iletim türüdür.
• Senkron iletimde e zamanlamayı sa lamak için uygulanan
üç temel yöntem vardır:
1. Saat i aretinin göndericiye ve alıcıya merkezi bir birim
tarafından gönderilmesi,
2. Saat i aretinin alıcıya gönderici tarafından ayrı bir
kanal üzerinden gönderilmesi,
3. Saat i aretinin alıcıya gönderici tarafından verinin bir
bile eni olarak gönderilmesi.
83
Veri letim Türleri (12)
Senkron letim (Synchronous Transmission)
• Saat i aretinin göndericiye ve alıcıya merkezi bir birim
tarafından gönderilmesi, yüksek maliyetli olup genellikle
büyük hacimlerdeki veri iletimi ve yüksek hızlardaki ileti im
sistemleri için uygulanır.
• Saat i aretinin alıcıya gönderici tarafından ayrı bir kanal
üzerinden gönderilmesi yöntemi, saat i aretinin alıcıya
gönderilmesi için ayrı bir iletim kanalı kullandı ından, kanal
kapasitesinin veri iletim hızından büyük oldu u durumlarda
kullanılabilir.
84
42
07.02.2014
Veri letim Türleri (13)
Senkron letim (Synchronous Transmission)
• Saat i aretinin alıcıya gönderici tarafından verinin bir
bile eni olarak gönderilmesi yöntemi,
- Saat i areti alıcıya gelen verinin içinden çekilip çıkartılarak elde
edildi i için yaygın olarak kullanılır ve en verimli e zamanlama
yöntemidir.
- Bu e zamanlama yöntemi “Timing Extraction” ya da “Clock
Recovery” olarak bilinir.
- Sayısal i aretlerin iletiminde, saat i aretinin veri i areti içine
gömülmesi için “Manchester” ve “Differential Manchester”
kodlama yöntemleri yaygın olarak kullanılır.
- Bu yöntemde alıcı, ikili kodla gelen veri i aretini saat i areti
frekansına ayarlanmı yüksek Q çarpanlı bir rezonans
devresinden ya da bir faz kilitleme devresinden geçirerek
göndericinin saat i areti ile e zamanlı bir saat i areti elde eder.
85
Veri letim Türleri (14)
Senkron letim (Synchronous Transmission)
Senkron veri iletimini iki grup altında inceleyebiliriz:
• Karakter yapılı iletim (character-oriented
transmission),
• Bit yapılı iletim (bit-oriented transmission).
Karakter yapılı iletimde,
Gönderici, gönderece i karakter blo unun (kontrol ve/veya
veri karakterlerinden olu an bir karakter grubu) ba langıcını
ve bitimini alıcıya belirtmek için, karakter blo unun ba ına ön
ek (preamble) ve sonuna son ek (postamble) adı verilen ve
özel karakterlerden olu un e zamanlama karakterleri ekler.
86
43
07.02.2014
Veri letim Türleri (15)
Senkron letim (Synchronous Transmission)
Karakter yapılı iletim (devam)
• Örne in, e zamanlama karakterleri olarak art arda bir ya da daha
fazla SYN karakterleri kullanılabilir.
• SYN karakterlerinden sonra gelen ilk farklı karakter gönderilen
karakter blo unun ba langıcını belirtir.
• Art arda gönderilen SYN karakterleri hattın bo oldu unu gösterir.
• E zamanlama için kullanılan ön ek ve son ek ile gönderilen
karakter blo unun tamamı bir “karakter yapılı çerçeve
(character-oriented frame)” olarak tanımlanır.
• Karakter bloklarının art arda gönderilmesi durumunda, sadece ön
ek kullanmak yeterlidir.
• Veri ve denetim bloklarında e zamanlama karakterine
rastlanmasını önlemek için göndericide ve alıcıda karakter
87
doldurma gibi yöntemler kullanılır.
Veri letim Türleri (16)
Senkron letim (Synchronous Transmission)
Bit yapılı iletimde gönderici,
• Bir bit katarının ba langıcını ve bitimini alıcıya belirtmek için,
gönderece i bit katarının ba ına ve sonuna bayrak (flag) adı
verilen özel kodlar ekler.
• Bit yapılı iletimde, bayrak olarak genellikle 8 bit’den olu an
01111110 kodu kullanılır.
• Art arda gönderilen bayraklar hattın bo oldu unu gösterir.
• E zamanlama için kullanılan bayraklar ile veri bitleri katarının
tamamı bir “bit yapılı çerçeve (bit-oriented frame)” olarak
tanımlanır.
• Veri ve denetim bloklarında bayrak karakterine rastlanmasını
önlemek için göndericide ve alıcıda bit doldurma gibi yöntemler
kullanılır.
88
44
07.02.2014
Veri letim Türleri (17)
Öbek denetim damgaları ve veri
Sonek
Önek
SYN
•••
SYN
(a) Karakter yapılı çerçeve
Önek
Sonek
01111110
01111110
Bayrak
(b) Bit yapılı çerçeve
Bayrak
89
Veri letim Türleri (18)
Her karakter için ba la ve dur biti göndermek yerine, karakter
bloklarının tümü için bir öntakı ve sontakı gönderildi inden,
asenkron iletime göre, senkron iletimde verimlilik daha yüksektir.
Örne in,
• ASCII kodunun kullanıldı ı asenkron iletimde 1 ba la biti,
1 dur biti ve 1 e lik biti de gönderilece inden, 3/10=30%
fazlalık ta ınacaktır. Ya da iletim verimlili i, 7/10 = 70%
olacaktır.
• Öte yandan senkron iletimin yapıldı ı ve 48 denetim
bitinin kullanıldı ı toplam 1 000’lik bir bit-yapılı çerçevede
(HDLC çerçevesi), fazlalık 48/1000 = 4.8%, gönderim
verimi ise 952/1000 = 95.2% olarak bulunur.
90
45
07.02.2014
letim Ortamından Kaynaklana
stenmeyen Etkenler (1)
leti imde, gönderilen i aret iletim ortamı tarafından yaratılan
istenmeyen etkenlerin etkisi altında kalır.
Ba lıca etkenleri öyle sıralanabilir:
• Gürültü (noise)
• Zayıflama (attenuation)
• Bozulma (distorsion)
• Giri im (interference)
91
letim Ortamından Kaynaklanan
stenmeyen Etkenler (2)
Gürültü (Noise)
• Beklenmedik bir ekilde olu an istenmeyen rasgele
elektriksel de i iklikler elektriksel gürültü (ya da kısaca
gürültü) olarak tanımlanır.
• Bunlara parazit de denilmektedir.
• Gürültü kaynakları,
– Sistem içi ve
– Sistem dı ı
olmak üzere iki türe ayrılır.
92
46
07.02.2014
letim Ortamından Kaynaklanan
stenmeyen Etkenler (3)
1. Sistem çi Gürültü Kaynakları (Internal Noise Sources)
•Sistem içi gürültü kaynakları, elektrik sistemlerindeki devre
elemanları ve iletkenlerdir.
•Bunların yarattı ı istenmeyen rasgele elektriksel de i iklikler
ısıl gürültü ve atı gürültüsü olmak üzere iki türe ayrılır.
a) Isıl Gürültü (Thermal Noise)
• Elektronların iletken içindeki rasgele hareketlerinden olu ur.
• letkenin sıcaklı ı arttıkça serbest elektronların enerji
seviyeleri artaca ından iletken içindeki rasgele hareketleri
artar ve bu da ısıl gürültünün artmasına neden olur.
• Bu gürültü ancak mutlak sıfır (-273 oC) sıcaklı ında olu maz.
93
letim Ortamından Kaynaklanan
stenmeyen Etkenler (4)
Sistem çi Gürültü Kaynakları (devam)
(b)Atı Gürültüsü (Shot Noise)
•Transistör ve diyot gibi yarı-iletken ö elerin p-n eklemlerinde
elektronların rasgele hareketleri sonucunda olu an rasgele
elektriksel de i melerdir.
•Uygulamada önlemler alınarak sistem içi gürültü azaltılabilir,
ancak tamamen yok edilemez.
94
47
07.02.2014
letim Ortamından Kaynaklanan
stenmeyen Etkenler (5)
2. Sistem Dı ı Gürültü Kaynakları (External Noise Sources)
istem dı ı gürültü kaynakları, elektriksel sistemin içinde
bulundu u ortam tarafından yaratılan ve elektriksel
sistemde istenmeyen rasgele elektriksel de i melere neden
olabilen olaylardır.
•
•
•
•
•
•
•
Yıldırım dü meleri ve im ek çakmaları
Elektriksel fırtınalar
Güne patlamaları
Elektrikle çalı an aygıtların hatalı kontaklarında olu an arklar
Floresan lambaları
Elektrik motorlarının çalı maları
Uygun önlemler alınırsa bu tür kaynaklardan olu an gürültü en
aza indirilebilir ya da uygulamaya ba lı olarak bunlardan
kaçınılabilir.
95
letim Ortamından Kaynaklanan
stenmeyen Etkenler (6)
• Gürültü iletim hızını sınırlayan en önemli etkenlerden biridir.
• leti imde gürültünün etkilerini azaltmanın yanı sıra, asıl önemli
olan, i aret gücünün gürültü gücüne oranı olan SNR (Signal-toNoise Ratio)’nin arttırılmasıdır.
SNR = aret gücü / Gürültü gücü
• leti imde verici ile alıcı arasındaki uzaklık arttıkça, i aret gücü
azalır buna kar ılık gürültü gücü artar. Bu nedenle iletim
ortamının uzunlu u arttıkça SNR azalır.
•
letim ortamında zayıflamı olan i aretin gücünü arttırmak için
yükselteç kullandı ımızda, i aret gücü ile birlikte gürültü gücünü
de arttırmı oluruz.
– Buna ilave olarak yükseltecin yarattı ı gürültü SNR’nin daha da
azalmasına sebep olur.
– Bu nedenle sayısal ileti im tercih edilmekte ve yakla ık her 2 km’de
bir tekrarlayıcı kullanılmaktadır.
96
48
07.02.2014
letim Ortamından Kaynaklanan
stenmeyen Etkenler (7)
Gönderici
Çıkı ı
Tekrarlayıcı
Giri i
Gönderici
Tekrarlayıcı
Çıkı ı
Tekrarlayıcı
letim
Ortamı
Alıcı
Çıkı ı
Alıcı
Giri i
Alıcı
letim
Ortamı
Sayısal i aretin tekrarlayıcı ve alıcıda
yeniden üretilmesi
97
letim Ortamından Kaynaklanan
stenmeyen Etkenler (8)
• Yeniden üretme özelli i olan bir tekrarlayıcıda karar verme
devresi 0 yerine 1 alındı ına karar verirse (ya da tersi), bir
iletim hatası olu mu demektir.
• Yanlı karar verme olasılı ı sistemin ba arım (performans)
ölçütüdür.
• Karar verme devresinin giri indeki SNR yüksek ise yanlı
karar verme olasılı ı dü üktür.
• Yanlı yapma olasılı ı azaldıkça, sistemin ba arımı artacaktır.
• Alıcıda çözücü (demodulator) çıkı ındaki SNR ne kadar
yüksek olursa, gelen i aretin 0 ya da 1 oldu una karar
vermede yapılacak yanılgı o kadar az olur.
• Bunun için alıcı giri lerinde özel süzgeçler kullanılır
(optimum filters, örne in uyumlu süzgeç: matched filters).
98
49
07.02.2014
letim Ortamından Kaynaklanan
stenmeyen Etkenler (9)
Zayıflama (Attenuation)
Zayıflama, iletim ortamında ilerleyen elektriksel i aretin
gücünün azalması demektir. Buna iletim kaybı (transmission
loss) da denir.
•
letim ortamında kat edilen mesafe ve i aretin frekansı
arttıkça i aretin zayıflaması da artar.
• Zayıflamanın etkilerini azaltmak için iletim ortamında
tekrarlayıcılar (repeaters) ve dengeleyiciler (equalizers)
kullanılır.
• Özel filtrelerin genlik ve faz karakteristikleri ortamın genlik ve
faz karakteristiklerinin yarattı ı bozulmayı telafi edecek
ekilde seçilir.
99
letim Ortamından Kaynaklanan
stenmeyen Etkenler (10)
Bozulma (Distorsion)
letim ortamınında ya da ileti imde yer alan sistemlerin eksik
tepki (response) vermeleri sonucunda olu an dalga ekli
de i ikliklerine bozulma denir.
• Sistemin bantgeni li inin yetersiz olması,
• Sisteme uygulanan elektriksel enerji seviyesi
de i ikliklerine yeteri kadar hızlı uyum sa layamaması
sonucunda sistem (ya da iletim ortamı) çıkı ında bozulmalar
olu ur.
100
50
07.02.2014
letim Ortamından Kaynaklanan
stenmeyen Etkenler (11)
Bozulma (Distorsion) - Devam
Giri i areti
(input signal)
Bozulmu çıkı i areti
(distorted output signal)
Sistem
Bantgeni li i yetersiz olan bir sistemin
olu turdu u bozulma
101
letim Ortamından Kaynaklanan
stenmeyen Etkenler (12)
Bozulma (Distorsion) - Devam
• Bu bozulmalar sistemde enerji depolayan ö elerin
(kapasitör ve endüktör gibi) bulunmasından ya da iç
yapılarında bu ö eler gibi özellik gösteren sistemlerden
kaynaklanır.
- Örne in, iki telden olu an bir iletim hattı direnç
özelli inin yanı sıra kapasitif ve endüktif özellik de
gösterir.
- Direnç özelli i nedeniyle zayıflamaya, kapasitif ve
endüktif özelli i nedeniyle de bozulmaya sebep olur
102
51
07.02.2014
letim Ortamından Kaynaklanan
stenmeyen Etkenler (13)
Bozulma (Distorsion) - Devam
• Bozulmaya neden olmamak için,
- Tasarım a amasında, sistemin bantgeni li i iletilecek
olan i aretin bantgeni li inden büyük seçilmelidir ve
- Sistemde do rusal olmayan bozulma yaratan
ö elerin kullanımından kaçınılmalıdır.
• Do rusal bozulma (linear distorsion) dengeleyici
(equalizer) kullanılarak düzeltilebilir.
• Fakat do rusal olmayan bozulma (nonlinear distorsion)
düzeltilemez.
103
letim Ortamından Kaynaklanan
stenmeyen Etkenler (14)
Giri im (Interference)
• Giri im, aynı frekans bandındaki iki ya da daha fazla
i aretin üst üste eklenmesi sonucunda olu an istenmeyen
bir etkidir.
• Giri imde,
- i aretlerin aynı yönde artı gösterdi i zaman
aralıklarında bile ke i aretin gücü artar,
- i aretlerin tersyönlerde artı gösterdi i zaman
aralıklarında ise bile ke i aretin gücü azalır.
- Buna sönümlenme (fading) adı da verilir.
104
52

Download Report