Uydular arası optik haberleşme sistemlerinde link bütçesi analizi
Link budget analysis in inter satellite optical communication systems
Yazar: YUNUS EMRE KAHRAMAN
Danışman: DR. AHMET AKBULUT
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Eliptik yörünge = Elliptical orbit ; Hata oranı = Error rate ; Lazer optik sistem = Laser optic system ; Meteorolojik uydular = Meteorological satellite ; Uydu yörüngesi = Satellite orbit ; İletişim uyduları = Communication satellites

Özet:
Uydular arası optik haberleşme, son yıllarda uydu takımlarının artması ile birlikte büyük önem kazanmıştır. Uyduların yer aldığı irtifalarda atmosferik etkilerin az olması nedeniyle bilgi taşıyıcı olarak ışık, sıklıkla kullanılmaya başlanmıştır. Bu tez çalışmasında, uydular arası optik haberleşme kalitesini etkileyen faktörler incelenmiştir. Tezin ilk bölümünde, NFIRE ve TERRASAR-X uydularının yörüngedeki hareketlerini gerçeğe uygun şekilde benzetebilecek bir benzetim ortamı hazırlanmış ve yörünge parametrelerindeki değişimler gerçekteki değerler ile karşılaştırılmıştır. İkinci bölümde ise kurulan optik haberleşmedeki bit hata oranını ve veri hızını sağlayabilecek bir kanal modeli oluşturulmuştur. Ardından, oluşturulan kanal modeli ile farklı senaryolar benzetilmiştir. Elde edilen bulgulara göre, oluşturulan yörünge ilerletici ile gözlemlenen yörünge parametrelerinde yerberi argümanı hariç %1'den az hata oranı bulunmuştur. Optik kanal için de benzer bir çalışma yapılmış ve ikili faz kaydırmalı anahtarlama kullanılarak 5.625 Gbps'lik bir veri hızı ve 10^-9'luk bir hata oranı gözlemlenmiştir. Oluşturulan optik kanalda alıcı ve vericiye ait parametreler değiştirilerek link bütçesindeki değişim incelenmiştir. Bulgulara göre, haberleşmede kullanılan dalga boyu küçüldükçe bit hata oranının arttığı gözlemlenmiştir. Alıcı devresinde PIN foto diyot yerine çığ foto diyot kullanılmasının alıcı hassasiyetinde iyileştirme sağladığı gözlemlenmiştir. Örneğin, alıcıya ulaşan güç -21 dBm iken, çığ foto diyot ile PIN foto diyot arasında 100 katlık bir bit hata oranı farkı bulunmuştur. Vericide ışık kanyağı olarak lazer yerine LED kullanıldığında ise belirli bit hata oranı değerlerini yakalamak için bit başına sinyal gürültü oranı değerlerinin lazere göre en az %50 daha fazla olması gerektiği gözlemlenmiştir.

Abstract:
Optical communication between satellites has gained great importance with the increase in satellite sets in recent years. Due to the low atmospheric effects at the altitudes where the satellites are located, light has been used frequently as an information carrier. In this study, the factors affecting the quality of optical communication between satellites were investigated. In the first part of the thesis, a simulation environment was prepared to simulate the orbital movements of NFIRE and TERRASAR-X satellites in a realistic way and the changes in orbital parameters were compared with the actual values. In the second part, a channel model has been created that can provide the bit error rate and data rate in the established optical communication. Then, different scenarios were simulated with the created channel model. According to the findings, less than 1% error rate was found in the orbital parameters observed with the created orbit propagator, excluding the perigee argument. A similar study was performed for the optical channel and using binary phase shift keying, a data rate of 5.625 Gbps and an error rate of 10^-9 were observed. In the created optical channel, the parameters of the receiver and transmitter were changed and the change in the link budget was examined. According to the findings, it has been observed that the bit error rate increases as the wavelength used in communication gets smaller. It has been observed that the use of avalanche photo diode instead of PIN photo diode in the receiver circuit provides an improvement in the receiver sensitivity. For example, when the power reaching the receiver was -21 dBm, a 100-fold bit error rate difference was found between the avalanche photo diode and the PIN photo diode. When LED is used instead of laser as the light source in the transmitter, it has been observed that the signal-to-noise ratio values per bit must be at least 50% higher than the laser in order to achieve certain bit error rate values