ZAMAN PAYLAŞIMI ÇOĞULLAMA VE LABORATUVARDA GERÇEKLEŞMİŞ OLAN 4 KANALLI BİR TDM/PAM SİSTEMİ

ZAMAN PAYLAŞIMLI ÇOGULLAMA VE LABORATUVARDA GERÇEKLENMİŞ OLAN 4 KANALLI BİR TDM/PAM SİSTEMİ

Müh. Fatma YARGICI Y. Müh. Türker CANBAZOĞLU

ÖZET

Tüm telekomünikasyon ağları üzerinde bağlama mer kezlerinin ve telefon santrallerinin olabildiğince eko nomik olarak arabağlaşımlarını yapabilme gereksini mi mevcut bulunmaktadır. Bu amacı gerçekliyebil mek için çözümlerden biri, yaygın olarak kullanılan zaman paylaşımlı çoğullama (TDM) tekniğidir. Bu yazıda T DM'de karşılaşılan genel kavramlar, sorunlar ve bunların çözümleri incelenecektir. Konuya bakış açımız genel bir tekrar niteliğinde olup, sonunda uy gulanabilirliği olan, denenmiş, eşzamanlamanın kendi kendine kurulabildiği 4 kanallı bir TDM/PAM devresi verilecektir. (*)

SUMMARY İn ali telecommunication networks there is a need to interconnect switching centres and telephone ex changes as economically as possible. One solution to (*) Yazı, İ.T.Ü. Elektrik Fakültesi Telekomünikasyon Tekni ği Biriminde Araş. Gör. Türker Canbazoğhi yönetiminde, Müh. Fatma Yargıcı tarafından yürütülen 'Bitirme Ödevi' projesinin bir parçasından yararlanarak hazırlanmıştır.

this, is the vvidely used time division multiplexing (TDM) technique. This article deals with general concepts, problems, and Solutions encountered in TDM. Our approach to the subject is one of a tutorial and review character in nature, at the of which a well tried complete 4 channel TDM/PAM circuit with a şelf synchronizing facility is given.

GİRİŞ

Tüm telekomünikasyon ağları (devreleri) üzerinde, bağlama merkezlerinin ve telefon santrallarının ola bildiğince ekonomik olarak, arabağlaşımlarını yapa bilmek, bir gereksinim halinde tasarımcının karşısında durmaktadır. Bu yollar üzerindeki trafiğin hacmi, her bir kablo üzerinden mümkün olduğu kadar fazla bilgi iletilmesini çekici kılmaktadır. Açıktır k i , verici ile alıcı noktalar arasındaki uzaklık kısa ise, bilgi ileten kanalları birleştiren terminal cihazlarının maliyeti, ila ve kablo çiftleri döşeyebilmek için gereken maliyeti aşabilir. Bu yüzden, belirli uzaklıkların altında, ile tim amacı ile birleştirilmesi zahmetine değecek, tele fon kanallarının sayısı üzerinde sınırlamalar getiril miştir. •

I H>

Daha birçok başka durumda, tek bir iletim tesisi üze rinden birden fazla mesaj işaretinin iletilmesi arzu edi lebilir. Çoğullama olarak adlandırılan, çoklu bilgi ta şıyan kanalların tek bir hat veya radyo linki üzerinden gönderilmesi, iki biçimde yürütülebilir, (i) Frekans do meninde çalışan ve sürekli dalga modülasyonu (taşıyı cı işaretin sinüzoidal bir fonksiyon olduğu modülas yon türü) ile ilişkili olan, frekans paylaşımlı çoğulla ma (FDM), (ii) zaman domeninde çalışan ve darbe modülasyonunun süreksiz karakteri ile uyum sağlayan zaman paylaşımlı çoğullama (TDM).

FDM de, telefon kanallarına ilişkin en küçük miktar (quantum) "grup" olarak bilinir ve 12 telefon kana lından oluşmuştur. Bu değer, TDM de ya 24 ya da 30 kanaldır. Avrupa'da en son kabul edilmiş olan standart 30 kanal olup, bu 2048 kbit/san'ye karşı düşer. Hiye rarşi içindeki daha ileri dereceler 8448 kbit/san, 34368 kbit/sap ve 139264 kbit/san'lik bilgi hızları dır.

Bu yazıda üzerinde yoğunlaşacağımız zaman çoğulla ma, radyoda, teletype'da, telefon alanlarında ve tele metre amaçları ile çok yaygın olarak kullanılmakta dır, örneğin uzay propları ile algılanan deneysel veri ler, ortak bir biçimde örneklendikten sonra, ard arda iletilir. Böylece, yeryüzüne sıcaklık, elektron yoğunlu ğu, manyetik alan şiddeti ve daha başka algılayıcıların çıkışında elde edilen bilgileri iletmekte olan bir uzay aracının, sadece tek bir iletim kanalını kullanması ye terli olur.

Günümüzde kullanılan zaman çoğullamalı sistemlerin çoğu, sayısal olarak gerçeklenmektedir. Bu durumda, analog işaretler çoğullama işleminden önce sayısal bi çime dönüştürülür. Sayısal biçime dönüştürülmekten kastedilen, analog işaretin bandının sınırlanması onu izleyen en az Nyquist hızında örnekleme işlemi ve son olarak da n bitlik kodlamadır. Bu arada, veri termi nalleri, bilgisayarlar, yazıcılar ve diğer sayısal kaynak lardan elde edilen işaretler mevcuttur ki bunların ken dileri zaten çoğullama için gerekli olan sayısal biçim dedirler. Biz aşağıdaki incelememizde, işaretlerin sa yısal veya analog olduklarını belirtmeden, işaretlerin zaman çoğullaması temel tekniğini, ilişkili sorunların ve bunların çözümlerini inceliyeceğiz. Konuya bakış açımız, genel bir tekrar niteliğinde olup, sonunda uy gulama niteliği olan, denenmiş bir devre tasarımı veri lerek, devre tasarımı ile uğraşan mühendislerin ilgisi çekilmeye çalışılmıştır.

ZAMAN PAYLAŞIMLI ÇOĞULLAMA

Tipik bir TDM sisteminin blok diyagramı Şekil 1'de

görülmektedir. Tüm darbe modülasyonu sistemlerinde olduğu üzere, bir TDM sistemindeki ilk işlem örnekle medir. Her bir giriş kanalı üzerinde yer alan alçak ge çiren (veya band geçiren) filtre, örnekleyici girişinde ki işaret spektrumunun, belirli bir fm frekansının al tında kalmasını sağlatır. Böylece, örnekleme teoremi nin koşullarını yerine getiren, bir örnekleme hızı seçi lebilir ve bu değer, bilgi taşıyan dalga şekli içindeki en yüksek frekanslı bileşenin ( f m ) , en azından iki ka tına eşit olmalıdır (Nyquist hızı).

TDM'de dalga şekli örneklenmesi Şekil 1'de dönen bir anahtar ile gösterilmiş olan ve "birleştirici (har ınanlayıcı) olarak adlandırılan bir giriş çeviricisi ile yürütülür. Dönen anahtar her bir devrinde, tüm N adet giriş işaretinden peşpeşe birer örnek almaktadır. Alıcı uçtaki dönen anahtar, vericideki ile eşzamanlı (senkron) çalışmaktadır. Yani her iki anahtar aynı an da aynı sayılı kontaktlara değmektedir. Alıcıdaki bu elemana yaptığı işleve bağlı olarak "Ayırıcı" (dağıtıcı) denmektedir.

Anlaşılacağı üzere "birleştirici" çıkışında, darbe gen lik modülasyonlu (PAM) bir işaret mevcuttur ve za man ekseni üzerindeki tipik bir duru m, tepesi düz örnek leme kullanılmış olması varsayımı altında, Şekil 2'de gösterilmiştir.

Açıktır ki N adet bilgi kanalının, zaman paylaşımlı çoğullama ile tek bir iletim kanalı üzerinden aktarıl ma işlemi, her bir giriş kanalına ilişkin PAM işaretinin zaman içinde, birbirinin arasına yerleştirilmesi ile ger çeklenmektedir. Anahtarın tam dönüşünü Ts (saniye) de tamamladığı varsayımı altında, her bir giriş kanalı na Ts/N (saniye)lik bir zaman aralığı ayrılmıştır. Bu süre, kanallara ilişkin, Tp darbe süresi ile, aşırı simge lerarası girişimi (bitişik kanallardaki darbelerin birbiri üzerine düşmesi) önlemek üzere boş bırakılmış, Tk (sa niye) lik koruyucu sürenin toplamından oluşur.

Ts/N = T p + T k

(2)

Anahtar dönüş hızı,fs 1/TS, (1) denklemini sağlaması gerektiğinden, (burada fm, tüm giriş kanalları arasın daki, en yüksek frekanslı bileşeni göstermektedir), her bir kanal için ayrılan zaman aralığı koşulunu sağlar.

= Ts/N Tk < 1 / 2 N f m T k

(3)

Böylece, i'inci kanal ile ilgili olan PAM dalgası doğal örnekleme ve tepesi düz örnekleme için, ayrı ayrı :

Doğal örnekleme

Vj(t) = m;(t) S p [ t ( k

i1

)T«]

(4 a)

a lça k geçiren filtreler x,(t) ( 1 v,(t)

N tane giriş kanalı.

birleştirici

iletim ortamı

darbe modülatöK

darbe jemodülatörü

•szamanlama

Şekil 1

alçak geçiren filtreler x,(t)

N tane çık ıs kanalı

vN(t)

J5

2TS

Ts

I—

t"

y ( t ) = I v; (t)

koruyucu zaman aralıkları

İli 3Tş

Şekil 2

Tepesi düz örnekleme

Vj(t)= S mj[(k+

k=_oo

)Ts].p[t (k+

)TS] (4 b)

|S|

şeklinde yazılabilir. p(t), iletim sırasında kullanılan temel darbenin dalga şeklini göstermektedir. TDM/PAM dalgası, N tane PAM dalgasının birbirinin arasına sokulması ile ifade edilir. O halde :

y(t)= S Vj(t)

(5)

yazılabilir.

İstenirse, y(t) işareti darbe konum modülasyonu (PPM) darbe süre modülasyonu (PDM) veya darbe kod modü lasyonu (PCM) gibi modülasyon türlerinden birini kul lanan darbe modülatörüne uygulanabilir. TDM/PAM' den, TDM/PPM, PDM. PCM'e dönüşüm kesinlikle gerekli olmayıp PAM'in yetersiz kaldığı iletim ortam larında, sözü edilen ikincil darbe modülasyon türlerine, geçilmelidir. Anlaşılacağı üzere, darbe de modülatörii çıkışı, (5) denklemi ile verilen y (t) işaretini sağlamak üzere kullanılmakta olup, eğer ikincil bir darbe modü lasyonu kullanılmamışsa, bu blok iptal edilecektir.

Burada sadece sözünü ederek geçeceğimiz bir nokta şudur: ikincil darbe modülasyonlu (PPM, PDM, PCM) sistemlerin tümü için önemli bir üstünlük, iletim bo yunca herhangi bir noktadaki işaretin gürültüye (S/N) oranını yükseltmek üzere, darbelerin tekrar şekillendi rilip, düzeltildikten sonra kuvvetlendirilmesi olanağı nın varoluşudur. Söz konusu, "tekrar üretme" işle minde, gürültü son derece baskın olmadığı sürece, ile tim gürültüsü ve bozucularının etkisini tümüyle orta dan kaldırmak olasıdır. Böylece, TDM işaretini tekrar güçlendirebilmek ve iletim yolu üzerindeki gürültüyü hemen hemen tümüyle giderebilmek için, iletim yolu boyunca, belirli aralıklarla çeşitli tekrarlayıcı istas yonlar (repetörler) yerleştirilir. "Tekrar üretme işle mi", bilinen nedenlerle (sadece kuvvetlendirme işle mi, işaretle birlikte, gürültünün de kuvvetlenmesine yol açar), analog işaret ileten sistemler için uygulana maz.

TDM SİSTEMLERİNDE KARŞILAŞILAN SORUNLAR

Tüm mühendislik gelişmelerinde geçerli olduğu üzere, kişi, zaman çoğullamayı sisteme, bir bedel karşılığın da katmaktadır.

Açıktır k i , TDM/PAM işaretinin iletimi için gerekli band genişliği, çoğullanacak olan işaretlerin sayısı ile artar, çünkü iletim band genişliği iletilen darbelerin genişliği ile ters orantılıdır. O halde, eğer genel olarak

N tane işaret çoğullanacaksa gerekli iletim band ge nişliği, tek bir kanal iletilmesi haline göre N defa daha büyük olacaktır. (Yani, seçilmiş olan darbe modülas yonu tekniğinde, tek bir kanalın iletilmesi için gerekli olan band genişliği Bo ise, TDM işaretinin iletimi için gerekli olan iletim band genişliği, B = N . Bo olacak tır.)

Tek bir iletim kanalı üzerinde birleştirilmiş olan, fark lı giriş kanallarına ilişkin darbelerin alıcı uçta ayrıştı rılabilmesi için, alıcıdaki anahtarın örnek alma hızının vericideki ile aynı olması yetmez. Ayrıca, bu anahtar ların birbiriyle eşzamanlı (senkron) çalışarak, ardarda gelen darbeleri, alıcıda ait oldukları kanallara aktara bilmesi gerekir. Eğer verici ile alıcı arasında eşzaman la ma kaybolacak olursa, giriş kanallarına ilişkin ör nekler, yanlış çıkış kanal filtrelerine gönderilecek, do layısıyla da, tüm çıkış kanallarında elde edilen mesaj dalga şekilleri, bir karışıklığa yol açacaktır. TDM sis temlerinde, belki de en önemli sorun, alıcıda eşzaman la ma bilgisinin elde edilmesi ve çalışma süresince bu nun izlenmesidir. Sorun, yüksek hızlı veri sistemlerin de ve birbirlerinden binlerce, hatta milyonlarca (km) uzaklıkta yer alan alıcı ve vericiler halinde daha da önem kazanmaktadır.

Uygulamada, eşzamanlama ve işaret örneklerinin ait oldukları kanallara gönderilmesi işlemleri, çeşitli yön temlerle sağlanmaktadır:

1 İşaretlere ilişkin darbe örneklerinden kolayca ayırdedilebilmek üzere seçilmiş, periyodik olarak gön derilen, özel markalayıcı darbelerin, TDM'e işaretine ilave edilmesi ile.

2 Alıcıda, çok dar bandlı bir çentik filtre veya bir faz kilitlemeli çevrim yardımı ile çekip çıkarılan, bi linen faz ve frekansda sürekli bir sinüzoidal bir dalga nın, TDM'e ilave edilmesi ile.

3 Alıcıya ulaşan TDM işaretinin çok uzun zaman ara lıklarında ortalamasını alarak, gerekli zamanlama bil gisini, iletilen işaret darbelerinden elde edilen yön temlerin kullanılması ile.

Bu arada, bazı TDM sistemlerinde, hem alıcı hem de vericide çok kararlı "saat devreleri" veya ana (merke zi) osilatörler kullanılarak, başlangıçta yürütülen bir işlem ile, verici ile alıcı arasında eşzamanlama sağlan maktadır. Bu tür sistemler, doğaları gereği,eşzamanla mayı uzunca bir zaman aralığı boyunca sürdürürler.

TDM sistemlerinde, kanal ayırma ve eşzamanlama ile ilişkili sorunları biraz hafifletmenin yaygın yolu, dar beler arasında koruyucu boş zaman aralıkları bırak maktır. Tabii, burada unutulmaması gereken nokta, koruyucu zaman aralıklarının, darbe genişliklerini da ha azaltmak gibi bir etkisi olması, dolayısıyla, gerekli iletim band genişliğinin daha da artmasıdır.

Radyo linkleri üzerinde, darbelerin kendisi, GM veya FM modülasyonu kullanılarak, bir taşıyıcıyı modüle eder. Bu işlem sırasında, çoğunlukla, hem pozitif hem de negatif darbelerle çalışılması arzu edilmez. Ayrıca, eğer darbeler hiçbir zaman sıfıra düşmüyorlarsa (sıfır dönüşsüz darbeler), yani tüm darbe süresince pozitif bir darbe mevcutsa, (senkronizasyon) eşzamanlama işlemi nisbeten kolaylaşır. Belirtilmiş olan bu iki he def, örnekleme işleminden önce, tüm işaretlere, umu lan en büyük işaret genliğinden daha büyük bir D.A. {doğru akım) seviyesi ilave edilerek sağlatılabilir. Or taya çıkan darbe trenine tek kutuplu TDM/PAM adı verilir. Verici gücünün ön plana çıktığı çok uzun me safe haberleşmesinde ise, çift kutuplu (hem pozitif hem negatif) PAM'ın, tek kutuplu PAM'e göre, alıcı daki aynı işaret/gürültü (S/N) oranı için, daha az işa ret gücüne gereksinme duyduğu bilinmektedir ve ke sinlikle tercih edilmelidir.

Çoğullanacak olan çeşitli işaretlerin band genişlikleri veya veri kaynaklarının veri üretme hızlan birbirlerin dün büyük ölçüde farklıysa, daha verimli bir iletim sis temi oluşturabilmek açısından iki yaklaşımdan biri tercih edilebilir. Band genişliği ya da veri hızı yüksek olan işaretlerden, orantılı olarak daha fazla örnek alı narak daha yavaş değişen işaretlerin örnekleri ile bir leştirilir veya yavaş değişime sahip işaretler ilk önce kendi aralarında, frekans çoğullama tekniği ile (FDM) daha geniş bir band genişliğine sahip tek bir analog işaret haline getirilir. Daha sonra TDM'ye geçilir. An laşılacağı üzere, çift veya tek kutuplu PAM'ın kulla nılması, birbiriyle çelişki yaratmakta olup, devre kar " maşıklığı ve güç tasarrufu arasında uzlaşmaya gidil mesi kaçınılmazdır.

TDM sistemlerinde karşılaşılan diğer sorun, çapraz ko nuşum olayıdır, (diyafoni). Bu sorunun çözümü, bizi, çoğullanacak olan giriş kanallarının sayısı N için bir üst sınıra götürür. Aşağıda, bu çözüm, ayrıntıları ile analiz edilecektir. Aşağıdaki incelemelerimizde basit lik açısından, tüm işaretlerin aynı hızda örneklenerek

birleştirildiği ve en hızlı değişen işaretin frekansının fm olduğu varsayılacaktır.

Çapraz konuşum, vericiden ayrı ayrı zamanlarda gön derilen darbelerin, alıciya ulaştıklarında, birbirlerine bulaşması başka bir deyişle birbirlerinin üzerine düş mesi nedeniyle ortaya çıkar ve veri haberleşmesinde simgelerarası girişim adıyla bilinir. Böylece, bir kanal daki işaret, komşu bir kanaldan duyulabilir. Aşağıda, ortaya çıkan girişim miktarının, iletim kanalının fc ile gösterilen band genişliğine, fm ve N değerlerine bağlı olduğunu göreceğiz. Bununla beraber, vericide kulla nılan darbe şekli ve alıcının darbeleri sezinleyebil mek (dedekte edebilmek) için kullandığı yöntem, gibi etkenler de bu girişin miktarı üzerinde etkilidir. Fa kat biz bunların ideal olarak yürütüldüğünü varsayaca ğız

Giriş kanallarındaki işaretler, 1/2fm (san)'den uzun olmayan aralıklarla örneklendiklerinde, örnekleme te oremine uyulmuş olur. Birinci kanaldaki işaret örnek lendikten sonra, bu işaretin ardışık örnekleri arasına, diğer kanallara ilişkin örnek değerleri yerleştirilecek tir. N tane kanal girişi varsa, farklı giriş işaretlerine ilişkin ardışık örnekler arasında 1/(2fmN) saniyelik bir zaman aralığı bulunacaktır.

İletim kanalının band genişliği istenildiğince büyük yapılabiliyorsa, alıcı uçtaki dalga şekli vericideki dal ga şeklinin aynısı olur, yani işaret bozulmaksızın elde edilebilir. Fakat, band genişliği sınırlı ise herhangi bir örnekleme anında alıcıdaki işaret, o andaki asıl örnek değeri ile diğer örnekleme anlarından kaynaklanan bir takım katkılardan oluşur.

Hem alıcıda hem de vericide ani örnekleme kullanıldı ğını ve iletim kanalının kesim frekansı fc olan ideal bir alçak geçiren filtreye eşdeğer olduğunu varsaya lım.

Durum Şekil 3'de gösterilmiştir. Böyle bir kanalın impuls yanıtı :

Delta Dırac giriş darbesi

H(f) 1'

f

fc

fc"

Şekil 3

çıkış ' 15

2 7rfc h(t)=

Sin(2fct)

Sin(27rfct)

•n

2 7rfct

27Tfct

(6)

2fcSinC(2fct)

olacaktır, burada : Sin(Tru)

Sın C(u) =

7TU t : 0 anında maksimum değerini alırken,

t : ±k/2fc (k = 1, 2,3 . . . ) anlarında sıfır olmaktadır. O halde, vericide ilk kanaldan t : 0 anında 1^ 5 (t) ör neği alınıp, kanala verilecek olursa, alıcıda,

S1(t):2fcl1SinC(2fct)

(7)

elde edilir. Benzer şekilde t : l/2fc anında ikinci kanal örneklenerek iletim kanalına ^5 (t — 1/2fc) uygula nınca,

alıcı tarafta :

S2(t) = 2fcl2SinC(2fc(t 1/2fc))

(8)

bulunur. Bu fonksiyonun maksimumu t : 1/2fc anın da, sıfırları da t : k/2fc (k :. .. 1 , 0 , 1 , 2 . . . ) de yer alır. Bu şekilde devam edilirse, t : N/2fc anında N inci giriş kanalından alınan 1^5 (t — N/2fc) örneği iletim kanalı çıkışında :

SN(t) = 2fclNSinC(2fc(t N/2fc) )

(9)

işaretini oluşturur. N : 3 için ortaya çıkan durum Şe

kil 4'de görülmektedir.

S, (t)

fe*—+• t

Şekil 4 Anlaşılacağı üzere, S\ (t) nin maksimum değerini aldı ğı sırada tüm diğer Sj(t) (j ¥=\) ler sıfır olmaktadır.

Yani simgelerarası girişim olmamaktadır. Aslında,sim gelerarası girişim olmaması için sağlanması gereken genel koşullar, Nyquist, Gibby, Smıth tarafından sis tematik bir biçimde ortaya konmuştur. Burada varı lan netice bunların özel bir halidir. Bununla beraber, elde edilmiş olan sonuç amaca hizmet etmektedir.

İlk örnek ile son Örnek arasındaki zaman farkı N/2fc dir. Ve bu değer açıktır ki örnekleme teoremini sağla malıdır.

Yani, örnekleme periyodu : N/2fc < 1/2fm

N < fc/fm

(10)

bulunur. (10) denklemine göre : N adet giriş kanalı varsa, TDM ile iletilen ve bandları fm frekansı ile sınır lanmış olan, bu işaretlerin, iletildikleri kanalın band genişliği en az fc = N . fm olmalıdır. (Daha önce yazıl mış olan B = NB0 bağıntısında B'nin fc'ye, B0'ında f m ' e karşı düştüğü anlaşılır)

TDM UYGULAMALARI

TDM, uygulamada, kendisini iki biçimde gösterir :(i) TDM/PAM ve (ii) TDM/PCM PAM sistemleri nispeten daha eski olup, günümüzde PCM teknikleri bunların yerini almaktadır. TDM/PAM sistemleri, yakın geçmişte başarılı bir biçimde radyo telemetre sisteminde kullanılmıştır. Böyle bir sistem veri hızları veya band genişlikleri birbirinden büyük öl çüde farklı olan çok sayıdaki veri kanallarının çoğul lanabilmesine olanak tanır. Çoğullama işlemi iki adım da yürütülür: İlk önce alçak veri hızına sahip kanallar, daha geniş band genişliğine sahip bileşik veri kanalları oluşturmak üzere zaman çoğullanır. Daha sonra, bile şik kanallar daha geniş band genişliğine sahip kanal larla zaman çoğullanarak, ana (esas) çoğullanmış işa ret elde edilir, özel olarak, tipik bir uygulamada 318 adet farklı veri kanalının örneklenmesi, zaman çoğul lanması ve radyo ile iletilmesi gerekmiştir. Çeşitli veri kanalları bunların band genişlikleri, örnekleme hızları ve yapılan grup atamaları Tablo 1'de, TDM/PAM veri cisinin tümüne ilişkin blok diyagram ise Şekil 5'de gösterilmiştir.

Grup 1

2 3 4 5 6 7

Veri kanın an sayısı

2 S 28 55 115 110

TABLO 1

Her bir

Örnekleme

kanala ilişkin

hızı

bandıent yii! Omek sayısı/s

2Khz

spoo

IKhz lOOHz

25Hz 5Hz 5Hz IHz

2,500 312,5 78 39 19,5 19,5

Gerekil

Ana

dan

çogUlıyıeı

doğruluk* konumu

2ve 10,4 ve 12

5 ve 13

40 kHz'lik saat işareti

veri kanalları , birincil çoğullama IA

1B_ j

2B

j

1 6 8

1 ;

f yede L —8

29 32 1

yedek r*

1 56 64 •

X yedi 64

1 116 128 : yedek r # ııvos;

1 Sync. 2

cıkıs $

vericiye

11 Sync.

program layıcı

16 yedek

16 kanallı ana coğullayıcı

Şekil 5

Günümüzde, TDM uygulamalarının büyük çoğunluğu, sayısal işaretler üzerindeki sistemlerle ilgilidir ve eği lim, bir sistemdeki analog işaretleri, olabildiğince ön ceden (ön katlarda), sayısala çevirmek yönünde geliş mektedir. Çoğullanacak olan sayısal işaretin kaynağı nın ne olduğu hiç önemli değildir. Bu işaret, bir veri çıkışı, bilgisayar çıkışı, sayısallaştırılmış konuşma işareti, sayısal faksimile veya TV bilgisi, uzaktaki bir noktaya iletilecek olan telemetre bilgisi vs. Çoğullama işlemi tüm işaretlere aynı şekilde davranır. Amaç, bit hızları büyük bir olasılıkla farklı olan sayısal işaretleri birleştirerek birleştirilmiş olan işaret katarını, daha yüksek bir bit hızında, tek bir, daha yüksek band ge nişlikli/daha yüksek bit hızlı bir hat üzerinden, ardı şık olarak göndermektir.

Veri (alphanumeric symbols : abece sayısal simgeler) ve iletilebilecek, diğer sayısal işaretler arasında dolaylı olarak sürdürülen tek ayrım, sayısal işaretlerin, birbir lerinin arasına, karakter mi yoksa bit bazına göre mi yerleştirileceğidir. Düşük hızlı veri terminalleri (nor mal olarak 1200 bit/san.'e kadar) veriyi genel olarak, karakter'ler biçiminde ve asenkron olarak iletirler. Bir karakterin uzunluğu, terminalin tipine ve kullanılan koda bağlı olarak S ile 10 bit arasında değişir. Diğer taraftan PCM işaretlerinin doğal bir karakter yapısı olmadığından, işaretler bit bit (bit bazına göre) çoğul lanır. Yüksek hızlı veri terminalleri de (1200 bit/san, ve daha yukarısı) bazen bit bit çoğullanmaktadır.

Sayısal işaretlerin çoğullanma işlemi nasıl yürütülürse yürütülsün, bir takım temel noktalardan söz edebiliriz:

i Herhangi bir şekilde, işin içine "çerçeve" yapısı katılmalıdır. Çerçeve, çoğullanacak olan tüm işaretle re en azından bir kere hizmet verildiği, en küçük za man birimini temsil eder.

ii Çerçeve her bir veri kaynağına tek olarak ayrılmış olan, zaman aralıklarına parçalanmıştır. O halde, her bir veri kaynağını, çerçeve içindeki uygun anlarda ör nekleyecek olan ve alışılagelmiş periyodik örnekleme işlemi kadar basit olan, bir zamanlama tekniği gelişti rilmelidir.

iii Alıcının, zaman içinde her bir çerçevenin başlan gıcı ile, çerçeve içindeki her bir zaman aralığı ile ve aralik içindeki her bir bit ile tek olarak eşzamanlana bilmesini sağlatmak üzere, çerçeve ve eşzamanlama oluşturma bitleri ilave edilmelidir. İlave edilen bu bit lerin tümünün kontrol (denetleyici) bitleri adı verilir.

iv Çoğullanmak üzere gelen sayısal işaretlerin bit hızlarındaki küçük farklılıklarla başedebilmek için, bir takım ön hazırlıklar yapılmalıdır.

Tipik bir çerçevenin düzenlenişi Şekil 6'daki gibi ola caktır.

C2 C, 1

2 1 3 4 C c, ı

Şekil 6

Burada C | ve C2 , kontrol bitlerine ilişkin dizileri gös termektedir. Bu örnek için, söz konusu bitler çerçe venin başlangıcına ve bitimine yerleştirilmişlerdir. Çerçeve dört adet veri kaynağını içermektedir. Bun lardan biri, diğerlerinin iki katı hızda çalıştığından, çerçeve içinde bu veri kaynağı için iki tane zaman aralığı ayrılmıştır. Örnek olarak, temel zaman aralığı nın on bitlik bir veri dizisinden, C | İn 3 bitlik, C2'nin de 2 bitlik bir diziden oluştuğunu varsayalım. O halde, bu örnek için, toplam çerçeve uzunluğu 55 bitdir.

1 inci veri kaynağı 2400 bit/san de, 2, 3, 4 üncü veri kaynakları da 1200 bit/san hızında iletilmekteyse,top lam veri bit hızı 6000 bit/san olacaktır. Bununla be raber ilave edilmiş olan kontrol bitleri nedeniyle, ço ğullayıcı 6600 bit/san lik iletim hızında çalışmalıdır. Verilen örnek hayali bir sisteme ilişkin olmakla bera ber, olayın prensibini açıkça ortaya koymaktadır.

Bu arada zaman çoğullama sistemleri eşzamanlı (senk ron) ve eşzamanlı olmayan (asenkron) çalışanlar ol mak üzere ikiye ayrılır. Eğer tüm bit dizileri aynı, bit hızında ise, yani ortak bir saat frekansına sahiplerse, eşzamanlı sayısal çoğullamadan sözedilir.

Eğer birleştirilecek olan bit dizileri, nominal olarak aynı saat frekansına sahip olmakla birlikte, birbirlerin den milyonda birkaç kısım kadar farklıysalar, eşza manlı olmayan sayısal çoğullama sözkonusudur. Uy gulamada, herbiri 64 kbit/san hızındaki PCM telefon kanallarının birleştirilmesinde yaygın olarak kullanı lan çoğullama biçimi, eşzamanlı çalışanıdır. Eşza manlı çoğullama, eğer, örnek alma işlemi yapan tüm donanım, coğrafi olarak birbirine yakın olarak grup lanmışsa, mümkündür. Prensip olarak, bir ülkedeki tüm çoğullayıcılar ortak bir saat devresinden çalıştırı labilirse de, farklı uzaklıklar ve zaman gecikmeleri gibi nedenlerin yol açtığı pratik zorluklar, böyle bir uygu lamayı olanaksız kılmıştır. Zaman gecikmesi sorunu nun üstesinden gelebilmek için çoğullayıcı çıkışının 2 Mbit/san'i aştığı eşzamanlı olmayan sayısal çoğulla ma tekniklerinin kullanılması yoluna gidilmiştir.

saat

KONTROL İŞARETLERİ

ANALOG TOPLAMA DEVRESİ

LABORATUVARDA GERÇEKLENMİŞ 4 KANALLI TDM/PAM DEVRESİ

Her ne kadar TDM/PAM devresi dört kanallı olarak

gerçekleştirilmişse de, devrenin TDM yaratan temel

parçası, hiç açıklamaya gerek duyulmayacak kadar

açıktır. Devrenin en ilginç yanı eşzamanlamanın

kendi kendine otomatik olarak sağlanmasıdır. Bu

amaçla, TDM iletimi başlamadan önce, vericide yürü

tülen ve çok kısa süren bir dizi işlemle eşzamanlama

sağlanır ve hemen arkasından normal iletim başlatıla

bilir.

Pratik sisteme ilişkin blok diyagramı Şekil 7'de gö rülmektedir.

Diyagramdan derhal anlaşılan, sistemde PCM, PDM, PPM gibi ikincil darbe modülasyon yöntemlerinin kul lanılmamış olmasıdır. Fakat istenirse bu tür modül a tör ve demodülatörler derhal araya sokulabilir.

Aşağıda sistemin tüm ayrıntıları vericiden alıcıya doğ ru adım adım incelenecektir. Bu amaçla ilk önce Şe kil 8'deki eksiksiz verici devresini gözönüne alalım. Girişteki dört kanallı "birleştirici" için, 4066, birbi rinden bağımsız olarak çalışan dörtlü elektronik anah tar tümdevresi (IC j) kullanılmıştır. 4066 anahtar tüm devresi, iletim direncinin düşük oluşu nedeniyle tercih edilmiştir. Anahtarın iletimdeki direnci V Q Q ve V55 besleme gerilimlerine bağlı olup, V55 = — V p p olma sı halinde, iletim direncinin nispeten sabit kalacağı be lirtildiğinden (4066 ya ilişkin katalogtan), V Q Q = + 7,5 V$s = — 7,5 Volt seçilmiştir.

Anahtar çıkışları, aynı iletim hattı üzerinde birleşme yi sağlayacak şekilde A noktasında birleştirilmiştir. Şekil 1 'deki dönen anahtarın görevi C51 , C52 , C53 , C54 kontrol işaretlerinin Şekil 9'daki gibi zamanlan mış olması ile sağlatılabilir. Bu dört kontrol işaretini üreten devre parçası, en son katı girişe bağlı dört katlı bir ötelemeli yazıcı devresinden ibarettir, ötelemeli yazıcı devresi D tipi çift kararlı ikili devreleri ile ger çeklenmiş olup, bu amaçla iki adet 4013 tümdevresi kullanılmıştır. (IC2 , IC3) Şekil 9'daki kontrol etmek için 4013 tümdevresinin yazma (set) ve silme (reset) uçlarına uygun mantık seviyeleri uygulanır. Bizim durumumuz da yazılmak istenen bit dizisi '1000' ola caktır. Bir kere 1000 dizisi yazıldıktan sonra, sisteme saat işareti verildiğinde dizi saat frekansında otelenir. 1000 dizisini üretmek üzere bir puşbuton anahtar kul lanılmıştır. Bu anahtar yardımıyla, Sj , R2 , R3 , R4 uçlarına, 2 — 2' kontakları kısa devre iken VrjD ( v a ' ni mantık 1) ve 1 1' kontaktları kısa devre iken de (yani mantık 0) V55 uygulanırsa, ötelemeli yazıcıya 1000 dizisi yazılmış olur, ve böylece verici sistemi ça lışmaya başlar.

GİRİŞLER^ ÖRNEKLEY İCİ (K ANAL BİR LEŞTİRME)

Şekil 7

•• c <

VERİCİ ÇIKISI IC

Şekil 8

Alıcının vericiden, uzakta bir yerde bulunduğu ve bu yüzden aynı saat üretecinden yararlanamıyacağı duru munu düşünerek, alıcı 'nın saat işaretini herhangi bir yoldan yeniden üretmesi sağlatılmıştır. Bu amaçla, saat işareti, çoğullanmış işaretlere ilave edilerek alıcı ya gönderilir. Bu iş için IC4 , IC5 (IC4 anahtar, IC5 işlemsel kuvvetlendiricidir) kullanılmıştır. IC^ün gi riş ve çıkışındaki dalga şekilleri sırası ile Şekil 10a ve 10b de gösterilmiştir. IC5'le gerçeklenmiş olan top lama işlevi, sadece dirençlerle yapılabilirdi, fakat A ve B noktalarındaki işaretlerin etkileşimini minimuma indirebilmek için bu yola gidilmiştir. A noktasındaki işaretin Şekil 10c deki gibi olması varsayımı altında verici çıkışındaki toplanmış işaret Şekil 1 Od de gös

terilmiştir. Şekillerin incelenmesinden şu özellik dik kati çekmektedir ve saat işaretlerinin yeniden üretil mesinde önemli rol oynar. ( t 0 — t]) zaman aralığında verici çıkışındaki toplam işaret değeri V Q Q + x (t) dir ve (t^ 1 2 ) zaman aralı ğında da x (t) dir. Yani saat periyodunun ilk yarısında giriş işaretine sabit bir VrjD miktarı ilave olurken, ikinci yarısında sadece giriş işareti mevcuttur. Eğer alıcıda kullanılan mantık kapısının, mantık 1'i man tık O'dan ayırtetmesine ilişkine eşik gerilimini Ve ile gösterecek olursak, | Vrjrj + x(t) | > V e olmalıdır. Böylece devredeki tek sınırlamanın giriş işareti genli ğinin belli bir değerin üzerine çıkarılamaması olduğu anlaşılır.

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 31 1

Alıcının devre şeması Şekil 11 'de görülmektedir.

ICg a vericisi ve I C y a tek kararlı ikili devresi saat işaretinin yeniden üretilmesi görevini görmektedir Yeniden üretme işini gerçeklerken, ICg a, IC7 a dev re parçası, saat periyodunun ilk yarısını mantık 1 ikinci yarısını da mantık 0 olarak niteler. Tabii bunun yapılabilmesi için, giriş işareti genliğinin fazla art iril maması gerekir. Saat periyodunun ilk yarısı, alıcıda saat işaretini üretme görevi gördükten sonra, bu za man parçasındaki dalga şekli ortadan kaldırılmalı

VL,

dır. Fakat, sadece giriş işareti dalga şeklinin bulundu ğu, saat periyodunun ikinci dilimi aynen korunmalı dır. Saat periyodunun ilk yarısında işaret sıfırlanır ken, ikinci yarısındakinin aynen geçirilmesi, ICg a anahtar tümdevresi ile gerçeklenir. Aslında ICy atüm devresine gerek yokmuş gibi düşünülebilir. Gerçekten de ilk gerçekleme sırasında \C j a kullanılmamış ve bu durumda ayırıcı girişindeki dalga şeklinde, sıfırlan mak istenen, saat periyodunun ilk dilimine ilişkin kı sımdan, bir miktar sızıntıların olduğu gözlenmiştir. Durum Şekil 12'de gösterilmiştir.

sdû.t hareti

*/ •t

Şekil 9

W

LTl_

Şekil 10a , 10b , 10c , 10d

İC, alıcı ginsı

HM •* J Lo, ki

VDD IC, Q y_

IC, a

V°°L rr r

1 9 13

IC.o

3 11 6,10 7

45 1 9 13

LC ıı y

3 11 410

Sı .Rj.R3.R4

4.7 nF lOk ıc,2

" î İn 12

'00 Y ss

ICt d

VDO

IC, c

IC,

çıkışlar

Şekilli

(57

Şekil 12

Anlaşılacağı gibi sözkonusu sızıntılar, asıl saat işareti ile alıcıda üretilen saat işareti arasındaki faz farkın dan (zaman gecikmesi) kaynaklanmaktadır. Sızıntıyı gidermek için, ICg a anahtarının açıldığı ve kapandı ğı süreler, ICg a tek kararlısı ile ayarlanmıştır. Bu ayar osiloskop üzerindeki dalga şekli gözlenerek yürü tülmüştür.

IC9 ayırıcısı, IC |Q ve IC J J kontrol işareti üreten dev releri vericidekinin aynı olup, her şey bir açıklamaya gerek duyulmayacak kadar açıktır.

Alıcıda üzerinde durulabilecek en can alıcı kısım oto matik olarak eşzamanlamaya yönelik devre parçası dır. Daha önce belirtildiği gibi, verici bir puşbuton anahtara basılarak çalışmaya başlatılıyordu. O halde, biz, puşbuton anahtara basma işlemini (veya eşdeğe rini) ve bu,otomatik çalışma için yeterli olacaktır.

Bu işlemi yapan devre parçası, \C j b tek kararlısı, ICg c ve ICg d elektronik anahtarlarından oluşmuş tur. Daha önce belirttiğimiz gibi verici bir puşbuton anahtara basılarak çalışmaya başlatılıyordu. O halde biz bu işlemi, otomatik olarak, vericiden gönderilen bir uyarı ile alıcıda da yapabilmemiz gerekir.

Şimdi eşzamanlamanın nasıl kurulduğunu görelim. Verici çalışır hale getirildikten sonra tüm giriş kanal ları bir tanesi hariç olacak şekilde topraklanır. Geri kalan giriş kanalı da bir S2 anahtarı üzerinden (puşbu ton anahtarı tercih edilmeli) normal olarak toprakta tutulur. Eşzamanlama kurulmak istendiğinde S2anah tarına basılarak kısa bir süre için alıcıya doğru gerilim ( V t e s t = 3 Volt) değeri iletilir. Şekil 13'te bu durum gösterilmiştir.

VT i İ l i

K İ — u 12 6 5 13 2

8 IC,

7ıo

Şekil 13

S2 ye basıldığında, negatiften pozitife doğru giden bir geçiş durumu (darbenin yükselen kenarı) ICyb tek kararlısını tetikler ve böylece vericide puşbuton anahtarının yaptığı görev elektronik anahtarlarla ya pılmış olur. Bu şekilde, vericideki ilgili kanallar, alı cıda ilişkili oldukları kanallara ve her defasında aynı biçimde gösterilmiş olur. Açıktır ki eşzamanlama kurulmaya çalışılırken, ICg b tek kararlısına giden yolun kesilmemiş olması gerekir. İlk başta, tüm kontrol işaretleri mantık 0 seviyesinde olduklarından I C 1 2 VEYA DEĞİL (4002) kapısının çıkışı mantık 1 seviyesinde olup, bu işaret ICg b yi iletimde tutar. Daha sonra eşzamanlama sağlandığın da, her defasında kontrol işaretlerinden biri mantık 1 seviyesinde olacağından (sıra ile), VEYA DEĞİL kapı sının çıkışı sürekli olarak mantık 0 da kalır. Böylece ICg b anahtarı kesime gider. Dolayısıyla, normal veri iletimi başladığında, giriş işaretlerinin I C y b tetikliye rek, hatalı bir çalışmaya yol açması önlenmiş olur.

Bir kere eşzamanlama sağlatıldıktan sonra, asıl giriş işaretleri kullanılarak, TDM iletimi başlatılabilir. Her ne kadar.alıcı devresinde gösterilmiş olmamasına kar şılık, giriş işaretinin kapsadığı frekans bandına göre ayırıcı çıkışlarında alçak geçiren ya da band geçiren filtreler kullanılacaktır. Devre, otomobillerde, kaset kayıt cihazlarında ve sa nayide çeşitli amaçlarla kullanılabilir. Burada, devre nin kullanım alanın kişinin hayal gücü ile sınırlı ola cağını söylemekle yetineceğiz.

KAY NAKLAR

1. Fatma Yargıcı, "örnek alma ve tutma, aktif filtre, zaman paylaşımlı çoğullama alıcı ve verici devreleri ve ses güç katı modüllerinin gerçeklenmesi"; Temmuz 1983 Bitirme ödevi; İ.T.Ü. Elektrik Fakültesi. 2. T.R. Rowbotham;P.B. Johns; CM. Bolton, "Laboratory Course in Telecommunications" Tecquipment Ltd. 3. M.Schvvartz, "Information Transmission, Modulation and Noise";McGraw Hill, 1980. 4. H.Taub; D.L. Schilling, "Principles of Communication Systems";McGraw HUl, 1971. 5. S.Stein; J J . Jones, "Modern Communication Principles"; McGravv Hül, 1967. 6. D.Balkan, "PCM Sistemlerin Temelleri ve 30 Kanallı PCM Sistemi";Elektrik Müh. Dergisi, 1981/2,276,26.