QUIZ (Uydu
Teknik Bilginizi Yoklayınız)
8.Frekans ve band genişliği ne bakımdan farklıdır?
C 8. Frekans bir elektromanyetik dalganın saniyede yaptığı tur
sayısıdır. Frekansın birimi hertz (Hz) ‘dir, ve bu saniyede bir
saykıl(tur) ifade eder. Frekans periyodun (yani bir turun tekrarı
için gereken saniye cinsinden sürenin) bir bölüsüdür. Örneğin tipik
bir C-bandı uydudan iniş yolunun merkez frekansı 4 gigahertz (GHz)
‘dir. Bu değer saniyede dört milyar demektir. Bu frekanstaki bir
sinyalin periyodu 0.25 nanosaniye(ns) ya da bir saniyenin 0.25
trilyon’da biridir. Işık hızında seyahat eden elektromanyetik
dalgaların dalga boyu bu frekansta 7.5cm olmaktadır. Eğer bir
elektromanyetik sinyalin sadece bir tek frekansı olsaydı bu sinüsoid
sinyalin boyu ve süresi sonsuz olur, hiçbir bilgi de taşımazdı. Tek
frekanslı, sinüs dalga şekilli bir ses sinyali, örneğin concert A
(440 Hz) böyle saf bir frekansa işaret eder.
Band genişliği ise birçok farklı frekanstan oluşur. Bir
elektromanyetik sinyal , dalga şeklinin üç özelliğinden birini
değiştirerek bilgi aktarır: genliğini, frekansını, veya fazını
değiştirir. Bu işleme modülasyon denir ve bu farklı güç seviyelerine
sahip bir dizi frekansın ortaya çıkmasına yol açar. Band genişliği
ile güç, ikisi birlikte bir sinyalin aktarabileceği bilgi miktarını
belirler.
Pratikte herhangi bir sinyalin süzülerek elde edilen sınırlı bir
band genişliği olur. Öyle ki, modülasyon ile elde edilen toplam
gücün %95 kadarı bu bandgenişliğinin içinde kalır. Örneğin normal
kalitede bir telefon kanalının band genişliği 4kHz’dir. Bu band
genişliği anlaşılabilir konuşma sesini aktarabilir şekilde
tasarlanmıştır. Ancak insan kulağının ayırd edebildiği 4kHz ile
20kHz arasındaki sesler yuvarlanır. O yüzden benzer seslerin
telefonda ayırd edilebilmesi güç olur. Öte yandan, CD ‘ler 20 kHz
band genişliğinin tamamını taşır, ve o nedenle ürettikleri ses
kalitesi orijinal sese oldukça yakındır.
Bir başka örnek olarak, tipik bir C-bandı uydu transponderinin band
genişliği 36MHz’dir. Bu band genişliği tarihsel olarak bir frekans
modülasyonlu (FM) televizyon sinyalini taşımaya yeterli bulunan bir
band genişliği olmuştur. Ku-bandında ise 27MHz ve 54MHz band
genişliklerine sahip transponderler olur. Digital bir sinyalin
gerektirdiği band genişliği gerekli bilgi bit hızı ile, kullanılan
modülasyon ve kodlama metodları tarafından belirlenir.. Bit hızı
arttıkça, gerekli band genişliği de artacaktır. Modülasyon metodu
sembol başına bit sayısını belirler. Örneğin QPSK için sembol başına
iki bit bulunur.
Elektromanyetik spektrum olabildiğince etkin bir şekilde
kullanılması gereken değerli bir kıymettir. Bugün mühendisler, aynı
band genişliğiyle daha fazla bilgi aktarabilmek, veya belirli bir
bit hızı için daha az band genişliği kulanmak üzere daha etkili
modülasyon tekniklerini (örneğin 8PSK gibi) araştırmaktalar. 8PSK
modülasyonunda sembol başına üç bit bulunur. Sonuç olarak da QPSK’ya
göre aynı miktar band genişliği kullanılarak aktarılabilen bit hızı
%50 arttırılabilmektedir.
7. Afrika'da 1.2 m anteni ile Ku-bandı yayınları yağış yüzünden
alamayanlar ne yapabilir?
C.7 Tek çare daha büyük çanak kullanmak. Örneğin, Crane (yağmur
bölgesi tipi H, yani yoğun yağış alan tipik olarak tropik coğrafi
iklim) %99.5 yağış alır, yani yağış almadığı saat sayısı ayda
ortalama 3.6 saatten ibarettir. Ku bandında(12 GHz) tipik yağış
zayıflaması, 3.4 dB'si gürültü sıcaklığının artışı, 4.6 dB'si de
sinyal zayıflaması olmak üzere toplam ortalama 8.0 dB kabul
edilebilir. Çanağın kazancı çapının karesiyle doğru orantılı
olacağına göre, eğer çap 2.5 kat arttırılırsa yani 1.2 m'den 3.0 m
'ye yükseltilirse yağış zayıflaması vaktin %99.5 'u için giderilmiş
olacaktır.
6.Bir digital TV yayınında sembol hızı ve FEC neye göre seçilir?
C.6 Bir uydu haberleşme linkinin tasarımında en öncelikle
gözönünde bulundurulan konulardan birisi de band genişliği ile güç
arasındaki klasik tercih zorunluluğudur. Maksimum sembol hızı
elinizde bulunan band genişliği ile belirlenir. Forward Error
Correction (FEC = Önceden Hata Düzeltme) kodlaması ise belirli bir
maksimum bit hata oranı değerini elde edebilmek için mevcut güç ve
bant genişliği tarafından belirlenir.
Sembol hızı Rs band genişliğine oranlıdır. Belirli bir sembol hızı
için, en önemli birim olan bilgi bit hızı Rb ise modülasyon metoduna
bağlı kalacaktır. Faz kaydırmalı anahtarlama (PSK) modülasyonunda
taşıyıcının her faz durumu m bit sayısını ifade eden bir sembolü
temsil etmektedir. Örneğin, BPSK modülasyonunda sembol başına bir
bit bulunur (m = 1); QPSK modülasyonunda ise sembol başına iki bit
bulunur (m = 2); 8PSK modülasyonunda sembol başına 3 bit vardır (m =
3). PSK modülasyonunun derecesi yükseldikçe sembol başına olan bit
sayısı artar. Sonuçta belirli birsembol hızı ve yani belirli bir
bant genişliği için ortaya çıkan bilgi bit hızı artar.
FEC kodlaması bu ortaya çıkan belirli bilgi bit hızı ve belirli en
fazla bit hata oranı için gerekli güç miktarını azaltmakta
kullanılır. Ancak bu kodlama da band genişliğini arttırır. Çünkü
birim zamanda aktarılacak bit sayısı (bilgi bitleri + kod bitleri
toplamı olarak) artmaktadır. Kod oranı r bilgi bitleri sayısının
toplam bit sayısına oranını temsil etmektedir. Yani bant genişliği
kod oranı ile ters orantılı olarak değişmektedir. Kod hızı Rc, bilgi
bit hızı Rb 'nin kod hızı r 'ye bölünmesiyle elde edilir. (Kodlama
yoksa r = 1 olur.)
Bu eşitlliklerin matematiksel olarak ifadesi şöyle özetlenebilir:
Rc = Rb / r
Rs = Rc / m
B = k Rs = k Rc / m = k Rb / (m r)
Burada k (tipik değeri 1.2 dolayında olan) bir çarpım faktörüdür ve
değeri sembollerarası girişimi azaltmak ve band genişliğini
arttırmak üzere darbe şekillerini düzenleyen temelband süzülmesi ile
ilgilidir. Eğer Bilgi bit hızı Rb cinsinden eşitliğe bakarsak;
Rb = m r B / k elde ederiz.
Yani bilgi bit hızı sembol başına bit sayısı ile, kod hızı, ve
mevcut band genişliği miktarının çarpımı ile orantılı bir değer
olacaktır. Örneğin, QPSK 'da bit hızı BPSK'dakinin iki katıdır..
Dahası, QPSK belirli bir bit hızı için BPSK ile aynı miktar güce
ihtiyaç duymaktadır. O yüzden yarısı kadar bant genişliğine gerek
duyması nedeniyle QPSK geçmişte en tercih edilen modülasyon şekli
olmuştur. Oysa bugün uydu haberleşme tasarımlarında Spektral
etkinliğin arttırılmasına daha fazla önem verilmektedir. Önceleri
kullanılan modülasyon için endüstri standardı QPSK idi. Ancak
yukarıdaki ilişkilerin gösterdiği gibi 8PSK ile ayni transponder
bant genişliği için veri aktarma hızını %50 arttırmak mümkün
olmaktadır. (sembol başına 2 bite karşılık 3 bit olması nedeniyle).
Ancak, 8PSK hem BPSK ve hem de QPSK 'dan daha fazla güce gerek
duymaktadır. Öte yandan sofistike kodlama metodlarının kullanılması
gücü azaltabilir. Hem modülasyon hem de kodlamayı birleştiren (trellis
coded modulation denilen) belirli tekniklerin kullanılmasıyla, band
genişliğini pek arttırmadan gücü azaltmak mümkün olmaktadır. İşemci
hızı ve yeteneklerindeki önemli gelişmeler ve bilgisayar çip
teknolojinin gelişmesi sayesinde halen bu tekniklerin
uygulanabilmesi mümkün hale gelmiştir.
5. Ku-bandında karşılaşılaşılabilecek en fazla zayıflama (attenuation)
ne kadardır. ?
C.5 Yağmur v.s yoğunluğuna bağlı olduğundan, en fazla zayıflama
diye birşey yoktur. Ancak Ku-bandındaki herhangi projede tasarım
hedefi olarak yağmur zayıflaması ve G/T zayıflamasına karşılık
olarak 7 dB ile 10 dB arası bir marj bırakılması uygundur. Ku-bandı
iniş frekansı olan mesela 12 GHz için bu marj Florida’da (Crane
yağmur istatistiklerine göre E tipi bölge için) %99.7 ile %99.8
arası bir yayın alınabilirlik garantisi anlamına gelmektedir. Bu
durumda %0.2 ile 0.3 arası bir yağmur marjının aşılması olasılığı
olacak, bu da yayının kötüleşmesine ya da tümüyle kaybına
yolaçabilecektir.
4. Ücra bölgelerde yağış dolayısıyla iletişimin etkilenmesine
karşı ne gibi önlemler alınabilir.
C.4 Birinci teknik saha çeşitliliği sağlamaktır. Birbirinden
15-30 km mesafede olan ve birbiri arasında yersel iletişim
bağlantısı olan iki yer istasyonu kullanılabilir. Her iki istasyonun
birden aynı anda aynı yağış yoğunluğuna maruz kalmaları oldukça
düşük bir olasılıktır.
İkinci olasılık da gerektiği yerde ve gereken anda bir düşük frekans
bandına geçilebilmesidir. Örneğin Ku bandının bir kısmı Ka-bandı
sistemin spektrumu içinde o anda yoğun yağış olan bir kısma ait
aktarım için devreye sokulabilir. Yoğun yağış dolayısıyla olan
zayıflama Ku-bandında Ka-bandına göre çok daha azdır.
Üçüncü bir seçenek ise genişletilmiş bant genişliğinin dinamik
olarak porsiyonlandırılmasıyla belirli bir veri hızı için gereken
gücün azaltılması ve daha dayanıklı bir Önceden Hata Düzeltme (FEC)
kodlamasına imkan sağlanmasıdır. Ancak bu metod problemi sadece
hafifletmekte kullanılabilir, yoksa özellikle yüksek (Ka-bandı gibi)
frekanslarda yağmur dolayısıyla ortaya çıkan zayıflama sorununu
tümüyle telafi etmekte kullanılamaz.
3. Eb/No ile BER arasındaki matematiksel ilişki nasıldır ?
C.3 Bit başına düşen enerjinin gürültü yoğunluğuna oranı demek
olan “ Eb/No “ üç faktöre dayanmaktadır.: Bit hata oranı (BER),
kipleme(modülasyon) için kullanılan yöntem ve kodlama yöntemi.
Pratikte modemin işlemedeki kayıplarına karşılık gelmek üzere teorik
ideal değerin üzerine tipik olarak 0.5 dB ile 1.5 dB arası bir
marjın eklenmesi gerekir.
Eğer kipleme yöntemi “Binary Phase Shift Keying (BPSK)” veya
“Quaternery Phase Shift Keying (QPSK)” ise BER (yani bit hatası “p”
nin olasılığı) ile Eb/No arasındaki ilişki ya “Q fonksiyonu” denilen
ifade cinsinden, ya da komplementer hata fonksiyonu cinsinden ifade
edilecektir. BPSK veya QPSK için bu ilişki aynidir. Kodlanmamış bir
sistem için
p = Q(karekök{2 Eb/No}) = (1/2) erfc(karekök{Eb/No}) , olmaktadır.
Burada Eb/No nümerik bir değerdir. Bunun dB cinsinden karşılığı 10
log(Eb/No) olur. Diğer modülasyon türleri içn de benzeri tarzda
eşitlik formülleri kurulabilir. Bu hesapların nasıl yapılabileceği
Bernard Sklar’ın, Digital Communications (Prentice Hall) kitabında
ayrıntılı bir şekilde yer almaktadır. Pratikte ise bir mühendis
gerekli ilişkileri temel prensipleri kullanarak hesaplamak yerine
ölçülen grafiklerden çıkartabilir. Bu grafiklerin adı konuyla ilgili
terminolojide "waterfall curves" (çağlayan eğrileri) olarak
geçmektedir (aşağı doğru dökülen eğimli görüntüsünden dolayı).
Kodlama yapıldıktan sonra ise Eb/No ‘nun değeri kodlama kazancı "coding
gain" olarak adlandırılan bir miktarda azalır ve band genişliği de
bu miktarda artar..
Örneğin kodlanmamış bir QPSK modülasyonunda BER = 10^(-5), Eb/No
değeri ise 9.12 ya da 9.6 dB olsun. Eğer evriştirme hızı (convolutional
rate) 1/2 ve kodlama baskı boyu (constraint length) 7 ve Viterbi
yazılım kararlı kod çözmesi eklenmiş ise Eb/No ‘nun değeri 4.5 dB
olur. Bu durumda kodlama kazancı 5.1 dB ‘dir. Belirli bir veri hızı
için kodlama, gerekli taşıyıcı/gürültü yoğunluğu oranını 3.2
faktörüyle azaltmaktadır. Ancak, oranı 1/2 olan kodlamada her bilgi
biti için bir fazlalık biti olur. Böylece kodlanmış veri hızı
enformasyon bit hızının iki misline çıkar. Band genişliği de iki
katı olur ve bu kodlanmamış bir BPSK modülasyonu ile elde edilenin
aynisidir. Eğer bilgi işlemedeki (yukarıda sözü edilen) kayıpların
gerektirdiği 1.0 dB marj eklenirse kodlanmış sistem için bu BER
değerine göre gerekli Eb/No değeri 5.5 dB olmaktadır.
2. Yüksek gerilim hatlarından (132 kV) yayılan elektromanyetik
dalgaların Ka-band uydusunun yayınlarının kalitesindeki etkisi ne
olur? Eğer alıcı ve gönderici çanak bir güç istasyonu şalt
tesislerinin yakınında bulunmaktaysa etkisi çok fazla olabilir mi?.
C.2 Uydu iletişimi 1 ile 30 GHz frekans aralığında
yapılmaktadır. Özellikle Ka – bandı ise bunun en üst 20 GHz ile 30
GHz arasında kalan kısmındadır. Elektrik gücü dağıtımı ise 50 - 60
Hz frekansında yapılmaktadır. Dolayısıyla yüksek gerilim hatları
normal halde herhangi bir enterferans üretmez. Şalt (devre kesilip
açılması) sırasında mikrodalga (1 GHz’in üstü) frekanslarında
radyasyon üretilebilmesi ise ancak çok güçlü akım kesintileri ve
sparklar (kıvılcım atlamaları) sonucu olabilir. (Oysa böyle birşey
pratikte hiçbir zaman olmuyor. .)
1. Veri akış hızı ile band genişliği arasında nasıl bir ilişki
var?
C.1 Gönderilen bir sembol bir bitlik bir periyot içinde taşıyıcı
sinyalinin durumu (genliği, frekansı, fazı veya bunların bir
kombinasyonu) ile ifade edilir. Digital uydu yayınlarında ortak
kulanılan bir modülasyon(kipleme) şekli Phase Shift Keying (PSK-Faz
kaydırmalı anahtarlama)dir. Örneğin, Binary Phase Shift Keying (BPSK
– ikili faz kaydırmalı anahtarlama’da), fazın (0 ve 180 derece)
olmak üzere herbiri bir biti (1 veya 0) ifade eden iki konumu olur.
Quaternary Phase Shift Keying (QPSK – Dikgen Faz kaydırmalı
anahtarlama’da) ise, (0, 90, 180, ve 270 derece) olmak üzere dört
faz konumu vardır. Bunların herbiri iki bitten oluşan bir sembolü
(00, 01, 11, veya 10) ifade eder. 8 PSK ‘da ise her sembol için 3
bitten oluşan 8 faz konumu(45 derece) olur. Aynı şekilde 16PSK‘da 16
faz konumu(22.5 derece) olur. 16 QAM (Dikgen Genlik Modülasyonunda)
ise herbiri sembol başına 4 bitlik kombine edilmiş 16 genlik ve faz
konumu bulunur.
Yayının işgal ettiği bant genişliği “B” kullanılan sembol hızı “Rs”
ile band genişliği genişleme faktörü “k” olsun. Bu “k” intersymbol
interference (ISI) yani semboller arası girişimin giderilmesi için
kullanılan temelbant darbe şekillendirme devresinin şekline göre
değişir ve tipik bir “k” değeri 1.2 kadardır. Bu değerler arasındaki
ilişki B = k Rs olmaktadır. Sembol hızı, kodlanmış bit hızı Rc ‘nin
her sembol “m” başına düşen bir sayısına bölünmesi ile elde edilir.
Yani Rs = Rc/m olur. Kodlanmış bit hızı ise enformasyon bit hızı Rb
‘nin kod hızı “r” değerine bölünmesiyle elde edilir. Kod hızı “r”
ise enformasyon bitlerinin hızının toplam bit (yani enformasyon
bitleri artı fazladanlık bitleri) hızına oranıdır. “r”’nin değeri 1
‘den küçüktür. . Örneğin eğer r = ½ olursa, toplam kodlanmış bit
hızı enformasyon biti hızının iki katıdır, ve her enformasyon bitine
karşılk bir fazladan bit olur. Yani Rc = Rb/r ‘ dir.
Bu eşitlikleri birlikte kulanarak bilinen bir enformasyon bit hızı
Rb, için bant genişliği B ;
B = k Rs = k Rc/m = k Rb/(m r) olarak bulunur.
Aynı şekilde işgal edildiği bilinen bir band genişliği için
enformasyon bit hızı
Rb = (m r) B/k olmaktadır.
Örneğin, QPSK (m = 2) olsun. Bu durumda enformasyon bit hızı belirli
bir band genişliği için BPSK (m = 1) ile olması gerekenin iki katı
olmaktadır. Dahası, QPSK belirli bir bit hızı için BPSK ile aynı
miktar güce ihtiyaç duymaktadır. O yüzden yarısı kadar bant
genişliğine gerek duyması nedeniyle QPSK tercih edilen modülasyon
şekli olmaktadır. 8 PSK (m = 3) ile ise enformasyon bit hızı BPSK
ile olanın 3 katı, ve QPSK ile olanın 3/2 katıdır. Yani 8PSK, QPSK
ile olandan %50 daha büyük bir bit hızına olanak verir. Ancak 8PSK,
hem BPSK hem de QPSK ile olandan iki kat daha fazla güç
gerektirmektedir. ( BER=10-8 için, 3.46 dB daha yüksektir).
kaynak :www.uydutvhaber.com
Türkiye de satılmakta olan dijital (digital) uydu alıcıları ve antenleri (sistemleri) görebilmek için
tıklayınız.
www.uydutvhaber.net |
