Delta-sigma örneklemeli altdizilim işlemeye dayalı bir demetleme yöntemi

ÖZET DELTA-SİGMA ÖRNEKLEMELİ ALTDİZİLİM İŞLEMEYE DAYALI BİR DEMETLEME YÖNTEMİ Hasan Şakir Bilge ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI DOKTORA TEZİ Tez Yöneticisi: Prof.Dr. Turhan Çiftçibaşı Şubat 2003 Bu doktora tezinde, evreuyumlu görüntüleme sistemleri için delta-sigma analogtan sayısala çevirici ile örneklenen altdizilim sinyallerinin sayısal olarak işlenmesine dayalı yeni bir demetleme yöntemi sunulmaktadır. Önerilen yöntem, mevcut demetleme sistemlerine değişik açılardan birçok yeni yaklaşımlar getirmektedir. Bu sistemde demetleyici yapısının tamamen sayısal olması önerilmektedir. Sayısallaştırma işleminde yüksek hızda örnekleme yapabilen delta-sigma analogtan sayısala çeviricilerin kullanılması tasarlanmaktadır. Yüksek bir örnekleme hızı ile, yankı sinyallerinin hassas zaman aralıklarında örneklenmesi mümkün olmaktadır. Sık örneklenmiş veriler, odaklama ve yönlendirme için hesaplanan çok hassas gecikmeler ile kaydırılıp toplandığında demetleyicinin evreuyumluluğu artar. Delta-sigma örnekleme yapısında, önemli iki aşama vardır; bunlardan ilki yüksekhızda tek bitlik verilerin üretilmesi, diğeri ise örnek seyreltme ile birlikte çok bitli yapıya geçiş işlemidir. Örnek seyreltme işleminde kullanılan alçak geçiren süzgeç, demetlemedeki toplama işlemine göre doğrusaldır. Bu özellik kullanılarak önerilen sistemde, her alıcı kanalı için ayrı süzgeçleme yerine demetleme çıkışında bir defa süzgeçleme yapılır. Böylece süzgeç sayısı ve buna bağlı olarak sistemin donanım karmaşıklığı önemli ölçüde azalır. Örnek seyreltme işleminin, toplamanın çıkışında uygulanması ile demetlemenin delta-sigma kodlanmış tek bitlik veriler üzerinde yapılması mümkün olmaktadır. Tek bitlik demetleyici yapısı, donanımı çok büyük oranda basitleştirmektedir. Her ne kadar tek bitlik verilerde yüksek frekanslı nicemleme gürültüsü bulunsa bile, toplamadan sonra uygulanan süzgeç ile bu gürültü başarılı bir şekilde bastırılmaktadır. Delta-sigma kodlanmış tek bitlik veriler ile demetleme işlemi sabit alış odaklaması kullanıldığında başarılı bir şekilde çalışmaktadır. Fakat dinamik alış odaklaması yapıldığında, delta-sigma modülatörü ve demodülatörü arasındaki eşzamanlama bozulmaktadır. Delta-sigma kodlarının arasındaki ilişkinin bozulması, demetleyici çıkışının SNR düzeyini düşürür. Bu sorunu gidermek için, delta-sigma çeviricinin düzenli saat darbeleri ile örnek üretmesi yerine dinamik odaklama için veri gerektiği anlarda örnekleme yapması önerilmektedir. Bu düzgün olmayan örnekleme yaklaşımı ile üretilen delta-sigma kodları arasında herhangi bir bit kaybı veya tekrarı söz konusu olmayacağı için demetleyici çıkışındaki SNR istenen düzeyde tutulmuş olur. Bu çalışmada, geniş bir dönüştürücü diziliminin, altdizilimler ile sentezlenmesi önerilmektedir. Altdizilim kullanımı sayesinde aktif dönüştürücü eleman sayısı azaltılmış olur. Böylece her bir kanalı süren karmaşık devrelerin sayısı önemli bir miktarda azalır. Bunun sonucunda hem maliyet düşer, hem de sistemin boyutu küçülür. Bu çalışmada, veri toplama süresini kısaltmak için, Nyquist kriterine uygun olacak vışekilde az sayıda açı ile ortamın taranması önerilmektedir. Böylece gerçek zamanda görüntüleme yapan sistemlerin tasarımı mümkün olacaktır. Demet uzayında Nyquist kriteri dizilimin uzunluğuna bağlı olduğu için, sentezlenen geniş dizilim için bakılması gereken açı sayısı, altdizilim ile veri toplarken bakılması gereken açı sayısından daha fazladır. Önerilen yöntemde, altdizilimlerden elde edilen düşük çözünürlüklü demetlerin sayısı yanal aradeğerleme ile artırılır. Sonra örnek sayısı artırılmış düşük çözünürlüklü demetler toplanarak yüksek çözünürlüklü demetler elde edilir. Örnek yükseltmede kullanılan aradeğerleme süzgeçlerinin bant geçiren özellikte olması ve her altdizilim için uygun bir şekilde tasarlanması gerekir, çünkü noktasal dağılım fonksiyonunda her altdizilim farklı bir evreye sahiptir. Önerilen sistem teorik olarak incelenmiş ve deneysel veriler kullanılarak test edilmiştir. Elde edilen sonuçlarda sistemin yeterli görüntü kalitesine sahip olduğu görülmektedir. Delta-sigma örneklemeli altdizilim işlemeye dayalı bu demetleme yöntemi, evreuyumlu görüntüleme sisteminin maliyetini, boyutunu ve güç tüketimini azaltmakta ve bunun yanında görüntü kalitesini yüksek tutmaktadır. Evreuyumlu görüntüleme sistemleri için geliştirilen bu yöntemin birçok uygulama alanında kullanılması mümkündür. Bunların başında 3 boyutlu ultrasonik görüntüleyiciler, taşınabilir küçük tarayıcılar ve damar içi görüntüleme aygıtları gibi tıbbi uygulamalar gelmektedir. Ayrıca su altı akustik (sonar) sistemleri, haberleşmede kullanılacak akıllı antenler, robotlarda görme gibi çeşitli alanlarda potansiyel uygulama olanakları olduğu görülmektedir. Anahtar Sözcükler: Dizilimsel sinyal işleme, evreuyumlu görüntüleme, ultrasonik görüntüleme, demetleme, dinamik odaklama, sentetik açıklık, altdizilim, akustik dönüştürücüler, delta-sigma örnekleme, düzgün olmayan örnekleme. vıı