493
Arşivlenen Tez
0
DOI Atanmış
0%
DOI Oranı
Anabilim Dalı
Çok kanallı ortamlarda gürültü azaltma
Bu tezde, geliştirilen bir VAD algoritması kullanılarak; Wiener filtre, konuşma bozukluğu ağırlıklı Wiener filtre, uzamsal tahmin filtresi, minimum varyans gürültüsüz yanıt filtresi gibi çok kanallı gürültü azaltma algoritmalarının verimliliği karşılaştırılmıştır. Algoritmalarda dört farklı ses sinyali kullanılmakla birlikte, bu ses sinyallerine farklı açılarda eklenen üç farklı gürültü tipi kullanılmıştır.Filtre katsayılarını hesaplamadan önce gürültülü konuşma ve yalnızca gürültülü bölgelerin tespiti bir ses etkinliği algılama algoritması kullanılarak yapılmıştır. Bu algoritmada gürültülü konuşma ve yalnızca gürültülü bölgeleri ayırt edebilmek için; kısa süreli enerji, periyodiklik ve spektral düzlük gibi özellikler kullanılmıştır. Gürültülü konuşma ve gürültülü bölgelerin tespiti yapıldıktan sonra yukarıda bahsedilen algoritmalarla filtre katsayıları hesaplanmıştır. Son olarak da hesaplanan filtre katsayıları ile girişteki referans mikrofonunun frekans bileşenleri çarpılarak her algoritma için iyileştirilmiş sinyaller elde edilmiştir. Algoritmaların performansını hesaplamak için objektif bir metot olan bölümsel sinyal gürültü oranı ve subjektif bir metot olarak da ortalama yargı değeri kullanılmıştır. Gürültü azaltma açısından konuşma bozukluğu ağırlıklı Wiener filtrenin performansı daha iyi olsa da konuşmanın anlaşılırlığı ve algısal kalite açısından SP ve MVDR filtreleri ile daha iyi sonuçlar alınmıştır.
PLC ve SCADA kullanarak bir bina otomasyon sisteminin gerçeklenmesi, uzaktan kontrolü ve izlenmesi
Yaşamın olduğu tüm yapılarda hayatı kolaylaştırmak, iş yükünü azaltmak, daha güvenli ve daha kaliteli ortamlar sunabilmek için bina otomasyon sistemleri vazgeçilmezdir. Günümüz otomasyon teknolojisi genellikle bilgisayar destekli otomasyon kullanmaktadır. PLC ve SCADA Sistemleri de en çok tercih edilenlerdir. Teknolojinin gelişimiyle beraber farklı donanımlar ve yöntemlerin bu alanda da kullanıldığı görülmektedir. Bu çalışmada, bir bina otomasyon sisteminin parametrelerinin izlenmesi, uzaktan kontrolü ve veri toplanması için bir sistem gerçekleştirilmiştir. Sistem PLC ve SCADA tabanlıdır. Geliştirilen model sistem Tekirdağ Namık Kemal Üniversitesi Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu Kontrol ve Otomasyon Laboratuvarı'nda uygulanmıştır. Ayrıca geliştirilen bu model sistem eğitim materyali olarak da tasarlanmış olup başarısı anketle ölçülmüştür.
Yörünge ve hareket kontrollü mobil robot tasarımı
YÖRÜNGE VE HAREKET KONTROLLÜ MOBİL ROBOT TASARIMI Günümüzde robotlar hayatımızın her alanında yer almaya başlamıştır. Önümüzdeki yıllarda yapay zekanın gelişmesiyle otonom robot teknolojisi daha da önemli hale gelecektir. Gelişmiş ülkeler robot çalışmalarını çok fazla önemsemekte uluslararası robot yarışmaları düzenlemektedir. Ülkemizin bu teknolojinin içinde olması için öğrencilerimizin küçük yaşlarda robotik ve programlama ile tanışması büyük önem taşımaktadır. Bu amaçla bazı okullarımız robot yarışmaları düzenlemekte, STEM ve MAKER etkinlikleri ile öğrencilerimize robotik tanıtılmaktadır. Ayrıca 2018'de Teknofest proje yarışması düzenlenerek ülke çapında çok büyük bir etkinlik yapılmıştır. Robotik faaliyetlerin çok hızlı gelişmesi dikkate alınarak oluşturulan bu tez çalışmasında mobil robotların yörünge ve hareket kontrolü incelenmiştir. Sırasıyla mobil robotların kinematik ve dinamik sistem modelleri, kontrol sistemleri türleri, geri besleme, kontrol sistemlerinin zaman bölgesinde analizi ve PID kontrol sistemi açıklanmıştır. Tez çalışmasında test amacıyla kullanılan First Robotics Competition robotunun mekanik, elektronik ve yazılım bileşenleri anlatıldıktan sonra robotun elektronik ve yazılım sistemi verilmiştir. Robottaki lift sisteminin hareketi ve robotun düz bir yörüngede gitmesi için PID kontrolör tasarımı gerçekleştirilerek kontrol parametreleri gerçek zamanlı konum ve açı grafikleri çizdirilerek belirlenmiştir. Ayrıca mobil robot kontrol tasarımında dikkat edilecek noktalar açıklanmıştır. Anahtar Kelimeler: Mobil Robot Bileşenleri, Mobil Robot Tasarımı, PID Kontrolör
Korona boşalmasına maruz kalan polimerik tabanlı malzemelerin yüzey özelliklerinin modifikasyonu için kontrollü sistem tasarımı
Polimerik tabanlı malzemeler günümüzde kaplama, otomotiv endüstrisi, yalıtım ve tıp gibi hemen hemen her yerde kullanılmaktadır. Bunun yanı sıra elektronik alanında da yalıtım, kaplama ve dielektrik malzemesi olarak da kullanılmaktadır. Yapısı sayesinde yalıtım için kullanılan yerlerde maruz kaldığı elektriksel alanlarda delinme katsayısının yüksek olmasından dolayı akımı sınırlayarak akımın iletkenler boyunca ilerlemesini sağlamaktadır. Kullanım alanın çok geniş olmasından dolayı polimerik malzemelerin yüzey özellikleri oldukça önem arz etmektedir. Çoğu durumlarda da yüzey özelliklerinin çeşitli yöntemlerle modifikasyon işlemine tabi tutulmaları ya da yüzey özelliklerinin incelenmesi gerekmektedir. Günümüzde kimyasal, fiziksel ve fizikokimyasal yöntemler mevcuttur. Kimyasal yöntemlerle yapılan modifikasyon işlemi sonrası istenmeyen kalıntıların oluşması modifikasyon kalitesini düşürdüğü için fiziksel modifikasyon yöntemine yönelim giderek artmaktadır. Elektrik boşalmasının bir türü olan korona deşarjı ile modifikasyon da fiziksel bir modifikasyon türüdür. Yapmış olduğumuz bu çalışmada, görüntü işleme tekniğiyle temas açısı ölçümü yapılarak polimer tabanlı malzemelerin yüzey özelliklerinin incelenebildiği ve korona boşalmasıyla yüzey özelliklerinin modifikasyon işlemine tabi tutulduğu otomatik kontrollü bir sistem tasarlanması amaçlanmıştır. Sistemin otomatik kontrollü olması hem hızlı sonuçlar alabilmek hem de insan faktörüyle meydana gelebilecek ölçüm ve deney hatalarını en aza indirebilmek için önemlidir. Literatürde yapılmış olan ölçüm, inceleme ve modifikasyon çalışmalarından farklı olarak bu sistem otomatik kontrollü olmasından dolayı bir ilktir. Tasarlanan sistem ile denyesel çalışmalar yapılmış ve iyi sonuçlar elde edilmiştir.
Nonlineer sürüklenme hızlı memristör modellerini kullanarak testeredişi sinyal kaynağının modellenmesi ve benzetimi
Memristör yani hafızalı direnç yeni keşfedilen iki uçlu pasif bir devre elemanıdır. Direnç, endüktör ve kondansatörün dışında, akısı ve yükü arasında bir ilişki olan bir devre elamanının daha var olması gerektiği varsayımı 1971'de Dr. Leon Chua tarafından olarak ortaya atılmıştır. Memristör gibi davranan ince film bir memristif sistem 2008'de bulunmuştur. Memristör ve memristör sistemlerin; bilgisayar mimarisi, elektronik, sinyal işleme, görüntü işleme, programlanabilir mantık devreleri, süzgeç devreleri, haberleşme elektroniği sistemleri, vb. pek çok alanda yenilik getirmesi beklenmektedir. Memristörün türlü analog uygulamaları literatürde mevcuttur. 2016'da Özgüvenç ve arkadaşları memristör tabanlı bir testere dişi dalga kaynağı önermiş ve bu kaynağı lineer sürüklenme hızlı memristör modeli kullanarak incelenmiştir. Nonlineer sürüklenme hızlı memristör modelleri lineer sürüklenme hızlı memristör modellerine göre daha doğru sonuç vermektedir. Bu tez çalışmasında, bu testere dişi dalga kaynağının birkaç nonlineer sürüklenme hızlı memristör modeli kullanılarak analitik çözümü yapılmıştır. Daha sonra bu kaynağın nonlineer sürüklenme hızlı memristör modeli kullanılarak Matlab'in Simulink paket programında benzetimi yapılmıştır.
Yapay sinir ağı tabanlı data kablosu parametreleri tahmini
Kablo endüstrisinde, üretilecek bir kablonun parametrelerinin tahmini, deneme ve yanılma yöntemleri ile kablo üretiminden kaynaklanan üretim sürecinin maliyetinin azaltılması önemli bir konu haline gelmiştir. Veri kablosu üretiminde, Sinyal hızı, Karakteristik empedans, Yakın uç çapraz konuşma (NEXT), ve Geri dönüş kaybı (RL) gibi kablo parametreleri, kablonun fiziksel boyutlarına ve birim uzunluğun endüktansına, kapasitansına, elektriksel direncine, kablonun kaçak iletkenliğine bağlıdır. İstenilen kablo parametrelerini elde etmek için, üretimde genellikle deneme ve yanılma yöntemleri kullanılır ve her ayrı bir deneme için, buna bağlı olarak bir maliyet ve üretim süresi ortaya çıkar. Kablo parametreleri, fiziksel boyutların ve üretim parametrelerinin doğrusal olmayan fonksiyonlarıdır. Bu sorunun üstesinden gelmek için, tahmin yeteneklerinden dolayı Yapay Sinir Ağları (YSA) kullanılabilir. Bu çalışmada, CAT 6A kablosu yüksek frekans parametreleri kablonun düşük frekans elektriksel parametreleri ile üretim ve makine parametrelerini giriş olarak alan YSA kullanılarak tahmin edilecektir ve YSA'nın eğitimi için gerekli veriler bir kablo fabrikasında CAT 6A kablosu üretim sürecinde ölçülmüştür. Bu deney sonuçlarını kullanarak, her bir kablo parametresini tahmin etmek için ayrı yapay sinir ağı modeli önerilmiştir. Veriler eğitim, test ve doğrulama kümelerine ayrılmıştır. Bu YSA eğitim veri kümesiyle eğitilmiştir ve ardından performansı test ve sınama veri kümeleriyle incelenmiştir. Sonuç olarak, eğitilen YSA kullanılarak, CAT 6A haberleşme kablolarını verimli bir şekilde üretmek parametre tahmininde için kullanılabileceği bulunmuştur.
Tekstil yüzeylerinin fiziksel modifikasyonu için PLC tabanlı otomasyon sistemi
Bu çalışmada, farklı gaz ortamlarında (oksijen, argon ve azot) gerçekleştirilen korona boşalmasının, viskon ve polyester tip elyaf kullanılarak üretilen dokusuz tekstilin fiziksel özellikleri üzerine etkisi incelenmiştir. Deşarj, bir diyafram elektrot konfigürasyonu kullanılarak üretilmiş olup, burada 0.1 x 4 x 32.5 mm'lik (H x W x L) dar yarıklar 26 mm karşılıklı mesafedeki iki elektrot arasına yerleştirilmiştir. Elektrotlar, çift dönen kıvılcım aralığına bağlı olarak darbeli bir HV güç kaynağına bağlanmıştır. Bu çalışmanın birinci bölümünde, viskon ve polyester elyaflı tekstilin sarım kalitesini arttırmak için havasız ortam deşarjı kullanılmıştır. Havasız plazma işleminin mukavemet ve sarım davranışı üzerindeki etkileri, su temas açısı ölçümleri ve çarpma zamanı ölçümleri kullanılarak tanımlanmıştır. Yaşlanma etkisi de incelenmiştir. Yüzey modifikasyonu işlemi argon, oksijen ve azot gazlarının ayrı zamanlarda havasız kabine deşarjı ile korona boşalmasına maruz bıraktırılarak oluşturulmaktadır. Sonuçlar için numuneler mukavemet, hava geçirgenliği, buhar geçirgenliği, renk ölçümü ve boncuklanma testlerine tabi tutulmuştur. Deneyler sonucunda korona boşalmasına maruz bırakılmış kumaş numunelerinin mukavemet, hava ve buhar geçirgenliği özelliklerine etkisi olduğu görülmüştür.
Fiber optik kabloların kalite parametrelerinin belirlenmesi ve bu parametreler üzerine etki eden faktörlerin etki mekanizmalarının analizi
Haberleşme alanında çeşitli ortamlar ve amaçlar için farklı tiplerde fiber optik kablolar üretilmekte ve kullanılmaktadır. Üretilen fiber optik kablolar farklı çevresel ve mekanik şartlar altında farklı verim ve dayanım göstebilmektedir. Bu durumun sebebi kablo imalatında kullanılan malzemenin kalitesi, miktarı ve üretim kusurları olabilmektedir. Fiber optik kabloların üretilirken ve kullanılacağı ortama göre belirli uluslararası kalite standartlarını sağlaması gerekmektedir. Bu yüksek lisans tez çalışmasında yerli üretim fiber optik kablolar için standartlara uygun test düzenleri ve yazılımları tasarlanmış ve yeniden yapılandırılıp otomatize edilmiştir. Böylece testler insan bağımsız olarak gerçekleştirilip hata oranının ve maliyetin minimize edilmesi amaçlanmıştır. Sıcaklık ve gerilme gibi çevresel etkiler ve bükülme gibi mekanik etkilere karşı tepkileri, aralarındaki ilişkileri ortaya çıkarılmış ve incelenmiştir. Bu tepkiler fiber optik kablonun içinden geçen ışığın kaybı, fiber öz boyunda uzama ve kablonun boyundaki uzamalardır. Fiber optik kablonun kalite parametrelerinin belirlenmesi kablo tasarımı, kablo maliyeti ve kullanılacağı alana uyumu açısından büyük önem arz etmektedir.
Memristör tabanlı voltaj regülatörü devreleri
Seri ve paralel voltaj regülatörleri ayarlanabilir gerilim kaynağı yapımında sıklıkla kullanılmaktadırlar. Bir potansiyometre vasıtasıyla bazı voltaj regülatörlerinin çıkış gerilimi kolaylıkla ayarlanabilmektedir. Memristör son yıllarda ortaya çıkan, doğrusal olmayan bir devre elemanıdır. Doyumda olmayan bir memristöre eşik gerilimi değerinin üzerinde bir gerilim uygulandığında, akımının zamana göre integraline bağlı olarak memristans olarak adlandırılan elektriksel direnç değeri değişmektedir. Yani memristör sahip olduğu direnç değeri elektronik olarak ayarlanabilen bir devre elemanıdır. Memristör devre elemanın, analog ve dijital birçok devrede yeni uygulama alanları bulacağı beklenilmektedir. Literatürde memristör tabanlı filtreler ve yükselticiler gibi analog uygulama konularında pek çok çalışmalar mevcuttur. Bununla birlikte, yapılan literatür taramasında, memristörün voltaj regülatörlerinde kullanımı hakkında bir çalışma olmadığı görülmüştür. Bu çalışmada, memristör tabanlı seri ve paralel voltaj regülatör topolojileri önerilmiş, memristör tabanlı bazı seri voltaj regülatörleri için memristör ile diğer devre elemanlarının parametreleri kullanılarak tasarım kriterleri verilmiş, ve bazı memristor tabanlı seri voltaj regülatörleri benzetimler kullanılarak incelenmiştir.
Fotovoltaik uygulamalarda kullanılmak üzere elektro-kimyasal biriktirme yöntemi ile üretilen yarıiletken zns ince filmlerin karakterizasyonu
Çinko sülfit (ZnS), güneş pillerinde kullanım için uygun olan 3,5-3,7 eV arasında geniş bir yasak enerji aralığına sahip önemli bir inorganik yarı iletkendir. ZnS ince filmler, insan vücudu için toksik değildir ve içeriğinde bulunan elementler çok ucuz ve bol miktarda bulunur. Geniş alanlara kaplama özelliği ve ekonomik olmasından dolayı yarıiletken ince filmlerin elektrokimyasal olarak biriktirilmesi gün geçtikçe popüler olmaktadır. ZnS ince filmler, basit üç elektrotlu sistem ve sulu çinko klorür ve sodyum tiyosülfat çözeltileri kullanılarak oda sıcaklığında elektro-kimyasal biriktirme yöntemi ile iletken cam altlık üzerine biriktirildi. NaCl ile ZnS / iyonik çözeltinin Mott-Schottky (Ag / AgCl'a karşı 1 / C2) analizi, 100 Hz'de sabit bir frekansta, 10 mV'lik bir AC genliğinde gerçekleştirildi. Düz bant potansiyeli ve taşıyıcı konsantrasyonu, C-V ölçümleriyle hesaplandı.
Fotovoltaik sistemler için ortam koşullarına duyarlı invertör voltaj regülatörü devresinin geliştirilmesi
Teknolojinin hızlı gelişimine bağlı olarak yeni nesil fotovoltaik sistemlerde gün geçtikçe verimin yükselmesi, maliyetin düşmesi ve buna bağlı olarak enerji ihtiyacının karşılanması, fotovoltaik sistemlerin kullanımına olan ilgiyi önemli ölçüde artırmıştır. Güneş pilleri tabanlı otonom güç kaynağı sistemlerinin tasarımı ve onların sistemde çalışmaları esnasında ortaya çıkan bir takım problemlerin çözümü ve olayların fiziksel mekanizmasını anlamak için simülasyon (benzetim) yöntemleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında, otonom güç kaynaklı bir sistemde ihtiyaç duyulan güç balansını(dengesini) temin etmek için, benzetim modelinden hareketle güneş pili güç değeri ve akü pili kapasite değerleri belirlenmiştir. Düşük doğrusal olmayan distorsiyon faktörü ile çok çeşitli yüklerde ve sıcaklıklarda voltaj stabilizasyonunun doğruluğunu sağlayan yüksek hızlı invertör voltaj regülatörü devresi geliştirilmiştir. Güç trafosunun çekirdeğinin doğrusal olmayan ve histerezis özelliklerini dikkate alarak inverter transformatörünün parametreleri hesaplanmış ve simülasyonu yapılmıştır. Salınım devresindeki bobin fonksiyonlarının dikkate alınmasıyla invertör trafo yapısı incelenmiş ve güneş pili için, ışınım radyasyonunu ve ortam sıcaklığını dikkate alan maksimum güç ve verimlilik katsayısına sahip matematik model geliştirilmiştir.
Toprak direncini ölçen kablosuz haberleşmeli cihaz tasarımı ve toprak profilinin haritalanması
Toprak özdirenç ölçüm yöntemi günümüzde jeolojik yapıların kalınlık ve derinliklerinin belirlenmesi, jeolojik koşullara bağlı anomalilerin (aykırılık) belirlenmesi, tuzlu su girişimi ve kirlilik haritalarının elde edilmesi, gömülü atık yerlerinin belirlenmesi, yeraltı suyu, petrol, maden gibi doğal zenginliklerin aranması gibi çeşitli mühendislik uygulamalarında kullanılmaktadır. 20. yüzyılda Frank Wenner ve Conrad Schlumberger tarafından ilk uygulamaları yapılmış olan toprak özdirenç ölçüm yöntemi (rezistivite) günümüzde hala aynı prensipleri kullanmaktadır. Bu yöntem bir kaynak ile yüzeyden yer içine iki akım elektrotundan akım verilmesi ve yer içinde oluşan eşpotansiyel yüzeyin potansiyelinin yüzeyde yer alan iki elektrot ile ölçülmesi esasına dayanır. Akım ve gerilim elektrotlarının yeryüzündeki farklı dizilimleri farklı çalışmalar için kullanılmaktadır. Literatürde farklı elektrot dizilimlerinin kıyaslandığı çalışmalar, toprak özdirenç yönteminin uygulamalarına yönelik çalışmalar, elektrot dizilimlerinin dijitalize edilerek iş yükünün azaltılmasına yönelik çalışmalar, üç boyutlu toprak haritalandırmalarına yönelik çalışmalar ve sistem materyallerine yönelik çalışmalar mevcuttur. Yapılan bu tez çalışmasında toprak direncini ölçen mikrodenetleyici tabanlı bir cihaz tasarımı gerçeklemesi ve bu cihazdan alınan verilerin işlenmesiyle iki boyutlu toprak özdirenç (rezistivite) haritası çıkarabilen Android yazılımı oluşturulması amaçlanmıştır. Tasarlanan cihaz 8 elektrota sahiptir. Haritalanması istenen bölgeye yerleştirilen sekiz elektrot tekrar sökülüp takılmaya gerek kalmadan Wenner Alfa, Wenner Beta, Wenner Gama, Wenner Schlumberger, Dipol Dipol yöntemlerinin tamamı uygulayabilmektedir. Röle kontaklarına bağlı olan elektrotların vazifesi mikrodenetleyici tarafından rahatlıkla kontrol edilebilmektedir. Cihaz ile Android platform arasındaki veri aktarımı Bluetooth kablosuz haberleşmesiyle sağlamaktadır. Android platforma cihazdan gelen veriler JavaScript görselleştirme kütüphanesi kullanılarak iki boyutlu toprak özdirenç (rezistivite) haritalarına dönüştürülmüştür.
Bir güç hattı haberleşme sisteminde kullanılan alıcı/verici devresinin bloklama endüktörünün ve izolasyon trafosunun birleştirilmesi
Güç hattı haberleşmesi düşük ve orta seviyeli elektrik şebeke gerilim hattını kullanarak iletişim hizmeti sağlayan bir haberleşme teknolojisidir. Bu haberleşme teknolojisinde elektrik ve veri iletimi aynı hat üzerinden iletilmektedir. Elektrik iletimi yüksek voltaj ve düşük frekans ile sağlanırken, veri iletimi düşük voltaj ve yüksek frekans ile sağlanmaktadır. Bu teknikle internet, telefon, multimedya gibi hizmetler verilebilir ve otomasyon yapılabilir. Ancak bu hizmetin kullanılması sırasında hattın esas amacı olan güç iletiminin de devam etmesi bu sistemler üzerinde kazanç kaybına neden olmaktadır. Bu kazanç kaybını önlemek için kullanılan yöntemlerden biri de bloklama endüktörleridir. Bunun yanında güç hattı haberleşmesinde verici ya da alıcı devreleri şebekeden ayırmak için izolasyon trafoları yaygınca kullanılır. Bu çalışma ile güç hattı tarafındaki sargısı şebekeye seri olarak bağlanmış bir PLC verici devre izolasyon transformatörünün aynı zamanda bloklama endüktörü olarak da kullanılabileceği ve bu durumda da güç hattı haberleşmesinin yapılabileceği gösterilmiştir. Bu yeni PLC devre topolojisi kullanılarak elektriksel bir yük kontrolü de gerçekleştirilmiştir.
Fotovoltaik uygulamaları için elektrobiriktirme yöntemi ile büyütülmüş Zn katkılı Cds ince filmlerinin elektrofiziksel özellikleri
2.42eV' lik bant boşluğu ile heterojunction güneş pilleri için tampon tabaka olarak kullanılmak üzere uzun zamandır üzerinde çalışmalar yapılan CdS (Kadmiyum Sülfür) yarıiletkeni önemli bir yarıiletken malzemedir. CdS yarıiletkenin bant aralığının kontrolü ve yapısal özelliklerinin geliştirilmesi önemlidir. Elektrokimyasal olarak yarıiletken ince film birikimi, ekonomik ve geniş alan biriktirme kabiliyetine sahip olduğu için giderek daha popüler hale gelmektedir. Bu çalışmada, Zn (Çinko) katkılı kadmiyum sülfür ince filmler, basit iki elektrotlu bir sistem ve kadmiyum klorür ve sodyum tiyosülfat çözeltilerinin sulu çözeltileri kullanılarak 50° C sıcaklıkta elektrokimyasal biriktirme yöntemi ile indiyum kalay oksit cam altlıklar üzerine biriktirildi. Zn katkısının yapısal, morfolojik ve optik özellikler üzerindeki etkisi araştırıldı. Sonuçlar incelendiğinde, Zn katkılı CdS yarıiletken ince filmin nano yapıda ve homojen olarak elde edildiği görüldü. Ayrıca Zn katkısının CdS yarıiletken ince filmin bant aralığını artırdığı tespit edildi.
Karbon ve tungsten tabanlı memristör içeren kondansatör devrelerinin yön bağımlı dolması ve boşalmasının incelenmesi
Memristör (Hafızalı Direnç) doğrusal olmayan bir devre elemanıdır. 1971'de Dr. Leon Chua tarafından ortaya atılmıştır. Dr. Chua akı ile yük arasında bir bağlantı varsa, bunun o ana kadar literatürde bahsedilmeyen memristör adını verdiği elemanı tanımlayacağını iddia etmiştir. 2008 yılında, bir HP laboratuvarında memristör gibi davranan bir memristif sistem bulunmuştur. Bu buluşla birlikte, memristör popüler bir araştırma konusu olmuştur. Yeni bir nonlineer devre elemanı olan memristörün diğer devre elemanları ile birlikte davranışının incelenmesi oldukça önemlidir. Literatürde memristör ve kondansatörün (M-C) birlikte analiz edildiği az sayıda çalışma bulunmaktadır. Bu tez çalışmasında, bir kondansatör ve memristör devresinin yani M-C seri devresinin yöne bağımlı şarjı ve deşarjı hem analitik hem de deneysel olarak incelenmiştir. Bu çalışma ayrıca literatürde bir M-C şarj ve deşarj devresinin deneysel olarak ilk kez incelenecek olması açısından önemlidir. Devrelerde Knowm firmasının ürettiği Karbon ve Tungsten tabanlı memristörler kullanılmıştır. Analiz ve deneyler memristörlerin kataloğunda belirtildiği gibi seri bir koruma direnci kullanılarak yapılmıştır. Bu kaynaklı ve kaynaksız M-C devrelerinin Biolek memristör modeli kullanılarak analitik çözümlerinin var olup olmadığı araştırılmıştır. Ardından, bu devreler laboratuvar ortamında kurularak deneysel sonuçlar alınmıştır. Deneysel sonuçlar ve analiz sonuçları karşılaştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Memristör, Karbon-Tabanlı Memristör, Tungsten-Tabanlı Memristör, Deşarj Devresi, Devre Teorisi
Kapasitif algılama devreleri ve bazı uygulamaları
Bilgi ve kontrol sistemlerinin dünyadaki hızlı gelişiminin karakteristik bir özelliği, yaşamın tüm alanlarında çeşitli fiziksel niceliklerin algılayıcılarının(sensörlerinin) giderek yaygınlaşmasıdır. Sensörler endüstriyel kontrolde, üretim süreçlerinin otomasyonunda, otomobil, havacılık, roket-uzay ve havacılık teknolojisinde, tıpta ve güvenlik kontrol sistemlerinde her geçen gün daha yaygın kullanılır. Bu çalışmada, kapasitif algılama sensörü içeren elektronik devre tasarımı için matematiksel model geliştirilmiş ve devrenin algılama kapasitörü değerine bağlı olarak hassasiyetini (duyarlılığını) etkileyen parametrelerinin analizi verilmiştir. Bir bütün olarak, kapasitif algılama devresinin tüm komponentlerinin analizi verilmiş, devrenin tükettiği enerjiyi güvenli bir biçimde karşılayan güneş paneli ve akü hesabı verilerek uzaktan kontrollü yeni bir kapasitif algılama devresi tasarlanmıştır. Kapasitif algılama sensörü üzerinden tespit edilen durum bilgisi, geliştirilen mobil uygulama sayesinde, kablosuz olarak cep telefonu veya tablet gibi bir mobil cihaza aktarılarak, tasarlanan bu yeni sistemin başarılı bir şekilde pratik uygulaması gerçekleştirilmiştir.
Bası yarası oluşabilecek hastalar için akıllı yatak sistemi modellenmesi ve tasarımı
Yatan hastalarda oluşabilecek bası yaraları ve doku nekrozu oluşumu, onların yaşam konforunu önemli ölçüde azaltmakta ve hatta yaşamları için tehlikeli sonuçlara yol açabilmektedir. Bu çalışmada yatan hastalarda oluşabilecek bası yaralarının oluşumunun önüne geçilebilmesi için bir akıllı model yatak prototipi geliştirilmiştir. Tasarlanmış bu akıllı yatak prototipinde ilk aşamada, ağırlık algılama sensörleri (load cell) kullanılarak hasta-yatak sisteminde birim temas yüzey alanı üzerindeki basınç dağılımının haritalaması gerçekleştirilerek yatakla temas eden hasta vücudunun hareketsiz bölgeleri belirlenir. İkinci aşamada ise ilgili yüzey alanından alınan bilgiler doğrultusunda, yüzeye belirli şekil ve parametrelere sahip uyarıcı elektrik impuls sinyal uygulaması yapılır. Önerilen prototip sistemi uzaktan da izlenmeye müsait yeni bir sistem olup, hastanın anlık pozisyon durumunu değerlendirmeye ve ihtiyaca binaen koruyucu tedavi olarak, uygun uyarıcı elektrik akımı sinyallerinin kullanılmasıyla normal doku aktivitesinin devamının sağlanmasına olanak sağlamaktadır. Bu çalışmanın aynı zamanda gelecekte bu konularda yapılacak araştırmalara öncülük edeceği düşünülmektedir.
Görüntü işleme teknikleri ve evrişimsel sinir ağları kullanılarak yüz ifadesinden duygu tespiti
Bu tez çalışmasında, yüzdeki duygu ifadelerini tespit etmek için görüntü işleme teknikleri ve makine öğrenmesi teknikleri incelenmiştir. Öznitelik vektörlerini elde etmek ve yüzdeki duygu ifadedelerini tespit etmek için yapılan çalışmalar aşamalar halinde verilmiştir. Yapılan uygulamalarda ve kategorilerde, 7 duygu kategorisinde, insan yüzleri içeren 981 adet imgeden oluşan CK+ imge seti kullanılmıştır. CK+ veri setinden HOG, LBP, Geometrik Öznitelikler ve Dalgacık Dönüşümü yöntemleri kullanarak öznitelik veri seti oluşturulmuştur. Öznitelik veri seti Destek Vektör Makinaları, K-En Yakın Komşuluk Algoritması ve Lojistik Regresyon sınıflandırma yöntemleri ile sınıflandırılarak yüz ifade tespiti başarı durumları karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Veri setindeki imgelerin orijinal hali ve HOG, LBP ve Dalgacık Dönüşümü öznitelik imgelerinin kullanıldığı durumlardaki başarı oranları karşılaştırılmıştır. Evrişimsel Sinir Ağları (CNN) yönteminin duygu ifadeleri tespitindeki başarısı ele alınmıştır.
Uyumlu kesirli türevle modellenmiş kondansatörlü farklı türden darbe üreteçlerinin maksimum enerjisi hakkında varyasyonel problemler
Bu çalışmada uyumlu kesirli türev (UKT) ile modellenmiş kondansatör (C_α) içeren farklı türden iki tane darbe üretecinin maksimum enerjisi hakkındaki varyasyonel problemler çözülmüştür. Ele alınan ilk devrede, darbe üreteci devresi seri bağlı bir direnç ve UKM kondansatörden yani R ve C_α'dan oluşmaktadır. Ele alınan ikinci devre, darbe üreteci devresinde UKM kondansatörden (C_α), kondansatörün ideal olmayan yalıtkanını modelleyen ve ona paralel bağlı bir dirençten (R_P) ve ikisine de seri bağlı bir dirençten (R) oluşmaktadır. Bu her iki devre topolojisini tanımlayan uyumlu kesirli mertebe diferansiyel denklemler türetilmiştir. Her bir devre için, darbe üretecinin enerjisini maksimum yapmak amacıyla Euler-Lagrange denklemleri ve devreyi tanımlayan diferansiyel denklem kullanılarak bir optimizasyon problemi elde edilmiştir. Her iki problemde kondansatörün yüklenmesi sonucu erişeceği gerilim (V_(C_α )(τ)) ve bu yüklenmenin gerçekleşmesi için gerekli zaman süresi yani yüklenme zamanı (τ) problemin netliği açısından sabit alınmıştır. Kondansatörün başlangıçta yüksüz olduğu yani kondansatör gerilimin V_(C_α )(0) = 0 Volt olduğu kabul edilmiştir. Daha sonra bu optimizasyon denklemleri sınır değerlerinin yerine koyulmasıyla ve sonlu farklar yöntemi kullanılarak sayısal olarak çözülmüştür. Her darbe jeneratörünün UKM kondansatör geriliminin sayısal çözümü Matlab ile yapılmıştır.
Nonlineer sürüklenme hızlı memristör modellerini kullanarak memristif anahtarlama zamanı hesabı
Dr. Leon Chua 1971'de yaptığı çalışmada direnç, endüktör ve kondansatörün yanı sıra dördüncü temel devre elemanı olan Memristör'ü tanımlamış ve memristör elemanının özelliklerini, yük ve akı arasında olduğunu kabul ettiği "kayıp ilişki" olarak tanımladığı ilişkiden türetmiştir. 2008 yılında HP laboratuvarlarında yapılan araştırmalarda memristör gibi davranan TiO_2 ince filmlerin keşfi yapılmıştır. Bu keşfin peşi sıra, bu yeni elektronik devre elemanının yapısı, modellenmesi, bulunduğu devrelerin analizi ve uygulamaları üzerine araştırmalar başladı. Rezistif ya da memristif anahtarlama olarak adlandırılan memristörün direncinin minimum değerinden maksimum değerine ya da maksimum değerinden minimum değerine geçiş olayı ve bu geçiş için gereken zamanın değeri özellikle rezistif bilgisayar hafızaları uygulamaları için oldukça önemlidir. Bir memristörün anahtarlama zamanı deneylerle ölçülmesi ve memristör parametrelerinden hesaplanması gereken önemli bir parametredir. Literatürde, bildiğimiz kadarıyla, rezistif anahtarlama zamanları HP memristör modeli ve bir parçalı doğrusal yük-akı karakteristikli memristör modeli dışında hesaplanmamıştır. Bu tez çalışmasında, pencere fonksiyonu kullanan doğrusal olmayan sürüklenme hızlı bazı iyi bilinen memristör modellerinin memristif anahtarlama zamanları hesaplanmıştır. Bu sonuçlardan ilham alınarak yeni bir memristör pencere fonksiyonu önerilmiştir. Yeni modelin bu çalışmada kullanılan diğer memristör modelleri ile karşılaştırılması yapılmıştır. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar ileride daha gerçekçi memristör modellerinin yapılması için kullanılabilir.
Yatay paketleme makinelerinde çene ve disk bölgelerindeki sıcaklığın PID kontrollü stabilizasyonu
Paketlemenin birinci işlevi, raf ömrü süresince, paket içeriğini taze, temiz ve güvende tutmaktır. Bu yüzden ülkemizde makine sektörününde gelişmesiyle, paketleme hattı; malzeme teknolojisi ve üretim mühendisliğinin bir uygulamasıdır ve her iki disiplindeki gelişmeler, ambalajdaki yeniliklere katkıda bulunmaktadır.Artık tüketicinin marka sahibine ve tüketiciye ürünün bütünlüğü konusunda güvence vermesi için kolay kurcalanmaya açık cihazları açmasını kolaylaştırmak için yırtma şeritli veya lazer kesimli esnek sargıları ve poşetleri görmek artık çok olağan bir hale gelmektedir. Komple paketleme hatları artık şişelerin reçineden kalıplandığı, doldurulduğu, mühürlendiği, etiketlendiği, kartonlandığı ve yüksek düzeyde otomatik kontrol ve denetimle paletlendiği yerlerde çalışmaktadır. Bu tür gelişmeler, çok çeşitli paketleme makinelerine olan ihtiyacı doğurmaktadır. Bu, hepsini ayrıntılı olarak açıklamanın mümkün olmadığı anlamına gelmektedir. Ülkemizde de onlarca makineci paketleme sektörünün makine üretim ayağını oluşturarak, ülke değerlerine maddi manevi katkılar sağlamaktadır. Yatay Paketleme makinelerinde de yaşanan en büyük sorunlardan bir tanesi, çene ısıtıcı kısmında yaşanan sıcaklık stabilasyonunun sağlanamamasından dolayı ambalajların sağlıklı bir şekilde yapılamamasını ortaya koymaktedır. Bu tezde Yatay Paketleme makinelerinde endüstriyel kontrol sistemleri ve ekipmanları kullanılarak hızlı devreye alımlar sağlannmakatadır.Çok daha fazla hurda malzemenin oluşmasının önüne geçmek hemde sürdürülebilir kaliteli üretimin devamlılığı hedeflenmektedir.
Aktif - RC tabanlı doğrusal olmayan elektronik devrelerin nümeriz analizi
Teknolojinin hızlı gelişimiyle beraber haberleşme sistemleri her geçen gün daha verimli ve daha az maliyetli hale gelmiştir. Böylelikle haberleşme ağlarına ve haberleşme sistemlerine var olan ilgi artırmıştır. Elektronik ve yarı iletken teknojilerinin de gelişmesiyle, tüm bu sistemlerin aralarındaki iletişim ve bağlantıların ortaya çıkartabileceği problemlere bir çözüm üretilmektedir. Bu sistemlerdeki dalga (sinyal) formlarını anlamak için simülasyon (benzetim) yöntemleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında, aktif- RC tabanlı doğrusal olmayan elektronik devrelerde gerçekleşen transient olayların matematiksel modellerinin nümerik analizi için algoritmalar geliştirmektir. Dolasıyla, tezde elde edilen araştırma sonuçların, doğrusal olmayan devre elemanları içeren değişik elektronik devrelerin çalışma ve tasarım otomasyonunda ortaya çıkan problemlerin çözümüne teorik ve pratik katkı sağlamıştır. Elektronik devrede kullanılan çeşitli bileşenlerin (alan etkili transistör, bipolar transistör ve varistör) akım-gerilim karakteristiklerini (AGK) belirleyen mevcut bağlantılar analiz edilip, gerilim ve akım arasındaki matematiksel ilişkiler belirlenmiştir. Ayrıca, incelenen elektronik devrede, deneysel verilerinin analitik olarak belirlenmesine olanak sağlayan yaklaşım (aproksimasyon) fonksiyonları belirlenmişitr.
Ortalama yarı kararlı anahtar memristör modelinin tungsten tabanlı memristörler için eşiküstü gerilimlerde geçerliliğinin incelenmesi
Memristör, son on yılda popüler bir doğrusal olmayan devre elemanı oldu. Tungsten tabanlı Knowm memristörler şu anda piyasada satılmaktadır. Tungsten tabanlı Knowm memristörler literatürde Ortalama Yarı Kararlı Anahtar Memristör Modeli ile modellenmiştir. Ama literatürde bu modelin eşiküstü gerilimlerde geçerliliği henüz incelenmemiştir. Bu çalışmanın amacı eşiküstü gerilimlerde Ortalama Yarı Kararlı Anahtar Memristör Modelinin geçerli olup olmadığını incelemektir. Bu çalışmada, ilk olarak, çeşitli akım ve gerilim kaynakları ile beslenen Tungsten bazlı bir Knowm memristörün deneysel akım ve gerilim dalga şekilleri kaydedilmiştir. Daha sonra elde edilen bu veriler, Tungsten bazlı Knowm memristörün Ortalama Yarı Kararlı Anahtar Memristör Modelinin eşik üstü gerilimlerde geçerli olup olmadığını görmek için incelenmiştir. Bu modelin ölçülen tüm dinamikleri üretemediği gösterilmiştir. Bu çalışmada ayrıca alternatif bir memristör modeli önerilmiş ve deneysel sonuçları kullanarak değerlendirilmiştir ama önerilen modelin de bu sorunları gideremediği görülmüştür. Bu modellerin eksik olduğu özellikler için nedenler verilmiştir. Sonuç olarak daha iyi bir Tungsten bazlı Knowm memristör modeline ihtiyaç vardır.
Fotopletismografi sinyal ile manşetsiz giyilebilir kan basıncı tahmin sistemi
Kan basıncındaki anormalliklerin erken tespiti, kronik kalp yetmezliği, kalp krizi ve felç gibi hastalık risklerini önemli ölçüde azaltmaya yardımcı olmaktadır. Mevcut klinik uygulamalarda, kan basıncı (KB) ölçümü tekniklerinin çoğu manşet tabanlı, invaziv, ya da birden fazla sensör içeren sistemlerden oluşmaktadır. Bu teknikler, hastalar için rahatsız edici olması ve sık kalibrasyon gerektirmesi nedeniyle pratik değildir. Bu çalışmada, sadece fotopletismografi (PPG) sinyal verileri ile KB'nin sürekli, manşetsiz, invaziv olmayan ve kalibrasyon gerektirmeyen tahmini amaçlanmıştır. PPG ve Aortik KB sinyalleri PhysioNet tarafından sağlanan ve erişime açık MIMIC-II veri setinden elde edilmiştir. Önceden eğitilmiş ResNet50, VGG16, DenseNet121, MobileNetV2 ve Xception modelleri kullanılarak PPG sinyallerinden ve türevlerinden derin öznitelikler çıkartıldı. Tüm derin özniteliklere özyinelemeli öznitelik eleme algoritması uygulandı ve azaltılmış seçili öznitelik seti elde edildi. Seçili derin öznitelikler klasik makine öğrenimi ve derin öğrenme algoritmaları ile kullanıldı ve KB tahmin modelleri elde edildi. Modellerin değerlendirilmesinde, istatistiksel metrikler ve görsel analitik araçlar kullanıldı. Ayrıca AAMI ve BHS protokolleri kullanılarak KB tahmin modelleri derecelendirilmiştir. Sonuçlar, DenseNet121 modeli ile elde edilen derin özniteliklerin diğer modellere göre daha yüksek bir performansa sahip olduğunu göstermiştir. Ayrıca, derin öğrenme algoritmalarının klasik makine öğrenimi yöntemlerine göre daha etkili bir performans ortaya koydukları sonucuna varılmıştır. Önerilen KB tahmin modellerinin MAE±STD hata değerleri SKB, DKB ve OKB için sırasıyla 5,63±8,83, 2,82±5,60, 4,39±5,95 olarak hesaplanmıştır. Sonuçlar, KB tahmin modellerinin BHS protokolüne göre A seviye olduğunu ve AAMI kriterini karşıladığını göstermektedir.
Memristör tabanlı bir Lıénard Osilatörü tasarımı
1971 yılında Chua tarafından doğrusal olmayan bir devre elemanı olan memristörün varlığı iddia edilmiştir. 2008'e kadar memristör üzerine pek fazla çalışma yapılmamıştır. 2008 yılında HP'de çalışan bir araştırma ekibi tarafından bir TiO2 memristör keşfedilmiştir. Yeni devre elemanı memristör sensör yapımında, hücresel sinir ağları, kaotik sistemler, programlanabilir analog devreler, kalıcı bellek cihazları gibi devre uygulamalarında kullanılabilmektedir. 1928'de salınımlı devrelerin modellenmesi için Alfred-Marie Liénard tarafından Liénard denklemleri önerilmiştir. İlk Liénard Osilatörü yapıldığında yarı iletken teknolojisi mevcut değildi ancak günümüzde çeşitli yarı iletken devre elemanları yeni tür Liénard Osilatörlerinin yapımında kullanılmaktadır. Günümüzde Knowm firmasının ürettiği ve piyasada satılan Karbon ve Tungsten tabanlı memristörler mevcuttur. Yapılan literatür çalışmasına göre, henüz yapılmış Karbon Knowm memristör tabanlı bir Liénard Osilatörü bulunmamaktadır. Bu tez çalışmasının amacı iki adet Karbon tabanlı Knowm memristör kullanarak literatüre yeni bir Liénard Osilatör çeşidi kazandırmaktır. Bu çalışmada önce memristör tabanlı bir Liénard Osilatörü devre topolojisi önerilmiş, LTspice programında benzetimleri yapılmış, ardından Karbon tabanlı bir memristör entegresi kullanılarak devre kurulmuş ve kurulan osilatör üzerinde gerçekleştirilen deneyler sayesinde literatürde bir ilk olarak iki tane ters-paralel bağlı Karbon Knowm memristör kullanarak bir Liénard Osilatörü yapılabileceği gösterilmiştir.
OpAmp tabanlı 10.dereceden bant geçiren filtre tasarımı
Bu çalışmada, opamp tabanlı 10. dereceden bant geçiren (BG) Butterworth elektrik süzgeç tasarımı ve bu kapsamda elde edilen sonuçların analizi verilmiştir. Yüksek dereceli filtreler, ikinci ve üçüncü derece filtrelerin bir kombinasyonu kullanılarak oluşturulur. Bir Butterworth bant geçiren filtre tasarlarken, Ap (iletim bandındaki dB cinsinden zayıflama), As (durdurma (tutucu bandındaki dB cinsinden zayıflama), fp (Ap'nin meydana geldiği frekans) ve fs (As'in meydana geldiği frekans) gibi dört parametre belirtilmelidir. Tasarım prosedürü iki adım içerir: ilk adım gerekli filtre derecesini bulmak, ikinci adım ise biçimlendirilmiş parametre değerlerine uygulanacak ölçekleme faktörünü bulmaktır. Butterworth bant geçirgen (BBG) filtresi, alçak geçiren filtre ile yüksek geçiren filtrenin birleşimidir. Bir Butterworth alçak geçiren filtre için, kullanılan direnç 100 kΩ'dur ve kondansatörün değeri, frekans ve seçilen direnç değeri ile ters ölçeklenerek bulunur. Butterworth yüksek geçiren filtre için ise kullanılan kondansatörün değeri 0,05µF 'dir ve direncin değeri frekans ve seçilen direnç değeri ile ters ölçeklenerek bulunur. Filtre konfigürasyon tasarım şeması LTspice yazılımı kullanılarak test edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Butterworth Filtre, Bant- Geçiren Filtre, Alçak- Geçiren Filtre (AGF), Yüksek- Geçiren Filtre (YGF), Ltspice
Osmanlıca el yazması belgeler için derin öğrenme tabanlı karakter tanıma yöntemi
Bu çalışmada Osmanlıca el yazması ve matbu dokümanlardaki karakterlerin tanınmasına yönelik bir derin öğrenme modeli geliştirilmiş ve geliştirilen yöntemin Osmanlıca karakter tanıma performansı çeşitli deney senaryoları ile değerlendirilmiştir. Osmanlıca yazılı metinlerin dijitalleştirilmesi, kültürel mirasın korunması ve araştırmacılara daha kolay erişim sağlanması açısından büyük önem taşımaktadır. Ancak, Osmanlıca el yazması karakterler hem karmaşık yapıları hem de yazı stillerindeki çeşitlilik nedeniyle karakter tanıma süreçlerinde önemli zorluklar ortaya çıkarmaktadır. Bu tez çalışmasında, bu zorlukların üstesinden gelmek, yüksek doğruluk oranı ile karakter tanıyabilmek için uygun derin öğrenme mimarileri ve çeşitli eğitim stratejilerinin geliştirilmesine odaklanılmaktadır. Tez çalışmasında Osmanlıca karakter tanıma problemi bir nesne tespit problemi olarak ele alınmış ve bu problemi çözebilmek için nesne tespiti tabanlı bir yöntem geliştirilmiştir. Çalışma kapsamında biri Osmanlıca el yazması dokümanlardan, diğeri ise Osmanlıca matbu dokümanlardan oluşan iki adet veri kümesi oluşturulmuştur. Veri kümesinin oluşturulmasında, dokümanların yüksek çözünürlüklü taramalarından elde edilen görüntüler kullanılmış ve bu görüntüler üzerinde karakter etiketleme işlemleri gerçekleştirilmiştir. Oluşturulan veri kümeleri hem el yazması hem de matbu Osmanlıca dokümanlarda karakter tanıma performansını değerlendirmek için kullanılmıştır. Önerilen yöntemin performansı, literatürde yaygın olarak kullanılan Faster R-CNN ve SSD gibi nesne tespiti yöntemleri ile karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, önerilen yöntemin özellikle matbu dokümanlar üzerinde yüksek doğruluk oranları elde ettiğini göstermektedir. Tez çalışmasında farklı eğitim ve test stratejilerinin model performansına etkisi de değerlendirilmek istenmiştir. Bunun için, Osmanlıca matbu ve el yazması dokümanlar üzerinde çeşitli eğitim senaryoları uygulanmıştır. SC-1 olarak adlandırılan senaryoda, önerilen yöntem, Osmanlıca matbu dokümanlarda %98.49 wAP değeri ile oldukça üstün bir performans sergilemiştir. Bu senaryoda Faster R-CNN modeli %72.40 wAP değeri elde ederken, SSD modeli sadece %10.64 wAP değeri ile sınırlı kalmıştır. Bu durum, önerilen yöntemin matbu dokümanlarda karakter tanıma açısından mevcut yöntemlere kıyasla çok daha etkili olduğunu göstermektedir. SC-2 senaryosunda ise Osmanlıca el yazması dokümanlar üzerinde yapılan deneyler, önerilen yöntemin %95.78 wAP değeri ile başarılı bir performans sergilediğini göstermiştir. Bu senaryoda Faster R-CNN %96.87 wAP değeri ile önerilen yönteme benzer bir performans göstermiştir. SC-3 senaryosu kapsamında hem matbu hem de el yazması veri kümeleri kullanılarak model eğitilmiş ve bu modelin her iki veri kümesi üzerindeki performansı detaylı bir şekilde incelenmiştir. Sonuçlar, karma veri kümeleri ile eğitilen modellerin her iki doküman türü üzerinde de kabul edilebilir bir performans sergilediğini, ancak özellikle el yazması dokümanların içerdiği çeşitlilik ve karmaşıklığın karakter tanıma problemini daha da zorlaştırdığını göstermiştir. Ancak, SC-4 senaryosunda elde edilen sonuçlar, sadece el yazması dokümanlarla eğitilen modellerin matbu dokümanlar üzerindeki performansının sınırlı kaldığını ortaya koymuştur. Bu senaryoda önerilen yöntem matbu dokümanlar üzerinde %66.41, Faster R-CNN modeli %53.12 wAP değeri elde ederken, SSD modeli yalnızca %9.09 wAP değeri elde edebilmiştir. Geliştirilen modelin bileşenlerinin modelin karakter tanıma performansı üzerindeki etkilerinin incelenebilmesi için bir dizi ablasyon çalışması yapılmıştır. Ablasyon çalışmasında ilk olarak, modelin omurga yapısının modelin performansına etkisi incelenmiştir. Bu amaçla, CSP-DarkNet53 ve Tiny-YOLO gibi farklı omurga yapıları kullanılarak çeşitli deneyler gerçekleştirilmiştir. CSP-DarkNet53 ağı bir tür evrişimsel sinir ağı olup daha derin ve karmaşık bir mimariye sahiptir. Yapılan deneylerde, CSP-DarkNet53 ağının, özellikle daha zorlayıcı karakter tanıma görevlerinde daha yüksek wAP değerleri elde ettiği gözlemlenmiştir. Buna karşın, Tiny-YOLO omurgası, daha az hesaplama maliyeti gerektirmesine rağmen, daha düşük performans sergilemiş ve özellikle karmaşık karakter yapılarını tanımada yetersiz kalmıştır. Bu bulgular, derin öğrenme modelinin mimari yapısının, karakter tanıma sürecinde büyük bir öneme sahip olduğunu ortaya koymaktadır. İkinci olarak, modelin giriş boyutunun performans üzerindeki etkisi detaylı bir şekilde analiz edilmiştir. Çalışmada başlangıçta 608×1152×3 olarak belirlenen giriş boyutu, daha düşük bir çözünürlük olan 320×576×3 boyutuna indirilmiş ve performans değişimleri incelenmiştir. Bu giriş boyutunun küçültülmesi, modelin performansında belirgin bir düşüşe neden olmuş ve genelleme kapasitesini olumsuz etkilemiştir. Bu durum, Osmanlıca el yazması karakterlerin tanınmasında, yüksek çözünürlüklü doküman imgelerinin önemini vurgulamaktadır. Tez kapsamında gerçekleştirilen bir diğer ablasyon çalışmasında veri çoğaltma tekniklerinin model performansına etkisi incelenmiştir. Veri çoğaltma tekniklerinin, özellikle sınırlı veri kümeleri üzerinde çalışan modellerin performansını artırmada önemli bir rol oynadığı tespit edilmiştir. Veri çoğaltma, modelin daha geniş bir veri çeşitliliğiyle eğitilmesini sağlayarak genelleme yeteneğini artırmakta ve aşırı öğrenmeyi önlemektedir. Ayrıca, Osmanlıca el yazması dokümanların zorlu ve çeşitli yapısına uyum sağlamada modelin performansını iyileştirdiği ortaya konulmuştur.
Beyin izleme yöntemleri için anten dizisi tasarımı ve modellemesi
Son zamanlarda hızla gelişen teknoloji sayesinde, biyomedikal uygulamaların ölçümlerinde farklı uygulamaların ve çeşitli yöntemlerin hastalıkların tespiti üzerinde etkisi oldukça büyüktür. Gelişen teknoloji birçok yönde insan hayatını olumlu olarak etkilemektedir. Günümüzde biyomedikal uygulamalarda anten kullanımı sıklıkla tercih edilmektedir. Gelişen teknolojiye bağlı olarak, tıbbı uygulamalar daha bilimsel ve teknik hale gelmiştir. Görüntüleme sistemleri, hastalıkların teşhis edilmesi, ışın tedavisi sistemleri, vücuda takılan güvenlik cihazları gibi uygulamalarda anten kullanımı sıklıkla görülmektedir. Tıbbi uygulamalarla ilgili anten tasarımı, normal anten analizinden farklıdır. Empedans, bant genişliği, anten kayıpları ve vücut uyumluluğu üzerinde önemli bir araştırma gerektirmektedir. Sistem elemanlarının temel özelliklerinin küçük boyutlu, hafif ve düşük maliyetli olması istenir. Kullanılan mikroşerit teknolojisi bu özellikleri sağlamaktadır. Her hastalıkta olduğu gibi beyin omurilik hastalıklarında erken tanı önem arz etmektedir. Bu çalışmada sağlıklı bir bireyin beyin yapısı ile tümörlü bir beyin yapısının ölçüm sonuçlarına odaklanılmaktadır. Çalışma da, 1.5-3 GHz aralığında çalışan ve mikrodalga görüntüleme uygulamalarına uygun bir dikdörtgensel anten tasarımı ile beyin fantomu oluşturulmuştur. Anten, 29 x 29 mm2 ve kalınlığı 1.6 mm olan ölçülere sahip ve 50 ohm olan bir mikroşerit iletim hattı ile beslemiştir. Anten, CST Studio Suite programı kullanılarak simüle edilmiş ve simülasyon sonuçlarına göre uygun ölçülere sahip anten üretilmiştir. Üretilen antenin S parametresi ölçümleri TÜBİTAK Uzay Teknolojileri Araştırma Enstitüsünde, Network Analizör Cihazı ile yapılmıştır. Üretilen antenin elektromanyetik uyumluluk testleri TÜBİTAK Uzay Teknolojileri Araştırma Enstitüsün'de anekoik odada yapılmıştır. Bu tez çalışmasında biyomedikal uygulamalarda kullanılmak üzere anten tasarımları, üretimi ve ölçüm sonuçları incelenmiştir. Gelecekteki uygulamaların ise şu an yapılan çalışmalar ile sınırlı olması beklenemez. Özellikle insan sağlığı ile ilişkili olan tüm biyomedikal uygulamalarında antenlerin çeşitti şekillerde kullanılması kaçınılmaz olacaktır.
Akustik ve görsel özellikleri kullanarak müzik tür sınıflandırması uygulaması
Bu teze konu olan çalışmada, sesin hem görsel hem de akustik özellikleri kullanılarak müzik tür sınıflandırması uygulaması geliştirilmiştir. Müzik türleri olarak en çok bilinen dört farklı müzik türü seçilmiştir. Bunlar Elektronik, Jaz, Klasik ve Metal müzik türleridir. Görsel özelliklerin tasarımında SIFT ve SURF görüntü tanımlayıcıları kullanılmıştır. Akustik özellik olarak da Mel Frekans Kepstral Katsayıları (Mel Frequency Cepstral Quefficients(MFCC)) kullanılmıştır. Sınıflandırıcı olarak ise Destek Vektör Makinesi ve k-nn sınıflandırıcısından yararlanılmıştır. Teknolojinin gelişmesiyle insanların otomatik sınıflandırma yapan cihaz ya da yazılımlara güveni artmaktadır. Bununla beraber müzik piyasasının gelişmesiyle otomatik müzik tür sınıflandırması uygulamasına olan ilgi artmakta ve bu tür sistemlerin kullanımı da buna paralel bir şekilde her geçen gün artmaktadır. Bu ihtiyaçtan yola çıkarak müzik tür sınıflandırması uygulaması geliştirilerek bu ihtiyacın giderilmesi amaçlanmıştır. Müzik türleri kendi içinde belirli özelliklere sahiptir. Her türün kendine özgü akustik özellikleri bu türün diğer türlerden ayırt edilmesinde kullanılır. Sese ait akustik özellikler 3 ana sınıftan oluşur. Bunlar Tını özellikleri, Ritmik özellikler ve Makam özellikleridir. Görsel özelliklerle birleştirme işlemi yapıldığından burada sadece Timbral özellikler sınıfına ait olan MFKK özelliği kullanılmıştır. MFKK ses işlemede en çok kullanılan ve en etkin bir özelliktir. Özellikle ses tanıma ve konuşmacı tanıma gibi uygulamalarda karşımıza çıkmaktadır. Müzik tür sınıflandırması uygulamalarında da şimdiye kadar kullanılmıştır. MFKK, insan kulağının sesi algılamasına benzer şekilde çalışır. Yapılan deneylere göre insan kulağı sesi ilk 1000Hz de doğrusal olarak, 1000Hz 'den büyük frekanslarda da logaritmik olarak algılamaktadır. Buradan esinlenerek MFKK özellikleri çıkarılmıştır. Görsel özellik elde edilmesinde müziğin spektrogramı elde edilerek bu spektrogram üzerinde görüntü işleme teknikleriyle özellik çıkarılmıştır. Görsel özellikler kısmında kullanılan görüntü tanımlayıcılardan bir tanesi SIFT' dir. Görüntü tanımlayıcılar bir görüntüye ait olan özelliklerin çıkarılmasını sağlar. SIFT görüntü tanımlayıcısı görüntüden özellik çıkarırken hem görüntü rotasyonundan hem de ölçekten bağımsız çalışmaktadır. Yani görüntü rotasyonunda ya da ölçekte meydana gelebilecek herhangi bir değişiklik SIFT görüntü tanımlayıcısının performansını herhangi bir şekilde etkilememektedir. SURF algoritması da bir diğer görüntü tanımlayıcısı olarak kullanılmıştır. SURF, SIFT algoritmasının hızlandırılmış şeklidir. Dolayısıyla SURF' de hem görüntü rotasyonundan hem de ölçekten bağımsız çalışmaktadır. Görüntü tanımlayıcılar elde edildikten sonra bu tanımlayıcılardan çıkan vektörler kullanılarak özellik kümesi histogramı oluşturulur. Özellik kümesi özellikle son yıllarda görüntü sınıflandırmada kullanılan bir yöntemdir. Görüntü tanımlayıcılardan elde edilen vektörler k-means yöntemi kullanılarak benzerliklerine göre sınıflandırılır ve bunların histogramı alınır. Daha sonra bu histogramlar sınıflandırıcı eğitiminde kullanılır. Sınıflandırıcı olarak da destek vektör makinesi ve k-nn sınıflandırıcısı kullanılmıştır. K-nn sınıflandırıcısı uygulaması basit olan bir sınıflandırma çeşididir. Bu sınıflandırıcının diğer sınıflandırıcılardan farkı eğitim aşamasına gerek duymamasıdır. Eğitim verileri sınıflandırma sırasında bu sınıflandırıcı tarafından direkt olarak kullanılır. Destek vektör makinesi de bir danışmanlı öğrenme çeşididir. Görüntü ve ses işleme alanında sınıflandırıcı olarak en çok kullanılan yöntemdir. Bu sınıflandırıcı farklı sınıfları birbirinden ayırt edebilecek en iyi hyperplane'ı bularak sınıflandırma işlemini gerçekleştirir. Sistem gerçeklemesinde kullanılan temel eleman Raspberry pi vakfı tarafından üretilmekte olan Raspberry pi 2 'dir. Raspberry pi, içinde Linux Raspbian işletim sistemi olan bir karttır. Dolayısıyla aslında Linux yüklü bir bilgisayar gibi de düşünebiliriz. Dolayısıyla herhangi bir yazılım programı(c,c++,python…) yüklenerek yazılım geliştirilmesi mümkündür. Bu çalışma python 2 kullanılarak geliştirilmiştir. Raspberry pi 2 4 çekirdekli ARMV7 cortex 900MHZ işlemci, 1GB RAM ve SD kart yuvasına sahiptir. Yapılan çalışmalar sonucunda elde edilen performansın dört müzik türünü ayırt etmede iyi sonuç verdiği görülmektedir. Sadece görsel özellikler kısmının bile müzik tür sınıflandırmasında kullanılabileceğini göstermiştir. İlk bölümde müzik ve müzik türlerinden bahsedilmiş ve müzik türlerinin kendine özgü özelliklerinin olduğundan bahsedilmiş ve gösterilmiştir. İkinci bölümde de özellik detektörler ve görüntü tanımlayıcılardan bahsedilmiştir. Sesin spektrogram görüntüsü üzerinden özellik detektörler yardımıyla anahtar noktaların bulunup, bu anahtar noktalardan da görüntü tanımlayıcılar yardımıyla özellik çıkarma işlemi uygulandığından bahsedilmiştir. Müteakiben oluşturulan üçüncü bölümde, görüntü tanımlayıcılardan çıkan vektörlerin benzerliklerine göre kümelenmesi ve bunların histogramının çıkarılmasıyla özellik kümesinin elde edilmesinden bahsedilmiştir. Dördüncü bölümde ise sesin akustik özelliklerinden olan Mel Frekans Kepstral Katsayıların dan bahsedilmiştir. Beşinci bölümde hem akustik özellikleri hem de görsel özellikleri sınıflandırma işleminde kullanılan Destek Vektör Makinesi ve knn sınıflandırıcısına değinilmiştir. Son olarak ise altıncı bölümde sistemin gerçeklenmesine değinilmiş ve elde edilen sonuçlar gösterilmiştir.
Yüksek dinamikli koşullarda çalışmaya uygun gelişmiş GPS işaret izleme uygulamaları
Güdümlü füze ve roketlerin hedeflerini doğru takip edebilmesi ve istenilen rotada seyredebilmesinde yaygın olarak Küresel Konumlama Sistemi'nden (GPS) yararlanılır. Ancak bu platformların yüksek hıza ve ivmeye sahip olması GPS performansını önemli ölçüde kötü etkiler. Bir GPS alıcısında gerçekleşen en kritik işlemlerden biri, kesintisiz bir biçimde işaret izleme yapmaktır. Alıcı uydudan aldığı işaretleri işleyerek önce işaretlerin hangi uydudan geldiğini belirler ve bu adımdan sonra işaret takip devreleriyle her bir uydu işaretini ayrı ayrı takip eder. Eğer alıcı, uydu işaretlerinin takibinde başarısız olursa konum belirleme işlemi gerçekleştirilemez. Bu nedenle GPS alıcılarında güvenilir işaret izleme mekanizmalarına ihtiyaç duyulur. Alıcının konum belirleyebilmesi için alıcıdaki işaret izleme bloğunun GPS uydularından gelen işaretlerin taşıyıcı ve kod fazı/frekansına kilitlenmesi gerekmektedir. GPS alıcılarında taşıyıcı fazı/frekansı ve kod fazı Faz Kilitlemeli Döngü (PLL) yapılarıyla takip edilir. PLL performansı, düşük işaret-gürültü oranı, Doppler frekans kayması, alıcıda bulunan hassas osilatörün doğruluğunun seğirme ve ivme nedeniyle değişmesi, termal gürültü gibi faktörlerden etkilenir. Bunların arasında en baskın gelen sorun yüksek hızdan kaynaklanan Doppler frekans kaymasıdır. Yüksek dinamikliğe sahip koşullar altında sağlıklı bir işaret izleme yapılabilmesi için PLL'in, Doppler etkisi nedeniyle oluşan taşıyıcı frekansı sapmalarını tolere edebilmesi ve doğru taşıyıcı frekansına kilitlenebilmesi gerekmektedir. Ancak, basit işaret takip yapıları yüksek dinamiklik altında çalışamamaktadır. Bu nedenle gelişmiş işaret takip yapılarının kullanılmasına ihtiyaç duyulmaktadır. Kesintisiz bir işaret izleme için mevcut geleneksel yapıya yardımcı olmak üzere ataletsel navigasyon sistemlerinden de yararlanılabilir ancak bu güvenirliği maliyetiyle doğru orantılı olan bu sistemler özel uygulamalar için büyük mali yük oluşturur. Bu nedenle, yazılım veya donanım ortamında gerçekleştirilebilen gelişmiş işaret izleme yapılarının kullanılması tercih edilir. Bu tezde; GPS işaretinin özellikleri, bir GPS alıcısının gerçekleştirdiği temel işlemler ve temel GPS işaret izleme yapısından detaylı bir biçimde bahsedildikten sonra, tez çalışmasında asıl üzerinde durulmak istenen, 2. Derece FLL yardımlı 3. Derece PLL, Kalman süzgeçli PLL ve Bulanık kontrollü PLL olmak üzere yüksek dinamiklik altında kesintiye uğramadan işaret izleme gerçekleştirebilen üç farklı PLL yapısı incelenmiştir. 2. Derece FLL yardımlı 3. Derece PLL en yaygın olarak kullanılan yapılardan biri olup sahip olduğu yüksek dereceli döngü filtresi sayesinde yüksek hız, ivme ve jerk nedeniyle oluşan faz ve frekans hatalarını zaman içinde sıfıra kadar indirebilir. Kalman süzgeçli PLL, geleneksel PLL yapılarındaki taşıyıcı faz dinamik modeli ile diskriminatörlerde üretilen faz hatası, frekans hatası ve buna bağlı olarak hesaplanan Doppler frekans kayma oranınından yararlanarak taşıyıcı faz ve frekansını tahmin eder. Bulanık kontrollü PLL, yapısında yer alan diskriminatörlerde hesaplanan faz ve frekans hatalarını bir bulanık mantık sisteminden geçirerek hata derecelerine göre değişik döngü gürültü bant genişlikleri hesaplar ve taşıyıcı frekansını en iyi şekilde belirlemeye çalışır. Tez çalışmasının uygulama kısmında, bahsedilen üç farklı işaret takip yapısına ait algoritmalar oluşturulmuş ve bu algoritmalar MATLAB ortamındaki bir yazılım tabanlı GPS alıcısı projesine aktarılmıştır. Algoritmaların doğrulanması için gereken GPS işaretleri laboratuvar ortamındaki bir GPS uydusu benzetici cihazdan sağlanmıştır. Üç işaret takip yapısının performansları çeşitli dinamiklere sahip senaryolarla test edilmiş ve karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlarda, bahsedilen yapıların geleneksel yapıya göre yüksek dinamiklik altında daha isabetli taşıyıcı ve kod fazı/frekansı takibi yapabildiği gösterilmiştir.
Low-complexity detection and cooperative communication for spatial modulation systems
Spatial modulation (SM) is an alternative method to classical multiple-input multiple-output (MIMO) spatial multiplexing techniques with vertical-Bell Labs layered space-time (V-BLAST) decoding. In SM, the information is transmitted via the conventional amplitude-phase modulation (APM) symbols along with the active antenna indices. Space shift keying (SSK) is a special case of SM where the information is transmitted through only transmit antenna indices. SSK systems are relatively simple; however, their data rate is lower compared to SM for the same number of transmit antennas. Since the SM symbols are conveyed by only one transmit antenna, one radio frequency chain is used at the transmitter and inter-channel interference (ICI) is removed. On the other hand, transmission rate is limited due to the use of single antenna. Generalized spatial modulation (GSM) mitigates this problem by activating more than one transmit antenna. In GSM, information is both transmitted through the combination of transmit antennas and APM symbols. Hence the transmission rate is increased with the use of multiple active transmit antennas. SM techniques have attracted considerable attention from researchers in the past few years and have been considered as potential candidates for next generation wireless networks. Since SM scheme exploits the spatial domain for data transmission, its capacity calculation is different than the classical systems. In SM, the information is conveyed not only through the M-ary constellation domain but also through the antenna domain, the capacity of SM is expressed as the sum of the capacities of these two domains. A detailed analysis of the outage probability of SM has not been given in the literature yet. In this thesis, first, we derive the outage probability performance of the classical SM system. It is shown that SM systems provide better performance compared to conventional modulation systems in terms of outage probability. The optimum performance of SM can be achieved with the maximum likelihood (ML) signal detection but computational complexity increases with exhaustive search. Since the inter-antenna interference arises during the transmission, GSM receiver is much more complicated than the SM scheme. In this work, we investigated a novel low complexity detection algorithm for SM systems (especially for GSM systems due to their receiver complexity). The algorithm can be split into two stages: in the first stage, least squares (LS) estimate of the transmitted signal is used in the ML detection to find the sub-optimal solution of the antenna combinations. The N best estimate of antenna combinations are selected in order to reduce the search space. In the second stage, this reduced set and the LS estimates of transmitted symbols based on this set are then sent to the optimal ML detector to find the correct antenna combinations and APMsymbols. It is shown that the proposed algorithm obtains near ML performance with a lower computational complexity. Cooperative communication has attracted numerous researchers over the past decade. In a cooperative scenario, a source (S) transmits its data to the relay (R) and the destination (D) in the first phase and the relay forwards the source's information either decoding the received signal (decode-and-forward, DF) or amplifying it (amplify-and-forward, AF) in the second phase. This forwarding concept forms a virtual MIMO system to combat fading and it is very effective to gain a larger coverage. In this thesis, the advantages of SM and cooperative communication systems have been combined and the outage probability analysis of SM system is extended to the cooperative scenarios under some relaying techniques. Cooperative SM systems are also compared to conventional modulation systems and provide better performance in terms of outage probability. Finally, we propose novel cooperative SM systems with AF and DF techniques where all nodes have multiple transmit and/or receive antennas, an issue which has not been studied before. The previous studies in the literature for cooperative SM systems generally consider the SSK technique instead of SM. Additionally, most of these studies assume single transmit and/or receive antenna at the relay(s) and destination. As known, the SM/SSK schemes need at least two transmit antennas to map information bits to the antenna indices. Furthermore, a cooperative SM system with DF relaying where the relay(s) has only one transmit antenna is not a complete SM system since the relay(s) can not re-encode the decoded data into the SM symbols. Moreover, to improve the error performance compared to APM, an SM system requires at least two receive antennas. To the best of our knowledge, a comprehensive work on cooperative SM systems that have multiple transmit and/or receive antennas at R and D has not been performed in the past yet. In this work, we derive the average bit error probabilities (ABEP) for both the MIMO-AF and the MIMO-DF systems and validate them with the computer simulations results. Furthermore, these two cooperative SM systems are compared with the classical cooperative system using M-ary modulations in terms of BER performance. Computer simulations and analytical expressions show that the proposed MIMO-DF and MIMO-AF systems provide considerable error performance improvements over conventional cooperative APM systems. Lastly, the BER comparison of MIMO-AF and MIMO-DF cooperative SM systems are presented.
Küp uydular için, VHF/UHF bandı aktarıcı tasarımı ve gerçeklemesi
Eğitim ve araştırma amaçlı uydular düşük maliyetleri ve kısa sürede tasarlanabilmeleri sebebiyle üniversiteler ve araştırma kurumlarında öncelikli araştırma alanlarındandır. Bu uydular birkaç kg ağırlığındadır ve genelde küp şeklindedir. Firmalar açısında da, ürünlerini uzay ortamında test etmenin en uygun yollarından birisi küp uydular aracılığıyla tasarladıkları ürünleri uzaya göndermektir. Uydu aracılığıyla yapılan haberleşmenin en önemli üstünlüğü, çok geniş bir alanın dünyadakine oranla çok daha basit bir donanımla kapsanabilmesidir. Uyduya ulaştırılan işaret, frekansı ve gücü değiştirilerek tekrar dünyaya gönderilebilir. Bu sayede merkezi bir noktadan uyduya gönderilen işaret, uyduda işlenir ve çok daha geniş kapsama alanına sahip bir bölgeye tekrar gönderilebilir. Bu işlevi yapan cihazlara da aktarıcı denilmektedir. Projede alış frekansı 145 MHz, verici frekansı ise 435 MHz civarında çalışan bir aktarıcı tasarımı yapılmıştır. Tasarım adımlarının başlangıcı olarak, RF bütçe hesabı matematiksel olarak yapılarak, alıcının minimum alış gücü -100 dBm, vericinin çıkış gücünün de 30 dBm olarak olması gerekli görülmüştür. Bu durumda aktarıcının RF kazancı net olarak 130dB olmuştur. Bunun kadar yüksek kazançlı bir devrenin osilasyon riski çok fazladır Bu nedenle sistem mekanik olarak havuzlu bölgelerde tasarlanarak, frekansları farklı bölgelerin birbiri ile karışması engellenmiştir. RF bütçe hesabından sonra sistemin blok tasarımı yapılarak, eleman seçimi yapılmıştır. Eleman seçimleri sırasında her elemanın modülleri hazırlanarak, elemanlar sıcak/soğuk testlerine atılmış ve elemanların performanslarının sıcaklık ile değişimine bakılarak eleman seçiminde kıstas olarak kullanılmıştır. Aynı zamanda bilgisayar ortamında sistemin genel gürültü sayısı, 1 dB doyma noktası, 3. Derece harmonik kesişim noktası gibi parametreleri incelenirken, özel bir benzetim ile sistemin her bir düğümündeki harmonikler, intermodulasyonlar ve taşıyıcı işaretin gücü ve davranışları incelenerek blok tasarım güncellenmiştir. Küp uyduların düşük boyutlarından dolayı, çıkış frekansındaki güçlü işaret sistemin girişine gelerek sistemi doyurabilmekte hatta yakabilmektedir. Sistemin girişine veya çıkışına çok dar bandlı filtreler konularak bu soruna çözüm bulunabilir; fakat küp uyduların 50 kHz aralıklı olarak frekans bilgilerinin değişmesi, filtre bulunmasını zorlaştırarak, her seferinde özel tasarım filtre alınmasına gerek kılmaktadır. Bu üniversiteler ve küçük şirketleri maddi olarak zor duruma düşürmektedir. Bu nedenle sistemin girişinde, sistemin çıkış frekansında çentik filtre olarak davranan alçak geçiren filtre kullanılarak hem gürültü performansı iyileştirilmiş hem de çıkış frekansında 0 dBm gücünde işarete dayanabilen bir yapı elde edilmiştir. Aynı zamanda giriş ve çıkış filtrelerinin dar bandlı olmaması sayesinde, sistemin giriş ve çıkış frekansı osilatörlerin frekansları programlanarak değiştirilebilmektedir. Herhangi bir donanım değişikliği yapılmadan giriş frekansı 130-150 MHz bandında, çıkış frekansı ise 430-440 MHz aralığında 1 kHz hassasiyetle ayarlanabilmektedir. Bu değişiklik yazılım ile yapıldığı için uzay şartlarında da uydu bilgisayarı denetiminde gerçekleştirilebilmektedir. Bir sonraki aşama olarak elemanların modülleri ile faraday kafesinin içerisinde masaüstü testleri yapılarak, bilgisayar destekli tasarımda incelenen her düğümdeki harmoniklerin, intermodulasyonların ve taşıyıcı işaretin davranışı ölçülerek; benzetimler ile karşılaştırılmıştır. Sistem küp uydular için tasarlanmıştır, bu nedenle küp uyduların standartlarına uyarak, besleme yapısı PC104 konektörü ile uyumlu şekilde anakart tasarımı yapılmıştır. Tasarlananan anakart üzerinde güç yönetim devre parçaları vardır. Bu parçalar ile aktarıcının sıcaklığı, yansıma miktarı, akımı, girişine gelen işaretin gücü, verimi gibi ifadeler çeşitli haberleşme standartları ile küp uydunun bilgisayarına iletilebilmektedir. Ayrıca güç yönetim devreleri ile aktarıcıda görülebilecek kısa devre koruma, anlık akım koruma, giriş, çıkış gerilimlerinin fazlalığı/azlığı durumunda aktarıcıyı otomatik olarak kapatarak sistemi güvenli modda bekletmektedir. Küp uydu bilgisayarı aracılığıyla sistem uyku moduna alınabilmektedir. Sistem uyku modunda iken, yaklaşık olarak 35 mW güç tüketmektedir. Uyku modunda sistemde bulunan işlemci üzerinden sorgular yapılabilmekte ve sıcaklık, akım gibi veriler sorgulanabilmektedir. Eğer istenirse aktarıcı tamamen kapatılarak, hiç güç tüketimi yapmaması sağlanabilmektedir. Mekanik yapı tasarımı yapılırken, sistemin farklı frekanslarında işaret üreten kısımları ve farklı amaçlar ile tasarlanan kısımları farklı mekanik havuzlarda bulunmaktadır. Bu sayede sistemin harmoniklerinin birbiri ile karışması ve daha önemlisi sistemin üzerinde bulunan geri besleme yolları engellenerek osilatör riskleri ortadan kaldırılmıştır. Mekanik yapı H şeklinde tasarlanarak anakarta vidalanmaktadır. Anakart üzerinde bulunan mikroişlemci, güç yönetim elemanları, akım, sıcaklık sensörleri anakartın üst tarafında bulunmaktadır. Bu nedenle mekanik yapı bu elemanları da korumaktadır. Bu elemanların, ayarlanabilir çevre elemanları anakartın alt katına alınarak, sistem montajı sonrasında da ulaşılabilir konuma getirilmiştir. RF kartların, besleme ve haberleşme pinleri anakart üzerinden gelmektedir. Bu nedenle mekanik yapıda uygun noktalarda, uygun çaplarda dişler ve delikler bulunmaktadır. DC gerilimler için vidalanabilir feedthrough ile RF kartların beslemeleri verilmiştir. Feedthroughlar ile RF geri besleme yolları engellenmeye çalışılmıştır. Haberleşme pinleri ise, pinler ile iletilmiştir. Bu pinler uygun deliklerden geçirildikten sonra anakarta ve RF kartlara lehimlenerek sağlamlaştırılmaktadır. Mekanik yapının diğer bir faydası ise; sistemin ısınan parçaları için soğutucu plaka görevidir. Sistem üzerinde en çok ısınan parça güç kuvvetlendiricisi kısmıdır. Bu nedenle sıcaklık sensörleri, güç kuvvetlendiricisinin yanına ve anakart üzerine konumlandırılmıştır. Sistem verimli bölgede çalışırken, açılış anından itibaren anakart üzerindeki sıcaklık sensörü ile güç kuvvetlendiricisi üzerindeki sıcaklık sensörü arasında yaklaşık olarak 2℃ fark bulunmaktadır. Bu durum güç kuvvetlendiricisinin hızlı bir şekilde üzerindeki ısı yükünü atabildiğini göstermektedir. Anakart, RF kartlar ve mekaniklerin tasarım aşamasından sonra üretilerek sistemin montajı yapılmıştır. Üzerinde bulunan işlemcinin içerisine gömülü sistem kodu yazılarak sistem çalışır duruma getirilmiş ve davranışları ayrıntılı olarak incelenmiştir. Sistemin çalışma sıcaklığı olan -20℃, +60℃ arasında ölçümler alınarak sistem performansının değişimi incelenmiştir. Oda sıcaklığında sistemin girişine gelen işaretin gücü -104 dBm olduğunda, sistem 30 dBm çıkış vermeye başlamaktadır. Sistem üzerinde bulunan otomatik kazanç kontrolü sayesinde, sistem -40 dBm işaret gücüne kadar, harmonik ve intermodulasyonların gücü değişmeden çıkış verebilmektedir. Sistemin faz gürültüsü, oda sıcaklığında giriş gücü -100 dBm iken, yaklaşık olarak -75 dBc/Hz iken; giriş gücü arttırıldığında -110 dBc/Hz e kadar iyileşmektedir. Sistemin verimi yaklaşık olarak %20 iken, 1 W çıkış gücü için toplam 5W güç çekmektedir. Türkiye uzay teknoloji konusunda önemli çalışmalara imza atmaktadır. Bu proje de, bu kapsamda test ve eğitim amaçlı küp uygularda kullanılabilecek bir donanım hedeflenmiştir. Tasarım sonrasında uzay koşullarına uygun olarak çeşitli testler yapılmıştır. Ülkemizde uzay uygulamalarına yönelik bir donanımın başarılı bir şekilde geliştirilmesi, diğer firmalar ve üniversiteler için de uydu teknolojileri alanında çalışmaya teşvik için önemli bir motivasyon da olacaktır.
Modelling of power combiner using fractional order derivative
Combining is a requirement in many applications, large number have been proposed since using different design approaches and transmission media. The aim was to combine separate signal sources into a stronger signal or to combine by improving the power level of the individual signal source. One of the most important structure in many applications, transmission line transformer (TLT) used among, provide broadband functionality from low to very high frequencies for large number of applications. By using a TLT between, a configuration compatible with it, a modelling of two-way power combiner using fractional elements is introduced. The proposed combiner operates from 3 MHz to 3 GHz. The structure is implemented in a broadband circuit with an ideal transformer. The proposed circuit is studied analytically and obtained with physical dimensions within HFSS (High-Frequency Structural Simulator). To extract the equations governing the overall structure, the proposed power combiner was assumed by its equivalent circuit model including input source voltages with resistance at the input ports separated by two times the same resistance and two times lower the same resistance at the output port. Furthermore, the equivalent circuit model with the transmission line is defined with the initial conditions required throughout the design process of the proposed structure. With broadband model equivalent circuit implementation, the transmission parameters were evidenced in MATLAB while in HFSS, the EM (Electromagnetic) analysis give some aspect of the reflection and the transmission characteristics of the designed power combiner-based in range of interest. The input reflection coefficients achieved a maximum of 2dB with a slight increase over some frequencies in the range of interest while the output reflection coefficient provides a maximum of 7dB. On the other hand, transmission characteristics are also simulated and consistent results are observed. From this, the designed combiner achieved an input isolation of 22dB maximum and a gain of 3dB. The quality of our work and his performance were highlighted by the co-simulation MATLAB/HFSS results by considering the fractional order transmission line compared with the classical one. The one investigated in this thesis provide a trade-off in term of accurate results. Additionally, it allows and gives more control through the order of derivative. In addition, the skin effect is modelled in the analysis of the proposed structure as well and the response of the power combiner shows no effect in the simulated results.
New opportunities in MOS-only filter design
Research on analog design automation emerges on troublesome manual design cycles in analog circuit design. Manual circuit-sizing in analog design is a time consuming process since non-idealities in a practical circuit result in serious deviations from theoretical calculations. Moreover, selection of the optimal solution among different performance parameters becomes very critical and challenging process, especially when circuits become complex. In this regard, reformulation of conventional equations and integration of the designer's knowledge as well as experience with simulation-based data encourage novel computer-aided automation algorithms. Moreover, MOS-Only circuit design has been gaining big importance because it does not necessitate large chip area. The most important requirement of the MOS-Only design is to understand physical properties and operating mechanisms of the basic components in electronics. Furthermore, in Very Large Scale Integrated (VLSI) circuit design, large numbers of circuits have been sized by hand-calculations and iteratively chain of computations. In this respect, there is a wide gap for design automation proposals, which incorporate knowledge and experience of designer and re-formulation of the conventional equations in this area. As a result, different algorithms or methods are arisen from this urgent demand and rapid growing of VLSI technology. One of the most popular ways, to design an analog filter is to make use of the intrinsic parameters, gate-to-source capacitance ( ) and transconductance ( ), of a MOSFET. This kind of circuits has very small chip area without employing external passive elements. Also, these circuits make use of only MOS transistors without any external active elements or analog building blocks. In comparison of MOS-Only structures with the other topologies, there are several current mode filters in the literature that employ active circuits like Fully Differential Current Conveyor (FDCCII), Current-Controlled Current Conveyors (CCCII), Current Differencing Transconductance Amplifier (CDTA) , Multi Output Second Generation Current Conveyor (MO-CCII), Dual output CCII (DO-CCII), Voltage Differencing Transconductance Amplifier (VDTA), Modified Current Follower Transconductance Amplifier (MCFTA), Operational Transconductance Amplifier (OTA), Dual Output Current Controlled Current Differencing Transconductance Amplifier (DO-CCCDTA), Differential Voltage Current Conveyor (DVCC) etc. They suffer from high layout area and low operating frequency; because they include high numbers of transistors and passive circuit elements. In this thesis, two novel different methods are presented for the automation of design of MOS-Only filters and MOS-C structures. Proposed methods can be easily implemented for different technological processes. Furthermore, presented novel architectures by using these methods can be easily employed in different application areas. It should be noted that in order to automate the design cycle for the presented MOS-Only structures, it is essential to model fundamental small signal parameters by using surface fitting and advanced polynomial regressive methods. However, it is unavoidable that better modeling accuracy comes up with design complexity. To avoid design complexity, it is important to choose the proper method for the proposed circuits by taking into consideration pre-design specifications. First method is MOS-Only design automation based on polynomial regression. In this method, some high order polynomial functions are fitted to the small signal parameters of transistors. These functions connect the pre-defined design constraints to design variables such as dimensions, bias voltages/currents. Defined formulations based on different simulators' data are the result of surface fitting by using computer assisted methods and they can be easily arranged for different technologies. In the end of automation cycle based on the first method, all aspect ratios, bias currents and voltages are obtained in the MOS-Only circuit. Also, this method brings high computational accuracy for the calculation of post-design specifications. Second method is defined as convex approximation. Convex programming is used for a wide range of applications from mathematics up to deep engineering problems. For electronics, it attracts designers for the sake of computational speed and globally optimal solution. In comparison to the first method, it is aimed to obtain all design parameters by using posynomial and monomial formulations. On the other hand, small signal parameters' modeling may not be possible in every technology with the high accuracy using monomials or posynomials, which are specific sets of the fitting functions. In this work, design parameters are modeled with TSMC CMOS 0.18µm process and results are compared with the aforementioned method comprehensively. Finally, subthreshold operation is modeled using polynomial regression for MOS-Only and MOS-C circuits. In this region, it is possible to develop different circuits for a wide range of low frequency applications. All dominant small signal parameters are reformulated for this region using piecewise polynomial regression with high accuracy. All proposed methods in this thesis are developed for TSMC CMOS 0.18µm process. It should be noted that all coefficients in the models should be reobtained for different technologies. Besides, all circuit schematic and post-layout simulations are realized in CADENCE environment by using TSMC CMOS 0.18µm technology. In conclusion, it is aimed that the designed circuits with proposed methods give new opportunities to the electronics engineers.
RSA algoritmasının üç çekirdekli LEON3 işlemcisi tabanlı sistem üzerinde hata enjekte etme atağına dayanıklı gerçeklenmesi
Günümüzde kriptografik sistemler verinin gizliliğini, bütünlüğünü ve kaynağını doğrulamak için kullanılmaktadır. Kriptografik sistemler simetrik ve asimetrik kripto sistemleri olmak üzere iki başlık altında toplanabilir. Simektrik kripto sistemlerinde şifreleme ve şifre çözme işleminde aynı anahtarın kullanılması gerekmektedir. Bu nedenle haberleşmeden önce anahtar güvenli bir kanal üzerinden paylaşılmalıdır. Bu durum uygulamada zorluklara neden olmaktadır. İlk olarak Diffie-Hellman'ın önerdiği asimetrik kripto sistemleri bu zorluğun üstesinden gelmektedir. Asimetrik kripto sistemlerinde şifreleme ve şifre çözme işlemi için açık ve kapalı anahtar olmak üzere iki farklı anahtar kullanılmaktadır ve sadece açık anahtarın paylaşılması haberleşme için yeterlidir. Bu durumda güvenli kanal kullanılması gerekmemektedir. Asimetrik kripto sistemlerinde en yaygın kullanılan algoritma Rivest Shamir Adleman (RSA) algoritmasıdır. Hem simetrik hem de asimetrik kripto sistemlerine matematiksel altyapılarını hedef alan ve gerçeklemeyi hedef alan yan kanal analizi yöntemleri ile atak yapılmaktadır. Başlıca yan kanal analizi atakları zamanlama analizi, güç analizi ve hata enjekte etme ataklarıdır. Bu çalışmanın amacı RSA algoritmasının geçici bit hataları oluşturmak şeklinde gerçeklenen hata enjekte etme ataklarına dayanıklı olacak şekilde gerçeklenmesidir. Bu amaçla gerçeklenebilir bir işlemci olan Leon3 kullanılarak 3 çekirdekli bir kırmık üstü sistem tasarlanmış ve sentezlenerek Digilent firmasının Nexys4DDR isimli Sahada Programlanabilir Kapı Dizisi ( Field Programmable Gate Array - FPGA) geliştirme kartı üzerinde çalıştırılmıştır. Daha sonra Linux işletim sistemi Leon3 için derlenerek tasarlanan sistem üzerinde koşması sağlanmıştır. Son olarak C++ programlama diliyle RSA algoritması yazılmıştır. Her bir işlemci çekirdeği üzerinde aynı şifre çözme işlemi yapılarak yazılım tabanlı Üçlü Modül Yedekleme (Triple Modular Redundancy – TMR) gerçeklemesi yapılmıştır. Bu gerçeklemede her bir işlemci üzerinde çalışan RSA algoritması belli bir zaman farkı ile çalışmaya başlamaktadır. Bu yöntemle geçici bit bozulmalarından etkilenerek yanlış sonuç üreten bir işlemci olması durumunda diğer iki işlemcinin ürettiği sonuç doğru kabul edilecektir. Gerçeklenen sistem üzerinde RSA algoritmasına kapalı anahtarın rastgele bir bitinin yanlış okunmasına neden olan geçici hata oluşturarak atak yapılmıştır. Tek işlemci kullanılması durumunda yanlış şifre çözme sonucu üretilmiş ve kapalı anahtarın hata yaptırılan biti elde edilmiştir. 3 işlemci kullanılarak atak gerçeklendiğinde ise işlemcilerin RSA algoritmasını başlatmaları arasındaki zaman farkı enjekte edilen hatanın süresine göre makul bir şekilde büyük olunca sistemin hatalı olan şifre çözme işlemi sonucunu elediği görülmüştür. Ayrıca önerilen yöntem tek bir iş parçacığının şifre çözme yaptığı durum ve yine benzer şekilde TMR kullanan ancakxvi iş parçacıklarının çalışmaya başlama zamanları arasında süre farkı olmadığı ve aynı kapalı anahtarın birer kopyasının iş parçacıkları tarafından kullanıldığı durum ile karşılaştırılmıştır. Önerilen yöntemin avantajları ve dezavantajları değerlendirilmiştir. Sonuçta Döngüsel Artıklık Denetimi (Cyclic Redundancy Check – CRC) ile kapalı anahtarın periyodik olarak kontrol edilmesi yöntemiyle birlikte kullanıldığında önerilen yöntemin RSA'i hata enjekte etme atağına karşı koruduğu aynı zamanda hata düzeltme de yapabildiği gösterilmiştir.
Raspberry Pi üzerinde gerçeklenmiş RSA algoritmasına yan kanal analizi
RSA şifreleme algoritması güvenli veri aktarımı için yaygın olarak kullanılan açık anahtarlı şifreleme sistemlerinden biridir. Bu algoritma ilk defa 1978'de Ron Rivest, Adi Shamir ve Len Adleman tarafından açıklanmıştır. Algoritmanın ismi ise bu kişilerin soyadlarının ilk harflerinden oluşmaktadır. RSA şifreleme algoritması verinin şifrelenmesi, şifrelenen verinin çözülmesi ve verinin imzalanması işlemlerinde kullanılmaktadır. Gelişen teknolojiyle beraber bilgilerimizin büyük çoğunluğu elektronik ortama aktarılmaktadır.. Akıllı telefonlarımızı küçük birer bilgisayar gibi düşünebiliriz. Teknolojinin gelişmesi bilginin erişilebilirliğinin arttırmasının yanında bilgi güvenliğinin önemini de artırmaktadır. Bilginin güvenliğinin sağlanması için ilk tercih edilen yöntemlerden biri şifrelemedir. Şifreleme işlemi için standartlaşmış şifreleme algoritmaları kullanılmaktadır. Şifreleme algoritmalarının hepsi bir matematiksel arka plana sahiptir. Günümüzde temel olarak şifreleme algoritması gücünü klasik kriptolojide olduğu gibi algoritmanın gizliliğinden almaz, dayandığı matematiksel arka plandan alır. Örneğin; RSA, gücünü tamsayıların asal çarpanlarına ayırma probleminin zorluğundan alır. Kriptografik sistemlerin dayanıklılığının analizi kriptanalizin çalışma alanıdır. Bununla birlikte yan kanal saldırıları diye tabir edilen algoritmanın gerçeklendiği sistemden sızan ısı, işlem zamanı bilgisi, sistemden çekilen güç, elektromanyetik yayılım gibi verileri kullanan bir yöntem de mevcuttur. Yan kanal saldırıları ilk olarak 1996'da zamanlama analizi konusunda yayınlanan makale ile tehdit olarak kabul edilmeye başlanmıştır. Bu ataklarda sistemin çalışmasına müdahale edilmez. Sistem normal çalışma modunda iken sistemin dışarıya sızdırdığı etkiler (ısı değişimi, işlem zamanı bilgisi, güç tüketimi vs. ) gizli anahtar hakkında bilgi edinilmesini sağlıyorsa bu bilgilere yan kanal bilgileri denir. Temel olarak yan kanal atakları ikiye ayrılır. Basit ataklarda tek bir ölçüm kullanılarak gizli anahtarın tamamı ya da bir parçası elde edilir. Basit ataklarda ölçüm ile yapılan işlem arasında ilişki aranır. Farksal ataklarda ise birden çok ölçüm kullanılarak sistemin sebep olduğu gürültü elimine edilip gizli anahtarla ilgili bilgi edinilir. Bu tür ataklarda ise alınan ölçümler ile işlenen veri arasındaki ilişkiye odaklanılır. Bu tez çalışmasında Raspberry Pi üzerinde gerçeklenen RSA şifreleme algoritmasına Basit Elektromanyetik Analizi (SEMA) ve Farksal Elektromanyetik Analizi (DEMA) saldırıları gerçekleştirilmiştir. Bu atakların gerçekleştirilebilmesi için masaüstü bilgisayar, sayısal osiloskop, Raspberry Pi ve yakın alan alıcısından oluşan ölçüm düzeneği kurulmuştur. Raspberry Pi, üzerinde bir işletim sistemi koşturması ve küçük bir bilgisayar özelliğine sahip olması nedeniyle gürültü seviyesi yüksek bir platformdur. Bu nedenle alınan ölçümlerin analiz edilmesi zorlaşmıştır. Analiz işleminin sonunda RSA algoritması herhangi bir yazılımsal önlem almadan gerçeklenir ve / veya Raspberry Pi üzerinde bir güvenlik önlemi alınmaz ise Raspberry Pi platformunun yan kanal analizi ataklarına açık olduğu görülmüştür.
Design and performance analysis of relay-based cooperative overlay cognitive radio networks
As the rapid growth of wireless communications to meet the fast growing demand for supporting an increasing number of advanced wireless applications and services, the availability of the radio spectrum becomes extremely scarce. In addition, several studies reported that most of the allocated spectrum is not efficiently utilized. To deal with such a problem, cognitive radio (CR) was proposed as a promising technology for boosting the utilization of the radio spectrum, since it could efficiently resolve the spectrum scarcity versus under-utilization dilemma. In CR networks, unlicensed secondary users (SUs) are allowed to use/share the radio spectrum licensed for primary users (PUs) when they are inactive/active, without degrading the performance of the PUs. Research on CR has been divided into three main spectrum-sharing paradigms: interweave, underlay, and overlay. In the interweave paradigm, SUs are allowed to use the spectrum only when PUs are inactive. In the underlay paradigm, SUs are allowed to share the spectrum with PUs with an acceptable levels of interference at PUs' receivers. Throughout this thesis we consider the third paradigm, the overlay model, in which SUs are assumed to be smart and capable of cooperatively maintain or improve the communication between PUs while also gaining access to the spectrum for their own communication. For further increasing the efficient utilization of the scarce spectrum, various modulation and multiple access techniques have been recently proposed such as spatial modulation (SM) and non-orthogonal multiple access (NOMA). NOMA exploits the power domain and SM exploits the spatial domain to efficiently improve the spectrum utilization and the network capacity. SM was proposed as a spatial multiplexing technique that effectively remove inter-channel interference (ICI) and inter-antenna synchronization in multiple input multiple output (MIMO) systems; by allowing only one transmit antenna to be activated at any time interval (i.e., only one radio frequency chain at any transmit interval). SM increases the spectral efficiency by utilizing the active antenna index for conveying information besides the usage of conventional amplitude and phase modulation (APM) techniques. For further enhancement in the performance of SM, transmit antenna selection (TAS) schemes were proposed for SM systems; specifically capacity optimized antenna selection (COAS) and Euclidean distance optimized antenna selection (EDAS). EDAS was shown to outperform COAS but with increased complexity. On the other hand, NOMA is a promising spectral efficient multi-user access candidate for 5G systems. NOMA supports multiple users within the same time/frequency/code resource block but with different power levels that significantly improves the spectral efficiency over conventional orthogonal multiple access (OMA) schemes. In a two-user scenario, NOMA allocates higher power to the user with poor channel gain and less power to the user with better channel gain. The user with better channel gain uses successive interference cancellation (SIC) for signal detection while the user with the poor channel gain uses direct decoding considering the signal for the other user as interference. The performance of NOMA can be improved by using user-pairing, i.e., by pairing the users with more distinctive channel gains with each other. Various researchers have investigated SM in overlay CR networks, where they considered using SM at a secondary transmitter that uses the APM technique to relay the symbol of a primary transmitter while using the antenna index to transmit its own message to a secondary receiver. The application of NOMA in CR networks has also attracted many researchers to investigate problems related with outage probability, capacity analysis, energy efficiency and power allocation schemes to further improve the system performance. In this thesis, we study the combination of NOMA, SM, and TAS schemes in overlay CR networks. Joining NOMA and SM altogether increases the spectral efficiency of the network by exploiting the power and spatial domains. The use of TAS schemes improves the quality of service provided for the primary receiver and enhances the energy efficiency of the system. We first started by applying NOMA in overlay CR networks in both the uplink and downlink with single antenna users. In chapter 3, we propose a two-way two-phase spectrum sharing protocol for the overlay CR paradigm using NOMA and physical layer network coding (PLNC). In our proposed protocol, not only the SU (working as a relay) maintains the two-way transmission between the PUs, it also establishes a two-way transmission with the other SU that results in higher spectral efficiency and hence improved system capacity over other protocols proposed in literature. Closed form expressions for the outage probabilities for both PUs and SUs have been derived and validated through Monte Carlo simulations. In chapter 4, we studied the combination of NOMA and SM in overlay CR networks. We considered an overlay CR network that consists of multiple antennas primary transmitter (PT), primary receiver (PR), secondary transmitter (ST) and secondary receiver (SR). The proposed protocol allows ST to transmit simultaneously using NOMA and SM to both PR and SR. The usage of NOMA and SM increases the spectral efficiency for both PR and SR. With NOMA, SR uses SIC to detect the signal intended for PR and then cancels it to detect its own signal, while PR uses direct decoding to detect its own signal considering the intended signal for SR as an interference. This decreases the detection complexity considerably compared to the case without NOMA in which the detectors are required to jointly detect both SM symbols at each receiver. Furthermore, to provide higher quality of service (QoS) for PR, we considered the application of TAS schemes at ST in accordance with PR. We first considered the usage of COAS where ST assigns the antennas with highest channel gains with respect to PR for SM transmission toward PR. From PR's side, this will ensure that the primary symbol will be sent over one of the channels with high gain (with respect to PR) and the secondary symbol will be sent over one of the channels with low gain (with respect to PR), which will result in decreasing the secondary interference at PR – compared with the case without antenna selection (AS) – and therefore will enhance the performance of PR. On the other hand, from SR's side, the new ordering of the antennas of ST is still random with respect to SR and hence will not affect the performance of SR on the average. The performance of the proposed protocol is investigated through derivations of upper bounds for the average symbol error probabilities (SEP) at PR and SR and validated through Monte Carlo simulations. In chapter 5, we studied the combination of NOMA, SM and EDAS in overlay CR networks. Employing EDAS at ST in accordance with PR results in decreasing the SEP of PR significantly; since it selects the antenna subset that maximizes the minimum squared Euclidean distance for the SM constellation at PR. Similar to chapter 4, this will not deteriorate the performance of SR since re-ordering of the antennas at ST remains random with respect to SR. We evaluate the performance of the proposed protocol by derivation of an upper bound for the SEP of PR for the case of using BPSK for both PR and SR and selection of two transmit antennas from the transmit antennas at ST. Also we compare the performance of the proposed protocol with that of COAS and with that of without-AS through Monte Carlo simulations. Finally, the use of NOMA and SM in CR increases the spectral efficiency and hence the system capacity by allowing more users to be serviced with higher data rates through the use of power and spatial domains. Introducing TAS schemes to NOMA-SM in overlay CR networks has been shown to improve the performance of the protocol for PR significantly without affecting the performance of SR, resulting in significant savings in the transmit power of the secondary transmitter that improves the energy efficiency of the network. It has also been shown that the performance of the proposed protocol CR-NOMA-SM with EDAS provides much more transmit diversity compared to CR-NOMA-SM with COAS; but with a trade-off of increased complexity which can be reduced by the use of low complexity EDAS algorithms.
Otomatik yineleme istemeli işbirlikli iletimde enerji hasatlama
OTOMATİK YİNELEME İSTEMELİ İŞBİRLİKLİ İLETİMDE ENERJİ HASATLAMA ÖZET Günümüz dünyasında iletişim alanında kullanılan veri miktarı, iletişim hızları ve küresel anlamda ağlara bağlı aygıt sayısı hızla artmakta, kullanılan uygulamalar ve teknolojiler aynı hızla gelişmektedir. Buna karşın pil teknolojileri aynı hızda gelişmediğinden, gün içerisinde birçok kullanıcı şarj problemi yaşamaktadır. 2G ağlar, ses; 3G ağlar, ses ve veri; 4G ağlar ise geniş bant internet hizmeti için tasarlanmışlardır. 4G'nin ötesinde bir teknolojiye (5G) erişmek için, iletişim kaynaklarının ve işlem gücünün ağlar ile gezgin aygıtlar arasında dağıtmak, bununla beraber oldukça fazla kıyaslama ve karar mekanizması içeren görevleri yerine getirmek, zengin içerik ve uygulamaları kesintisiz çalıştırmak için sisteme bağlı en küçük aygıtlara dahi güç sağlamak gerekecektir. Söz konusu bu yeni nesil ağlar ve standartlar için iletişim ve kıyaslama işlemlerinin birleşmesinin getireceği karmaşıklık gibi birçok zorluğu çözmek gerekecektir. Telsiz teknolojiler; fiber, bakır veya DSL gibi kablolu teknolojilere kıyasla çok daha fazla enerji tüketir. Telsiz erişim ağları belirgin şekilde, bulut ortamındaki enerjinin en büyük ve en verimsiz tüketicisidir. Telekomünikasyon altyapısı ile kullanıcı arasındaki nihai bağlantı, bulut sisteminin tamamı göz önüne alındığında enerji tüketiminin en çok olduğu noktadır. 3G teknolojileri kablolu bağlantılardan yaklaşık 15 kat daha fazla enerji kullanırken 4G teknolojilerinde bu oran 23 kata ulaşmıştır. 5G 'nin enerji tüketiminde bu oranın hangi boyutta olacağı hakkında ise henüz net bir veri yoktur. Geniş çerçeveden bakıldığında 5G, nesnelerin interneti (IoT – Internet Of Things) teknolojisi sayesinde her zaman, her yerden, her şeyi birbirine bağlamayı hedeflemektedir. IoT ile birlikte giyilebilir aygıtlar, akıllı telefonlar, tabletler ve sensörler, vb. diğer aygıtlar kullandığımız uygulamalar ve hizmetler ile birlikte çalışacaktır. 5G ile birlikte, karşılaştırma işlemlerinin her alandaki iletişim sistemlerinde yoğun bir biçimde kullanıldığını göreceğiz. Giyilebilir aygıtlar gibi trilyonlarca nesnenin bu işlemlere kesintisiz devam edebilmesi için bu karşılaştırma işlemleri için gereken enerjiye sahip olmaları gerekir. IoT 'nin hızla büyüyen sınırsız enerji tüketimini dengelemekte başarılı olması için bir takım yeni çözümlere gereksinim duyulmaktadır. Bu amaçla IoT aygıtlarının düşük güçlü aygıtlar olması beklenmekte olup Cisco 'nun 2020 'de 50 milyar olacağını öngördüğü IoT aygıtlarının sayısı, bugün kullanılan akıllı telefonların ve tabletlerin toplam sayısından çok daha fazladır. Bu aygıtlar ile bağlı oldukları şebekeler ve veri merkezleri tarafından tüketilen enerji dikkate alınırsa, IoT ile oluşacak enerji tüketimi, enerji tüketiminin büyüme oranını etkileyici bir şekilde arttıracaktır. Bu bağlamda IoT çalışmalarında, üzerinde yoğun bir şekilde çalışılan spektrum etkinliği yanında bir başka zorlu konu olarak enerji verimliliği ortaya çıkmıştır. Bunun nedeni, daha yüksek iletim hızı ve çok büyük sayılardaki bağlantılı akıllı aygıtların daha fazla enerji tüketmesi gerçeğidir. Bu sebeple, enerji tüketiminin nasıl azaltacağı ve enerjinin etkin bir şekilde nasıl kullanılacağı önemlidir. Bu kısıtlamayı aşmak ve 5G ağların beklenen gelişmeyi gösterebilmesi için, yeni nesil aygıtlar önceki nesillerdekilerden çok daha hızlı ve akıllı olmak zorundadırlar. Bu sebeple ağ içerisinde bulunan düğümler/kullanıcılar sadece son kullanıcı olmaktan fazlasını sağlamak ve diğer kullanıcılar için röle görevi görmek zorundadırlar. Telsiz iletişimde, kaynağın hedefe doğrudan yeterli bilgi iletemediği durumlarda iki noktanın arasında bir yerde bulunan bir röle yardımıyla bilginin hedefe iletilmesinin sağlandığı iletişim biçimine işbirlikli iletişim denir. Bu tür sistemlerde pil problemleriyle başa çıkmak için önerilen çözümlerden biri de rölede Enerji Hasatı (EH) yapmaktır. Rölede enerji hasatı yapmak için enerji ve bilgiyi aynı anda taşıyan radyo işaretleri (RF) kullanılır. Bu sayede röle kaynaktan aktarılan işareti hedefe iletirken dış bir enerji kaynağına gereksinim duymaz ve pilinde depoladığı enerjiyi kendi iletimi için kullanabilir. Rölenin enerji kaynağından bağımsız çalışabilir olması durumunda enerji hasatlama ve bilgi aktarımı işlemi temelde iki farklı protokol ile uygulanmaktadır. Bunlardan biri zaman anahtarlamalı aktarım protokolü (TSR) diğeri ise güç bölmeli aktarım protokolüdür (PSR). Diğer yandan, 5G sistemlerde başarım artırımı için kullanılması öngörülen radyo erişim tekniklerinden biri dik olmayan çoklu erişim (NOMA - Non-Orthogonal Multiple Access) 'dir. NOMA, aynı zaman aralığı veya frekans bandından, birden çok bilgi işaretinin güç paylaşımı yoluyla toplanarak iletilmesine dayanmaktadır. NOMA 'nın, alıcı tarafa uygulanan bir ardışık girişim giderme (SIC) işlemiyle, 4G gezgin iletişim sisteminde yaygın olarak kullanılan dik çoklu erişim (OMA - Orthogonal Multiple Access) tekniği ile karşılaştırıldığında sistem verimliliği ile kullanıcı adilliği arasında daha iyi bir ödünleşim sağlayacağı düşünülmektedir. Bu teknikle 5G iletişimde kullanıcıların veri hızı gereksinimlerini karşılamanın mümkün olması beklenmektedir. Bu tez kapsamında, bir kaynak, bir röle ve iki hedef düğümünden oluşan ARQ-tabanlı bir işbirlikli iletişim ağında enerji hasatlamanın etkileri Rayleigh sönümlemeli kanallarda incelenmektedir. İlk olarak, kaynağın aynı veri paketini iki hedef düğüme ve röleye doğrudan ilettiği bir yayın kanalı ele alınmıştır. İletim iki hedef düğümde başarılı olduğunda bu düğümler kaynağa ve röleye bir onay (ACK) işareti göndermektedir. Aksi durumda, iki seçenek vardır: Röle söz konusu veri paketini başarıyla almış ve onay (ACK) işareti göndermişse, işbirliği yapmakta ve bu paketi ikinci kez hedef düğümlerine iletmektedir. Röle paketin alımında başarısız olmuş ve onaylamama (NACK) işareti göndermişse bu kez kaynak paketi yeniden hedef düğümlere doğrudan iletmektedir. Her veri paketinin yalnız bir kez yeniden iletimine (röleden veya kaynaktan) izin verilmektedir. Rölenin iletim enerjisi yalnız bir veri paketinden enerji hasatlanarak sağlanmaktadır. Bu anlamda, rölede tampon bulunmamaktadır. Buna bağlı olarak, çöz-ilet (DF) protokolünün gecikme-sınırlı kullanımı söz konusudur. İkinci olarak, NOMA tekniği aynı ağ yapısına uygulanmış ancak kaynağın her hedef düğüme iletilecek ayrı bir veri paketi olduğu varsayılmıştır. Aynı ARQ iletim yapısında kaynaktan ve röleden, uygun bir güç paylaşımıyla süperpoze edilmiş birinci ve ikinci hedefe ilişkin veri paketleri iletilmekte ve daha güçlü kanal durumuna sahip hedef düğümde SIC işlemini gerçekleştirilirken zayıf kanala sahip hedef düğüm kendi paketini diğer paketi gürültü gibi kabul ederek çözmektedir. Her iki durumda da amaç ARQ yardımıyla sistemin güvenilirliğini, rölede enerji hasatlayarak da enerji verimliliğini artırmaktır. Enerji hasatlamak amacıyla TSR ve PSR protokolleri kullanılmaktadır. Göz önüne alınan sistemlerin başarımları ağdaki kanalların servis kesilme olasılıklarına bağlı olarak elde edilen verim bakımından değerlendirilmektedir. SNR, hedeflenen veri hızı, zaman ve güç paylaşım oranları, enerji hasatlama verimi gibi çeşitli sistem parametrelerinin verime etkileri göz önüne alınmıştır. Analitik verim ifadeleri her durumda kapalı biçimde elde edilmekte, elde edilen kuramsal sonuçlar bilgisayar benzetim sonuçlarıyla desteklenmektedir. Elde edilen sonuçlar işbirliği amacıyla röle kullanmanın doğrudan kaynaktan iletim durumuna göre sistem verimini önemli ölçüde artırdığını ayrıca enerji hasatlamak amacıyla PSR protokolünün kullanımının TSR protokolüne göre her durumda daha üstün başarım sağladığını göstermektedir.
Stokastik hesaplama alternatifi olarak bit katarı hesaplama ile hatasız aritmetik işlem bloklarının tasarımı
Stokastik hesaplama (SH), seri bit katarlarını olasılıksal olarak işleyen bir hesaplama paradigmasıdır. Aslen 1950'lerde teklif edilmesine karşın, halen kullanılan ikili hesaplamaya göre doğruluk konusunda geride kaldığı için gözden düşmüştür. Son yıllarda entegre devre tasarımının fiziksel sınırlarına yaklaşmasıyla birlikte, hatırı sayılır derecede alan tasarrufu sağlayan stokastik hesaplama yeniden gündeme gelmiştir. Özellikle kesin doğruluk gerektirmeyen (işaret işleme, yapay sinir ağları vb.) uygulamalarda sıklıkla kullanılmaya başlamıştır. Ancak, doğruluk problemi stokastik hesaplamanın kullanımını sınırlamaya devam etmektedir. Bu çalışmada, stokastik hesaplama ile aynı mantığı kullanan ``Bit Katarı Hesaplama" adlı yeni bir hesaplama paradigması teklif edilmiştir. Bit Katarı Hesaplama, temel olarak stokastik hesaplamanın alan avantajı ile geleneksel ikili hesaplamanın doğruluk avantajını birleştirir. Stokastik hesaplamadaki gibi rastgele veya Binom dağılımlı katarlar kullanılmasına ihtiyaç duymaz. Geleneksel ikili hesaplamadaki gibi bilgiyi paralel bitlerle işlemek yerine seri bit katarları kullanarak devrelerin alan maliyetini önemli derecede düşürür. Neticede, bu paradigma ile üretilen tasarımlar düşük alan maliyeti, yüksek doğruluk gibi modern ihtiyaçlara cevap verebilecek kapasitededir. Geleneksel hesaplamanın temel aritmetik işlem blokları toplayıcı ve çarpıcı devrelerdir. Bu çalışmada da Bit Katarı Hesaplama ile toplayıcı ve çarpıcı devreler teklif edilmiştir. Ancak, yapılan tasarımların stokastik veya bit katarı hesaplama ile elde edilebilecek optimum sonuçlara ne kadar yakın olduğunu anlamak amacıyla, öncelikle bu paradigmaların giriş/çıkış bit katarı uzunluğu, doğruluk, devre karmaşıklığı gibi ölçütler açısından sınırları belirlenmiştir. Farklı ihtiyaçlar için seçenekleri arttırmak amacıyla hem asenkron hem de senkron tasarımlara yer verilmiştir. Ayrıca ardışık katarları işleyebilen tasarımlar da teklif edilmiştir. Bütün tasarımların doğruluk ve alan karmaşıklığı sonuçları, stokastik/bit katarı hesaplama ile elde edilebilecek optimum sınırlara oldukça yakındır. Bit katarı hesaplama kullanılarak teklif edilen toplayıcı ve çarpıcı devreler, geleneksel ikili veya stokastik hesaplama ile tasarlanan literatürdeki benzerleri ile alan, gecikme ve doğruluk yönünden karşılaştırılmıştır. Bu çalışmanın özgün yanlarından bir diğeri, karşılaştırma için yapılan benzetimlerin transistör seviyesinde olmasıdır. Böylece kapı veya sistem seviyelerindeki benzetimlerde ortaya çıkmayan zamanlama problemleri de incelenmiştir. Benzetimler Cadence ortamında AMS 0.35um CMOS teknolojisinde transistör ve kapı seviyesinde yapılmıştır. Yapılan karşılaştırmalarda, teklif edilen toplayıcı ve çarpıcı devrelerin stokastik benzerlerine her açıdan üstünlük sağladığı görülmüştür. Geleneksel ikili devreler ise sadece gecikme konusunda geride bırakılamamıştır ki, gecikme seri katarlar kullanan herhangi bir devre için katlanılması gereken bir sorundur. Karşılaştırmalar ayrıca basit bir yapay sinir ağları uygulamasında da yapılmıştır. Bu uygulamada da, teklif edilen devrelerin doğruluktan neredeyse hiç feragat etmeyerek büyük ölçüde alan tasarrufu yaptığı görülmüştür. Sonuç olarak, bu çalışma ile geleneksel ikili veya stokastik hesaplama ile üretilenlere göre çok daha küçük ve yüksek doğruluklu aritmetik işlemler gerçekleyebilen hesaplamalar için yeni ufuklar açıldığına inanılmaktadır.
Radarla hedef tanıma ve sınıflandırma için temel bileşenler analizine dayalı yeni karma yöntemler
Radar hedeflerini görüntülemek için Yapay Açıklıklı Radar (YAR) ve Ters Yapay Açıklıklı Radar (TYAR) kullanılmaktadır. Hedefi tanıma ve sınıflandırma için ise literatürde çeşitli yöntemler mevcuttur. Bu yöntemlerden bazıları için kullanılacak olan radar hedefinin radar kesit alan (RKA) değerleri gerekir. RKA değeri ise bir hedefe elektromanyetik dalganın gödnerilerek geri yansıyan elektromanyatik dalganın elektrik alanının ölçülmesi ile elde edilir. Elde edilen RKA değerleri, açı çeşitlemesi ve frekans çeşitlemesi kullanılarak genişletilir. Oluşturulan bu RKA değerleri bir matris şekline getirilerek hedef tanıma ve sınıflandırma algoritmalarında kullanılır. Bu çalışmada öznitelik çıkarımına dayalı radar hedef tanıma ve sınıflandırma yöntemleri incelenmiş ve bazı karma yöntemler önerilmiştir. Bu yöntemlerin en önemli zorluğu özniteliklerin seçimi konusudur. Özniteliklerin seçimine dayalı farklı yaklaşımlar incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Radar hedeflerinin tanınması ve sınıflandırılması için incelenen Temel Bileşenler Analizi (TBA) tabanlı yaklaşımlardan birisi Çekirdek Temel Bileşenler Analizi (ÇTBA) 'dir. Ayrıca TBA yöntemi ile birlikte Doğrusal Ayrımcılık Analizi (DAA) ve Fisher Doğrusal Ayrımcılık (FDA) yöntemleri incelenmiştir. Hazırlanan veri setleri ile başarı oranı açısından birbirine olan üstün ve zayıf yönleri analiz edilmiştir. Bu yöntemlerle beraber birden fazla yöntemin birleşiminden meydana gelen, TBA+DAA, TBA+FDA, TBA+DAA+FDA, DAA+FDA, ÇTBA+DAA, ÇTBA+FDA ve ÇTBA+DAA+FDA yeni karma yöntemler de oluşturulup incelenmiştir. TBA yöntemi çok boyutlu veriyi daha az boyutlu bir alt uzaya dönüştürür. Bu doğrusal ve dik geçişi yaparken kovaryans matrisini kullanır. Kovaryans matrisinin özdeğer ve özvektörleri sayesinde temel bileşenler hesaplanır. Aynı zamanda çok boyutlu veriyi daha az boyuttaki veriye dönüştürdüğünden sıkıştırma da yapılmış olur. TBA yönteminde farklı hedeflere ait veriler çok büyük bir varyans ile dağılmak zorundadır. Çok küşük varyanslı dağıldığı durumlarda ise TBA'in başarımı düşmektedir. Böyle bir durumda TBA, doğrusal bir geçiş ile alt uzayda ayrışmayı yapamamaktadır. Bu nedenle veriyi doğrusal olmayan bir geçişle alt uzaya iz düşüren Çekirdek TBA yöntemi önem kazanır. ÇTBA doğrusal olmayan geçişi çekirdek fonksiyonları vasıtasıyla yapmaktadır. Literatürde sıkça kullanılan çekirdek fonksiyonları ise gauss, polinom ve hiperbolik tanjant'tır. Bu çalışmada ise polinom çekirdek fonksiyonu kullanılmıştır. DAA yöntemi ile de hem sınıflar içi hem de sınıflar arası benzerliğe bakılarak başarımın genellenmesi sağlanır. Özniteliklerin seçimi konusu incelendiğinde ise FDA yöntemi bu noktada optimum geçiş matrisini elde edebilmek için optimizasyon gerektirir. Böylelikle optimum özdeğer ve özvektör seçimi yapılır. Literatürde birden fazla yöntemin birleşiminden oluşturulan karma yöntemler de vardır. Örneğin TBA+DAA yöntemi bu çalışmada incelenmiştir. TBA yöntemi ile sınıflandırma başarısının düşük olduğu, çok yakın varyans ile dağılmış hedeflerde TBA+DAA yöntemi başarıyı arttırmaktadır. Ayrıca literatürde olmayan TBA+DAA+FDA, DAA+FDA, ÇTBA+DAA, ÇTBA+FDA ve ÇTBA+DAA+FDA karma yöntemler de bu çalışmada oluşturulup, sonuçları incelenmiştir. Çalışmada eliptik silindir, dikdörtgen düzlem ve eşkenar üçgen düzlem kullanılmıştır. Benzetim için MATLAB tabanlı kullanıcı arayüz programı (GUI) tasarlanmıştır. Böylelikle kullanılacak özdeğer vektör sayısı, sinyal gürültü oranı değeri, eğitim veri setinin büyüklüğü ve gürültü gücünü ayarlanarak, seçilen yöntemin analizi yapılmıştır. Sonuç olarak yeni oluşturulan karma yöntemlerin karşılaştırılmaları detaylı bir şekilde yapılmıştır. Başarı oranı tüm metodlar için yüzde olarak hesaplanıp, karşılaştırmalar için kullanılmıştır. TBA yöntemi çok büyük varyans ile dağılmış verilerde en yüksek başarı oranını sağlamıştır. FDA yöntemi %96,24'lük başarı oranı ile frekans çeşitlemesinin kullandığı veri setinde en yüksek başarı oranına sahiptir. TBA+DAA+FDA ve TBA+DAA yöntemleri farklı sınıflardan oluşturulan ve açı çeşitlemesinin kullanıldığı veri seti için incelendiğinde düşük sayıda özdeğer vektör kullanıldığı durumlarda başarı oranının arttığı gözlenmiştir. FDA yöntemi ise yüksek sayıda özdeğer vektör kullanıldığı durumlarda başarı oranı artmaktadır. TBA+FDA yönteminde eğitim veri seti büyüklüğü arttıkça başarım oranı da artmaktadır. ÇTBA+DAA yöntemi %33,41 başarı oranı ile farklı sınıflardan oluşturulan veriler için en düşük başarı oranına sahiptir. Aynı sınıftan oluşturulan hedeflerde ise DAA+FDA %33,33 ile en düşük başarı oranına sahiptir. Frekans çeşitlemesinin kullanıldığı verilerde ise ÇTBA, ÇTBA+DAA, ÇTBA+FDA ve ÇTBA+DAA+FDA yöntemleri TBA, TBA+DAA, TBA+FDA, TBA+DAA+FDA, FDA ve DAA+FDA yöntemleri ile kıyaslandığında en düşük performansa sahip olduğu gözlenmiştir.
Patch based speckle reduction methods in ultrasound images
Several image denoising methods were grouped based on their working principles and then they were compared according to their denoising performances. After this detailed anaylsis to find best denoising approach, a new patch based denoising method was offered.
Yakın mesafe radar sistemi
Bu tez çalışmasında kullanılan radar sistemi ile yakın mesafede (50 metre ve civarı) konumlanmış bir hedefin tespiti yapılmıştır. Hedefin konum ve açı bilgileri elde edilmiştir. Bu bilgilerin elde edilmesi için alıcıda sinyal işleme algoritması yazılmıştır ve algoritma yazımı için MATLAB programından faydalanılmıştır. Bu radar sistemi bir verici ve iki alıcıdan oluşmaktadır. Vericiden iletilmek üzere kulllanılan sinyal, Doğrusal Frekans Modülasyonlu (LFM: Linear Frequency Modulation) Cıvıltı (Chirp) sinyalidir. Doğrusal frekans modülasyonu, sinyalin frekansının zamanla doğrusal artmasını veya azalmasını sağlar. Doğrusal frekans modülasyonu, radarın hedefleri birbirinden ayırt etme yeteneği olan menzil çözünürlüğünü arttırmak için kullanılmaktadır. Çözünürlükteki artış bir darbe sıkıştırma (pulse compression) tekniği ile gerçekleştirilmektedir. Darbe sıkıştırma tekniği kullanıldığında, frekansı doğrusal olarak artan sinyalin belirli bir sıkıştırma oranı ile alıcıda sıkıştırılması sonucu darbe süresi azalır. Uzun bir darbe gönderildiğinde kısa darbenin menzil çözünürlüğü elde edilirken istenen güç seviyesi korunmuş olur. Darbe sıkıştırma tenknikleri analog ve sayısal olmak üzere iki çeşittir. Bu tez çalışmasında analog darbe sıkıştırma tekniği olan Germe İşlemi (stretch processing) kullanılmıştır. Germe İşlemi bir diğer analog sıkıştırma tekniği olan Uyumlu Filtreleme (Matched Filter) tekniğine alternatif bir yöntemdir. Uyumlu Filtreleme dar bantlı sistemler için kullanılmaktadır. Bant genişliği çok yüksek olduğunda Analog-Sayısal Dönüştürücü (ADC: Analog to Digital Converter) limitini aşmaktadır. Germe işlemi bu donanımsal sınırlamaya çözüm olarak kullanılmaktadır. Germe işleminde belirli bir mesafe penceresinde işlem gerçekleşir. Bir referans sinyali (vericiden iletilen sinyalin gecikmiş formu) ile alıcıya gelen sinyalin karıştırılması sonrasında Alçak Geçiren Filtre'den (LPF: Low Pass filter) geçirilir. Bu sayede temel banda (sinyalin vericide modüle edilmeden önceki hali) indirgenen sinyal belirli bir zaman penceresinde Analog-Sayısal Dönüştürücü ile sinyal sayısal hale getirilir. Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT: Fast Fourier Transform) uygulandığında farklı frekans noktalarında tepe değerleri elde edilir ve bu farklı frekans noktalarından hedefin konum bilgileri elde edilir. Yakın mesafe radar sisteminde hedefin konum (x,y koordinatı) ve açı bilgisini elde etmek için öncelikle bir eşik değeri (threshold) belirlenir. Bu eşiğin üstünde kalan tüm frekans noktalarına karşılık gelen mesafe değerleri hesaplanır. Alıcıların konumları çemberin merkezi, mesafe değerleri çemberin yarıçapı olarak kabul edilir ve iki alıcı için bu çemberlerin kesişim noktaları hesaplanır. Kesişim noktalarının x ve y koordinatları belirlenerek konum ve açı bilgileri elde edilir. Belirlenen her bir muhtemel hedef konumu için hedefin gerçek konumuna olan dik uzaklıklar hesaplanarak hata elde edilir. Bu hata değeri menzil çözünürlüğü (0.6 metre) değerine yakın elde edilmeye çalışılmıştır. Frekans bölgesinde eşiği geçen noktaların genliklerine göre ağırlıklandırma yapılarak hata düşürülmüştür. Radar sisteminde kullanılan parametrelerin (bant genişliği, darbe süresi, örnek sayısı, örnekleme hızı, sıfır sayısı, eşik değeri, işaret gürültü oranı) değişimi ile sistemin başarım ölçütü olan hatanın optimum değeri elde edilmeye çalışılmıştır. Sistem parametrelerinin optimimum değerleri ile hata 0.6 yakın bir değerde elde edilmiştir.
On the performance of cooperative diversity with amplify-and-forward relays over weibull fading channels
The wireless communication channel suffers from much channel impairments such as noise, path loss, fading, shadowing and interference .Among all those degrading factors, fading which is produced by multipath is the most severe due to the interference between two or more versions of the transmitted signal which arriving at the destination at slightly different times and the rapid random fluctuation of those signal amplitude over a short period of time resulting to the drastic degradation of the reliability and the performance of the overall system and the reliability . For this reason, during the last decade wireless communication performance improvement has been the subject of lot of investigation, different methods and techniques have been implemented in order to mitigate the effect of multipath fading and improve the wireless channels. One of the efficient technique proposed by researchers was the so called multiple input multiple output systems commonly abbreviated by MIMO. This technique is also referred as antenna space diversity and represents a powerful means of mitigating the deleterious effects of fading in wireless communication, the basic ideas behind MIMO is the use of multiple antennas at the transmitting and the receiving nodes in order to create diversity, the receiver is supplied multiple replicas of the transmitting signals instead of one signal, so the likelihood that all replicas of the signals will fade simultaneously is extremely reduced. another major advantage of MIMO is potentially increase in the channel capacity without any expansion in the required bandwidth or increase in the transmit power. Despite all these assets, MIMO has practical constraints on its deployment in modern wireless devices due the size of equipment, computational capacity requirements and power consumption. To counteract these constraints an alternative technique that can use single antenna at the transmitting and receiving nodes was proposed, cooperative communication takes advantage of the broadcasting nature of wireless medium and allowing neighboring relay nodes to cooperate in communication by forwarding information from source nodes to destination nodes, cooperative communication provides space diversity gain equivalent to MIMO systems, enhance coverage and substantial increase channel capacity without increase the power of the transmitter. A cooperative phase consists of two time-slots. In the first time-slot, the source broadcasts a symbol to the relays and to the destination. In the second time-slot, the relays process the received symbol and forward them to the destination according to some specifics relay strategy or protocol. Nowadays it exists a whole gamut of different relaying strategies but they can globally be classified into two big groups: Decode-and-Forward (DF) or non-regenerative and the Amplify-and-Forward (AF) or regenerative, in the literatures another classification can be found but throughput this thesis we shall consider the above-mentioned classification and we shall also assume that the relay strategy operate in orthogonal channels mode and Time Duplex Division is used due to the limitation of the terminals to transmit and receive the symbols in the same time at the same frequency. The Amplified-and-forward (AF) is the most popular and the simplest cooperative signaling strategy that can be used at the relay to amplify the received signal from the source node and retransmits it to the destination node without doing any specific decoding, in fact it acts as analog repeaters by retransmitting an amplified version of their received signals for this reason it is also called non regenerative relaying , the amplification process which is the multiplication with an amplification parameter is used to normalize the received power. The main advantage of this strategy is its low -complexity implementation and its power constraints, the disadvantage of this strategy is the fact that, the relay nodes amplified the received noise at the same time. Recent research has shown that AF cooperative diversity leads to significantly lower bit error rate (BER) than DF strategy and direct non-cooperative communication. On the other hand, in DF strategy the complexity at the receiver is higher in comparison to that in the AF strategy, the relay node decodes the received signal transmitted by the source node, re-encode it and then retransmit it to destination node noting that during the decoding process the additive noise is removed but symbol at the relay node may be incorrect, therefore, the overall system performance depends on the success of the symbol decoding. Although DF strategy has the advantage over the latter relay strategy in reducing the additive noise at the relay, it suffers from the error propagation issues due the incorrect detection of the relay. The scope of this thesis is to discuss all the above issues, cooperative communication network multiple-relays is considered in order to mitigate the problem of channel impairments and improve performance of overall system through diversity techniques. Diversity techniques consist of transmitting independently two or more copies of the same signal multiple times, the expectation is that at least one of these replicas will be received correctly, or at least one of the diversity branches will have the higher instantaneous signal-to-noise ratio. One alternative to have diversity in wireless communication system without increasing the number of the receiver and transmitter antennas is through the use of cooperative diversity. In this thesis, we shall analyze the performance of cooperative communication with Amplified-and-forward relays strategy over i.i.d (independent and identical distributed) Weibull fading channels using maximum ratio combining (MRC), a closed form expression for the moment generating function (MGF) of the total SNR at the destination node is derived. The fundamental idea behind maximum ratio combining (MRC) is to combine the signals coming from the Lth relaying branch and maximize the receiver SNR, in other words the instantaneous signal-to-noise ratio of the L branch diversity with the combining technique MRC is the sum of the individual signal-to-noise ratio for each branch. Among all the combining techniques MRC is the optimal in the absence of interference however its implementation requires exact information of the instantaneous SNR on each cooperative diversity branch, which sometimes can be difficult to find, because we shall deal the probability density function of sum of Weibull distribution even if the channel coefficients of the links are mutually independent and identical, to overcome this cumbersome task, we use the Moment Generating based-approach (MGF) and the algorithm of the best relay which consist selecting the relay with the highest instantaneous signal-to-noise ratio among the L branch from the Kth relays to the destination source, so only the best relay node (out of K relays) is used at any time. In fact, the algorithm maximizes the minimum signal strength and reduce the number of required channel and maintain full diversity order. At the end, after applying the MRC, we deal only with the direct link from the source to the destination and a link which has the highest instantaneous SNR. For the analyses of the performance metrics in cooperative wireless communication system the moment generating function based-approach, these approach is gaining popularity as a approach to unified error rate analysis of digital communications un fading channels, the performance metrics like as the outage probability and symbol error rates can be expressed in terms of the MGF of the SNR at the output of a diversity combiner in a multiple-channel receiver system, so it is used in order to greatly simplify our analysis of performance metrics, the use of MGF in diversity analysis of the moment generating come from the difficulty in computing the sum of probability density function of the instantaneous SNR and also when computing outage probability and the average probability of error which require integration over the distribution of the sum of the instantaneous SNR , the distribution of this sum is often not in closed-form for any number of branches of diversity with the same or different fading distribution on each branch , even when it is in closed form it can be difficult to evaluate numerically, another motivation of using the Moment Generating-based approach is that expressing the average error probability in terms of the MGF for the sum of instantaneous SNR instead of its probability density function eliminates these tedious integration Specifically, when the diversity branch are independent non identical (i.n,d ). The performance of the maximum ratio combing diversity of cooperative communication over fading channels has gained much interest, many papers in the recent literature could be found discussing the performance of cooperative system with multiple-relay, most of the model for these systems typically assume either Rayleigh fading channels or independent identically distributed Nakagami or even Rician fading channels , these fading models may not be an appropriate fading channel model, we choose Weibull fading channel because it is a flexible statistical model for describing multipath fading channels in both indoor and out-door radio propagation environments and mobile communication systems. This thesis analyzes the performance of the outage probability and the average symbol error rates of the amplify-and-forward relay strategy over independent and identical distributed Weibull fading channels, the maximum ratio combining technique has been used, in order to combine the instantaneous SNR of the direct link i.e. from the source to the destination, and the indirect link and the best relay selection criteria at the destination is used. The closed-form expression of the MGF for the end -to-to SNR at the destination is derived with the help of Meijer G-function/Generalized hypergeometric function which is available in common mathematical software package such as MATLAB, MATHEMATICA, MAPLE. This derived of the total MGF is helpful in analyzing the performance metrics.
Design and implementation of a sepic battery charger for automotive pv applications
The fossil fuels such as coal and gas pollute the air, water and nature. According to World Wildlife Fund (WWF), generating electricity from fossil fuels causes serious acid rain and damage in forest areas. Demand for electricity is growing day by day. At the same time, the stock of conventional sources such as petroleum, natural gas, coal etc. is limited, and decreasing. Moreover, there is an excessive dependence on imports of conventional sources, because the number of countries which have considerable supplies for fossil fuel are also limited. In addition, there is a continuous increase in their prices. Hence electricity crises have been already started all over the world. Humans are searching for a new energy source because of the undisputed meaning of energy for the continuity of life. Solar energy is a good alternative to fossil fuels because of being renewable, safe to use, and less pollutant. According to National Renewable Energy Laboratory in the United States of America, the annual energy needed by all the people worldwide can be met by the sunlight received by the earth in one hour. As a consequence, governments, businesses, researches, scientists, and communities have been started giving more importance of utilizing renewable energy resources especially solar energy despite the cost of photovoltaic (PV) systems. In fact solar technology is being improved day by day which leads to a decrease in total system cost. A study conducted in 2011 in the United States of America shows that the cost of a PV system redeems itself even in 20 years. Due to being a solid state device, PV cells are robust, easy to design, and require very little maintenance. Furthermore, the size and generation capacity of a solar PV system is a function of number of PV modules. Hence, the applications of solar technology can be easily scaled from microwatts to megawatts. PV systems are mobile, and are able to be used in remote areas. Additionally PV systems have a better life-cost correlation, if the amount of sunlight is enough. On-roof-tops of individual buildings is one of the common, and very first application example of PV systems. On-roof-tops are used to supply power to cool or heat the building, and to provide lighting which decrease fossil fuel dependency significantly. Over time though, the technology of PV systems have been improved, and huge solar PV systems have been beginning to be built on the wastelands. PV cell generates direct current (DC) from solar energy by means of photovoltaics. It can be converted to alternative current (AC) with an inverter to be able to use it at home, or it can be directly stored in a battery to be able to use it when needed. The output characteristics of a PV system depends on the atmospheric conditions such as intensity of solar irradiance, and temperature, due to the nature of PV cell. That is why, the efficiency of PV cell is low, when it is directly connected to the load. PV module utilization is improved by operating PV module around its maximum power point (MPP), where it works with the maximum efficiency. With the objective to operate a PV cell, or PV module around its MPP, maximum power point tracking (MPPT), i.e. maximum power point tracker is used. MPPT is a DC/DC converter which extracts maximum power from PV module under any environmental condition, and transfers it to the load efficiently by providing impedance matching between PV module and load. One of the common usages of PV modules in automotive is solar-powered recreational vehicles (RVs) which are mostly used in boondocks for camping. Solar-powered RVs have at least one 12V leisure battery, which is mostly lead-acid due to being cheap, reliable, well-understood, and easy to find. 12V leisure battery is used for 12V equipment and appliances such as a few lights, tablet, phone charger, laptop etc. which is charged from PV module during camping. The number of leisure batteries depends on the amount of power generated from PV module. PV modules can be portable or mounted on the top of the vehicle such as van, trailer etc. A DC/DC charger is used to take the power generated by PV modules and charge the battery in the most efficient way by using this power. According to the researches, a PV system setup as a backup power source for an RV can amortize itself in 2-4 years. For this thesis, a single ended primary inductance converter (SEPIC) battery charger is designed, implemented, and tested for automotive PV applications, which charges a 12V battery with maximum 8A charging current at 14V for an input voltage range, i.e. a PV module output voltage range from 12V to 25V, and with 85% efficiency. The practical application of this thesis is charging a 12V/80Ah leisure battery of a solar-powered RV, which has a 180W PV module, with maximum 8A charge current at 14V output voltage. In order to achieve thesis's purpose, in the beginning a comprehensive literature review on MMPT in PV applications, DC/DC converter topologies used as MPPT, SEPIC converter design, and SEPIC based battery charger design for PV systems is done. The literature review points out that, an intermediate DC/DC converter is needed to increase the efficiency of PV system, and SEPIC is the most promising topology for target application of this thesis. That is why, SEPIC topology is selected for charger design. Afterwards, theoretical background of SEPIC topology is deeply studied. According to design considerations, and by using theoretical equations, all necessary parameters of components are calculated, switching frequency is defined, and hence a basic SEPIC charger circuit design is completed. A simulation setup is prepared with ideal components, and simulations are performed with LTspice by using an ideal voltage source as an input supply instead of PV module model and a resistor as an output load instead of battery model. The simulation results are interpreted, and compared with theoretical calculations. After verifying design with ideal components, proper off-the-shelf components and controller of charger are selected. Their spice models are gathered from manufacturers if available, else proper models are developed in order to prepare a simulation setup in LTspice. The SEPIC design with real component models i.e. non-ideal component models are performed by again using an ideal voltage source as an input supply instead of PV module model and a resistor as an output load instead of battery model. The simulation results are interpreted, and compared with simulation results of the circuit with ideal components and theoretical calculations. After verifying design with non-ideal components, a 180W PV module model is developed and used instead of ideal voltage source as an input supply and a 12V battery model is used instead of a resistor load as output load in the simulation circuit with non-ideal components with the intention of performing system simulations in LTspice. The simulation results are interpreted, and compared with other simulation results, and theoretical calculations. After the correctness of theoretical calculations and selected components are confirmed by performing simulations in LTspice, SEPIC charger implementation is started. By using Altium Designer 18, schematic and printed circuit board (PCB) of SEPIC charger are designed, after completing the creation of libraries which include all necessary components' symbols, and footprints. Afterwards, all components included in the bill of material report of design are ordered through distributors, and PCB is manufactured. When bare PCB arrives, components are soldered onto PCB. Hence prototype of designed SEPIC charger is obtained, and made ready for testing. All necessary tests are performed in two different test environments, which are laboratory and field tests, in order to validate SEPIC charger design. In the beginning, tests are performed in the laboratory by using a power supply as an input source, and a resistor block as a load. The tests are performed in two main phases in the laboratory. In both phases, a power supply is used as an input source. In the first phase, a resistor block is used instead of battery as a load. In the second phase, a 9Ah battery is used as a load. Eventually, field tests are performed with a 130W PV module used as an input source and a 12V/12Ah battery used as a load. As a consequence, it is achieved to design, and implement a SEPIC charger as intended which provides maximum 8.32A output current at 14.14V output voltage for an input voltage range from 12V to 25V. Implemented SEPIC charger has an efficiency minimum 87.6% at 12V input voltage and maximum 88.6% at 25V input voltage. Additionally in field tests, designed and implemented SEPIC charger charges battery by getting power from PV module properly.
Çevrimsel durağanlık tabanlı uzay-zaman blok kod zamanlaması kestirimi
Telsiz haberleşme sistemlerinde güvenli bir iletişimin sağlanabilmesi için verici tarafından gönderilen mesajların alıcıda hatasız ya da minimum hata oranı ile elde edilebilmesi şarttır. Bu amaçla gönderilen sinyale ilişkin iletim parametrelerinin alıcıda ön bilgi olarak yer alması ya da alıcı tarafından, gönderilen işaretten yararlanılarak kestirimi zorunludur. Literatürde gönderilen sinyale ilişkin taşıyıcı frekansı, bandgenişliği, taşıyıcı frekans kayması, simge zamanlaması, modülasyon türü ve çoklu erişim tekniği gibi parametrelerin alıcıda elde edilmesi için geliştirilmiş birçok yöntemler ve algoritmalar bulunmaktadır. Bu yöntemler ve algoritmalar işbirlikli ve işbirliksiz(gözü kapalı) olarak ikiye ayrılmaktadır. Pratikte kısıtlı bandgenişliği ve analiz edilecek sinyalin önceden bilinmeyen tipte olması gibi sebeplerden dolayı verici ile alıcının işbirliği içerisinde bulunamadığı senaryolarla sıklıkla karşılaşılmaktadır. İşbirliksiz yöntemler bu senaryolar için çözüm getirerek literatürde önemli bir yere sahip olmuşlardır. Özellikle çağdaş haberleşme sistemlerinin kullanıldığı askeri ve sivil uygulamalarda bu problemlerle karşılaşıldığından işbirliksiz yöntemler güncelliğini korumaktadır. Çağdaş haberleşme sistemlerinde kullanılan Çok Girişli Çok Çıkışlı (Multiple Input Multiple Output, MIMO) sistemler verici ve alıcı kısımlarında çok sayıda anten kullanarak iletişimin kalitesini artırmakta ve daha yüksek hızlarda iletişime olanak tanımaktadırlar. MIMO sistemler bu avantajlarından ve birçok uygulama için makul seviyedeki karmaşıklıklarından ötürü yeni nesil haberleşme sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. İşaretlerin iletiminde kullanılan Uzay-Zaman Kodlama (Space-Time Coding, STC) teknikleri sayesinde MIMO sistemler Tek Girişli-Tek Çıkışlı (SISO) sistemlere nazaran daha fazla kanal sığası sunmaktadırlar. MIMO sistemlerde STC işlemi yukarıda belirtilen parametrelere ek olarak uzay-zaman kodlarına ilişkin bazı yeni parametrelerin de alıcı tarafından elde edilebilmesini gerektirir. Nispeten düşük karmaşıklığı sebebiyle pratikte daha yaygın olarak kullanılan Uzay-Zaman Blok Kodları (Space-Time Block Codes, STBC) alıcıda kod blok zamanlaması bilgisinin elde edilmesini zorunlu kılar. Aksi halde alıcı, STBC çözme işlemini gerçekleştirirken yanlış kod başlangıç anından başlayabilir ve bu durum büyük simge hatalarının oluşması ve muhtemelen iletişimin son bulmasıyla sonuçlanacaktır. Bu çalışmada pratikte yaygın olarak kullanılan bir uzay-zaman blok kodu olan Alamouti Kodu (AL) için çevrimsel durağanlık tabanlı bir blok zamanlaması kestirim algoritması önerilmiştir. Önerilen algoritma vericide yapılan kodlama işleminden kaynaklanan, verici anten sinyalleri arasındaki çapraz ilişkilere ait çevrimsel durağanlık özelliklerini kullanarak blok zamanlamasını kestirmektedir. Bununla birlikte gönderilen sinyale ilişkin kod tipi ve alınan işaretten başka hiçbir ek bilgiye ihtiyaç duymamaktadır, bir başka deyişle gözü kapalı bir şekilde işlemektedir. Önerilen algoritmanın İşaret-Gürültü Oranı'na (Signal-to-Noise Ratio, SNR) bağlı performansı bilgisayar benzetimleri yardımıyla ölçülmüştür. Benzetim sonuçları önerilen algoritmanın literatürde var olan algoritmalara göre daha iyi performans sergilediğini ve düşük SNR rejimine karşı daha dayanıklı olduğunu ortaya koymaktadır. Yüksek performansı ve kanal matrisi, modülasyon tipi, gürültü varyansı gibi parametrelere ve eğitici dizilere (Training Sequences, TS) ihtiyaç duymaması sebebiyle önerilen algoritma literatürdeki algoritmalar arasında önemli bir yere sahip olmuştur.
Otonom araçların yön güdümünde PAF tabanlı EZKH yönteminin geliştirilmesi
Günümüzde özellikle askeri uygulamalarda operatörsüz platform kullanımı düşüncesi yaygınlaşmış olmakla birlikte özellikle insansız ya da otonom araçlar geliştirilme amaçlarına uygun olarak verilen görevin tamamını veya bir bölümünü kendi kendine yapması beklenen araçlar olarak ortaya çıkmıştır. Bu isteği karşılayarak güvenli bir otonom yöngüdüm yapabilmenin ön koşulu ise insansız aracının konumunun doğru şekilde bilinmesidir. Günümüzde konum belirlemenin en bilinen yöntemi Küresel Uydu Yönbulum Sistemlerinin (KUYS) kullanımıdır. KUYS'nin olmadığı veya erişilemediği ortamlarda araç konumunun ya da yöngüdüm yapılan bölgenin haritasının da bilenmemesi durumunda güvenli konum belirlemek oldukça zor bir problemdir. Eş Zamanlı Konumlama ve Haritalama (EZKH) aynı anda hem platform pozisyonu hem de ortam haritası belirlenmesi yöntemine verilen addır. Son çeyrek yüzyılda ortaya çıkan EZKH problemi, 2000'li yıllardan başlayarak kara, deniz, hava araçları için araştırılmış olmakla birlikte Kalman Filtresi (KF) tabanlı Genişletilmiş Kalman Filtresi (DKF) ve Dağıtılmış Kalman Filtresi (GKF) gibi parametrik filtre yaklaşımları yanında Parçacık Filtresi (PF) gibi non-parametrik metotlardan oluşan durum tahmin yöntemleri ve model ya da grafik tabanlı üst seviye kontrol amaçlayan ve özellikle de görüntü işleyen teknikler bu kapsamda kullanılmıştır. İnsansız sistemlerin; platform-araç, sensör tipi ve kara, deniz, hava gibi ortam türü başlıklarında oldukça fazla farklılıklar göstermesi nedeniyle, EZKH probleminde genel bir bakış sağlamak için sınıflandırma (taxonomy) yoluyla performans analizi ihtiyacından bahsedilebilir. Bu çalışmada belirsizlik altında tahmin araçlarının performans analizleri ile birlikte literatürde ilk kez olarak Parçacık Akış Filtresi (PAF) tabanlı bir EZKH yapısı filtrenin matematik temelleri, filtre analizleri, otonom araç sistemi ile sensör modellerini de içerecek şekilde verilmiştir. Benzetim sonuçlarına göre parçacık akış filtresi tabanlı EZKH performansının hesaplama maliyeti nedeniyle bazı gerçek zamanlı uygulamalardaki zorluklarına rağmen literatürde daha önce yer almış diğer tahmin yöntemleriyle karşılaştırıldığında özellikle belirsizlikleri daha düşük algılayıcılar kullanan ölçüm ortamlarında parçacık filtresi yapısında ortaya çıkan dejenerasyon sorununu ortadan kaldırarak daha başarılı sonuçlar verdiği ve bu nedenle tercih edilebileceği görülmüştür.
Hücresel mımo haberleşme sistemlerinde antenler arası ortak etkileşimin etkileri
Uzaysal korelasyon Çok-Girişli Çok-Çıkışlı (Multiple-Input Multiple-Output - MIMO) telsiz haberleşme sistemlerinde kanalların uzayda istatistiksel olarak ne kadar ilişkili olduğunu anlatan bir büyüklüktür ve MIMO sistem performansı için önemli bir parametredir. MIMO sistemlerin alıcı veya verici antenleri arasındaki ortak etkileşimin uzaysal korelasyona olan etkileri ise pek çok defa incelenmiştir. Ancak literatürde bulunan ortak etkileşimin uzaysal korelasyona olan etkilerinin incelendiği çalışmaların çoğu hücresel haberleşme antenleri özelinde değildir. Bu çalışmanın amacı hücresel haberleşme özelinde tasarlanan antenler için antenler arası ortak etkileşimin uzaysal korelasyona ve MIMO sistem performansına olan etkilerinin incelenmesidir. Bu amaçla, çalışmanın ilk bölümünde hücresel haberleşme kullanıcı ekipmanlarında sıklıkla kullanılan genel bir ters-F anten modeli üzerinden ortak etkileşimin kanal korelasyonuna ve sistem kapasitesine olan etkileri antenler arası uzaklıklar cinsinden incelenmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde ise gerçek, ticari bir akıllı telefon mekaniği üzerinde tasarlanan ters-F antenler arasından seçilen ve farklı ortak etkileşim değerlerine sahip anten çiftleri üzerinden ortak etkileşimin uzaysal korelasyona ve kanal kapasitesine olan etkileri benzetim ve ölçüm sonuçları ile karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Bunun yanında, anten çiftleri için çok-yollu bir sönümleme ortamında uzaysal korelasyon ölçümleri yapılmış, teorik beklentiler ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, antenler arasındaki ortak etkileşim etkisi, tekdüze olasılık dağılımına sahip güç açısal spektrumlu çok-yollu sönümleme ortamlarında, yarım dalga dipol ve genel bir ters-F anten için uzaysal korelasyonu azaltıcı bir etki göstermektedir. Bunun yanında çalışmanın ikinci bölümünde gerçek bir akıllı telefon mekaniği üzerinde gerçeklenen ters-F antenler üzerinde yapılan çalışmada ise bazı anten çiftleri arasındaki korelasyonda arttırıcı etki gösterdiği görülmüştür. Ergodik kanal kapasitesi hesaplamalarından iki bölümde de çıkan sonuç, ortak etkileşim etkisinin birbirine oldukça yakın konumlanmış antenler özelinde, ortak etkileşim dahil edilmemiş duruma oranla kanal kapasitesini bir hayli arttırıcı etki gösterdiğidir. Özellikle telefon üzerinde gerçeklenen ters-F anten çiftlerinin hepsi için, ortak etkileşim etkisinin ergodik kanal kapasitesinde düşük oranda da olsa artış sağladığı da çalışmada elde edilen sonuçlardandır. Çok-yollu bir sönümleme ortamında ters-F anten çiftleri üzerinde yapılan uzaysal korelasyon ölçümünde ise çalışmanın ikinci bölümündeki ortak etkileşim etkisinin incelendiği kısım ile oransal olarak tutarlı sonuçlar elde edilmiş ve çalışmanın doğruluğunu göstermiştir.
Machine learning aided kidney stone classification with electromagnetic properties
Electromagnetic waves with microwave frequencies have been widely used in medical field for diagnostic and therapeutic purposes. The reasons why microwaves have been preferred are mainly its non-ionizing nature and its ability to penetrate matter. Physiological effect on biological tissues also enables to use for treatment of diseases. Moreover, the difference in electromagnetic properties of distinct biological material enables diagnostic usage. In this study, the determination of kidney stone types was aimed by making use of the dielectric discrepancy between stone types. It is known from statical information that the recurrence rate of kidney stone disease is very high. For this reason, it is important to learn why the body forms kidney stones in order to determine necessary precautions to prevent recurrence. The tools utilized for determination of the reasons for stone formation are blood test, urine test and tools used for urinary stone analysis. To this end, this study focused on development of an innovative method for urinary stone analysis. When dielectric property measurements of three common types of kidney stone were carried out, it is realized that it is possible to distinguish kidney stones with machine learning algorithms and the help of these features. Dielectric constant and dielectric loss values of each stone were measured over the frequency range of 500 MHz – 6 GHz with 100 MHz intervals. Then, Cole-Cole parameters of each stone were calculated with generalized Newton-Raphson method from measured dielectric constant and dielectric loss values instead of directly use of them. Thus, the input size of machine learning algorithm was reduced with successful Cole-Cole fitting. After dielectric property measurement and Cole-Cole fitting, classification of the stones were completed with an artificial neural network and k-nearest neighborhood algorithm. Obtained classification of two algorithm were evaluated with some performance measures which are accuracy, sensitivity, specificity, precision, recall and F1 score. It can obviously be seen from these measures that both of two classifier are quite successful in determination of kidney stone types.
Kablosuz haberleşme uygulamaları için j sınıfı güç kuvvetlendiricisi tasarımı
Bilim insanları modern kablosuz haberleşme sistemleri üzerinde, kompleks modülasyon tekniklerini kullanarak maksimum spektral verim elde etme üzerinde sürekli çalışmaktadır. Bu tür sistemler, en az faz ve genlik bozulması ile sinyali göndermek için çok yüksek doğrusallıkta çalışan güç kuvvetlendiricilerine ihtiyaç duyarlar. Bununla beraber, güç kuvvetlendiricileri, DC güç tüketimini azaltmak ve böylece pil ömrünü uzatmak ve aynı zamanda soğutma için ısı yayılım gereksinimlerini karşılamak için yüksek güç verimi sunabilmelidir. Yazılım tanımlı radyolar ve bilişsel radyolar gibi çok kanallı haberleşme sistemleri, WiMAX ve LTE gibi çoklu standartları ve çoklu frekans bantlarını kullanma eğilimindedir. Bu sistemlerin tasarımı tek bir donanım platformu üzerinde gerçeklenmek istenmektedir. Bu platformlar, bu tür sistemlerin içinde çoklu kuvvetlendiricilere olan ihtiyacı azaltacak, böylece geliştirme maliyetlerini ve uygulama döngüsünü hızlandıracak genişbant güç kuvvetlendiricilerine ihtiyaç duyar. Kablosuz haberleşme sistemleri için güç kuvvetlendirici tasarımında yakın zamana kadar, çok dar spektrum tahsislerine bağlı olarak, belirli düşük RF bant genişliklerine odaklanılmıştır. WiMax, 4G gibi sistemler de dahil olmak üzere gelecek sistemlerde, sadece daha geniş frekans spektrumu ayrılma ihtiyacı nedeniyle değil, aynı zamanda 100 MHz ve ötesinde temel bant genişliğine sahip sinyallerle çalışma ihtiyacından dolayı daha büyük bant genişlikleri gerekecektir. Bugüne kadar, radar gibi diğer RF güç kuvvetlendirici uygulamaları, yüksek RF bant genişliği gereksinimlerinden dolayı, güç ve verim üzerinde yapılan çalışmalardaki ilerlemelerden fazla yararlanamamıştır. Tipik olarak %75 verimin üzerinde çalışan çok yüksek verimli güç kuvvetlendiricileri ile ilgili elde edilen sonuçlar, hassas çoklu harmonik empedans sonlandırmalarını ve aynı zamanda çok yüksek kazanç-bastırma seviyelerini işaret etmektedir. Bu faktörler, sırasıyla dar bant frekans performans sınırlaması ve doğrusal olmayan çalışmaya yol açar. Sonuç olarak, yüksek doğrusallık, verim ve geniş bant genişliği, modern haberleşme sistemlerinde günümüz RF ve mikrodalga güç kuvvetlendiricilerinin sağlamasını istediği temel üç faktördür. Mevcut RF transistör teknolojileri arasında galyum nitrit (GaN) yarı iletken tabanlı güç transistörleri, modern güç kuvvetlendirici uygulamaları için, GaAs ve Si gibi mevcut diğer teknolojilere kıyasla daha yüksek çıkış gücü ve verim sağlayabildiğinden üstün bir yarı iletken teknolojidir. Yukarıda bahsi geçen hususlar dikkate alındığında, bu tezde yapılan tasarımda tek bir transistörle yüksek verim ve çıkış gücü elde etmek için GaN transistör seçilmiştir. Bugüne kadar, yüksek verimli güç kuvvetlendirici çalışmaları için bir çok topoloji önerilmiştir. Bu topolojiler arasında, F sınıfı çalışmada çıkışında, dikdörtgen bir gerilim dalga şekli oluşturmak için tek dereceli harmonik empedansları kontrol ederek iyi bir verim elde edilir. Bununla birlikte, uygun üçüncü dereceli harmonik gerilim elde etmek için, çıkış kondansatörü (Cout) doğru bir şekilde ayarlanmalıdır. Ayrıca, bazı durumlarda kapasite ve çalışma frekansına bağlı olarak, kapasitenin empedansı, üçüncü harmonik frekans için kısa devre olabilir. Yüksek verim elde edilen diğer bir çalışma olan E sınıfında, transistör ideale yakın bir anahtar gibi davranarak yüksek verim sağlanır. Ancak, güç transistörünün gerçek ideal anahtarlama operasyonu, çalışma frekansına ve güç transistörünün yapısal özelliklerine bağlı olarak değişiklik gösterebilir. Bu yüzden, anahtarlama süresindeki geçiş süresi kaynaklı akım ve gerilim dalgalarındaki örtüşmeden dolayı verim düşer. Bu sınırlamalar, E sınıfının verimini yüksek frekanslarda bozar. Sonuçta, F ve E sınıfı çalışmada % 70'in üzerinde verim elde edilmesine rağmen, bu güç kuvvetlendirilerinin performansı, sınırlı bant genişliğinde çalışmaya zorlayan çok özel empedans değerlerinde çalışmaya bağlıdır. Bu yüzden, F ve E sınıfının doğrusal çalışması oldukça zayıftır. Klasik güç kuvvetlendiricilerinin, geniş bir bant aralığında yüksek verim ve doğrusal davranış sergileme talebi bir ödünleşim doğurur. Son birkaç yıldır üzerinde çalışılan J sınıfı güç kuvvetlendiricileri ile bu sorun çözülmeye çalışılmaktadır. Bu yeni yaklaşım olan J sınıfı ile, AB sınıfı çalışmanın aynı verim ve doğrusal davranışını gösteren ve AB sınıfından farklı olarak bandı sınırlayan harmonik kısa devre gerektirmeyen RF güç kuvvetlendiricisi tasarımının teorik tarafı gösterilmiştir. J sınıfı çalışmada, ikinci harmonik sonlandırmayı tamamen reaktif rejime dönüştürmek için çıkış akımı ve gerilim dalga şekilleri arasındaki faz kaymasından yararlanılır. Bu sayede, GaN (HEMT) güç transistörleri kullanılarak tasarlanan J sınıfı ile bant genişliği-verim performansına önemli ölçüde katkı sağlanır. Uygun şekilde temel ve ikinci harmonik empedanslar ile sonlandırılmış doğrusal J sınıfı güç kuvvetlendiricisi, tek bir güç kuvvetlendiricisi tasarımında doğrusallık, verim ve bant genişliği gereksinimleri için ümit verici bir çözüm sunmuştur. Bir GaN transistörün ve J sınıfı çalışmanın avantajlarını birleştiren ve paketlenmiş bir transistördeki dış parazitik elemanların etkisini de göz önüne alarak geniş bant bir J sınıfı güç kuvvetlendiricisi tasarımı, bu çalışmanın odak noktasıdır.
Çok kullanıcılı çok-girişli çok-çıkışlı sistemler için uzaysal modülasyon tabanlı özgün sistem tasarımları
2010'lu yıllara girerken çok-girişli çok çıkışlı (multiple-input multiple-output, MIMO) sistemlere uygulanabilen umut vaad eden yeni bir iletim tekniği önerilmiştir: uzaysal modülasyon (spatial modulation, SM). SM ile klasik modülasyonlu simgeler üzerinden iletimin yanı sıra kullanılan antenlerin indisleri üzerinden de iletim tekniği geliştirilmiştir. Böylece haberleşmeye yeni bir bakış açısı kazandırılmıştır. Spektral verimlilik, enerji verimliliği ve hata başarımı açısından klasik MIMO ve tek-girişli tek-çıkışlı (single-input single-output, SISO) sistemlere nazaran üstünlükleri bulunan SM tekniği son yıllarda revaçtadır. Yine yakın bir tarihte, 2015'te, SM'in spektral verimliliğini ve hata başarımını arttıracak yeni bir iletim tekniği geliştirilmiştir: dik uzaysal modülasyon (quadrature spatial modulation, QSM). Yeni önerilen bu teknik ile SM'e nazaran daha yüksek hata başarımı elde edildiği ve spektral verimliliğin de iyileştirildiği literatürdeki öncü çalışmalarda gösterilmiştir. Literatürde noktadan noktaya (point-to-point, P2P) SM ve QSM çalışmalarına sıklıkla rastlanmakta iken SM ve/veya QSM tabanlı çok-kullanıcılı (multi-user, MU) uygulamalar için yapılan çalışmalar son yıllarda önem kazanmaktadır. Bu çalışma kapsamında, çok-kullanıcılı MIMO sistemlerde SM ve QSM tabanlı özgün sistemlerin geliştirilmesi değerlendirilmiştir. Öncelikle literatürde mevcut olan MU-MIMO SM çalışması temel alınarak, hem spektral verimliliği arttırmak hem de hata başarımını iyileştirmek amacıyla ilgili sisteme QSM uyarlanmış ve MU-MIMO QSM sistemi önerilmiştir. Önerilen sistemin literatürde önerilen MU-MIMO SM sistemine nazaran hem toplam spektral verimlilik hem de kullanıcı başına spektral verimlilik açısından daha üstün olduğu gösterilmiştir. Ayrıca yapılan bilgisayar benzetimleri ile MU-MIMO QSM sisteminin MU-MIMO SM sisteminden daha yüksek hata başarımına sahip olduğu da gösterilmiştir. Önerilen MU-MIMO QSM ve literatürde mevcut olan MU-MIMO SM sistemlerinin sakıncalı yönleri göz önünde bulundurularak yapılan çalışmalar ilerletilmiştir. Özellikle kullanıcı başına tek bir radyo frekans (radio frequency, RF) zincirinin düşmesi sebebiyle maliyet ve güç tüketimi açısından literatürdeki mevcut MU-MIMO SM sistemi ile tez kapsamında önerilen MU-MIMO QSM sistemini iyileştirmek amacıyla yeni özgün sistemler önerilmiştir: azaltılmış sayıda RF zincire sahip MU-MIMO SM/QSM sistemleri. Bu sayede farklı kullanıcıların aynı RF zinciri ve aynı SM/QSM iletim vektörü üzerinden haberleşmelerine olanak verilmiştir. Böylece MU-MIMO SM ve MU-MU QSM sistemleri ile aynı sayıda kullanıcıya daha az sayıda RF zinciri ile hizmet verebilen özgün bir sistem önerilmiştir. Önerilen sistem için hata başarımı analizleri yeni bir yaklaşım ile yapılmıştır. Bu yaklaşımda anten indisleri ve simgeler üzerinden ayrı ayrı ortalama bit hata olasılığı (average bit error probability, ABEP) hesabı yaklaşımı temel alınmıştır. Literatürde SM için benzer yaklaşımın farklı bir hesaplama yöntemiyle kullanıldığı bir çalışma olsa da QSM için önerdiğimiz yaklaşım ve matematiksel çıkarımlar literatürde henüz bulunmamaktadır. Böylece çok-kullanıcılı sistemler ve QSM literatürüne yeni bir bakış açısı kazandırılmıştır. Üçüncü olarak, bir baz istasyonundan (base station, BS) tüm kullanıcılara ortak bir bilgi iletimi olduğu durum göz önüne alınarak ortak bilgi iletimli MU-MIMO QSM sistemi önerilmiştir. Bu sistem ile her kullanıcı için gönderilen kullanıcıya özgü verilerin yanı sıra ortak bilginin iletimi de sağlanmıştır. Ortak bilgi ve kullanıcıya özgü veriler, farklı kombinasyonlarla anten indisleri ile simgelere yüklenerek gerçekleştirilmiştir. Bu sebeple ortak bilgi iletimi için farklı senaryolar değerlendirilmiş ve her bir senaryo için ayrı ayrı ABEP çıkarımları yapılmıştır. Yapılan bilgisayar benzetimleri ile kuramsal olarak türetilen hata olasılığı çıkarımlarının uyumlu sonuçlar verdiği gösterilmiştir. Ayrıca hem ortak bilgi üzerinden hem de kullanıcıya özgü veriler üzerinden hata başarım karşılaştırmaları yapılmıştır. Dördüncü ve son olarak çok-kullanıcılı MIMO sistemler için literatür araştırmaları sonucunda, verici BS'de her bir kullanıcıya sabit sayıda verici anten ataması yapıldığı gözlenmiştir. Bu sebeple hem daha esnek bir verici anten seçimi olması hem de sistemdeki yüksek öncelikli kullanıcılara farklı spektral verimliliklerde iletim sağlanabilmesi için değişken sayıda verici anten atama algoritması geliştirilerek literatüre kazandırılmıştır. Böylece daha esnek bir anten tahsis yöntemi geliştirilmiş ve olası tüm anten kombinasyonları BS'de elde edilmiştir. Bu sayede sistemdeki ilgili kullanıcılara en uygun anten atama kombinasyonu seçilerek iletim sağlanabildiği gösterilmiş olup SM ve QSM tabanlı MU-MIMO sistemlere uyarlanabileceği gösterilmiştir. Böylece yapılan özgün çalışmalar ile çok-kullanıclı MIMO sistemler literatürüne, katkıda bulunulmuştur. İyileştirilmesi hedeflenen spektral verimlilik, hata başarımı ve maliyet parametrelerinin her biri için farklı özgün sistemler geliştirilmiştir.