Chapter 4 Radio Frequency (RF) Communications

1. Chapter 4Radio Frequency (RF) Communications Dr Lami Kaya

2. 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

3. 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; bilgiyitoplama, • iletim için hazırlama, ve • paylaşılan fiziksel ortam üzerindeniletmemekanizmasına sahip olmalıdır. • Benzer şekilde;hedef için bilgiyi çözümleme ve teslim etme mekanizması gereklidir.

4. Conceptual View of a Communication System

5. A conceptual framework for a data communications system: • Multiple sources send to multiple destinations through an underlying physical channel • Veri iletim sistemi taslağı: • Fiziksel bir altyapı ile birden fazla kaynak birden fazla hedefe gönderi yapar. 5

6. Verici/göndericikısmın işlemesi Processing at the transmitter/sender end

7. Alıcı kısımın işlemesi Processing at the receiver end

8. 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.

9. EM Spectrum

10. Propagation of Radio Waves • The general rule of propagation is the inverse-square 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

11. Radyo Dalgalarının Yayılımı • Genel yayılım kuralı ters-kare kanunudur • EM kuvveti,iletimin yapıldığı mesafeye göre azalır (1/x2) • Yerden iletilen radyo dalgalarıters-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

12. Radio Wave Propagation Characteristics

13. Radyo Dalgalarının Yayılım Özellikleri

14. Ionosphere

15. Radio Wave Properties • RF energy has two types of properties • Wave properties • Length • Height • Speed • Particle properties

16. Radyo Dalgalarının Özellikleri • RF enerjisinin iki tip özelliği vardır • Dalga özellikleri • Uzunluk • Yükseklik • Hız • Tanecik özellikleri

17. Radio Wave Properties • In general, RF waves has the following characteristics: • Amplitude • Frequency • Intensity • Phase • Polarization • Speed • Wavelength

18. Radyo Dalgalarının Özellikleri • Genel olarak, RF dalgaları şu özellikleri taşır: • Yükseklik • Frekans • Yoğunluk • Faz • Kutuplaşma • Hız • Dalgaboyu

19. 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

20. Dalgalar ve Sinyal Özellikleri Sinyallerin sinüs dalgalarıyla alakalı özellikleri: Frekans: birim zamandaki (genellikle saniyedeki) salınımsayısı Yükseklik: En yüksek ve en düşüksinyal yükseklikleri arasındaki fark Faz: Sinüs dalgasının başlangıcınınbelirli bir zamana görekaymamiktarı Dalgaboyu: sinyalin ortamda yayılırken yaptığı bir devir uzunluğu sinyalin yayılım hızıyla belirlenir Bu özellikler matematiksel olarak ifade edilebilr 20

21. 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

22. 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, frekansınıve fazını) değiştirir

23. Received Signals Ceiling Time TX RX Combined Results Obstruction Time Floor 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

24. Alınan Sinyaller Tavan Zaman TX RX Birleşik sonuç Engel Zaman Yer ÇokyolluBozunum • 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

25. Relationship of Wavelength and Frequency • Waves travel at various speeds, depending on the medium (copper cable, fiber-optic cable, vacuum, air) • For EM waves:

26. Dalgaboyu ve Frekans İlişkisi • Dalgalar, ortama bağlı olarakfarklı hızlarda yol alır (bakır kablo, fiber-optic kablo, boşluk, hava) • EM dalgalarda:

27. Analog and Digital Waves • Analog • Continuous-slow changes • Digital • Sudden-sharp changes

28. Analog ve Digital Dalgalar • Analog • Devamlı ve yavaş değişiklikler • Digital • Ani ve keskin değişiklikler

29. 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

30. 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

31. 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

32. Analog Sinyalin Digital’e Dönüştürülmesi PCM’in üç adımı İlk adım:örnekleme herbir ölçüm bir örnektir Örneksayısallaştırılır 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

33. Radio CommunicationsFrequency Band Usage

34. RF Sinyallerinin İletimiTransmitting RF Signals • Kaynak aygıt * Source device • Anten * Antenna • İletim ortamı * Transmission medium

35. Modulation (1) • Özellikler • Yükseklik • Frekans • Faz veya açı • Characteristics • Amplitude • Frequency • Phase or angle

36. Modulation (2)

37. Modulation (3)Example: Binary Phase Shift Keying

38. Çoğullama (Multiplexing)

39. Sinyallerin Çoğullanması Multiplexing Signals • Frekans-bölümüçoğullaması • Frequency-division multiplexing (FDM) • Kod-bölümüçoğullaması • Code-division multiplexing (CDM) • Zaman-bölümüçoğullaması • Time-division multiplexing (TDM) • Dalga-bölümüçoğullaması • Wave-division multiplexing (WDM) • Alan-bölümüçoğullaması • Space-division multiplexing (SDM)

40. 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

41. FDM • Bir grupradyo istasyonuaynı zamanda elektromanyetik sinyaller iletebilir • herbiri ayrı kanal (taşıyıcı frekansı) kullandıkça çakışmaolmaz • Tek bir bakır kablo üzerinden birden fazla taşıyıcı dalgası birlikte gönderilebilir • Tekilleyici, bazıfiltreleruygulayarak, taşıyıcı frekanslarına yakın, küçük frekans aralıkları çıkarır • FDM’de kullanılan filtreler sadece frekansları sınar • Eğer bir verici/alıcıçiftine belirli birtaşıyıcı frekansı atandıysa, FDM mekanizması sinyalin aslını bozmadan bu frekansı diğerlerinden ayırır

42. FDM

43. FDM

44. 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

45. 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

46. FDM

47. 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

48. TDM • zaman bölümü çoğullaması, basit olarak, “her kaynaktan sırayla bir miktar iletim yapmak” anlamına gelir • Veriler sıralı-parçalarhalinde gönderilir

49. TDM

50. TDM Çeşitleri (TDM Types)