#05 Analog/dijital temsil, AM-FM-PM, ASK-FSK-PSK, modem-kodek ayrımı ve simplex/half/full duplex

Aşağıda defterde yazılan bütün satırlar ve bunlara eşlik eden sesli anlatımın tam metni bulunur.

1. 1. Analog ve dijital temsili kanal performansından ayır

   

   Bu derste iletimin iki temel yaklaşımını karşılaştıracağız: analog ve dijital.

   Analog sinyal zamana ve/veya genliğe göre sürekli değer alır; her analog sinyalin frekansının da ‘sürekli’ olması gerekli bir tanım değildir.

   Akustik ses ve optik sahne fiziksel olarak süreklidir; video ise yakalama/temsil zincirine göre analog veya dijital olabilir. İnsan ses spektrumu konuşmacı ve ölçüte göre değişir.

   Ancak analog iletimin önemli dezavantajları vardır.

   Sinyal yayıldıkça gürültü birikir.

   Tekrarlayıcılar sinyali güçlendirebilir, ama gürültüyü de güçlendirir.

   Bu, onarılması çok zor olan sinyal bozulmasına yol açar ve daha kısa tekrarlayıcı mesafeleri gerektirir.

   Yönetilebilirlik ve güvenlik analog/dijital etiketinden çok mimari ve kriptografiye bağlıdır; analog iletim için tek bir evrensel BER değeri yoktur.

   Dijital sinyaller ise ayrık darbelerle temsil edilir; sıfırlar ve birler.

   Temel avantaj yenileyici tekrarlayıcılardır.

   Dijital yenileyici karar, yeniden zamanlama ve yeniden biçimlendirmeyle sembolleri tahmin eder; hatalı karar oluşursa ‘orijinali tamamen’ geri getiremez.

   Yenileme gürültü birikimini sınırlayabilir; tekrarlayıcı mesafesi ortam, kayıp, SNR, hız, kodlama ve donanıma bağlıdır.

   Dijital ağlar izleme ve kriptografiyi kolaylaştırabilir; BER ortamın sabit özelliği değildir ve SNR, modülasyon, kodlama, güç, mesafe ve alıcıya göre belirlenir.

   Sesli anlatım metni

   Bu derste iletimin iki temel yaklaşımını karşılaştıracağız: analog ve dijital. Analog sinyaller hem genlik hem frekans açısından süreklidir. Doğal ses ve video analogdur; insan sesi 100 hertz ile 10 kilohertz arasında uzanır. Ancak analog iletimin önemli dezavantajları vardır. Sinyal yayıldıkça gürültü birikir. Tekrarlayıcılar sinyali güçlendirebilir, ama gürültüyü de güçlendirir. Bu, onarılması çok zor olan sinyal bozulmasına yol açar ve daha kısa tekrarlayıcı mesafeleri gerektirir. Analog ağların yönetim yetenekleri zayıftır, dinleme kolay olduğu için güvenlik düşüktür ve bit hata oranı yaklaşık 10 üzeri eksi 5'tir. Dijital sinyaller ise ayrık darbelerle temsil edilir; sıfırlar ve birler. Temel avantaj yenileyici tekrarlayıcılardır. Analog güçlendiricilerden farklı olarak, dijital tekrarlayıcılar sadece güçlendirmez; orijinal sinyali tamamen yeniden üretir. Bu, çok daha uzun tekrarlayıcı mesafelerine olanak tanır. Dijital ağlar uzaktan izleme ile daha iyi yönetim, şifreleme ile yüksek güvenlik ve çok daha düşük bit hata oranları sunar: bükümlü çift üzerinde 10 üzeri eksi 7, uydu üzerinde 10 üzeri eksi 9 ve fiber optik üzerinde 10 üzeri eksi 11.

2. 2. AM, FM ve PM ailelerini kur

   

   Bilgiyi bir taşıyıcı dalga üzerinden iletmek için, taşıyıcının özelliklerinden birini değiştiririz, yani modüle ederiz.

   Klasik AM'de taşıyıcı zarfı mesajla değişir; s(t)=A_c[1+μm(t)]cos(2πf_ct) ve ideal taşıyıcı frekansı f_c'dir.

   Mesaj sinyali yüksekken taşıyıcı genliği büyük, mesaj düşükken taşıyıcı genliği küçük olur.

   eyem basittir ve eyem radyo yayıncılığında kullanılır.

   İdeal FM'de anlık frekans f_i(t)=f_c+k_fm(t), faz ise mesajın integralini içerir; zarf sabittir.

   Mesaj sinyali yüksekken taşıyıcı frekansı artar, mesaj düşükken frekans azalır.

   FM belirli koşullarda AM'e göre genlik gürültüsüne daha dayanıklı olabilir; bant genişliği, eşik etkisi, güç ve alıcı tasarımı birlikte değerlendirilir.

   İdeal PM'de faz φ(t)=2πf_ct+k_pm(t); anlık frekans sapması mesajın türevine bağlıdır.

   PM, efem ile yakından ilişkilidir ve birçok dijital modülasyon tekniğinin temelini oluşturur.

   Sesli anlatım metni

   Bilgiyi bir taşıyıcı dalga üzerinden iletmek için, taşıyıcının özelliklerinden birini değiştiririz, yani modüle ederiz. Genlik Modülasyonunda, yani eyem'de, taşıyıcının genliği mesaj sinyaline göre değişir frekansı sabit kalırken. Mesaj sinyali yüksekken taşıyıcı genliği büyük, mesaj düşükken taşıyıcı genliği küçük olur. eyem basittir ve eyem radyo yayıncılığında kullanılır. Frekans Modülasyonunda, yani efem'de, taşıyıcının frekansı mesaj sinyaline göre değişir genliği sabit kalırken. Mesaj sinyali yüksekken taşıyıcı frekansı artar, mesaj düşükken frekans azalır. efem, eyem'den daha iyi gürültü bağışıklığı sunar ve efem radyoda kullanılır. Faz Modülasyonunda, yani PM'de, taşıyıcının fazı mesaj sinyaline göre kaydırılır. PM, efem ile yakından ilişkilidir ve birçok dijital modülasyon tekniğinin temelini oluşturur.

3. 3. ASK, FSK ve PSK ailelerini kur

   

   Dijital modülasyon, ikili veriyi, yani sıfırları ve birleri, analog bir taşıyıcıya eşler.

   Üç temel teknik analog modülasyonu yansıtır.

   Genlik Kaydırma Anahtarlaması, yani ASK, dijital veriye göre taşıyıcının genliğini değiştirir.

   1 için taşıyıcı ve 0 için sıfır genlik, ASK ailesinin OOK özel durumudur; genel ASK sıfır olmayan birden çok genlik kullanabilir.

   ASK'nin hata performansı alıcı, eşik, kanal ve SNR'a bağlıdır; genlik bozulumuna duyarlılığı genel bir tasarım ödünleşimidir.

   Frekans Kaydırma Anahtarlaması, yani FSK, ikili 0 ve ikili 1 için iki farklı frekans kullanır.

   BFSK iki sembolü iki frekansa eşler; hangi bitin düşük veya yüksek frekansa atanacağı bir eşleme seçimidir.

   FSK ve ASK hata/bant verimi karşılaştırması koherentlik, frekans aralığı, SNR, kanal ve alıcıya bağlıdır; evrensel sıralama yoktur.

   Faz Kaydırma Anahtarlaması, yani PSK, her bit için taşıyıcının fazını değiştirir.

   BPSK iki sembolü π radyan ayrılmış fazlara eşler; 0↔0° ve 1↔180° yalnız bir bit eşlemesidir.

   Evrensel ‘en verimli’ modülasyon yoktur; bit/s/Hz, gereken E_b/N₀, kodlama ve donanım birlikte kıyaslanır. Wi‑Fi ve uydu sistemleri PSK yanında QAM/APSK gibi aileler de kullanır.

   Sesli anlatım metni

   Dijital modülasyon, ikili veriyi, yani sıfırları ve birleri, analog bir taşıyıcıya eşler. Üç temel teknik analog modülasyonu yansıtır. Genlik Kaydırma Anahtarlaması, yani ASK, dijital veriye göre taşıyıcının genliğini değiştirir. İkili 1 tam genlikli bir taşıyıcı üretir, ikili 0 ise sıfır genlik, yani sessizlik üretir. ASK basittir ama gürültüye karşı çok hassastır. Frekans Kaydırma Anahtarlaması, yani FSK, ikili 0 ve ikili 1 için iki farklı frekans kullanır. Genlik sabit kalır; 0 için düşük frekans, 1 için yüksek frekans arasında geçiş yapar. FSK, ASK'dan gürültüye karşı daha dayanıklıdır. Faz Kaydırma Anahtarlaması, yani PSK, her bit için taşıyıcının fazını değiştirir. İkili PSK'da 0, sıfır derece fazda bir dalga üretir, 1 ise 180 derece kaydırılmış bir dalga üretir. PSK üçü arasında en verimlisidir ve Wi-Fi ve uydu bağlantıları dahil modern dijital iletişimde yaygın olarak kullanılır.

4. 4. Modem, codec ve duplex işlevlerini ayır

   

   Analog çevirmeli telefon hattı modem için tarihsel bir örnektir; modemler kablo, radyo ve başka ortamlar için de sayısal semboller ile iletim dalga biçimleri arasında çalışır.

   Modem, modülatör demodülatör'ün kısaltmasıdır.

   Dijital veriyi telefon hatları üzerinden iletim için analoga dönüştürür ve alınan analog sinyalleri tekrar dijitale çevirir.

   Gönderen tarafta modem, taşıyıcının genliğini, frekansını veya fazını modüle eder.

   Alan tarafta ise sinyali dijital darbelere geri demodüle eder.

   Codec medya kodlama/çözme işlevi görür; modem işinin ‘tam tersi’ değildir ve ADC/DAC içerebilse de onlarla aynı kavram değildir.

   Ses gibi analog sinyalleri dijital forma, dijital sinyalleri de analoga dönüştürür.

   Kodekler dijital telefoncuda temeldir.

   İletişim üç modda akabilir.

   Simpleks: sinyaller yalnızca tek yönde gider, yayın gibi.

   Yarı dupleks: sinyaller her iki yöne gidebilir, ama aynı anda değil; telsiz gibi.

   Tam dupleks: sinyaller aynı anda her iki yönde gider; telefon görüşmesi gibi.

   İki telli full duplex FDD'nin yanında telefon hibriti ve yankı giderme gibi yöntemlerle de sağlanabilir; TDD ise zaman planlı iki yönlü çalışmadır.

   Sesli anlatım metni

   Çoğu telefon hattı analog olduğu halde bilgisayarlar dijital sinyal ürettiğinden, ikisi arasında dönüşüm yapacak cihazlara ihtiyacımız var. Modem, modülatör demodülatör'ün kısaltmasıdır. Dijital veriyi telefon hatları üzerinden iletim için analoga dönüştürür ve alınan analog sinyalleri tekrar dijitale çevirir. Gönderen tarafta modem, taşıyıcının genliğini, frekansını veya fazını modüle eder. Alan tarafta ise sinyali dijital darbelere geri demodüle eder. Kodek, kodlayıcı kod çözücü'nün kısaltmasıdır ve tam tersi işi yapar. Ses gibi analog sinyalleri dijital forma, dijital sinyalleri de analoga dönüştürür. Kodekler dijital telefoncuda temeldir. İletişim üç modda akabilir. Simpleks: sinyaller yalnızca tek yönde gider, yayın gibi. Yarı dupleks: sinyaller her iki yöne gidebilir, ama aynı anda değil; telsiz gibi. Tam dupleks: sinyaller aynı anda her iki yönde gider; telefon görüşmesi gibi. İki telli bir hatta tam dupleks, frekans bölmesi kullanılarak kanal iki alt kanala ayrılmasıyla sağlanır.

5. 5. Temsil, taşıyıcı, dönüşüm ve yönü toparla

   

   Özetleyelim.

   Analog iletimde yükseltme gürültüyü de büyütebilir; mesafe ve hata/bozulma performansı kanal ile sistem tasarımına bağlıdır.

   Dijital yenileme gürültü birikimini sınırlayabilir; fiber BER'i tek bir 10⁻¹¹ değeri değil, link bütçesi, modülasyon, kodlama ve alıcı belirler.

   Analog modülasyon üç biçimde gelir: eyem, efem ve PM; her biri taşıyıcının genliğini, frekansını veya fazını değiştirir.

   ASK, FSK ve PSK sayısal modülasyon aileleridir; verim sıralaması spektral verim, enerji, hata hedefi, kodlama ve donanıma bağlıdır.

   Modem semboller ile iletim dalga biçimi arasında modülasyon/demodülasyon yapar; codec medya temsilini kodlar/çözer ve ADC/DAC ile aynı değildir.

   İletişim modları simpleks, yarı dupleks ve tam duplekstir.

   Bir sonraki derste çoğullamayı keşfedeceğiz; PCM ve Zaman Bölmeli Çoğullamanın birden fazla sinyali tek bir kanala nasıl birleştirdiğini.

   Sesli anlatım metni

   Özetleyelim. Analog iletim gürültü birikiminden, kısa tekrarlayıcı mesafelerinden ve yüksek hata oranlarından muzdariptir. Dijital iletim, yenileyici tekrarlayıcılarla daha uzun mesafeler ve fiber üzerinde 10 üzeri eksi 11 kadar düşük hata oranları sağlar. Analog modülasyon üç biçimde gelir: eyem, efem ve PM; her biri taşıyıcının genliğini, frekansını veya fazını değiştirir. Dijital karşılıkları ASK, FSK ve PSK'dır; PSK modern iletişim için en verimlisidir. Modemler dijital ve analog arasında, kodekler analog ve dijital arasında dönüşüm yapar. İletişim modları simpleks, yarı dupleks ve tam duplekstir. Bir sonraki derste çoğullamayı keşfedeceğiz; PCM ve Zaman Bölmeli Çoğullamanın birden fazla sinyali tek bir kanala nasıl birleştirdiğini.

Kaynak video: Haberleşme Temelleri #05 Analog ve Dijital İletim (5:41)