Chapter 4

Radio 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; 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.

Conceptual View of a Communication System

4

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.

Processing at the transmitter/sender end

Verici/gönderici kısmın işlemesi

Processing at the receiver end

Alıcı kısımın işlemesi

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 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

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

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

20

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

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

Floor

TX RX

Obstruction

Time

Received Signals

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

Yer

TX RX

Engel

Zaman

Alınan Sinyaller

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

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

32

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

Radio CommunicationsFrequency Band Usage

RF Sinyallerinin İletimiTransmitting RF Signals

• Kaynak aygıt * Source device• Anten * Antenna• İletim ortamı * 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)

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)

Sinyallerin Çoğullanması

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 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

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-parçalar halinde gönderilir

TDM

TDM Çeşitleri (TDM Types)

1-51

Circuit Switching: FDM and TDMFDM

frequency

time

TDM

frequency

time

4 users

Example:

1-52

Devre Değişimi: FDM ve TDMFDM

frekans

zaman

TDM

frekans

zaman

4 kullanıcı

Örnek:

53

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

54

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

55

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.

56

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.

WDM

6-58

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”

6-59

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

6-60

CDM Encode/Decode

slot 1 slot 0

d1 = -1

1 1 1 1

1- 1- 1- 1-

Zi,m= di.cmd0 = 1

1 1 1 1

1- 1- 1- 1-

1 1 1 1

1- 1- 1- 1-

1 1 11

1-1- 1- 1-

slot 0channeloutput

slot 1channeloutput

channel output Zi,m

sendercode

databits

slot 1 slot 0

d1 = -1d0 = 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 1 11

1-1- 1- 1-

slot 0channeloutput

slot 1channeloutputreceiver

code

receivedinput

Di = Zi,m.cmm=1

M

M

6-61

CDM: Two-sender interference

CDM

Multiplexing Compared

Introduction 1-64

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 1-65

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 1-66

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 1-67

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)

1-68

Network Core: Packet Switchingeach 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

1-69

Ağ Çekirdeği: Paket Anahtarlamaher 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

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 voice-

grade 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