DOĞA, HABERLEŞME VE MÜHENDİSLİK

Mustafa ÖZDENİZ (**)

GİRİŞ

Yer yüzünde bütün canlılar, türlerine tanınmış çerçeve içerisinde kendi aralarında, çok sınırlı olarak diğer türler le (l) ve doğayla (ışık, ses, ısı, koku, tad algılayarak) ha berleşme suretiyle davranış gösterirler. Canlılar arası ha berleşme çok büyük ölçüde akustiktir. Burada söz konu su olan haberleşme sistemi; mekaniki titreşimler üreten bir verici (ses telleri, dil, ağız), havanın oluşturduğu bir iletim ortamı ve ses titreşimlerini algılayan bir organdan (kulak) oluşmuştur. Sistem bio akustik olmakla birlikte haberleşme sistemlerinin genel karakterini ortaya koyan ana örnektir. (Şekil 1) Yani en genel halde bir verici, bir iletim organı ve bir alıcı söz konusudur.

VERİCİ

İLETİM ORTAMI

ALICI

ÖZET

Bu yazıda; haberleşmenin genel karakteri, doğanın insan kültürü (dolayısıyla haberleşme sistemleri) üzerindeki et kisi, teknolojik gelişmeyle haberleşme sistemleri arasın daki bağıntı ve bu olayda mühendisin rolü, özetle, gözö nüne serilmek istenmiştir.

Yazıya; doğa, insan ve insan kültürünün haberleşmesiyle ilgili konulardaki etkileşimlerinin dökümüyle sibernetik açıdan bir yorumu gözüyle bakılması, sanırız, daha yerin de olur.

(*) Yazının hazırlanması sırasında geni; bir kesime hitap etme si amacı benimsendiğinden kullanılacak terimlerin dikkatli seçil mesine ve sade bir şekilde anlatılmasına gayret edilmiştir. Bu sü reç içerisinde, Türkiye'deki çeşitli teknik öğretim kurumlan ara sında aynı konu üzerinde de mevcut, zaten farkında olduğumuz, terim kargaşası kendini hissettirmiştir.

Mühendislerimizin aynı kavram üzerinde de konuşsalar biribirleri nin dillerinden anlamamaları şeklinde bir sonuç doğuran bu hal üzerine dikkat çekmek istemekte ve konuyla ilgili kuruluşları mızdaki sorumluların ilgilenerek çözümü yolunda ortak adımlar atmaları şeklindeki temennilerimizi belirtmekte yarar görmekte yiz.

(•*) Yıldız Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Yıldız İstan bul Bilgisayar Bilimleri Mühendisliği Bölümü

Şekil 1 : Tek yönlü iletişim sistemi

Diğer canlılara nazaran insanda haberleşme özelliğinin çok ileri bir seviyede olması; insanın, çıkardığı sesleri fonetik bakımdan değerlendirip bunlara birer anlam ve rebilecek ve bu özelliği de öğrenme olayıyla birlikte kul lanmasını sağlayabilecek bir beyne sahip olmasındadır. (A)

HABERLEŞMENİN ÖNEMİ

Birarada yaşamak, yaşamın gerektirdiği ihtiyaçları karşı lamak ve hayat şartlarını iyileştirmek söz konusu oldu ğuna göre; kişiler, toplumlar, genel olarak insan ihtiyaç larını karşılamak üzere geliştirilmiş ve geliştirilmekte olan makinalarla insanlar (veya tersi), makinalarla maki nalar arası haberleşme gündeme gelmektedir.

İlgili birime bilgi iletmek ve bu bilginin amacına ulaşıp ulaşmadığı karşıt bilgisine göre bir davranış göstermek hep sürekli haberleşmeyle (bilgi iletişimi) birtakım etki leşimler (interaction) kurmaya bağlıdır. (Şekil 2 a) Ge nel olarak, bir işlevi yapmakta olan herhangi bir sistemi meydana getiren ünitelerin biribirinden bağımsız ve rast gele çalışmamaları, yani işleyiş bakımından biribirleriyle •irtibatlı olmaları (ana sistemin sonucu ulaşması amacıyla programlanmış, tasarlanmış olarak) gerekmektedir. Aynı zamanda sistemin, ürettiği sonuca bakarak kuruluş ama cına uygunluğu denetleyip çalışma şeklinde birtakım de ğişiklikler yapabilme esnekliğine de sahip olması gerek

sı

S2

S5

S3

S<

Şekil 2 a : Sistemler veya sistem üniteleri arasındaki etki leşimler

tiği de düşünülmelidir ki bu, geri besleme (feed back) adıyla alınır. (Şekil 2 b) Zaten bunların sonucu da bir uyuşum ve denge durumudur. (B)

Şekil 2 b : Geri beslemeli sistem Toplumsal gelişme de (hem sosyal hem de ekonomik ba kımdan) haberleşmenin ne derece geniş kapsamlı ve sıh hatli yapıldığıyla orantılı olacak şekilde artacaktır. Günü müzde herhangi bir toplumda kişi başına düşen haberleş me imkânları miktarının toplumsal gelişmenin bir ölçü sü olmuşluğu da bu görüşü doğrulamaktadır. DOĞANIN ROLÜ Doğanın insan kültürü (2) üzerinde daima bozucu etkisi olmuş ve olacaktır. Y ani doğanın, insanoğlunun vücuda getirdiği eserleri tahribedici bir etkisi vardır. Termodinamiğin ikinci prensibinde ifade edildiği üzere, (kapalı bir sistem gibi gözönüne alınabilmesi şartıyla) ev rende entropi sürekli artmaktadır. Termodinamiğin birin ci prensibine göre ise evrende toplam enerji sabittir. Bilindiği gibi, entropi termodinamikte herhangi bir ha lin olasılığına bağlı olarak ifade edilebilir : (Şekil 3)

BİLGİ MİKTARI

ENTROPİ

Şekil 3 : Entropi ve bilgi miktarının matematik ista tistik tanımlarına dayalı çizimleri

S = k.lnP

Burada; k : Boltzman sabitesi, P : olasılık'dır.

Entropi ifadesi bu şekliyle doğa olaylarının bir yönlü, yani entropinin artacağı yöndeki eğilimlerini daha açık gösterir. Gerçekten I halinden II haline geçilen bir olay da entropi değişikliği;

AS = S 2 S 1 = k . ( l n P 2 l n P 1 ) = k. İ n (P 2/P ı ) ola caktır. Tecrübeler doğa olaylarının kendi kendine, ancak, yeni halin ihtimalinin önceki haldekinden büyük veya ona eşit olacağı yönde geliştiğini gösterdiğinden AS > 0 olur. (C) Sonuç olarak şu söylenebilir : Evrende herşey genel ola rak, yüksek enerji seviyeli durumlardan daha olasılıklı olan alçak enerji seviyeli durumlara doğru bir akış (geçiş) halindedir. (S) İnsanoğlu bu olaya karşıt davranış dizisiy le yaşamını sürdürmektedir. Y ani yüksek enerji seviyeli ya da düşük olasılıklı durumlar elde etme yolunda gayret içerisindedir.

Şüphesiz yüksek enerji seviyeli ve düşük olasılıklı haller düşük enerji seviyeli ve yüksek olasılıklı hallere göre daha çok bilgi içerirler. (4)

Y ani doğa düzenliyi bozucu, anlamlıyı yokedici bir etki ye sahiptir. Çünkü evren bir düzensizlik artışı içerisinde dir. Başka bir deyişle meselâ, doğanın kucağından alına rak şekil verilmiş bir kaya parçası zamanla şeklini kaybe derek işlenmemiş emsallerine benzeme yoluna gider. Bu bir çeşit ilkele dönüştür. Mühendislik sistemleri gibi ge nellikle dinamik olan sistemlerde bu süreç daha da hızlı dır.

MÜHENDİSLİK AÇISINDAN GÖRÜNÜŞ

Mühendisliği biz insan kültürünün maddi yanını bina eden bir kavram olarak görüyoruz. Mühendis daima; do ğaya, onun bahşettiği malzemelerden yararlanıp bilgi, beceri ve hayal gücünüde kullanarak birtakım atkılarda bulunmak suretiyle, insan ihtiyaçlarını karşılamaya yö nelik eserler meydana getirme çabası içerisindedir. Bu ise daha önce üzerinde durduğumuz entropi akışına terstir. Y ani mühendis doğanın düzenliyi bozma ve anlamlıyı yoketme eğilimine karşı bir mücadele içerisindedir. Bu mücadelede mühendisin şanslı yanı doğanın blöf yapma yışıdır. Diğer bir deyişle doğa mühendise karşı dürüst bir rakiptir, göstermekte olduğu ya da ileride gösterebileceği davranış genel olarak belirlidir ve enterpolasyonla tah min edilebilir.

Haberleşme ve otomasyon mühendisliği açısından da du rum farklı değildir. Haberleşme genel olarak, bir bildiri nin (mesaj) bir yerden diğerine iletilmesi (communication) olduğuna göre; haberleşme sürecinde bildiri işareti (signal), bozulma (distortion), zayıflama (attenuation), vb. gibi doğal tahribatın etkisine bağlı kalır.

Haberleşmede bildiri işareti dizilerine entropik açıdan bakılabilir. Çünkü bir bildiri işaretinde işaret seviyesinin

herhangi bir anda herhangi bir seviyeyi alabilme olasılığı söz konusudur. Ent ropi nasıl düzensizliğin bir ölçüsüyse bildiri işaretinin taşıdığı bilgi miktarı da (information) düzenliliğin bir ölçüsüdür. Buna göre, bildiri işaretinin ta şıdığı bilgi miktarı entropisinin negatifi olarak alınabilir. (Şe k il 3) (4) Y a da başka bir deyişle, bir bildiri işareti nin olasılığı nekadar yüksekse taşıdığı bilgi miktarı o ka dar az ve tersi halde ise o kadar çok olacaktır. (Şe k i l 4)

Şekil • 4 a : Olasılığı yüksek (= 1) bildiri işareti

Haberleşme tekniğinde; sürekli aynı seviyeyi koruyan bir işaret hiçbir bilgi taşımıyor demektir. Halbuki Şekil 4 b' de görüldüğü üzere analog anlamda sonsuz işaret seviyesi ne sahip, yani herhangi bir anda herhangi bir seviyeyi al ması olasılığı çok küçük olan diğer örnek ise bilgi taşıma bakımından çok zengindir. (E)

Şekil 4 b : Olasılığı düşük (< 1) bildiri işareti

Bir haberleşme sistemi, üzerine düşen görevi yerine geti riyorsa, yani doğanın bozucu etkilerine (malzeme, çevre ve yapıdan gelen gürültüler, distorsiyon ve zayıflama) rağ men, iletilen bilgi alıcı tarafın vericinin kastettiği davra nışı göstermesine sebep oluyorsa düzenli çalışıyor de mektir. Bu düzenlilik de dışarıdan (bir kaynakla beslene rek, belirli aşamalarda kuvvetlendirilerek, arındırılarak) tesis edilen bir düzenliliktir. Y ani haberleşme sistemleri açık sistemlerdir. Bir başka deyişle, düzensizlik içerisin de dıştan tesis edilmiş bir düzenliliğe sahip, kısmi düzenli sistemlerdir ve dolayısıyla bozulmağa mahkumdurlar. HABERLEŞME SİSTEMLERİ AÇISINDAN GÖRÜNÜŞ Malzeme, mesafe, ortam şartları ve amaç haberleşme si temlerinin çatışma ve dizaynında en önemli kriterlerdir. Günlük tecrübelerimiz ile mesafenin haberleşmedeki öne mini hepimiz farketmişizdir. Bilgi iletim ortamlarımız

hiçbir zaman süper iletken değildirler. Dolayısıyla iletil mekte olan bilgi bozulmaya ve zayıflamaya uğrayacaktır. Pratik olarak bu olayın incelenmesi; S/N (işaret/gürültü) oranının teşkiline ve çeşitli noktalardan yapılan ölçme lerin oranlanmasıyla mümkündür.

İletişim hatlarında S/N oranının anlaşılabilirliğin kaybol maya başladığı ve C.C.I.T.T. (5) tarafından standartlaş tırılmış bir seviye altına düşmesi halinde filtre ve kuvvet lendiriciler kullanılmaktadır. Mesafe büyüdükçe güçlükler artacaktır. Dolayısıyla güvenilirliği arttırmak ve kurulu bir iletim hattından optimum faydalanabilmek için tek nikler; N.G.B., çeşitli modülasyon uygulamaları ve ço ğu I lama teknikleri (T. D. M . , F.D.M.) (6) geliştirilerek uy gulamaya konulmuştur. (F)

Amaç bilginin, değerinden kaybetmiyerek (mümkün ol duğunca az kaybederek) olabildiğince uzaklara iletilme si olunca; analog metodlardan vazgeçilmeğe, taşıyıcı fre kansı yükseltilmeğe, yeni ve düşük kayıplı iletim ortam ları aranıp tasarlanmağa başlanmıştır. Anlaşılacağı üzere, bütün bu çalışmalar amaç ve ihtiyaçlarımıza sınırlamalar koymuş olan doğaya karşı yapılmaktadır, önemli olan nokta ise, bu çalışmalar için gerekli malzemenin yine do ğadan temin edildiği ve insan aklı aracılığı ile de işlendi ğidir.

TEKNOLOJİK GELİŞME AÇISINDAN GÖRÜNÜŞ

İmalat tekniğinde ve elektro mekanizasyondaki geliş meler ile; olurluk, ne yapacağını, nasıl yapacağını (7) ta yin etme tekniklerinin geliştirilerek uygulanmaya konul ması ikinci dünya savaşı sonrası bir teknolojik patlama (2 . sanayi devrimi) getirmiştir. Bundan en fazla payını alan da kanımızca elektronik ve haberleşme ile otomas yon teknolojileridir.

Haberleşmede son zamanlarda digital teknolojilere kayış; A/D (analog digital çevirici)'lerin uygulanmaya konul ması, P.C.M. (8) gibi digital modülasyon türlerinin geliş tirilmesi ve bir işlem elemanı olarak bilgisayarların haber leşme sistemlerine dahil edilmesi sonuçlarını doğurmuş tur.

Taşıyıcı frekansının yükseltilmesiyle de omni directional (her yöne) yayın yerine directional (yönlendirilmiş) ya yınlar yapılabilmesi, bir frekans bandından birkaç defa faydalamlabilmesi (yönlendirilmiş yayın sonucu ki henüz üzerinde çalışılmaktadır) mümkün olmuştur. Bunun so nucunda da uydu (satelite) haberleşmesi ve uzak iki nok ta arasında uydu aracılığıyla bağlantı yapılabilmiştir.

Uyduların yörünge kararlılıklarının artırılması, koder ve dekoderlerdeki gelişmeler ve regenarasyon (9) teknikle rinin geliştirilmeğe çalışılması ve uydu uydu (yani ma kina — makina ki bunlar geri besleme ile kararlılıklarını kontrol altında tutabilmektedirler) haberleşmesinin müm kün kılınması suretiyle de biribirini tek uydu aracılığıy la göremeyen uzak iki istasyon arasına kurulması gereken ve maliyeti arttırıp hassasiyeti azaltan ara istasyonun kal dırılmasını mümkün kılacaktır. Bu, doğaya rağmen maki na makina haberleşmesinin çok ileri bir seviyede sağ lanmaya çalışılması demektir.

Henüz 20 yıllık bir geçmişi olmakla birlikte uydu haber leşmesi hızla gelişmiş ve ekonomik olmamasına rağmen arzulanan yeni haberleşme hizmetlerinin uygulamaya konmasına yolaçnuştır. Uydu haberleşmesi; aynı zaman da, geniş kapsamlı, güvenli (% 9 9 . 9 ), çok düşük gürültülü (G/T = 40 d B / ° K ) , büyük band genişi iki i ( 5 0 0 M Hz ) ve masrafı mesafeye bağlı olmayan tek çok kanallı sistem olma özelliklerini taşımaktadır. (G) Bu da baştan beri bahsettiğimiz mücadelede yabana atılmayacak mesafeler katedildiğini örneklemektedir.

Bu gelişmeler, ihtiyaçlar ve arzu edilen hizmetleri sağla yacak şekildeki sistemleri (bazen fantastik olmakla bera ber) gerçekleştirme fikri malzeme (doğal olarak) bakı mından sınırlamalarla karşılaşmaktadır. Y arı iletkenler elektroniğinde kullanılan malzemeler zamanla hem daha uygun olanlara doğru (Ge, Si, GaAs, GaAlAs), hem de daha uygun imalât teknolojilerine doğru gelişmiştir (Ala şım, Epitaksiyal di f f uzy on, M.O.S. (ıo) t eknikleri). Sis temlerin karmaşıklığının artmasıyla da tümleşik (enteg re) devreler geliştirilip, I CI , LSI ve VL SI (11) devreleri, kullanılmağa başlanmıştır. Bu gelişmeler örnekleme ve modülasyon işlemleri için gereken anahtarlama (circuit svvitching) süresinin ns'ler mertebesine düşmesini sağla mıştır. Bunun sonucunda da çok yüksek bilgi işlem hız larına ulaşılabilmiştir. (H)

İletişim ortamı bakımından da durum, doğanın nimetle rinden akıl vasıtasıyla yararlanarak doğaya karşı müca dele veren insan (mühendis) tarafından olumlu yola so kulmuştur. Şöyle k i : gürültü, zayıflama ve diyafonisi mi nimum, band genişliği yüksek, uygun dielektrik malze meleri içeren kablo türleri, dalga klavuzları geliştirilmiş ve son olarak da haberleşmede ışık demetlerinden yarar lanma (Laser ve L.E.D. (12) t eknolojileri) yolları açılmış tır. Bütün bu çalışma ve gelişmelerin sonucu olarak, 1 870'I i yıllarda telgrafla başlayan haberleşme reformunun bugü ne kadar sağladığı aşama (Şe k i l 5) yardımıyla insan; ses, şekil, iki boyutlu hareketli görüntü, digital veya analog veri iletimi, tele kumanda, tele ölçme, tele magazin, tele bilgisayar, vb. hizmetlerden yararlanarak refahını, bilim sel ve t eknolojik seviyesini giderek hızlanan bir tempoyla art t ırmakt adır. Zannediyoruz ki bu da mühendisliğin bü yük bir başarısıdır.

SONUÇ

Özetleyecek olursak haberleşme mühendisleri, insanın tüm fonksiyonlarını; bilgi, ses, görüntü, .... iletme çaba sındadırlar. Belki de bu çabanın altında insanın kendisi nin haberleşme sistemleri aracılığıyla (madde enerji iki lemi düşünülürse) iletilmesi şeklinde gizli bir amaç yat maktadır ki ileride fırsat olursa bu konuda f i k r i mi zi be lirtmek isteriz.

Bunları yaparken insan kendi yapısına uygun f akat doğa nın entropik akışına ters sistemler tasarımlamaktadır. Böylece daha önce de bahsettiğimiz gibi insan ve onun tasarımladığı sistemler yıpranmaya ve ölüme mahkumdur lar.

(1) Diğer türlerle haberleşmeden, saldırma, savunma, vb. güdü lerini uyaran davranışları doğuran haberleşme kastedilmek tedir.

(2) Burada, insanoğlunun tabiata yaptığı maddi ve manevi kat kıların tümü kültür olarak anılmaktadır.

(3) Ancak açık sistemlerde (dışarıdan enerji alışverişinde bulu nan) bazen bunun tersi bir davranış görülebilirse de bu geçi ci olmağa mahkumdur. Çünkü böyle sistemler de genel akı şa tabi olan lokal kabarcıklardır ve bunun sonucu olarak da sonludurlar.

(4) C.E. SHANON "The Mathematical Theory Of Communi cation" adlı eserinde bilginin, entropi ve olasılıkla olan iliş kisini ortaya koymuştur.

(5) C.C.I.T.T. : Committee Consultative Internationale de Tele graphie et Telephonie.

(6) N.G.B. : Negatif geri besleme, T.D.M. : Time division multi pexing, F.D.M. : Frequency division multiplexing (7) Fizibilite, Knovv vvath, Know how teknikleri (8) P.C.M. : Pulse code modulation : Darbe kodlamah modü lasyon (9) Regenerasyon : Alman işaret içerisinden bildiri işaretinin yeniden elde edilerek arındırılması ki üzerinde henüz çalışıl maktadır.

(10) M.O.S. : Metal oxide semiconductor (11) I.C.l. : Integrated circuit, L.S.I. : Large scale integration,

V.L.S.I. : Very large scale integration (12) L.E.D.: Light emitting diode

(170

«00

DJfl

13»

Zana/ı

Şekil 5 : Haberleşme hizmetlerinin zamanla değişimi

KAY NAKLAR (A) Wiener N, Cybemetics And Society, 1948 (B) Şen N., Sistemler Dinamiği, 1978 (C) Feynman R.P, Leighton R.B, SandsM., Lectures On Phys ics,1970 (D) Schvvartz M, Information Transmission, Modulation And

Noise, 1970 (E) Guiaşu S. Information Theory With Applications, 1970 (F) Yılmaz M, Telekomünikasyon Tekniği, 1978 (G) İnce N, İletişim Ve Bilişimde Bilimsel Ve Teknolojik Geliş meler, Doğa özel Sayı, 139 172,1981 (H) Ataman A, Yarı iletkenler Elektroniği, 1977