Modem Haberleşme Temelleri

[Constantin]

MODEM HABERLEŞME TEMELLERİ
1 TEMEL KAVRAMLAR
1.1 Giriş
İki nokta arası haberleşmenin yapısı ve temel özellikleri, insanlar arasında doğal olarak oluşmuş bulunan karşılıklı konuşma kuralları göz önünde tutularak benzer kurallar üzerine oturtulmuştur. İki insanın karşılıklı olarak konuşması esnasında kendiliğinden ortaya çıkan bu kurallar iki nokta arasında gelişen haberleşmenin temellerini oluşturmaktadır.
İki nokta arası haberleşmenin dayandığı temel kurallar aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir;
İki nokta arası haberleşmenin her iki tarafını oluşturan birimlerin, herhangi bir nedenden dolayı oluşan veri kayıplarını düzeltebilecek yapıda olması gereklidir. Karşılıklı konuşma sırasında dinleyen kişinin anlamadığı zaman karşıdaki kişiden tekrarını istemesi ve konuşan kişinin tekrarlamasına karşılık gelir.
Karşılıklı iki tarafın aynı anda haberleşme isteğinde bulunmaması kuralı, iki nokta arası haberleşmenin ilk kurallarının konulduğu dönemde geçerli olan fakat günümüzdeki teknolojik gelişim içinde işlerliğini yitiren bir özelliktir. Karşılıklı konuşmada aynı anda sadece bir kişinin konuşması prensibine dayandırılmıştır. Modem haberleşmesinde bu özellik, yarı çift yönlü ve tam çift yönlü uygulama olarak karşımıza çıkar. Modülasyon standardına göre uygulama biçimi de değişiklik göstermektedir.
Haberleşen her iki tarafın, haberleşme sırasında karşı tarafın veriyi doğru algılayıp algılamadığını sorması temelde oluşturulmuş bir kuraldır. Konuşan kişinin belirli bir süre sonunda susup dinleyen kişiye anlayıp anlamadığını sorması özelliğinden çıkılarak geliştirilmiştir. Hata algılama ve düzeltme algoritmaları içerisinde bu özellik desteklenmektedir.
Yukarıda bahsedilen temel kurallar insanlar arasındaki iletişimin tabii kurallarına benzerlik göstermektedir. Geçmişten günümüze kadar geliştirilmiş bulunan tüm haberleşme yapılarında kullanılan algoritmalarda tasarımcılar insanları örnek almışlardır. Dikkatli incelendiğinde; haberleşme içinde bulunan iki cihaz, iki insanın karşılıklı konuşmasına benzer bir şekilde veri iletişiminde bulunurlar.
1.2 Haberleşme Yapıları
İki nokta arası haberleşmenin her iki tarafını oluşturan birimlere cihaz adı verilir. Veri iletişimi, iki cihaz arasında değişik haberleşme kanalları üzerinden yapılabilir (hava, fiber optik, bakır tel v.b.). Her cihaz; verici (sadece veri gönderen), alıcı (sadece veri alan) veya hem verici hem alıcı (aynı anda veri gönderip alan) pozisyonlarında olabilir. Bundan dolayı, üç farklı haberleşme yapısı tanımlıdır. Modem haberleşmesinde; bakır tel haberleşme kanalı, modem ile modeme bağlı olan terminal ise cihaz olarak adlandırılır.
1.2.1 Basit Haberleşme
Haberleşen her iki cihazdan birisi sadece veri gönderir. Karşı tarafta bulunan cihaz, gönderilen verileri alır (Şekil 2.1). Diğer yönde veri iletişimi mümkün değildir. Haberleşme sistemi ve haberleşme kanalı buna imkan vermez. Bu tür haberleşme yapısına en iyi örnek televizyon haberleşmesidir. Televizyon gönderilen verileri sadece alabilir. Veri gönderme yeteneğine sahip değildir.
1.2.2 Yarı Çift Yönlü Haberleşme
Haberleşen cihazlardan her biri aynı anda ya veri gönderen ya da veri alan konumunda olabilir (Şekil 2.2). Dolayısı ile, haberleşme herhangi bir anda sadece tek yönde olmaktadır. Bu haberleşme biçimine en iyi örnek telsiz haberleşmesidir.
1.2.3 Tam Çift Yönlü Haberleşme
Haberleşen cihazlardan her biri, aynı anda hem veri gönderen hem de veri alan durumundadır (Şekil 2.3). Dolayısı ile, haberleşmenin herhangi bir anında gönderme ve alma işlemi yapılabilir. Bu haberleşme biçimine en iyi örnek telefon haberleşmesidir.
Tam çift yönlü haberleşme yapısının oluşturulmasında çeşitli metotlar kullanılmaktadır. Veri iletişiminde tek haberleşme kanalı varsa; her cihaz, haberleşme kanalının değişik frekans bölgelerini veri gönderme ve alma işlemi için kullanır. Diğer bir yöntem ise; iki ayrı haberleşme kanalı kullanmaktır. Tek haberleşme kanalındaki frekans paylaşımlı tam çift yönlü haberleşme yapısına örnek olarak dial-up ve 2 tel-kiralık devre modem haberleşmesi, iki ayrı haberleşme kanallı tam çift yönlü haberleşme yapısına ise örnek olarak 4 tel-kiralık devre modem haberleşmesi verilebilir.
1.3 Protokol
Veri haberleşmesinin gerçekleştiği her iki cihaz arasındaki iletişiminin sağlıklı olarak yürüyebilmesi, varolan çeşitli kurallara bağlıdır. Bu kuralların her iki cihaz tarafından bilinmesi ve yürütülmesi gereklidir. Bu kurallara genel olarak protokol denir. Protokol ana başlığı altında değişik kavramlar ve kurallar tanımlanmıştır.
1.3.1 Bilginin Kodlanması
Karşılıklı olarak veri iletişimini gerçekleştiren her iki cihaz veriyi aynı yapıda kodlamalı ve çözmelidir. Cihazlar arasındaki iletişim; bit, 4 bitlik grup (nibble) veya 8 bitlik grup (byte) yapısında olabilmektedir (Şekil 2.4). Bir cihazın veriyi byte yapısında göndermesi karşıdaki cihazın veriyi byte yapısında değerlendirmesini gerektirir. Aksi taktirde verinin doğru iletilmesi mümkün değildir. Eşzamansız haberleşme bit yapısında, eşzamanlı haberleşme ise byte yapısında tanımlanmıştır.
1.3.2 Kontrol
Haberleşmenin sağlıklı yürüyebilmesi için iki nokta arasında çeşitli kurallar oluşturulmuş ve standartlaşmıştır. Hangi tür veri haberleşmesi olursa olsun veriler çerçeve yapısında iletilir. Çerçeve içerisinde kontrol niteliği taşıyan bit veya byte’ lar temel olarak; kaynak adresi, alıcı adresi, mesaj tipi, mesaj uzunluğu, ACK, NACK, çerçeve başı, çerçeve sonu ve “2.5 Eşzamansız ve Eşzamanlı Haberleşme Yapıları” bölümünde açıklanan eşlik ve CRC gibi bilgileri içerir Kontrol niteliğinde kullanılan bilgilerin görevi, faydalı veri iletişiminin sağlıklı olarak gerçekleşmesini sağlamaktır. Veri iletişiminin verimliliği, kullanılan kontrol bilgilerinin faydalı veriye oranına bağlıdır. İletişimin sağlıklı olarak yürütülmesinden taviz vermeden, kontrol bilgilerinin faydalı veriye olan oranını daha da azaltmak iletişimin verimliliğini arttırır. Eşzamanlı haberleşmedeki verim, eşzamansız haberleşmeye göre daha yüksektir. Dolayısı ile; eşzamanlı haberleşme hızın önemli olduğu yerlerde özellikle tercih edilir.
1.3.3 Hata Algılama ve Düzeltme
İki insan karşılıklı konuşurken; dinleyen tarafın anlamaması durumunda anlatan kişiden tekrarını istemesi, anlatan kişinin de bunun üzerine tekrar etmesi kendiliğinden ortaya çıkan doğal bir davranış biçimidir. Aynı şekilde iletişim sırasında oluşabilecek bir hatayı algılayabilmek ve algılanan bu hatayı düzeltebilmek haberleşmenin doğruluğunu ve güvenilirliğini etkiler. Dolayısı ile hata algılama ve düzeltme mekanizmaların haberleşme protokolü içinde oturtulmuş olması gereklidir.
Verici tarafından gönderilen veri, alıcıya haberleşme kanalından geçerek iletilmektedir. Dolayısı ile; hatanın oluşmasında haberleşme ortamının niteliği önem kazanmaktadır. Modem haberleşmesinde kullanılan haberleşme ortamı çift bükülmüş bakır tel kablodur. Bu haberleşme ortamı 300 – 3500Hz bant genişliğine sahiptir. Kullanılan haberleşme sinyalleri, bu bant genişliği içinde bulunan frekanslardır. Sınırlı bant genişliği, iletişimde kullanılan sinyaller ve ortam gürültüsünden dolayı veri iletişiminde hatalar oluşabilmektedir. İletişim sırasında oluşan hataları algılayabilmek kullanılan bir takım kontrol bilgileri ile mümkün olmaktadır. Eşzamansız haberleşmede eşlik kontrol biti, eşzamanlı haberleşmede ise CRC kontrol byte’ ı kullanılır. (Bakınız : “2.5 Eşzamansız ve Eşzamanlı Haberleşme Yapıları”) Hatanın algılanmasından sonra, oluşan hatanın nasıl giderileceğinin hata düzeltme algoritmaları ile belirlenmiş olması gerekir. Şekil 2.6’ da görüldüğü gibi paket kaybında hedef cihaz, kaybolan paketi numarası ile kaynak cihazdan istemektedir.
1.3.4 Haberleşme Kanal Verimliliği
Kullanılan haberleşme kanalının verimliliğinin, protokol içinde ele alınmış olması gerekmektedir. Kullanılan haberleşme kanalının özellikleri ve nitelikleri göz önünde tutularak modülasyon teknikleri geliştirilmiştir. Haberleşme ortamının özelliklerine uygun işaretleşme sinyallerinin kullanılması, hata oluşumunu engeller. Bunun yanında; faydalı bilginin sağlıklı olarak iletilmesini sağlamak amacı ile kullanılan kontrol bilgileri, kanal verimliliğinde önemli rol oynar. Haberleşmenin güvenilirliğinden ödün vermeden kontrol bilgilerini azaltabilmek kanal verimliliğini arttırır. Ayrıca protokolde oturtulmuş algoritmalarında kanalın verimli kullanılıp kullanılmamasında önemli bir etkisi vardır.
1.3.5 Eşzamanlı Çalışma
Veri iletişimi sırasında her iki tarafın, uygun adım içinde kalmaları yani birbirlerini anlamaları garanti altına alınmış olmalıdır. Daha öncede belirtildiği gibi veri iletişimi çerçeve yapısındadır. Çerçeve başı ve çerçeve sonu kontrol bilgileri yardımı ile her iki cihaz karşılıklı olarak birbirlerine ayak uydururlar. Bir başka deyişle eşzamanlı çalışmayı sağlarlar. Eş zamanlamanın kaybolması veri haberleşmesinin bozulmasına sebep olur. Çerçeve başı ve sonu bilinemediği için çerçevenin yorumlanması mümkün olamaz. Çerçeve başı bilgisinin yakalanması eş zamanlamanın tekrar sağlandığı anlamına gelir.
1.3.6 Saydamlık
Veri iletişimini destekleyen mekanizmanın taraflardan saklanabilmesi sağlanmalıdır. Haberleşmedeki fiziksel yapı, iletişimin protokolleri ve kuralları haberleşmeyi gerçekleştiren tarafları ilgilendirmemelidir. Bu tabakasal bir mimarinin kurulmuş olması ile mümkündür.
2 MODEM DONANIM ÖZELLİKLERİ
Modem, veri haberleşmesinde kullanılan bir haberleşme cihazıdır. Temel prensibi, verileri ikili sayısal yapıdan analog yapıya dönüştürerek yaygın olarak kullanılan telefon hatları üzerinden iletmektir. Telefon hatları, insan sesinin frekans spektrumu olan 300 – 3500Hz’ lik bant ile sınırlı olduğu için modemlerde bu frekans bandını kullanmak zorundadır. Modemleri, aralarındaki bağlantıların fiziksel yapısına ve iletişimde kullanılan paket biçimine göre sınıflandırmak mümkün olmaktadır.
Dial-up bağlantıda telefon şebekesi kullanılır. Modem telefon hattını alır ve bağlantı kuracağı modemin telefon numarasını arayarak bağlantı kurulur. Arayan modem arayan (Orginate), aranan modem cevaplayan (Answer) konumundadır. Veri iletişimi telefon santralleri üzerinden gerçekleştirilir. Kiralık devre bağlantı şeklinde ise; iki modem uzun süre arada telefon santrali olmadan veri iletişimi yaparlar. 2 veya 4 tel bağlantı olmak üzere iki bağlantı şekli vardır.
Modemlerde değişik modülasyon teknikleri kullanılarak aynı iletişim ortamında veri hızının artımı sağlanabilmektedir. Modem hızlarının artmasını engelleyen faktörlerin başında frekans bandının sınırlı olması ve iletişim ortamlarının karakteristik özellikleri gelir. Şekil 2.8’ de modeme ait genel blok diyagram gösterilmiştir.. Modem sayısal ve analog olarak iki kısımdan oluşur. Sayısal kısım; mikroişlemci devreleri, bellekler, ışıklı gösterge devreleri ve V.24 arabirim devrelerini içerir. Analog kısım ise; koruma devreleri, hat erişim devreleri, hibrit devreleri ile modülasyon ve demodülasyonun yapıldığı MAFE (Modem Analog Frond End) devrelerinden oluşur.
Koruma devreleri, telefon hatlarından gelebilecek sürekli 220V değmesi veya yıldırım düşmesi gibi zararlı etkilerden hat erişim devrelerinden itibaren modem iç devrelerini korumak amacı ile kullanılırlar. Hat erişim devreleri, modemin dış hat arabirimi optik ve galvanik izolasyon sağlayarak oluşturan devrelerdir. Zilin algılanması, bağlı bulunan telefon santraline döngü akımının akıtılması gibi işlemleri bu devreler gerçekleştirir
Zil algılama devresi, optik izolasyon sağlayarak elektriksel zil işaretini sayısal işarete dönüştürür. Bağlı bulunan telefon santraline hat alındığında, sabit DC akım devresi ile döngü akımının akıtılması sağlanır. İzolasyon trafosu, galvanik izolasyon gerçekleştirmek amacı ile kullanılır.
Kiralık devre modem dış hat arabirim devresinde ise, galvanik izolasyonun sağlandığı izolasyon trafosu bulunur.Telefon haberleşmesi; gönderilen ve alınan işaretlerin Tip ve Ring üzerinde aynı anda bulunması ile Tip ve Ring uçlarının birbirlerine göre dengeli olması özelliğine sahiptir. Bundan dolayı; modem dış hat arabirim devresinde bulunan izolasyon trafosu çıkışında tek tel üzerinde giden ve gelen modülasyonlu işaretler bulunur (2 tel dengesiz iletişim). 2/4 tel hibrit devreleri yardımı ile gönderilen ve alınan modülasyonlu işaretler birbirinden ayrılır
MAFE devreleri modülasyon ve demodülasyon işleminin gerçekleştiği kısımdır. Mikroişlemci devrelerinden gelen sayısal işaret modüle edilerek 2/4 tel hibrit devrelerine gönderilir. Aynı şekilde dış hattan gelen modülasyonlu işaret demodüle edilerek mikroişlemci devrelerine gönderilir. Modüle ve demodüle işlemleri sayısal işaret işlemcileri ile gerçekleştirilir.
Modemin çalışmasının kullanıcı tarafından kolay izlenebilir olması gereklidir. Bunun için modemlerde ışıklı göstergeler ve hoparlör gibi elemanlar kullanılır. Işıklı göstergeler yardımı ile modemin çalışması, bağlantıda olması, veri iletişimi ve fiziksel bağlantıların durumu gibi modem haberleşmesine ait değişik durumlar gözlemlenir. Ayrıca modem haberleşmesinde, modülasyonlu ve demodülasyonlu işaretlerin duysal olarak işitilmesi modemin çalışması hakkında fikir verir.
Modemin tüm işlemleri, mikroişlemci devreleri tarafından program belleğinden yürütülen modem programı ile gerçekleştirilir. Modemin ayar profili genellikle EEPROM üzerinde saklanır.
V.24 arabirim devrelerinde ise, terminalden modeme gelen elektriksel işaretler sayısal işaretlere ve modemden terminale gönderilmek istenen sayısal işaretler V.24 standardına uygun elektriksel işaretlere dönüştürülür.
3 MODEM BAĞLANTI HATLARININ İNCELENMESİ
Modemler; ikili bükülmüş bakır teller kullanılarak, telefon santralleri üzerinden dial-up veya direkt olarak (kiralık devre) birbirlerine bağlanırlar. Telefon ve modem haberleşmesinde haberleşme ortamı olarak kullanılan bakır tel özellikleri, genel olarak 4 başlık altında toplanabilir;
3.1 Ortalama Bant Genişliği
Telefon haberleşmesinin geliştirildiği dönemlerde; kullanılacak kablolar insanların konuşma karakteristiğine göre tasarlanmışlardır. İnsanların kullandıkları frekans bölgesi; 300Hz bölgesinden başlayarak 3500Hz bölgelerine kadar çıkar. İnsanın bulunmuş olduğu ruh hali ve fizyolojik yapısı insanın kişisel konuşma frekans bandını belirler. Geniş bir frekans bölgesine sahip hattın maliyeti de fazla olmaktadır. Dolayısı ile telefon hatları sadece insan konuşmalarının iletimi için tasarlanmıştır. Modemler daha sonra geliştirilmiş cihazlar oldukları için varolan telefon şebekesini kullanabilmeleri amaçlanmıştır. Bunun için, modemler iletişimlerini bu bant içinde yapmak zorundadırlar.
Ortalama Bant genişliği, seçilen referans frekansına göre 3dB zayıflamanın olduğu frekanslar arası tanımlanmıştır. Kuzey Amerika’da referans frekansı 1KHz, Avrupa’ da ise 800Hz kullanılır
3.2 Modülasyonlu İşaret Frekans Genlik Değişimi
İletişim kanalının frekans bandında (300-3500Hz); veri haberleşmesinde kullanılan modülasyonlu işaretlerin, frekans bileşenlerinin genlikleri CCITT G.132 olarak bilinen standart ile karakterize edilmiştir.
G.132 standardı; 1KHz referans frekansının genlik seviyesine göre, 300 – 3500Hz arasındaki frekans bileşenlerinin genlik seviyeleri arasındaki farklılıkların hangi sınırlar arasında kalması gerektiğini tanımlar (Şekil 2.11).
3.3 Gürültü
Mutlak sıcaklık ve boltzmann sabiti ile orantılı olan ısısal gürültü ortalama olarak oda sıcaklığında -100dBm seviyesinde oluşan beyaz gürültüdür. Bu gürültü biçiminin engellenmesi mümkün değildir. Pratik çalışmalarda beyaz gürültü sınırı -60dBm olarak kullanılır.
Kilometreler boyunca yan yana giden farklı hatlar arasındaki kapasitif etki sonucu sembol karışmaları (crosstalk) ortaya çıkar. Bu etkiyi azaltmak amacı ile aynı hattı oluşturan kablolar birbirlerine dolanır ve dengeli iletişim kullanılır.
3.4 Faz Gecikmesi
Çeşitli frekans bileşenlerine sahip işaret, iletişim ortamından geçerken frekans bileşenleri farklı gecikmelere uğrar (Şekil 2.12). Bu gecikme bant ortasında az olmakla birlikte bant kenarlarına ve bant dışına çıkmalarda artar. Bu kanal özelliğinden dolayı, hatlarda çıkılabilecek hızlar sınırlı kalmaktadır. Yüksek hızlarda önce gönderilen modülasyonlu işaretin sonraki işarete göre geride kalma problemi ortaya çıkar. Sonuç olarak, iki veri arasındaki bekleme süresi gecikmeden fazla olmalıdır. Bu da, iletişim hızını sınırlamaktadır.
4 CCITT V.24 ÖZELLİKLERİ
CCITT V.24 veya RS-232C olarak bilinen standart, veri terminal cihazı (DTE) ve veri haberleşme cihazı (DCE) arasındaki bağlantı ve haberleşme özelliklerini belirler. Şekil 2.13’ de iki nokta arası modem haberleşmesinin genel yapısı görülmektedir. Şekil 2.14’ de ise DTE ve DCE arasında tanımlanmış olan CCITT V.24 bağlantı yapısı verilmiştir.
Modem haberleşmesinin başlayabilmesi DTE – DCE arası fiziksel bağlantının kurulmuş olması ile mümkündür. DTR ve DSR bağlantılarının karşılıklı olarak aktif olması bu fiziksel bağlantının kurulduğunu gösterir. Karşılıklı olarak modemlerin bağlantı kurması terminallere DCD bağlantısı aktif edilmesi ile bildirilir. Modem bağlantısının kurulması ile TxD ve RxD bağlantıları veri iletişimini DTE – DCE arasında gerçekleştirir.
Terminal veri gönderdiği süre boyunca RTS’ i aktif etmek zorundadır. Eğer Terminal hızı bağlantı hızından yüksek ise ve terminalden sürekli olarak bilgi akışı varsa modemin tampon belleğinin dolması kaçınılmaz bir sonuçtur. Bu durumda veri akışının kesilmesi gerekmektedir. Buda modemden CTS işaretinin aktif edilmesi ile olur. CTS’ in aktif olduğunu gören terminal RTS’ i keserek veri akışını durdurmak zorundadır. Bu olaya RTS-CTS el sıkışması denir.
Şekil 2.15’ de V.24 standardında 1 ve 0 bölgeleri görülmektedir. 1 ve 0 işaretinin elektriksel değeri nominal +12V ve -12V tur.
Bu şekilde simetrik kullanılması ile zamanda yapılan iletişimden dolayı hat üzerinde oluşan DC seviye sıfıra yakın tutulur. Bundan dolayı; V.24 bağlantısı uzak mesafelere kolaylıkla taşınabilir.
5 EŞZAMANSIZ VE EŞZAMANLI HABERLEŞME YAPILARI
Modemler bağlantı kurduktan sonra veri iletişimini iki farklı yapıda gerçekleştirirler. Bunlar eşzamansız ve eşzamanlı veri yapılarıdır.
5.1 Eşzamansız Veri Yapısı
Çerçeve başlangıç biti, veri bitleri, eşlik biti ve çerçeve sonu bitinden oluşan bir çerçeve yapısıdır. Aylak olarak 1 pozisyonunda bulunan veri hattı bir bit süre ile 0 konumuna çekilerek çerçeve başlangıç biti verilmiş olunur. Çerçeve başlangıç biti sonrası 7 veya 8 bit veri ve ardından hata algılamada kullanılan eşlik biti gönderilir. Eşlik biti sonrası çerçeve sonu biti ile bir çerçeve tamamlanmış olunur
Eşzamansız çerçeve yapısı, donanım tarafından oluşturulur ve çözülür. Çerçeve başlangıç ve bitiş bitleri ile eşlik biti eşzamansız çerçevede kullanılan kontrol bitleridir.
Çerçeveleri birbirinden ayırmada ve senkronizasyonda çerçeve başlangıç ve bitiş bitleri kullanılır. Çerçeve bitiş biti, 1, 1.5 ve 2 bit olmak üzere seçeneklidir.
Eşlik biti, hata algılama için kullanılan bir kontrol biti olup çift eşlik, tek eşlik, 1, 0 ve kullanılmama gibi beş değişik seçeneği bulunur. Çerçeve içerisindeki tek sayıda bit değişimlerini algılayabilecek yapıdadır. İletişim sırasında meydana gelecek çift bit değişim hatalarını algılayamaz. Ayrıca, iletişimi gerçekleştiren her iki tarafında aynı yapıda eşlik bitini oluşturması gereklidir.
Eşzamansız çerçeve yapısında, faydalı veri dışındaki kontrol bitleri fazladır. Bu yüzden veri iletim verimi senkron yapıya nazaran daha düşüktür. Fakat hata oluşumu durumunda senkron yapıya göre paket yapısı kısa olduğu için bunun telafisi çabuk olabilmektedir.
5.2 Eşzamanlı Veri Yapısı
Çerçeve başlangıç, veri uzunluk, veri, CRC ve çerçeve bitiş byte’ ın dan oluşan bir çerçeve yapısıdır (Şekil 2.17). Verinin uzun olması durumunda senkronizasyonun kaybedilmemesi için zamanlama byte’ ları da kullanılır.
Eşzamanlı veri yapısındaki amaç; taşınan fazlalıkları minimize etmek ve hatayı daha iyi algılayabilmek böylece hatasızlığa ulaşabilmektir. Bu iki sebepten dolayı senkron haberleşme tercih edilir. Senkron haberleşmede gönderilen veri mümkün olduğu kadar uzun (maksimum 256 byte) tutulur.Çerçevenin başında, başlangıç byte’ ından sonra verinin uzunluğu belirtilir. Bundan dolayı senkron çerçeve uzunluğu değişkendir. Gelen veri içerisinden saat işaretinin çıkarılabilmesi için çerçeve, Biphase veya Manchester teknikleri ile kodlanarak kullanılır. Verinin uzun olması durumunda, saat işaretinin çıkarılamaması gibi sorunlarla karşılaşmamak için zamanlama byte’ ları kullanılır. Hata algılama CRC byte’ ı ile yapılmaktadır. İletişim, CRC byte’ ı kullanıldığı için daha güvenli ve çerçevenin uzun olmasından dolayı da hız daha yüksektir. CRC kontrol byte’ ının oluşturulması, LRC ve VRC kontrol byte’ ları ile birlikte açıklanabilir.
5.2.1 LRC ( Longitudinal Redundancy Check )
Kullanılan referans LRC byte’ ı nın her biti verinin aynı numaralı bitleri ile EXOR işlemine tabi tutularak LRC bye’ ı oluşturulur ve veri sonrasında gönderilir (Şekil 2.18). Alıcı taraf gönderilen paket içerisindeki veri ve LRC byte’ ını, kendi referans LRC’ sini kullanarak EXOR işlemine tabi tutar ve her bit sütunu için 0 sonucuna ulaşmaya çalışır. Sonucun 00h olması hatanın olmaması demektir. Bu teknikle byte’ lar arası bitlerin kontrolü yapılır. Her iki tarafında kullandığı referans LRC nin aynı olma zorunluluğu vardır.
5.2.2 VRC ( Vertical Redundancy Check )
LRC ile aynı mantığa dayanır. Byte içindeki bitlerin EXOR işlemine tabi tutulması ile oluşturulur. LRC ve VRC beraber kullanılarak hata algılama gerçekleştirilir. VRC ile hangi byte’ da hata olduğunu, LRC ile hangi bitte hata oluştuğu gözlenir. Fakat ideal bir yöntem değildir. Çift hatalı byte içinde çift bit hatalarını algılayamazlar.
5.2.3 CRC ( Cyclic Redundancy Check )
Gönderilecek veri (2.1), bir çok terimliye oturtulur ve bir üreteç çok terimlinin derecesi kadar kaydırılıp üreteç çok terimliye bölünür (2.2). Kalan değer ötelenmiş çok terimliye eklenerek gönderilecek veri oluşturulur (2.3). Hata yakalama olasılığı çok yüksek olan bu sistem tek ve çift bit hataları, hata patlamaları gibi sistematik oluşumları algılayabilir.

Karşı tarafa gönderilen veri ( T(x) ), (2.4) denkleminde gösterildiği gibi CRC çok terimlisine bölünerek hata kontrolü yapılır. T(x)’ in hatasız bir şekilde iletimi R(x) in olmamasını gerektirir.
CRC-12, CRC-16, CRC-CCITT ve CRC-32 gibi standart üreteç çok terimlileri çeşitli uygulamalarda kullanılarak hata algılama işlemi gerçekleştirilir.
Algılanan hata, değişik hata düzeltme protokolleri ile karşılıklı DTE’ ler arasında giderilmeye çalışılır. Günümüzde kullanılan değişik tipte hata düzeltme protokolleri mevcuttur.
6 KAFES KODLAMALI MODÜLASYON (TCM)
“2.3 Modem Bağlantı Hatlarının İncelenmesi” bölümünde özellikleri açıklanan ve modem haberleşmesinde kullanılan haberleşme kanalı, 0.3KHz ile 3.5KHz arasında iletişim imkanı sağlar. Bundan dolayı veri iletişimi modülasyonlu işaretler ile yapılır. Sayısal verinin, haberleşme kanalında kullanılan sembollere dönüştürülmesi işlemine modülasyon denir. Bu dönüşüm işleminin tersi demodülasyon olarak adlandırılır. Tablo 2.1’ de CCITT ve Bell tarafından belirlenmiş olan iletişim standartları ve modülasyon yapıları gösterilmiştir.
Tablo 2.1 CCITT ve Bell Standartları


Standart
Hız
Operasyon Şekli
Modülasyon Şekli
Bell 103
0-300bps
Tam Çift Yön
FSK
Bell 20x1
1200bps
Yarı Çift Yön
PSK
Bell 202
1200bps
Yarı Çift Yön
FSK
Bell 212A
0-1200bps
Tam Çift Yön
PSK
CCITT V.21
0-300bps
Tam Çift Yön
FSK
CCITT V.22
1200bps
Tam Çift Yön
PSK
CCITT V.22bis
2400bps
Tam Çift Yön
QAM
CCITT V.23
1200/75bps
Yarı Çift Yön
FSK
CCITT V.26
2400bps
Yarı Çift Yön
PSK
CCITT V.27
4800bps
Yarı Çift Yön
PSK
CCITT V.29
9600bps
Yarı Çift Yön
QAM
CCITT V.32
9600bps
Tam Çift Yön
TCM
CCITT V.32bis
14400bps
Tam Çift Yön
TCM
CCITT V.34
28800bps
Tam Çift Yön
TCM
CCITT V.34 +
33600bps
Tam Çift Yön
TCM

Görüldüğü gibi Bell standardı sadece 1200bps kadar hızları destekler. Modem haberleşmesinde kullanılan haberleşme kanalının karakteristik özelliklerinden dolayı, kanal üzerindeki sembol hızı artamamaktadır. Bu nedenle; değişik modülasyon teknikleri kullanılarak modemlerin gönderdikleri sayısal veri hızı arttırılır.
Bu bölümde, yüksek hızlı modemlerde kullanılan modülasyon tekniği olan kafes kodlamalı modülasyon (TCM) incelenmiştir.
6.1 Giriş
Kafes kodlamalı modülasyon (TCM) tekniği, genişletilmiş işaret diyagramları kullanılarak kodlanmış işaret dizileri arasındaki en küçük Öklid uzaklığını arttırma ilkesine dayanır. İletim sembollerinin işaret diyagramı üzerinde birbirlerinden uzak seçilmesi, haberleşme ortamındaki gürültülerden kaynaklanan sezme hatalarını azaltmakta ve bandı sınırlı haberleşme kanallarındaki hata başarımları artmaktadır.
Sayısal haberleşme sistem tasarımlarında, hata başarımının yüksek tutulması amaçlanmaktadır. Hata başarımı, kullanılan kanal kodlaması teknikleri ile arttırılabilmektedir. Kodlanmış sayısal veriler arasındaki Hamming uzaklıkları, karar verme işleminde kullanıldığı için kanal kod tasarımlarının ölçütü olmaktadır. Kodlanmış sayısal veri uzunluğunun artması nedeniyle ortaya çıkan iletim hızı kaybı modülasyon hızının arttırılması veya kanal kodlayıcılarının eklediği kontrol verilerine orantılı olarak genişletilmiş işaret diyagramları kullanılarak önlenir. Genişletilmiş işaret diyagramları kullanılarak yapılan tasarımlarda kodlama ve modülasyon işlemlerinin bağımsız olarak düşünülmesi, alıcıda demodülasyon ve kod çözme işlemlerinin ayrı yapılmasını gerektirir. Demodülasyon işleminde yapılan karar verme hatlarından kaynaklanan bilgi kayıpları nedeniyle bağımsız kodlama ve modülasyon işlemleri başarılı olamamaktadır.
Kafes kodlamalı modülasyon, modülasyon ve kanal kodlama işlemlerinin birilikte tasarlandığı bir tekniktir. Bu nedenle; kodlayıcı, ikili sayısal veriler arasındaki Hamming uzaklığı yerine modülasyonlu kanal işaretleri arasındaki Öklid uzaklığını arttıracak biçimde tasarlanmıştır. Aynı şekilde alınan kanal işaretleri; demodüle edilerek ikili sayısal verilere dönüştürüldükten sonra çözülmek yerine, kod çözücü direkt olarak alınan kanal işaretlerini çözecek şekilde tasarlanır [6].
6.2 Katlamalı Kod Yapıları
k (k=0,1,2...) kodlama adımını göstermek üzere; her k için, n uzunluğundaki xk giriş dizisine karşılık m uzunluğunda yk çıkış dizisi oluşturan yapıya R=n/m oranlı katlamalı kodlayıcı denir (Şekil 2.19). (2.5)’ de giriş, (2.6)’ da çıkış dizisi görülmektedir
Böylece katlamalı kodlama işlemi, (2.7)’ de olduğu gibi tanımlanabilir.
G(D), n x m boyutlu bir matristir ve bu matrisin elemanları (2.8)’ deki gibi tanımlanır.
Katlamalı kodlayıcının kısıtlanmış uzunluğu (v), gerekli olan bellek sayısını belirler ve (2.9)’ da ki gibi tanımlıdır.v uzunluğunda bir katlamalı kodlayıcı, v katlı ötelemeli bir kaydedicidir. V.32 standardında kullanılan katlamalı kodlayıcı v=3 uzunluklu 2/3 oranlıdır. Dolayısı ile 3 adet bellek gözü kullanılır ve çıkış dizisi bu bellek gözlerindeki durumlara bağlıdır.
6.2.1 Kod Çözme İşlemi ve Özellikleri
Klasik haberleşme sistemlerinde modülatör ve hata düzeltmeli kodlayıcı ayrı ayrı tasarlanmaktadır. Bu tip sistemlerde her bir sembol iletim zaman aralığında a adet sayısal veriye karşılık 2a olası analog işaret karşılık gelir. Demodülatör katında ise a adet sayısal veri tekrar oluşturulur. Kafes kodlamalı modülasyonda ise; hata düzeltme, modülasyon işlemi ile birlikte düşünülmektedir. a adet faydalı sayısal veriye, n-a adet fazlalık kontrol verisi eklenerek modülasyon işlemi yapılır. Klasik haberleşmede, kod dizileri arasındaki farklı simge sayısı, Hamming uzaklığı olarak isimlendirilir. En küçük uzaklık dminH olarak tanımlı ise kod çözücü en az (dminH–1)/2 kadar olan hataları düzeltebilir. Hata düzeltme yeteneğini arttırabilmek fazlalık kontrol verisini arttırmaya bağlıdır. Kod çözücü dilimlenmiş kanal çıkış örneklerini kullanır. Modülatörden gönderilen ayrık işaretler (an), haberleşme ortamından kaynaklanan ve işarete eklenen sıfır ortalamalı ve s2 sapmalı beyaz Gauss gürültüsü örnekleri (wn) ile birlikte rn kanal çıkış örneklerini oluşturur (2.10).
rn = an + wn
Böyle bir modelleme için işaret gürültü oranı (SNR), (2.11)’ deki gibi tanımlanabilir.En uygun çözme karar kuralı ile alıcı girişinde elde edilen rn dizisine en küçük karesel Öklid uzaklıklı bir anI dizisi kodlanmış işaretler arasından belirlenir. Bu anI dizisi (2.12) eşitliğini sağlamalıdır [2].
İlk olarak A. J. Viterbi tarafından 1967 yılında katlamalı kodların çözme işlemi için önerilen Viterbi algoritması, alıcıya gelen rn dizisine en yakın kodlanmış olan anI dizisine karar vermekte kullanılır (2.12). Vericide oluşturulan kodlanmış işaret dizileri (an), katlamalı kodlayıcının belirlediği sonlu durum diyagramını izler. Çözücü yapısı, sert karar verme yerine çözücü girişindeki en olası kodlanmış ardışık işaret dizisine karar verir. Gönderilen kodlu işaret dizileri ve yumuşak olarak Viterbi algoritması tarafından karar verilen kodlu işaret dizileri arasındaki fark olası karar verme hatasını oluşturur. Minimum karesel Öklid uzaklığı (2.13)’ deki gibi ifade edilir.
6.2.2 Kafes Kodlamada İşaret Kümeleri – Katlamalı Kodlar
Kafes kodlamalı modülasyon katlamalı kodların özel halidir. Modülasyon işlemi gruplara ayrılmış olan işaret kümeleri üzerine yapılır. İşaret kümelerinde yer alan noktalar, birbirlerine uzaklıkları en büyük olacak şekilde belirlenirler.
Bu kurallar çerçevesinde kafes kodlama kullanılarak temel bant işaretinin üretimi incelenirse; iletilecek m adet sayısal veri biti için n adet bit (n £ m), n/(n+1) oranlı katlamalı kodlayıcıdan geçirilerek n+1 kodlanmış veri biti elde edilir. Genişletilmiş 2m+1’ lik işaret durum diyagramı içindeki 2n+1 adet işaret kümelerinden birini seçmekte kullanılır. m-n adet kodlanmayan veri ise, bu işaret kümesi içinde yer alan 2m-n işaretten hangisi olduğunu belirler
Şekil 2.21’ de, kafes kodlama modülasyon yapısında kullanılan 32 nokta işaret diyagramındaki işaret kümelerinin ayrıştırılması görülmektedir. Zk , tam sayı koordinatlı k boyutlu uzayda noktaların kafesini göstermede kullanılır. Bu tip işaret diyagramlarında, kafes noktalarının alt kümeleri sonludur. Bu alt kümeler orijin etrafında merkezlenmiştir. Aralarındaki en küçük uzaklık D0’ dır.
İşaret kümelerinin ayrıştırılması, işaret diyagramını sırayla daha küçük kümelere bölme işlemidir. Bu bölme işleminde küme içindeki işaretler arası uzaklıklar artar. Ayrıştırma işlemi, Dn+1 tasarlanmak istenen kodun istenen işaretler arası uzaklıktan daha büyük veya eşit olana kadar n+1 kez tekrarlanır. Sonuç olarak Şekil 2.21’ de görülen alt kümeler elde edilir. Her bir alt kümeyi, Zn = [ Znm ,..., Zn0] şeklinde göstermek mümkündür. Herhangi iki alt kümenin gösteriminde son q tane bitin uyuşması, bu iki alt kümenin ayrıştırma işleminde q. seviyedeki alt kümenin elemanları olmasını ve aralarındaki uzaklığın Dq olmasını gerektirir. m-n adet kodlanmış veri, seçilen alt küme içinden bir noktaya karşılık düşer. Kafes kodlamada alt küme noktaları 2m-n paralel geçişle birleştirilir. Bu modülasyonda serbest Öklid uzaklığı, (2.14)’ deki gibi tanımlanır. Dn+1 alt küme içindeki minimum paralel geçiş uzaklığını, df (n) ise kümeler arası minimum uzaklığı gösterir.
df = min [Dn+1, df (n)]
Her sembol gönderme anında, Şekil (2.20)’ de gösterilmiş n/n+1 oranlı katlamalı kodlayıcı n adet giriş bilgisine karşılık n+1 kodlanmış bilgi üretir. Genel olarak, bu kodlama tekniği n adet veri biti gruplarının sonlu durumlu bir makineye uygulanmasını içerir. Bu sonlu durum makinesi; her bir giriş grubunu, bazı belirli bitler kodlayıcıda saklanarak önceden belirlenmiş mantıksal kombinasyonlarla uyumlu olacak şekilde n+1 bit grubuna genişletir. Kodlayıcı çıkışını etkileyen kodlayıcı belleklerinin sayısı (S), kodlayıcının varsaydığı 2S konumlu sonlu durum makinesini belirler. (Bakınız : 5.4.1 Kodlayıcı ve Temel Bant İşareti Oluşturma Yapısı)
Haberleşme kanallarından kaynaklı bozulmalar, en büyük benzerlikli kod çözme algoritması ile giderilir. Alınan işaret, geçerli işaret elemanlarından en yakını olarak kabul edilir. Bu teknikte, geçerli işaret elemanları arasındaki en küçük Öklid uzaklığı arttırılmış olduğundan kodlama kazancı sağlanmaktadır.
6.2.3 32 – Nokta Katlamalı Kod
Katlamalı kodlayıcı durumlarının S1n , S2n , S3n olduğu ve işaret durum diyagramını oluşturan 32 noktanın 8 ayrı kümeye ayrıldığı kabul edilmektedir. Bu kodlamaya ait durum geçiş diyagramı Şekil 2.22’ de gösterilmiştir.
fi (S1n , S2n , S3n) durumundan fi (S1n+1 , S2n+1 , S3n+1) durumuna geçişlerle ilgili işaret eleman kümeleri, S1n , S2n , S3n durumundan S1n+1 , S2n+1 , S3n+1 durumuna geçişle ilgili işaret eleman kümesinden tüm işaret elemanlarının sırasıyla -90°, -180° ve -270° döndürülmesiyle elde edilir. (i = 1,2,3)
Şekil 2.22’ de durum geçiş diyagramı verilen kafes kodlamanın kullanıldığı V.32 modülatörün yapısı Şekil 3.2’ de görülmektedir. 32 – nokta işaret diyagramının 90°, 180° ve 270° faz belirsizlikleri katlamalı kodlayıcı girişleri olarak kullanılan verilerin farksal kodlanmaları sonucu ortadan kaldırılır.
6.2.4 Kafes Kodlamalı Sistem Hata Olasılığı ve Viterbi Algoritması
Haberleşme kanalının gauss gürültülü olduğu öngörülürse; alıcıda Viterbi kod çözme yapısı kullanılacağından sistem hata olasılığı serbest uzaklıkla alttan sınırlıdır ve (2.15)’ deki gibi tanımlanır [1].
Pr(e) > N(df) . Q(df/2s)
s2 : gauss gürültü sapması
N(df): df serbest uzaklıklı ortalama hatalı olay sayısı
Q( . ): Gauss hata olasılık fonksiyonu
Viterbi algoritması, katlamalı kodların çözülmesinde kullanılan bir algoritmadır. Bu algoritmada belirli bir dizi uzunluğuna kadar semboller alınmakta ve sonra kod çözme işlemi başlamaktadır. İşaret alındığında karar verme işlemi yapılmamaktadır. Bahsedilen bu dizi uzunluğu kod çözme derinliği olarak adlandırılır. Hatanın azaltılabilmesi kod çözme derinliğinin arttırılmasına bağlıdır.
Her işaret alındığında hangi paralel geçiş kümesi içerisindeki hangi elemana yakın olduğu belirlenir. Bu eleman için Öklid uzaklığı hesaplanır ve eski değerlerin en küçük olanı ile toplanarak yeni değerler oluşturulur. n.T anı için yeni değerler (2.16)’ deki gibi tanımlanır.
Mn (....an) = Mn-1 (....an-1) + |rn - an|2
Alınan işaret sayısı kod çözme derinliğine ulaştığında tüm durumlara ait değerler karşılaştırılarak en küçük değer bulunur ve bu değerden geriye giderek geçiş elemanları belirlenir. Belirlenen bu dizi, Viterbi algoritmasına göre karar verilen en uygun gönderilen işaret dizisidir.