VERİ HABERLEŞMESİSNİN TEMELLERİ

VERİ HABERLEŞMESİ NİN TEMELLERİ

Tarık ÜNERDEM

1. GİRİŞ

Son çeyrek yüzyıl boyunca bilgisayarların gelişmelerine paralel olarak bunların, var olan iletim ortamlarından ya rarlanarak, birbirleriyle bağlanmalarıyla aralarında bir haberleşmenin sağlanması büyük önem kazanmıştır. Bu haberleşmeyi sağlamak amacıyla kullanılan sayısal işaret lerin iletim ortamına uydurulması "MOdülasyon" ve "DEmodülasyon işlemleri" ile gerçekleştirilmektedir. Bu işlemleri gerçekleştiren sistemlere de " M O D E M " adı ve rilmektedir. Şekil 1 'den de görüleceği gibi, çözülmesi gereken temel problem, veri kaynağının ürettiği ve geniş bir frekans spektrumuna sahip sayısal bilgiyi, belli zayıflama ve grup gecikme karakteristiklerine sahip bir iletim ortamında "Hata olasılığı" en küçük olacak biçimde iletilrnesidir. Bu yazıda, yukarda belirtilen problem ayrıntılı olarak in celenmekte, ortaya çıkan terimler, teknik özellikler ve uygulama yerleri belirtilmektedir. Son olarak, MAE Elektronik Araştırma Bölümünde gerçekleştirilen Mo dem'lerin yapısı kısaca özetlenmektedir.

2. MODEMLER

İ ki nokta arasında bilgi iletimi belli bir anda tek yönlü (Half duplex) olarak çift telli ya da iki yönlü (Full duplex) olarak dört telli yapılabilir. Y alnız, son zamanlarda, çif t tel üzerinden iki yönlü bilgi iletimi yapılabilen modemler geliştirilmiştir. Bir veri haberleşme sisteminde bilgi ilet me hızı, saniyede iletilen " 0 " ve "1 "lerin sayısı ile ölçü lür ve birimi (bit/s) dir. Modemler bilgi hızlarına göre üçe

ayrılabilir:

(a) Alçak hızlı modemler (1200 bit/s hızına kadar) (b) Orta hızlı modemler (1 200 bit/s 2400 bit/s arası) (c) Yüksek hızlı modemler (2400 bit/s üzeri) Veri haberleşmesinde kullanılan öteki bir birim olan "Baud" ise, modülasyon işlemi sonucunda oluşan deği şiklik hızını belirler, örneğin, 2400 bit/s, bilgi iletme hı zında çalışan bir modemde modülasyon hızı 1200 baud' tur.

Modemin veri ya da bilgi ileten kaynaklarla bağlantısı, EIA RS 232 C standardı ile belirlenmiş olup, 25 uçlu bir

bağlantı elemanı ile gerçekleştirilir. Bu uçların herbirin de ne türden işaretlerin bulunacağı bu yazının sonunda ayrıca belirtilmiştir. Bu bağlantı genel olarak iki biçimde yapılabilir:

a) Asenkron (Eş zamanlamasız) bağlantı : Bu biçimdeki bağlantıda bilgi Modeme ya da modemden dışarı, bir sa at işareti olmaksızın alınır ya da verilir. Genellikle 1200 bit/s hızına kadar bu yöntem kullanılmaktadır.

b) Senkron (Eş zamanlamalı) bağlantı : Bu bağlantıda ise Modem'den dışarı bir saat işareti gönderilerek, dışa rıdan gelen bilgi eşzamanlı biçime dönüştürülür, ya da

ao 2 + a

^

11 •

Zooo

asoo

Jooo

Hz

Şekil 1 Bir kompüter simülasyonunda kullanılan zayıf lama ve grup gecikmesi karakteristikleri.

Gönderilen veri

Saat işareti

Bilgi kodlayıcısı

Verici zamanlama kaynadı

Modül at ör

Verici kontrol

Band sınırlayıcı filtre

Hat kruicvvi etlendi

MODEM VER.İCİ

iletim Ortamı

Bant sınırlayıcı filtre

DEM ALICI

Otomatik kazanç kontrolü

Demodüla. t ör

Saat kaynağı

Bilgi kod açıcı

Alınan veri

Alman saat işareti

Şekil 2 Modem'in alıcı ve verici kısımlarına ilişkin bloklar.

alıcıda demodüle edilen bilgi bir saat işareti ile dışarı ve rilir. Genellikle, bilgi değişimleri, saat işaretinin yükselen kenarlarıyla oluşturulur.

Bilginin iletildiği ortam genellikle normal bir telefon ka nalı ya da kiralanmış özel bir kanal olabilir. Bilgi iletim hızı arttıkça, iletim ortamının özellikleri daha çok önem kazanmaya başlar. Yüksek bilgi iletim hızlarında, kullanı lan kanalın genlik ve grup gecikme karakteristiklerinin ideal durumdan sapmaları, gürültünün yanında, işaretler arası girişimlerin de artmasına neden olacak ve bunun so nucunda sistemin hata olasılığı, standartlarla belirlenen sınırı kolaylıkla aşabilecektir. Bu durumda, sistemde ay rıca sabit ya da otomatik ayarlı denkleştiricilerin kulla nılması gerekmektedir.

3. BİLGİ İLETİM SİSTEMİNİN TEMEL ELEMANLARI

Bu bölümde bir bilgi iletim sisteminin gerçekleştirdiği te mel işler sistematik bir biçimde incelenmiştir.

3.1. Modülasyon Türleri

Bir Modem, Şekil 2'de gösterildiği üzere, iki ana kısım dan oluşur. Çeşitli bilgi hızlarında, değişen kriterlere gö re modülasyon türleri de farklı olacaktır. Aşağıdaki tablo bu konuda bir fikir vermektedir.

Bilgi İletim Hızı (bit/s) Modülasyon Tekniği

1800 e kadar Frekans kaydırmalı modülasyon (FSK) (Frequency Shift Keying)

1800 2400 4 fazlı faz kaydırmalı modülasyon (Phase Shift Keying PSK), Duobinary FM, Vestigal AM,

2400 4800 8 fazlı faz kaydırmalı modülasyon Vestigal AM

4800 9600 Faz ve genlik birleştirilmiş modülasyon türleri

Genel olarak, gönderilecek bilgi spektrumu 0 Hz den baş ladığından, normal bir telefon kanalından bu işareti ilet mek için, işaret spektrumunu uygun bir frekansa taşı mak gerekir. Düşük hızlarda, band genişliğine göre basit lik ve ekonomi daha önemli rol oynadığından, FSK (Frequency Shift Keying) modülasyonu uygulanmakta dır. Bu modülasyon türü için gerekli band genişliği, gön derilen bilgi hızının yaklaşık iki katına eşittir ve Şekil 3' den görüleceği gibi gelen bilgiye göre, iletim ortamına f | ya da ij frekansında iki sinüsoidal dalga yollanmaktadır. Bu tür modülasyonlu işaretin demodülasyon işlemi ise frekans diskriminatörü ya da sıfır geçiş detektörü ile ger çekleştirilebilir.

VWWW\AAAA/

Şekil 3 Frekans kaydırmalı modülasyon, FSK.

Band genişliğinin önemli rol oynamaya başladığı hızlar da, örneğin 1 8 0 0 bit/s hızın üzerinde, faz kaydırmalı mo dülasyon türünün uygulanmasının daha uygun olduğu gö rülmektedir.

DPSK (Dif f erent ial Phase Shift Keying) modülasyonu, özellikle 2 4 0 0 bits/s lik bilgi hızında kullanılan Standard bir yöntem haline gelmiştir. Fark (Differential) kelimesi, bilginin 0 ya da 1 olmasına uygun olarak taşıyıcının fazı

nın, bir önceki işaretleşme süresindeki fazına göre değiş mesini ifade eder. Bu değişimler, mutlak bir referans f j ıI göre değildir, ör ne ğin, 2 4 0 0 bits/s hızında, 2 li kodla nan "dibitler" 1 2 0 0 hızında faz değişikliği oluştururlar. Ortaya çıkan 4 farklı dibit kombinezonlarına göre, (0 0 , 0 1 , 1 1 , 10) faz değişiklikleri (a) + 4 5 ° , + 135° ya da (b) 0° , + 9 0 ° , 180° yapılabilir, (a) değişikliğinin (b)'ye göre üstünlüğü gönderilen işarette, bilgi ne olursa olsun, saniyede 1 2 0 0 faz değişikliğin olması ve bunun bir sonu cu olarak ta, alıcıda işaret zamanlamasının kolaylaşması dır. (Şekil 4). Faz değişikliği sayısını 8 e çıkararak 4 8 0 0 bit/s hızında bilgi iletimi de mümkün olabilir.

DPSK modülasyonunun uygulandığı bir işaret, iki yolla demodüle edilebilir. Alıcıda, gürültüden bağımsız üretil miş bir referans taşıyıcı yardımıyla, gelen fazları karşı laştırarak ya da o anda gelenle bir sonraki işaretleşme sü resinde gelen fazı karşılaştırarak aradaki faz farkından gönderilen bilgiyi ortaya çıkarmak mümkün olabilir. Alı cıda üretilen referans fazı, gelen fazlardan birine kilitle nirse, bu işlem "Coherent" demodülasyon ismini alır. Alıcıda faz ölçülmesi, genellikle işaretin sıfır geçişleri arasındaki zaman sürelerinin ölçülmesiyle gerçekleşir. O anda gelen işaret ile bir gecikme elemanı yardımıyla elde edilen bir sonraki işaretin karşılaştırılması şeklindeki de modülasyon işleminin, "Coherent" demodülasyona göre 2,3 dB'lik bir kaybı olduğu görülmektedir. Bunun nede ni, referans işaret ile gelen işaretin ikisi de gürültüden b.ı ğımsız olmamasıdır.

Önceki faz

180*

Önceki fa?

Şekil 4 DPSK, 9 0 ° faz kaydırması farklarıyla yapılan modülasyonda faz değişikliklerinin kodlanması

5 Fazı ve genliği modüle edilmiş işaret. (a) ve (b) iki ve dört seviyeli AM işareti (8 ve 16 simgeli durum) (c) ve (d) 8 simgeli durum için kullanılabilen değişik biçimler.

Çift Y an Bandlı Genlik Modüiasyonu ile Artık Y an Band Modüiasyonu, özellikle çok seviyeli yüksek hızlı modem lerde kullanılır. Ayrıca genlik ve faz modülasyonları bir leştirilerek elde edilebilecek değişik modülasyon türleri Şekil 5'de gösterilmiştir. Seki I 6'da ise, çeşitli modülas yon türlerinin bir karşılaştırılması verilmiştir.

işaretlerarası girişimin sıfır olması için yeter ve gerek ko şul,

2 H ( c o k . ^ ) = C (sabit)

k

T

dır.

Dikdörtgen darbe biçimdeki işaretlerin spektrumunun bu koşulu sağladığı Şekil 7 den de görülebilir. Böyle bir spektruma sahip ideal alçak geçiren bir filtrenin "impulse" cevabı t = 0 anında sıfırdan farklı olup, öteki kT(k = 1 , 2 , . . . ) anlarında 0 değerini alacağından, işaret ler arası karışım ortaya çıkmayacaktır. Bu özellik, aşa ğıda (1) ilişkisi ile tanımlanan "Raised Cosine" biçi

1 f3

«

15 3û

İZ

Zo

BiiHoLa Oranı fo~ /cin /Şartt ûürüLtü Dram

û/3)

Şekil 6 Çeşitli modülasyon türlerinin karşılaştırılmala rı (Hata olasılığı 1 0 ~ 4 olarak seçilmiştir).

3.2. işaretlerin Biçimlendirilmesi ve Filtreleme işlemi

Bu bölümde, modem verici iletim ortamı ve modem alıcı sından oluşan bir veri haberleşme sisteminin genlik ye faz karakteristiğinin, minimum işaretler arası karışım ve gürültü için ne biçimde belirlenmesi gerektiği incelene cektir.

Genel olarak, bilgi iletimi, spektrumu sıfırdan sonsuza kadar uzanan, dikdörtgen biçiminde darbe dizilerinin be lirli bir ortamdan iletim işlemidir. Bu işlem sonucunda ortaya çıkan işaretler arası girişimin yok edilmesi ya da belli bir sınırın altında tutulması için, bilindiği gibi, Nyquist Kriterini sağlaması gerekir. Diğer bir deyişle, işaret spektrumu dahil tüm sistem spektrumu H(a>) ise,

7 (a) Dikdörtgen spektrumlu temel band işareti (b) (a) ya ilişkin zaman cevabı (c) Değiştirilmiş temel band spektrumu (d) (c) ye ilişkin zaman cevabı.

minde spektruma sahip işaretlerde de görülür ve bu işa retlerin üretilmesi diğerine göre daha kolaydır:

Y(«) = 1

Bilgj

(1 a)<«

t 2a

Y(w) = O

(1)

Şekil 8 de bu spektrumun değişimi gösterilmektedir. Ge nel olarak, spektrum kesim frekansında orta noktaya gö re simetrik olmalı ve aynı zamanda sistemin faz karakte ristiği de doğrusal biçimde değişmelidir. "Raised Cosine" spektrumda a parametresine "Roll Off" faktörü adı veri lir ve değeri 0 ilâ 1 arasında değişir, a bire yaklaştıkça spektrumun genişlemesine karşın alıcıda zamanlama işle mi kolaylaşacaktır. Bilgi iletiminde daha başka bir spek trum biçimlendirilmesi "Partial Response" tekniğidir. Burada, kontrol edilebilir bir işaretler arası karışıma izin verilmektedir, örneğin "Duobinary" tekniğinde girişteki ikili işaret alıcıda 3 seviyeli hale gelir. Bu yöntemle, bil gi hızını Nyquist hızının üstüne de çıkarmak mümkündür. Burada, genliği ve dağılımı kesin olarak bilinen "işaret ler arası karışım" söz konusudur. Alıcıda, kendini yenile yen geri besleme, ya da vericide önceden kodlama ile bu "kontrol edilebilir işaretler arası karışım" ortadan kaldı rılabilir. Bu yöntemin başlıca iki mahzuru belirtilebilir. Birincisi, hatanın geri besleme ile çoğalması, ikincisi ise gürültüye karşı dayanıksızlığıdır.

OV ~

1a

Şekil 8 Raised Cosine (yükseltilmiş kosinüs) spektrumu

Sistemde, hata olasılığını azaltmak için, bir işaret seviye sinden diğerine geçerken, yalnız bir bit değişecek şekil de kodlama (Gray Code) kullanılabilir.

Ayrıca, gönderilen bilgi dizisinde, peryodluk nedeniyle ortaya çıkacak belirli bileşenlerih iletim ortamındaki or talama gücün üstüne çıkıp, oluşacak diyafoniyi önlemek için, verici ve alıcıda, kendi kendine eş zamanlanabilen "Shift Register"ler kullanılır. Böylece, gönderilen bilgi rasgele hale getirilerek, tüm işaret seviyelerinin gönderil me olasılığı eşitlenir (Şekil 9).

Kaydırmalı kaydedici

HHH

Bilgi

Şekil 9 Kaydırmalı kaydedici (shift register) devrele rin kullanılması.

Aşağıdaki tabloda, "Roll Off" çarpanlyla çeşitli seviyeli modülasyon türleri arasındaki müsaade edilebilen zaman lama hataları gösterilmiştir.

Müsaade edilen maximum zamanlama hatası

(%)

Roll off Çarpanı 2 Seviye 4 Seviye 8 Seviye 16 Seviye

0.75

0.5

0.25

16.5

8.4

5.5

7.2

3.4

4.3

Gönderilecek belirli bir güç ve beyaz "Gauss" gürültülü bir ortamda, optimizasyon için problem, alıcıda işaretin gürültüye oranını maksimum yapmaktadır. Bu iş için ve rici ve alıcı filtrelerini en iyi biçimde bölmek gerekir. Bu da elde edilmesi gereken toplam spektrumun yarısının vericide, yarısının da alıcıda gerçeklenmesiyle oluşturu lur.

Demodüle edilmiş işaretin iyilik kriteri, "göz diyagramla rıdır. Göz diyagramı bir işaretleşme süresi içinde "base band" işaretlerin toplamıdır. Şekil 10'da 2 ve 4 seviyeli göz diyagramları görülmektedir. Demodülasyon sonunda "gözler"in açık ya da farkedilir biçimi sistemin iyiliği ni belirler. Alıcıda bu "göz" açıklığının, «naksimum ol duğu anlarda örnek alınır. Genlik ya da faz ölçmesi ger çekleştirilir.

Belirli bir gürültü seviyesinde modemin hata olasılığını bulmak ta, önemli bir kriterdir. Örneğin, Şekil 6'daki karşılaştırma 10"4 hata olasılığı koşulu altında çizilmiştir.

"göı" di

£sii

Uin m'uidatlt edilen

Zamanlama İ$art Li

ÛÖTI StyiyeL 'göt."

ik ' tO.rn^tifIesSaec.eL haaatîaUsıniçCine.\ffıii

yon kullanılır. Bu iş için alıcıda, gönderilen taşıyıcıya eş bir referans üretmek gerekir. AM Sistemlerde, doğru dan taşıyıcı yollanır. Bu işaret alıcıda keskin filtrelerle ya da faz kilitleme devreleriyle alınır. VSB Sistemlerde ise, alçak seviyede taşıyıcı modüleli işarete eklenir. PSK işaretlerin demodülasyonunda ise referans işaret gelen işaretin faz değişikliklerine kilitlenir. Bu 2400 bits/s mo demde ayrıca açıklanacaktır.

Öteki yöntemlerden birisi de, aralarında belli bir frekans ve faz ilişkisi olan pilot frekansların gönderilen işarete eklenmesidir.

3.5. Dengeleme (Equalization)

Sistemde filtre karakteristikleri, işaret/gürültü oranını op timum işaretler arası karışımı minimum yapacak biçim

Şekil 10 2 seviyeli ve 4 seviyeli göz diyagramları

Genellikle, bir iletim ortamında, gürültüden başka, lineer olmayan distorsiyon, frekans kayması, genlik ve faz ka rakteristiklerinin zamanla değişimi ve yansımalar olacak tır. Genlik faz karakteristiklerinin idealden uzaklaşma sından dengeleyiciler bölümünde bahsedilecektir.

3.3. İşaret ve Bit Zamanlaması

Eşzamanlı bir bilgi iletim sisteminde alıcıda, işaret ve bit zamanlama işaretleri demodülasyon ve modemin dışında ki terminal için gereklidir. Modem "göz" diyagramları için zamanlama işareti yardımıyla, örnek alınacaktır. İki li sistem için işaret ve bit zamanlaması aynıdır. Çok sevi yeli sistemlerde bit zamanlaması için saat işareti de gere kir. Bu tür işaretler genellikle, kristal bir osilatörden üre tilir. Yalnız bu işaretler, gelen hat işaretinde zaten var olan zamanlama bilgini ihtiva eden bileşene kilitlenir, örneğin, 2400 bit/s DPSK modemde, gelen işaretin zar fı, bu bilgiyi taşır ve bir 4 yollu doğrultucu ve çentik (notch) filtreyle zamanlama işareti elde edilir. Bu işa retin gönderilen bilgi sıralanışına bağlı olmaması istendi ğinde sisteme "sözre rasgele" üreteçler eklenir. Kendi kendine eşzamanlı hale gelebilen bu ikili bit kombine zonlarının tek mahzuru, tek bir hatayı çoğaltıp, 2 ya da 3 hata haline getirmeleridir.

3.4. Taşıyıcı Elde Edilmesi

Kullanılan band genişliğinde birim frekansa düşen gön derilen bit sayısını artırmak için "coherent" dedeksi

t t 't I I t t t I t

3T 2T T 0 T Î T 3T 4T ST İ T

©

/\

Şekil 11 (a) Giriş işareti (b) örnekleme anları (c) Dengelendikten sotpra çıkış işareti.

BecJhne. hattı

Ûtl/İf VJ.

td Ltmttiit

Şekil 12 Otomatik (adaptif) transversal dengeleyici.

de seçilmesine rağmen, kanaldaki çeşitli bozucu etkiler nedeniyle her zaman bu koşullar sağlanmıyabilir. 2 4 0 0 bits/s hızına kadar kanalı dengeleyen, sabit grup gecikme dengeleyicileri kullanılabilir. Fakat bilgi hızı yükseldikçe, çok seviyeli işaretler kullanıldığında bu sabit dengeleyi ciler kanaldaki ufak değişmelerin meydana getireceği bo zucu etkileri karşılayamaz olurlar. Bu durumda, kendi kendini kanala uyduran filtreler kullanmak gerekir. Sis temde gecikme distorsiyonunun meydana getirdiği işa retler arası karışım Şekil 11 de gösterilmiştir. İşaretler arası karışım

D _= 1 olarak tanımlanabilir. Gecikme elemanları ve çarpıcılar dan meydana gelmiş bir transversal filtreyle D yi en az değere getirmek mümkündür (Şekil 1 2).

Kazanç katsayıları ya elle, ya da otomatik olarak ayarla nabilir. Bu sırada izlenecek yol farklı olabilir. Eğer, baş langıçta D < 1 ise sıfıra zorlama " Zero f orcing" metodu uygulanabilir. Fakat pratikte karşılaşılabilinen D > 1 ha linde ise, RMS hatayı minimize etme yöntemi daha opti mumdur. Ancak bu yöntemde, örneklenmiş değerler ara sı "çross correlation"lar hesaplanıp, sıfıra götürüldüğün

den uygulanması oldukça zordur. Filtredeki zamanlama ve faz hatalarından ikinci yöntem daha az etkilenir.

Filtredeki kazanç katsayılarını belirlemek için, belirli bir pattern yollanır.

Otomatik dengeleme işlemini gerçekleştirmek için, yak laşım iletilen bilgi için biçilen sonraki değer ile alıcı işa ret arasındaki farkı (hatayı) gözönüne alan bir yöntemi benimsemektir.

Bu şekilde üretilen hata işareti, iletilen veri dizisiyle ista tistiksel ilişkili olup, bundan, dengeleyici devresinin kat sayıları için biçilen değerlerde yapılan hataların bulun masında yararlanılır.

Hata işaretinin mutlak değerini minimum yapmak ve "göz" diyagramlarındaki açıklığı maksimum yapmak için, bir iterasyon adımında biçilen değerlere uygun ola rak o adımında belirlenen katsayılardan yararlanılır. Böylece dengeleyicinin sürekli olarak kendisini değişken zamanlı bir kanala adapte etmesi sağlanır.

4. ARABAĞLANTI

Modemin bilgisayar ya da " terminal" uç elemanı ile bağ lantısı belirli bir standarta göre olur. Bu bağlantı, ele manda kr uçlara göre aşağıda belirtilmiştir:

Bağlantı eleman Ucu No.

1 2 3 4

6 7 8 15 17 23

CCITT V 24

RS 232 Bağlantı Ucu

Açıklama

AA

Koruyucu Topr ak Elektriksel cihazın gövdesi ve AC güç toprağı

BA

Terminalin modeme göndermek için yolladığı

bilgi Müdeme giriş

BB

Modemin terminale gönderdiği karşıdan yolla

nan bilgi. Modemden çıkış

CA

Gönderme isteği

Bu ucun + 15V veya " O N " olması, kendi mo

demini gönderme durumuna sokmak için ter

minal tarafından uygulanır.

CB

Göndermeye Hazır Modemin terminale göndermeye hazır olduğu

nu bildirmesi. Modemden çıkış.

CC

Modem Hazır

Modeme gerekli gücün uygulandığını gösterir.

İşaret Toprağı

Tüm devrenin, işaret toprağı.

CF

Taşıyıcı detektörü Karşıdan belirli genlikte işaret alındığını be

lirtir.

DB

Modemden drşarı gönderilen bilgiyi senkron

İ çin Saat İşareti

hale getirmek için verilen saat işareti.

DD

Modemden dışarı alınan bilgi ile senkron saat

İçin Saat İşareti

işareti.

CH/CI

Hız Kontrolü

Bu ucun " O N " konumu 2 4 0 0 Bits/s, " O F F "

ise 1 2 0 0 Bits/s bilgi iletimini gösterir.

ELEKTRtK MÜHENDİSLİĞİ 281

Öteki uçlar yardımcı kanala ait kontrollar ve test uçları dır. MAE de gerçekleştirilen 2400 Bits/s modem yalnız yukardaki bağlantıları içermektedir.

Hattaki işaretin zarfının sahip olması gereken matema tiksel ifade aşağıdaki gibidir:

5. ÖZEL VE NORMAL TELEFON HADLARINDA ÇALIŞABİLEN 2400/1200 BİTS/S HIZINDA MODEM PROTOTİPİ

Prototipin gerçekleştirilmesinde CCITT'nın modülasyon tekniğine ilişkin V26 ve V26 bis, alternative B, tavsiyele rine uyulmuştur (Vol. VIII. 1 Orange Book, Sayfa 101). Modem cihazı, eşzamanlı (senkron) olarak, 2 telli half duplex, 4 telli full duplex çalışabilmektedir. Hat işareti, CCITT'nin Rec. 0274 (Vol. VI. 2 Sayfa 81) tavsiyesine uygun bir zarfa ve güç spektrumuna sahiptir (Modified Raised Cosine Spectrum). Ayrıca, 25 pin'li RS konektördeki 23 no.lu pin'e top rak, ya da + 5 Volt uygulanmasıyla 1200 bits/s ya da 2400 bits/s hızları elde edilebilmektedir. Sistemde mümkün olduğu oranda sayısal entegre devreler (CMOS) kullanılmış, ancak filtre gibi bazı devre kısımla rında güvenilirlik ve az güç harcama açısından pasif ele manlar kullanılmıştır.

Sistem genel olarak 4 ayrı başlık altında incelenebilir : a) Modülatör b) Demodülatör c) Arabağlantı Devreleri d) Dengeleyici

5.1. Modülatör

Frekansı 460.800 Hz olan kristal osilatörden bölünerek elde edilen 2400 Hz'lik işaret, bilgi kaynağına gönderilir. Bilgi (DATA) girişindeki bilgi bu gönderilen 2400 Hz'lik işaretin yükselen kenarlarıyla senkron hale getirilmiş bir biçimde modeme gelir. Seriden paralele, kaydırmalı kay dedici (Shift Register) yardımıyla, dönüştürülerek dibit kombinezonları elde edilir: Bunlar 4 ayrı dibit 00,01,11 ve 10 olacaktır.

Gönderilmekte olan 1800 Hz'lik taşıyıcı işaretin her dibit'e ilişkin olarak değişecek olan faz değerleri aşağı daki tabloda gösterilmiştir.(CCITT V26 bis.)

00 * 1 x 45° 01 »• 3 x 45° 11 > 5 x 45° 10 • 7x45°

2;rfd.t Cos

2;rfd.3/4T Cos

Zarf (t) =

, 2 T<t< i Tiçin

2vrfd.3/4T 1 Cos

Zarf (t) = 0,

T<t<

T ve — T < t < T i ç i n

f d = 1200 dibit hızı

T=

sn dibit peryodu (Vol. VI 2 Rec 0.274)

Bu zarf, taşıyıcı ile modüle edildiğinde, K'nın 0'dan baş lıyarak 7'ye kadar alacağı değerler sonucu, birbirine göre fazı 7r/4 radyan kaymış olan, 8 farklı işaret elemanı elde edilecektir:

ek(t) =

/2Cos7rfdt+1 J2

Cos(37rfdt+k —) k =

0,1,2,3,4,5,6,7

Gelen bilgiye göre, her (1/1200)s de bir, bu 8 ayrı işaret elemanlarından biri seçilip hatta yollanacaktır. Bu işaret elemanlarının spektrumu incelendiğinde görüleceği üze re, 14400 Hz ile örnekleme yapılırsa, "Aliasing Error"un ihmal edilebilecek kadar küçük olduğu görülür.

İşaret elemanlarının örneklenmiş değerleri (19 adet), PROM'a aşağıdaki tabloya göre yüklenir.

Adres

İşaret Elemanı

0 31 3 2 63

6 4 95 96 127 128 159 160 191 182 223 224 255

k=0 1

2 3 4 5 6 7

ıp = 0 _ S— ir/2 37T/4

— ÎT

57T/4 37T/2 7W4

Yükleme Sayısı

Z3Z2Z1

00000000 00100000 01000000 01100000 100000 00 10100000 11000000 11100000

Belirli bir sırayla bellekten çekilen bu örnekler bir topla ma elemanı yardımıyla toplanır ve hatta verilir.

Kısaca özetlenirse, cihazın modülatör kısmı, bu kısımda üretilen 1200 Hz ya da 2400 Hz saat işaretiyle senkron gelen bilgiye göre, belleğinde bulunan işaret elemanların dan birini seçip hatta yolluyan, böylece DPSK (Diffe rcntially Phase Shift Keying) modülasyonunun uygulan dığı bir bölümdür.

5.2. Demodülatör

İletim ortamından gönderilen DPSK işareti, alıcıda bir hibrit transformatör yardımıyla alınarak alıcı filtresine uygulanır. Alıcı filtrenin çıkışındaki işaret, band dışı gü rültüden bağımsız ve minimum işaretler arası karışımı sağlayan bir spektruma (Raised Cosine) sahip olacaktır.

Gelen işaret bir iki yollu doğrultucudan ve 1200 Hz'i se çen bir filtreden geçirilerek, zamanlama için bir refe rans işareti elde edilir. Gerek gönderilen bilginin değiş mesi ve gerekse iletim ortamının ideal olmaması nedeniy le bu elde edilen referans işarette titreşme (time jitter) olacaktır. Bunu azaltabilmek için özel bir devre kullanılır.

Gönderilen işarete ilişkin zarfın özelliğinden elde edilen bu referans 1200 Hz'in yanında ayrıca, alıcıdaki kristal osilatörden dolayı, ikinci bir sabit 1200 Hz bulunacaktır. İşte bu iki işaret karşılaştırılır. Örneğin, bu işaretlerin yükselen kenarları gözlenirse, kristalden çıkarılmış 1200 Hz, işaretten çıkarılmış 1200 Hz'e göre ya ileride ya da geride olacaktır ( y J j ö " s d e n k " Ç " k zaman aralığında). Bu bir nevi fazın ileride olması haline pozitif (+) hata, geride olması haline de negatif ( ) hata demektir.

Bu, her .^nn

^'r' "" ' 5 a r e t ' n yükselen kenarları göz

lenerek ortaya çıkarılan pozitif ya da negatif hatalar be

lirli bir t anından sonra sayıcı yardımıyla sayılsın. Aynı

yönde 8 aynı işarette hata, örneğin, pozitif ileri faz du

rumunda, kristalden üretilmiş 1200 Hz işareti, yüksek

frekansta darbe ekleyerek geriye kaydırmak, ya da nega

tif hatada, darbe çıkararak, ileriye kaydırmak mümkün

dür.

Böylece, kristalden üretilen 1200 Hz işareti gelen DPSK işaretten üretilmiş 1200 Hz işaretine fazı kilitlenmiş ola caktır. Bu yukarıda anlatılan yüksek frekansta darbe ek leyip çıkararak yapılan, fazı ileri veya geri kaydırma iş lemi, aynı yönde toplam 8 hatanın oluşması halinde ya pıldığından, en kötü durumda bile 8. «jLn s de bir titreş me (time jitter) olacaktır.

8 sayısını büyük tutarak, belirli zaman aralığındaki dü zeltme (titreşme) sayısı azaltılabilir. Fakat bu takdirde fazı yakalama zorlaşacaktır. Küçük tutulduğunda ise, ya kalama kolaylaşacak fakat işarette titreşme (time jitter) fazlalaşacaktır. Bu olay, faz kilitleme devrelerindeki, ki litleme bölgesi (Locking range) ve yakalama bölgesi (capture range) arası ilişkilerin bir benzeridir.

Gelen işaretin zarfına kilitlenmiş, bu kristalden üretilmiş 1200 Hz'lik işaret, darbe süresi kristal kontrollü Ö ^ L Î sn, darbe boşluğu ' sn olan karar darbe işaretini üretir.

Bu işaretin fazı, darbeler, tam işaretler arası karışımın minimum olduğu, zarfın maksimum noktalarına getirile cek şekilde, 1200 Hz'i seçen filtrenin şelf değerleri de ğiştirilerek yapılır.

Alıcı filtre çıkışındaki analog DPSK işaret bir limitörden geçirilerek 2 seviyeli, faz bilgisini ihtiva eder sıfır geçişle rinin korunduğu işaret elde edilir. 2 seviyeli DPSK işare ti gene alıcıdaki kristalden elde edilmiş, birbirine göre 90° faz farklı, frekansı 1800 Hz olan 2 ayrı referans taşıyıcı ile karşılaştırılır.

Sistemde 2 seviyeli tüm işaretler arası faz farkları, fre kansı 460 800 Hz olan darbe sayıları ile ifade edilmiştir, örneğin (90°) fazına sahip taşıyıcı 1800° ile gelen işaret arasındaki fark 0° ise sayıcı, 0, +90° ise 64, +180° ise 128 sayacaktır. Dolayısıyla, sayıcı 64'ün altında ise gelen faz (+) bölgede, 64'ün üzerinde ise ( ) bölgede olacaktır. (0°) fazına sahip olan taşıyıcı 1800° ile gelen işaret ara sındaki faz farkı ikinci bir sayıcıda gene 0 ile 128 arasın da bir değerle belirlenecektir. Bu değer, eğer (+) bölgede ise aynen, (—) bölgede ise tersi alınıp gerçek olarak gelen işaretin fazı ya da daha doğrusu ona karşı düşen sayı (0 ile 256 arası) ortaya çıkacaktır.

Bu sayı 3. bir sayıcıda bekletilip, ikinci gelen işaretin fa zina karşı düşen sayıdan çıkarılarak işaretler arası faz farkları bulunur. Bu değerler faz farkına göre aşağıdaki tablodaki gibidir.

Faz

Sayı

1x45° > 32 64

3x45° * 96 128

5x45° > 160 192

7x45° > 224

Bu sayı aralarının tam ortaları 64,128, Î92 eşik değerle ri olacaktır.

Demek ki, demodülasyon işleminde 4 ayrı sayıcı bulun maktadır:

a) 90° Sayıcısı : Her işaretleşme peryodu başında sıfırla nan, gelen fazın (vektörün) hangi bölgede olduğunu be lirleyen sayıcıdır. Eşik seviyesi 64'dür.

b) 0° Sayıcısı : Her işaretleşme peryodu başında sıfırla nan, gelen fazın tam olarak değerini belirleyen sayıcıdır. 0 2 5 6 arası değer alabilir.

c) Geçiş Sayıcısı : Hiçbir zaman sıfırlanmayan, bir önce ki faz değerini sonraki işaretleşme peryoduna kadar sak layıp, sonra yeni değere kadar sayan ve orada kalan sayı cıdır. Her değeri alabilir (0 2 5 6 arası).

d) Faz Farkı Sayıcısı : Her işaretleşme peryodunun ba şında sıfırlanan ve geçiş sayıcısının saydığını belirleyen sayıcıdır. İşaretler arası faz farkına göre 4 farklı değer alabilir (2 4 0 0 bits/sc).

Son olarak, karar devreside, faz farkı sayıcısının çıkışla rına bakarak eşik değerlerine göre ikili dibitleri üreten ve paralelden seriye çeviren kaydırmalı kaydedicilerden oluşmuştur.

Sisteme ayrıca, test imkânı için sonuncu sayıcının çıkışı na bir (D/A) çevirici konularak seviyeler dışarıdan gözet lenebilir. Bu seviyeler bir nevi göz diagramlarına karşı düşmektedir. Karar darbeleri yeri sağa sola kaydırılarak (1 2 0 0 Hz Notch filtre) seviye kalınlıkları minimuma in dirilir. Bu iş için, çeşitli iletim ortamlarında, bir dengele yici devresini de sisteme ekliyerek, maksimum açıklıkta gözler elde etmek gerekebilir.

özetlenirse, bu test sisteminin bir çeşit iyilik kriterini ve ayar imkânlarını verecektir.

5.3. Arabağlantı Devreleri

Modemle terminal ya da EBİ M arasındaki bağlantı dev relerini kapsamaktadır. Modemle bunun dışında kalan sistem arasındaki bağlantı 25 pinti standard konnektörle olmaktadır. Arabağlantı işleminde işaretleşme sırası aşa ğıdaki gibi olacaktır:

(1 ) Modem " O N " edildikten sonra, önce MODEM X TE LEFON anahtarı, TELEFON konumuna alınarak karşı uç ile telefon görüşmesi yapılır ve her ikj tarafın da çalış maya hazır olduğu belirlenir.

(2) MODEM X TELEFON anahtarı, MODEM konumu na alınır ve MODEM'den dışarı (terminal ya da EBİM) 6 no.lu pin üzerinden + V ('v 1 2V) gönderilir.

M ODEM HA Z I R işareti (Data Set Ready).

(3) MODEM HAZIR işareti, terminal ya da EBİM tara fından alındıktan sonra eğer bilgi ypllanacaksa gönderme istemi (Recjuest to send) işareti modeme yollanır.

(4) Bu ( + V , + 12V) işaretini 4 no.lu pinden alan Mo dem, araya seçilebilen bir gecikme (15 msn, 35 msn, S5 msn, 235 msn) koyarak terminal ya da EBİ M'e gön dermeye hazır (Ready for Sending) + V gerilimli işareti 5 no.lu pinden yollar.

(5) Şimdi artık Modemle terminal ya da EBİ M arasında anlaşma kurulmuştur. Karşı tarafa faydalı bilgi 2 no.lu pinden modem ve hat üzerinden yollanmaya başlanabi lir.

(RTS ve RFS) gönderme istemi ile göndermeye hazır işa retleri arasındaki gecikme süresince hatta senkronizasyon işareti denilen devamlı 1111 yollanır. Modülatör Kontrol işareti ise gönderme istemi gelmesiyle birlikte modülatö rü aktif hale getirir.

Şimdi Modem, alıcı olarak çalışırken ara bağlantı devre lerindeki durumu inceleyelim :

(1) Karşı taraftan bir işaret yollandığında arabağlantı devrelerine 22 no.lu kart pininden giren taşıyıcı işaret, be lirli bir seviyeyi ( 4 0 dB) geçtikten ve araya bir (9,4 msn) lik gecikme ilave edildikten sonra, Demodülatör kontrol işareti yardımıyla alıcıyı aktif hale getirir.

a) Sistem 4 telli ise, alıcı ve verici aynı sayıda aktif ola bilmelidir. Bu durumda vericiye gönderme istemi, alıcıya ise taşıyıcı işaret yön verecektir. 8 no.lu pinden termina le ya da EBİM'e giden, taşıyıcı işaretin varlığını bildiren işaret 9,4 msn gecikme ile gitmektedir.

b) Sistem 2 telli ise, taşıyıcı işaret olsa bile, sisteme gön derme istemi yön vermektedir. Gönderme istemi varsa (+ V) sistem verici, yoksa, taşıyıcının varlığına göre, sis tem alıcı olmaktadır. Ayrıca, gönderme istemi (OFF) du rumuna geçer geçmez, sistemde olabilecek yansımalar dan (eko) modem hemen alıcı hale geçip gönderdiğini demodüle edebilir. Bunu mahzuru önlemek için gönder me isteminin (OFF) a geçişi ile taşıyıcı detektörünün (ON) haline geçişi arasında seçilebilir, (örneğin 10 msn) bir gecikme konabilir (Echo delay clamp).

Ara bağlantıda ayrıca, Modem'den dış ortama giden, sis temi senkron hale getirecek, verici ve alıcı saat işaretleri de bulunacaktır (15 ve 17 no.lu pin'ler).

5.4. Dengeleyici

Sistemin minimum hata olasılığı ile çalışabilmesi için, örnekleme anlarındaki işaretler arası karışımın (Inter symbol 1nterference) en aza indirilmesi gerekir.

Bunun için, sonuçtaki işaret spektrumu Nyquist Kriteri ni sağlamak zorundadır.

CCITT tarafından tavsiye edilen hat işareti spektrumu Nyquist Kriterini sağlayan "Raised Cosine" spektrumu na dönüşmesi için gerekli alıcı filtre alıcıya eklenmiştir.

Alıcı filtrenin 1800 Hz civarında, istenen ideal karakte ristiğe daha da yaklaşabilmesi için, 3. karta bir ön denge leyici devre daha sisteme eklenmiştir. Bu devre, kesim frekansı 2700 Hz olan bir 3° Butterworth, alçak geçiren ve kesim frekansı 900 Hz olan bir yüksek geçiren RC devresidir (Şekil 13).

2Ü

h) Ticari ve iş haberleşmesi i) Banka, tıp ve eğitim alanları gösterilebilir.

Son olarak, şu anda dünyada ticari anlamda kullanıl.ın 9600 bits/s hızında çalışan Modemler olduğu gibi, 2 tel üzerinden "full duplex" 2400 bits/s hızında bilgi iletimi de mümkün olabilmiştir.

Yakın bir gelecekte, ülkemizde de bir bilgi ağının kurula rak, her birimin bir bilgisayar edinmesi yerine, terminal ve modem ikilisiyle merkezi tek bir kompütere bağlanma yoluna giderek veri iletim problemlerini optimum bir biçimde çözmek mümkün olacaktır.

C3

* Û o o o

Şekil 13 3. derece 2700 Hz kesim frekanslı alçak geçi ren Buttervvorth LC filtresi.

Böylece, istenen genlik karakteristiğine yaklaşılmak la birlikte, grup gecikme karakteristiğini de düzelt mek gerekir. Bunun için filtre arkasına parametreleri b = 3,1 ; f o = 1950 olan bir tüm geçiren devre eklenir. 6. SONUÇLAR Modemlerin uygulanma alanlarını kısaca özetlenirse : a) İdari ya da teknik bilgi iletimi b) Merkezileştirilmiş bilgi işlemi c) Bilet rezervasyonu d) Güç santralı kontrolü e) Süreç (Proses) kontrolü f) Hava trafiği kontrolü g) Uzaktan gazete basımı

YARARLANILAN KAYNAKLAR (1) J.R. Davey, "Modems", Proc. IEEE, Vol. 60, No. 11, p. 1284 1292, Nov. 1972.

(2) Seymour T. Levine, "Focus on Modems and Mul tiplexers", Electronic Design, No. 22, p. 68 87, Oct. 25,1974.

(3) J,R, Edwards, "A Comparison of Modulation Schemes for Binary DataTransmission",The Radio and Electronic Engineering, Vol. 43, No. 9, p. 562 568, Sept. 1973.

(4) J.T.L. Sharpe, 'Techniques for High Speed Data Transmission över Voice Channels", Electrical Communication, Vol. 46, No. 1, p. 24 31, Jan. 1971.

(5) Special issue on Computer Communication, Proc. IEEE, Nov. 1972.

(6) R.W. Lucky, J. Saltz, E.J. VVeldon, Jr., "Principles of Data Communication, Mc.Graw Hill, New York, 1968.

(7) P.J. Van Gervven, N.A.M. Verhoeckx, H.A. Van Essen, F.A.M. Snijders, "Microprocessor Implemen tation of High Speed Data Modems", IEEE Trans. Comm., Vol. COM 25, No. 2, p. 238 250, Feb. 1977.

(8) P.J. Van Genven, Van Der Wurf, "Data Modems with Integrated Filters and Modulators", IEEE Trans. Comm. Tech., Vol. COM 18, pp. 214 223, June1970.

(9) R.W. Lucky, "Techniques for Adaptive Equali zation of Digital Communication Systems", B.ST.J., Vol. 45, No. 2, p. 255 286, Feb. 1966.

(10) H. Rudin, Jr., "Automatic Equalization Using Transversal Filters", IEEE Spectrum, p. 53 59, Jan. 1967.' (11) M.M. Sondhi, "An Adaptive Echo Canceller", B.S.T.J. Vol. 46, No. 3, p. 497 511, Mar. 1967.