Transcript Document 7461526

Chapter 4
Radio Frequency (RF)
Communications
Dr Lami Kaya
The Conceptual Pieces of a
Communication System
• Imagine a communication system that has multiple
sources of information and allows each source to
send to a separate destination
• How does such a system work?
– Each source needs a mechanism to gather the
information
– prepare the information for transmission
– and transmit the information across the shared physical
medium
– Similarly, a mechanism is needed that extracts the
information for the destination and delivers the
information
2
İletişim Sistemlerine Ait Bölümler
• Birden fazla bilgi kaynağı olan ve her kaynağın
farklı bir hedefe bilgi göndermesine izin veren bir
iletişim sistemi düşünün
• Böyle bir sistem nasıl çalışır?
– Her kaynak; bilgiyi toplama,
– iletim için hazırlama, ve
– paylaşılan fiziksel ortam üzerinden iletme
mekanizmasına sahip olmalıdır.
– Benzer şekilde; hedef için bilgiyi çözümleme ve teslim
etme mekanizması gereklidir.
3
Conceptual View of a Communication System
4
• Veri iletim sistemi
taslağı:
• Fiziksel bir altyapı ile
birden fazla kaynak
birden fazla hedefe
gönderi yapar.
• A conceptual framework
for a data communications
system:
• Multiple sources send to
multiple destinations
through an underlying
physical channel
5
Verici/gönderici kısmın
işlemesi
Processing at the
transmitter/sender end
Alıcı kısımın işlemesi
Processing at the
receiver end
RF Communications Basics
• Electromagnetic (EM) radiation
– See Fig. 4 – 1 alternating electrical and magnetic
waves running at a 90-degree offset (polarization)
to one another.
EM Spectrum
Propagation of Radio Waves
• The general rule of propagation is the inversesquare law
– EM’s strength degrades according to the distance
over which it is transmitted (1/x2)
• Radio waves transmitted from the ground
rarely fit the inverse-square calculations.
– They propagate differently based on their
frequencies
• LF, MF, HF, VHF, EHF
• See Table 4-1 for radio wave propagation characteristics
Radyo Dalgalarının Yayılımı
• Genel yayılım kuralı ters-kare kanunudur
– EM kuvveti, iletimin yapıldığı mesafeye göre azalır
(1/x2)
• Yerden iletilen radyo dalgaları ters-kare
hesabına genelde uyumlu değildir.
– Frekanslarına bağlı olarak farklı şekillerde yayılım
gösterirler
• LF, MF, HF, VHF, EHF
• Bkz Tablo 4-1: Radyo dalgalarının yayılım özellikleri
Radio Wave Propagation Characteristics
Frequency Range
Frequency Band
Propagation Characteristics
Low
300 KHz
Propagate near the ground, because of
diffraction by the curvature of the Earth
High
1 MHz
Don’t propagate near the ground
Shortwave
3 – 30 MHz
Reflect back to Earth off the ionosphere, able
to travel long distances
Very High
100 MHz
Line-of-sight, but will travel beyond the
horizon
Extremely High
1 GHz
Line-of-sight, but will travel beyond the
horizon
Radyo Dalgalarının Yayılım Özellikleri
Frekans Aralığı
Frekans Bandı
Yayılım Özellikleri
Düşük
300 KHz
Yerkürenin eğikliğiyle kırıldıkları için, yere
yakın yayılım gösterirler.
Yüksek
1 MHz
Yere yakın yayılım göstermezler.
Kısadalga
3 – 30 MHz
Yeryüzüne iyonosferden geri yansırlar, uzun
mesafe alabilirler.
Çok yüksek
100 MHz
Görülen alanda yayılabilir, ufuk çizgisini de
geçebilir
Son derece yüksek 1 GHz
Görülen alanda yayılabilir, ufuk çizgisini de
geçebilir
Ionosphere
Radio Wave Properties
• RF energy has two types of properties
– Wave properties
• Length
• Height
• Speed
– Particle properties
Radyo Dalgalarının Özellikleri
• RF enerjisinin iki tip özelliği vardır
– Dalga özellikleri
• Uzunluk
• Yükseklik
• Hız
– Tanecik özellikleri
Radio Wave Properties
• In general, RF waves has the following
characteristics:
– Amplitude
– Frequency
– Intensity
– Phase
– Polarization
– Speed
– Wavelength
Radyo Dalgalarının Özellikleri
• Genel olarak, RF dalgaları şu özellikleri taşır:
– Yükseklik
– Frekans
– Yoğunluk
– Faz
– Kutuplaşma
– Hız
– Dalgaboyu
Waves and Signal Characteristics
• Important characteristics of signals that relate to sine waves:
• Frequency:
– the number of oscillations per unit time (usually seconds)
• Amplitude:
– the difference between the maximum and minimum signal heights
• Phase:
– how far the start of the sine wave is shifted from a reference time
• Wavelength:
– the length of a cycle as a signal propagates across a medium
– is determined by the speed with which a signal propagates
• These characteristics can be expressed mathematically
19
Dalgalar ve Sinyal Özellikleri
• Sinyallerin sinüs dalgalarıyla alakalı özellikleri:
• Frekans:
– birim zamandaki (genellikle saniyedeki) salınım sayısı
• Yükseklik:
– En yüksek ve en düşük sinyal yükseklikleri arasındaki fark
• Faz:
– Sinüs dalgasının başlangıcının belirli bir zamana göre kayma
miktarı
• Dalgaboyu:
– sinyalin ortamda yayılırken yaptığı bir devir uzunluğu
– sinyalin yayılım hızıyla belirlenir
• Bu özellikler matematiksel olarak ifade edilebilr
20
Multipath Propagation
• Sometimes an RF signal can not take a clear
and direct path
– In home/office, any obstruction (such as walls,
furniture) can deflect an RF signal and cause it to
bounce around an area in many directions.
– When multipath happen, the delayed parts of the
transmitted signal can overlap
• When a signal overlap with another, a condition called
intersymbol interference (ISI) occurs
• Overlapping changes the shape (amplitude, frequency
and phase) of the signal
Çokyollu Yayılım
• Bazen bir RF sinyali açık ve düz bir yol takip
edemez
– Evde/ofiste, (duvar ve mobilya gibi) herhangi bir
engel, RF sinyalini saptırıp, bir alan içinde
yansıyarak yayılmasına sebep olabilir.
– Çokyollu yayılım meydana geldiğinde, iletilen
sinyalin geciken kısımları çakışabilir
• Bir sinyal diğeriyle çakıştığında, sembollerarası etkileşim
(ISI) denen durum ortaya çıkar
• Çakışma, sinyalin şeklini (yüksekliğini, frekansını ve
fazını) değiştirir
Multipath Distortion
• Occurs when an RF signal
has more than one path
between a receiver and a
transmitter
• RF take more than one
path
• Multiple signals cause
distortion of the signal
• Can cause high signal
strength yet low signal
quality
Ceiling
TX
RX
Obstruction
Floor
Received Signals
Time
Combined Results
Time
Çokyollu Bozunum
• Bir RF sinyali için alıcı ve
verici arasında birden fazla
yol olduğunda meydana
gelir
• RF birden fazla yol alır
• Çokyollu sinyaller sinyalin
bozulmasına sebep olur
• Yüksek sinyal kuvveti ve
düşük sinyal kalitesi
Tavan
TX
RX
Engel
Yer
Alınan Sinyaller
Zaman
Birleşik sonuç
Zaman
Relationship of Wavelength and
Frequency
• Waves travel at various speeds, depending on
the medium (copper cable, fiber-optic cable,
vacuum, air)
• For EM waves:
Dalgaboyu ve Frekans İlişkisi
• Dalgalar, ortama bağlı olarak farklı hızlarda yol
alır (bakır kablo, fiber-optic kablo, boşluk,
hava)
• EM dalgalarda:
Analog and Digital Waves
• Analog
– Continuous-slow changes
• Digital
– Sudden-sharp changes
Analog ve Digital Dalgalar
• Analog
– Devamlı ve yavaş değişiklikler
• Digital
– Ani ve keskin değişiklikler
Converting an Analog Signal to Digital
• Many sources of information are analog
– which means they must be converted to digital form for
further processing (e.g., before they can be encrypted)
• There are two basic approaches:
– pulse code modulation (PCM)
– delta modulation (DM)
• In PCM, the level of an analog signal is measured
repeatedly at fixed time intervals and converted to
digital form
• The acronym PCM is ambiguous
– because it can refer to the general idea or to a specific form
of pulse code modulation used by the telephone system
29
Analog Sinyalin Digital’e Dönüştürülmesi
• Birçok bilgi kaynağı analogdur
– yani işlemek için digital’e dönüştürülmelidir (mesela,
şifrelenmeden önce)
• İki temel yaklaşım:
– pulse code modulation (PCM)
– delta modulation (DM)
• PCM’de, analog sinyalin seviyesi belirli zaman
aralıklarıyla ölçülerek digitale dönüştürülür
• PCM kısaltması iki anlamlıdır
– genel anlamda da kullanılabilr, telefon sisteminde kullanılan
özel PCM için de kullanılabilir
30
Converting an Analog Signal to Digital
• The three steps used PCM
• First stage is known as sampling
• each measurement is known as a sample
• A sample is quantized
• by converting it into a small integer value
• the quantized value is not a measure of voltage or any other property
of the signal
• the range of the signal from the minimum to maximum levels is divided
into a set of slots, typically a power of 2
• Then encoded into a specific format
31
Analog Sinyalin Digital’e Dönüştürülmesi
• PCM’in üç adımı
• İlk adım: örnekleme
• herbir ölçüm bir örnektir
• Örnek sayısallaştırılır
• küçük bir tamsayı değerine dönüştürülür
• sayısallaştırılan değer, sinyalin voltajının veya başka bir özelliğinin
ölçümü değildir
• sinyal aralığı genellikle 2’nin kuvveti olan bir sayıya bölünür
• Sonra da belirli bir formata göre kodlanır
32
Radio Communications
Frequency Band Usage
RF Sinyallerinin İletimi
Transmitting RF Signals
• Kaynak aygıt
• Anten
• İletim ortamı
* Source device
* Antenna
* Transmission medium
Modulation (1)
Özellikler
•
•
•
Yükseklik
Frekans
Faz veya açı
Characteristics
•
•
•
Amplitude
Frequency
Phase or angle
Modulation (2)
Modulation (3)
Example: Binary Phase Shift Keying
Çoğullama (Multiplexing)
Sinyallerin Çoğullanması
Multiplexing Signals
• Frekans-bölümü çoğullaması
• Frequency-division multiplexing (FDM)
• Kod-bölümü çoğullaması
• Code-division multiplexing (CDM)
• Zaman-bölümü çoğullaması
• Time-division multiplexing (TDM)
• Dalga-bölümü çoğullaması
• Wave-division multiplexing (WDM)
• Alan-bölümü çoğullaması
• Space-division multiplexing (SDM)
FDM
• A set of radio stations can transmit electromagnetic
signals simultaneously
– without interference provided they each use a separate
channel (i.e., carrier frequency)
• It is possible to send simultaneously multiple carrier
waves over a single copper wire
• A demultiplexor applies a set of filters that each
extract a small range of frequencies near one of the
carrier frequencies
– A key idea is that the filters used in FDM only examine
frequencies
– If a sender/receiver pair are assigned a particular carrier
frequency
• FDM mechanism will separate the frequency from
others without otherwise modifying the signal
40
FDM
• Bir grup radyo istasyonu aynı zamanda
elektromanyetik sinyaller iletebilir
– herbiri ayrı kanal (taşıyıcı frekansı) kullandıkça çakışma
olmaz
• Tek bir bakır kablo üzerinden birden fazla taşıyıcı
dalgası birlikte gönderilebilir
• Tekilleyici, bazı filtreler uygulayarak, taşıyıcı
frekanslarına yakın, küçük frekans aralıkları çıkarır
– FDM’de kullanılan filtreler sadece frekansları sınar
• Eğer bir verici/alıcı çiftine belirli bir taşıyıcı frekansı
atandıysa, FDM mekanizması sinyalin aslını
bozmadan bu frekansı diğerlerinden ayırır
41
FDM
FDM
43
FDM
• Advantage of FDM
– simultaneous use of a transmission medium by
multiple pairs of entities
• We imagine FDM as providing each pair with a
private transmission path
– as if the pair had a separate physical transmission
medium
• Practical FDM systems there are some limitations
– If the frequencies of two channels are too close, interference can occur
– Furthermore, demultiplexing hardware that receives a combined signal must
be able to divide the signal into separate carriers
– FCC in USA regulates stations to insure adequate spacing occurs between the
carriers
– Designers choosing a set of carrier frequencies with a gap between them
known as a guard band
44
FDM
• FDM Avantajı
– iletim ortamının birden fazla çift tarafından eşzamanlı
kullanımı
• FDM’yi her çifte özel bir iletim yolu sağlanması
olarak düşünebiliriz
– çiftin ayrı bir fiziksel iletim ortamına sahip olması gibi
• Pratikte FDM sistemlerine bazı kısıtlamalar vardır
– Eğer iki kanalın frekansı birbirine çok yakınsa, çakışma olabilir
– Bununla beraber, çoğullanmış sinyali alan tekilleyici donanım sinyali ayrı
taşıyıcılara bölebilmelidir
– ABD’de bulunan FCC, taşıyıcılar arasında yeterli uzaklık bulunması için
düzenlemeler yapar
– Tasarımcılar, emniyet şeridi olarak bilinen aralıklar bulunduran taşıyıcı
frekanslar seçerler
45
FDM
46
TDM
• multiplexing in time simply means transmitting an
item from one source, then transmitting an item
from another source, and so on
• Items being sent in a round-robin fashion
47
TDM
• zaman bölümü çoğullaması, basit olarak, “her
kaynaktan sırayla bir miktar iletim yapmak”
anlamına gelir
• Veriler sıralı-parçalar halinde gönderilir
48
TDM
TDM Çeşitleri
(TDM Types)
Circuit Switching: FDM and TDM
Example:
FDM
4 users
frequency
time
TDM
frequency
time
1-51
Devre Değişimi: FDM ve TDM
Örnek:
FDM
4 kullanıcı
frekans
zaman
TDM
frekans
zaman
1-52
WDM
• WDM refers to the application of FDM to optical fiber
– Some sources use the term Dense WDM (DWDM) to
emphasize that many wavelengths of light can be employed
• The inputs and outputs of such multiplexing are
wavelengths of light
– denoted by the Greek letter λ, and informally called colors
• When white light passes through a prism
– colors of the spectrum are spread out
• If a set of colored light beams are each directed into a
prism at the correct angle
– the prism will combine the beams to form a single beam of
white light
53
WDM
• WDM, FDM’in optik fibere uygulanmasıdır
– Bazı kaynaklar birçok dalgaboyunun kullanılabilirliğini
vurgulamak için Yoğun WDM (DWDM) terimini kullanırlar
• Bu tür çoğullamanın giriş ve çıkışları ışığın
dalgaboylarıdır
– Yunan alfabesinden λ ile gösterilir, ve colors(renkler) da
denir
• Beyaz ışık prizmadan geçince
– ışık tayfının renkleri yayılır
• Bir grup renkli ışık ışını bir prizmaya doğru açılarla
yönlendirilirse
– prizma ışınları birleştirerek tek bir beyaz ışık ışını verir
54
WDM
• Prisms form the basis of optical multiplexing and
demultiplexing
– a multiplexor accepts beams of light of various wavelengths
and uses a prism to combine them into a single beam
– a demultiplexor uses a prism to separate the wavelengths.
55
WDM
• Prizmalar optik çoğullama ve tekillemenin temelini oluşturur
– çoğullayıcı, farklı dalgaboylarında ışık ışınlarını alır ve prizma
kullanarak onları tek bir ışında birleştirir
– tekilleyici, prizma kullanarak bu dalgaboylarını birbirinden
ayırır.
56
WDM
CDM
• Used in several wireless broadcast channels
– (cellular, satellite, etc)
• Unique “code” assigned to each user; i.e., code set
partitioning
• All users share same frequency
– but each user has own “chipping” sequence (i.e., code) to encode
•
•
Encoded signal = (original data) X (chipping sequence)
Decoding: inner-product of encoded signal and chipping
sequence
• allows multiple users to “coexist” and transmit
simultaneously with minimal interference
– if codes are “orthogonal”
6-58
CDM
• Birkaç kablosuz yayın kanalında kullanılır
– (cep telefonu, uydu, vs)
• Her kullanıcıya özel eşsiz(unique) bir “kod” atanır (kod
kümesi bölümlemesi)
• Tüm kullanıcılar aynı frekansı paylaşır
– ancak her kullanıcının “çip” sıralaması (şifreleme kodu) ayrıdır
• Kodlanmış sinyal = (asıl veri) X (çip sıralaması)
• Çözme: kodlanmış sinyal ve çip sıralamasının iççarpımı
• birden fazla kullanıcının “beraber bulunmasını” ve, küçük
çakışmalarla, eşzamanlı olarak iletişimde bulunmasını
destekler
– kodlar “birbirine dik” olmalıdır
6-59
CDM Encode/Decode
sender
d0 = 1
data
bits
code
Zi,m= di.cm
-1 -1 -1
1
-1
1 1 1
-1 -1 -1
slot 1
-1
slot 1
channel
output
1
-1
1 1 1 1 1 1
1
d1 = -1
1 1 1
channel output Zi,m
-1 -1 -1
slot 0
1
-1
-1 -1 -1
slot 0
channel
output
M
Di = S Zi,m.cm
m=1
received
input
code
receiver
1 1 1 1 1 1
1
-1 -1 -1
-1
1 1 1
1
-1
-1 -1 -1
-1
1 1 1
-1 -1 -1
slot 1
M
1
1
-1
-1 -1 -1
slot 0
d0 = 1
d1 = -1
slot 1
channel
output
slot 0
channel
output
6-60
CDM: Two-sender interference
6-61
CDM
Multiplexing Compared
Switching
•
The fundamental question:
how is data transferred
through net?
– circuit switching:
dedicated circuit per call:
telephone net
– packet-switching: data
sent thru net in discrete
“chunks”
Introduction
1-64
Anahtarlama
•
Asıl problem: ağ içinden veri
nasıl aktarılır?
– devre anahtarlama: her
arama için ayrı bir devre:
telefon ağı
– paket-anahtarlama: ağ
içinden veri ayrık
“parçalar” halinde
gönderilir
Introduction
1-65
Circuit Switching
End-end resources
reserved for “call”
• circuit-like (guaranteed)
performance
• call setup required
• network resources ( such as
bandwidth, capacity )
divided into “pieces”
– pieces allocated (dedicated)
to calls
– resource piece idle if not used
by owning call (no sharing)
Introduction
1-66
Devre Anahtarlama
Uç-uca kaynaklar “arama”
için ayrılır
• devre-gibi (garantili)
performans
• arama kurulumu gerektirir
• (bant genişliği, kapasite gibi)
ağ kaynakları “parçalara”
bölünür
– parçalar aramalara tahsis edilir
(ayrılır)
– sahip aramada kullanılmıyorsa,
kaynak parça boştadır
(paylaşımsız)
Introduction
1-67
Network Core: Packet Switching
each end-end data stream
divided into packets
• user A, B packets share
network resources
• each packet uses full link
bandwidth
• resources used as needed
resource contention:
 aggregate resource demand
can exceed amount available
 congestion: packets queue, wait
for link use
 store and forward: packets
move one hop at a time
 Node receives complete
packet before forwarding
1-68
Ağ Çekirdeği: Paket Anahtarlama
her uç-uca veri akımı paketlere
bölünür
• A, B kullanıcılarının paketleri
ağ kaynaklarını paylaşır
• her paket tam bağ bant
genişliği kullanır
• kaynaklar gerektikçe kullanılır
kaynak mücadelesi:
 toplu kaynak talebi kullanılabilir
miktarı aşabilir
 yığılım: paketler sıralanır, bağ
kullanımı için kuyrukta bekler
 biriktir ve ilet: paketler her
seferinde bir adım ilerler
 Düğümler, iletimden önce,
paketin tamamını almış olur
1-69
Wireless Evolution
•
•
•
•
•
•
1G
2G
2.5G
3G
4G
See Table on page 133 for details
Wireless Evolution
Wireless Evolution
Wireless Evolution
Spread-Spectrum (SS)
• SS modulates output signals to a much higher
bandwidth (BW) than the BW of the original’s
baseband information
• SS is used for secure digital communications for
wireless LANs, digital cellular telephones, and
some other radio modems
• SS have been used in military applications
– Because of its capability to resist jamming and its
resistance to interception
• SS is a wideband transmission technology
Yayılı-İzge (SS)
• SS, çıkış sinyanllerini, asıl anabant bilgisinin bant
genişliğinden, çok daha yüksek bant genişliğine
ayarlar
• SS, kablosuz LAN’larda, digital cep telefonlarında,
ve bazı radyo modemlerde, güvenli digital iletişim
için kullanılır
• SS askeri uygulamalarda da kullanılır
– Frekans bozmaya direnme yeteneği ve engellere
dayanıklılığı nedeniyle
• SS bir genişbant iletim teknolojisidir
SS Techniques
• SS uses two primary signal structuring
techniques
– Direct-sequence spread-spectrum (DSSS)
– Frequency-hoping spread-spectrum (FHSS)
SS Teknikleri
• SS başlıca iki sinyal biçimlendirme tekniği
kullanır
– Doğrudan-sıralı yayılı-izge (DSSS)
– Frekans-atlamalı yayılı-izge (FHSS)
SS Techniques
DSSS
•
•
•
DSSS uses a wide frequency range of 22 MHz all of the time.
The signal is spread out across the different frequencies.
Each data bit becomes a chipping sequence, or a string of chips that are
transmitted in parallel, across the frequency range.
– This is sometimes referred to as the chipping code.
•
Regulating agencies set a minimum chipping rate for the different supported
speeds.
– IEEE 802.11 uses 11 chips
DSSS
•
•
•
DSSS her zaman 22 MHz’lik geniş bir frekans aralığı kullanır.
Sinyal farklı frekanslar üzerinden yayılır.
Her veri biti bir çip sıralaması, veya frekans aralığı üzerinden paralel iletilen
çip dizisi haline gelir.
– Bazen buna çip kodu da denir.
•
Denetleyiciler desteklenen farklı hızlar için en düşük çip oranını belirler.
– IEEE 802.11 11 çip kullanır
DSSS
FHSS
• FHSS is a spread spectrum technique that uses frequency agility
to spread data over more than 83 MHz of spectrum.
• Frequency agility is the ability of a radio to change transmission
frequency quickly, within the useable RF frequency band.
FHSS
• FHSS 83 MHz izgeden daha yüksek veri yayını yapmak için
frekans çevikliğini kullanan bir yayılı izge tekniğidir.
• Frekans çevikliği, bir radyonun iletim frekansını, RF frekans bandı
içerisinde, hızlı değiştirebilme yeteneğidir.
FHSS
FHSS x DSSS
Band Categorization
• Broadband
– Carry several channels over a single transmission medium
• Baseband
– Use entire communication medium to transmit a single data
stream
• Narrowband
– A single channel that provides the capacity of a single voicegrade line
• Typically ranges 64 – 300 Kbps
• Wideband
– Use multiple channels of a medium to provide high-speed
transmission capabilities
• Typically ranges 1.544 – 45 Mbps
Bant Sınıflandırması
• Broadband
– Tek bir iletim ortamı üzerinden birkaç kanal taşır
• Baseband
– Tüm iletişim ortamını tek bir veri akışını iletmek için
kullanır
• Narrowband
– single voice-grade line kapasitesi temin eden tek bir kanal
• Genellikle 64 – 300 Kbps aralığında bulunur
• Wideband
– Yüksek hızda iletim yeteneği sağlamak için bir ortamın
birden fazla kanalını kullanır
• Genellikle 1.544 – 45 Mbps aralığında bulunur