61
Arşivlenen Tez
0
DOI Atanmış
0%
DOI Oranı
Anabilim Dalı
Ultrasonik uyarıcı dizisi ve güç odaklayan sürücü devre gerçeklemesi
Ultrasonik dönüştürücü, elektrik akımını ses dalgasına, ses dalgasını elektrik akımına dönüştüren elemana denir. Bu devre elemanı iki yönlü olarak çalışmaktadır. Bu çalışmada, ultrasonik uyarıcı tasarlanmak üzere, sadece sürücü devreden gelen elektrik akımını ses dalgasına çeviren ultrasonik dönüştürücüler kullanılacaktır. Bu tez çalışmasında, ultrasonik dönüştürücüler kullanılarak istenilen frekansta elde edilen ultrasonik dalganın bir noktada odaklanarak basınç şiddetinin arttırılmasını sağlayan, ultrasonik uyarıcı sistem tasarımı ve gerçeklemesi anlatılmıştır. Ultrasonik uyarıcı devreler çok farklı alanlarda(uzaklık ölçümü, endüstriyel temizleme v.b.) çeşitli amaçlarla kullanılmaktadır. Bu çalışmada ise tasarlanacak devre ve uyarıcı dizi tasarımları ile tarım alanında böcek yönlendirme kovma uygulamalarında kullanılması düşünülmektedir. Bunun için öncelikle hangi frekansta çalışılacağına karar verilmiştir. Bu problem farklı frekanslarda farklı devrelerin tasarımını gerektirmiştir. Bundan dolayı çalışma frekansına uygun devre tasarımları bulunarak gerçeklemesi yapılmıştır. Devre tasarım çalışması yapılmadan önce, ultrasonik dönüştürücülerin etki alanı uzaklığı hesabı yapılmıştır. Bu hesaplamalardan sonra, tasarlanacak uyarıcıda kullanılacak ultrasonik dönüştürücü dizi modelleri karşılaştırılmasını yapmak amacıyla belirlenen dizi modelleri gerçeklenmeden önce MATLAB benzetim ortamında TAC uygulaması ile ultrasonik dönüştürücülerden yayılan dalga yapısı elde edilmiştir. Son aşama olarak, devre ve dönüştürücü dizileri gerçeklenerek ölçümleri yapılarak ve bu ölçüm sonuçları değerlendirilmiştir. İlk olarak, çalışmada her bir frekans farklı basınç değerleri için hangi ultrasonik dönüştürücülerin kullanılacağı ve dönüştürücünün çalışma frekansı belirlenmiştir. Çalışmada kullanılacak dönüştürücü tipleri, 400st100, 400st160 ve 90-4050-60 seri numaralı ürünlerdir. Bu dönüştürücülerin merkez frekansı 40 KHz, 80 KHz 'dir. Sonrasında, bu çalışma frekansına uygun bu dönüştürücüleri sürebilecek sürücü devre belirlenmiştir. Bunun için üç adet farklı sürücü devre kullanılmıştır. Bu devreler aynı veya farklı frekanslarda farklı dönüştürücüleri sürmek ve elde edilecek değerlerini kıyaslamak için bu şekilde seçilmiştir. Sürücü devrelerin gerçeklenmesine geçmeden önce, kullanılacak dönüştürücülerin hangi prensibe göre dalga ürettiğini ve bununla ilgili ultrasonik dönüştürücülerin parametreleri ve etki alanı uzaklığı hesapları yapılmıştır. Bu hesaplamalar ışığında, yapılacak ölçüm uzaklığı ve dönüştürücünün ilgili parametreleri hesaplanmıştır. Bunun yanında, yapılan gerçek ölçümler ile karşılaştırmak amacıyla, ultrasonik dönüştürücülerin oluşturacağı dalga modelini gösteren ve matematiksel olarak yapacağımız hesaplarında doğrulanacağı ortam olarak MATLAB_TAC (Transducer Array Calculation) uygulaması kullanılmıştır. Burada, benzetim ortamında hangi dönüştürücü kullanılacaksa onun parametreleri girilerek istenilen etki alanı uzaklığı ve oluşacak maksimum güç elde edilecektir. Bu işlem diğer dönüştürücüler ve dizi tipleri için tekrarlanarak gerçekte yapılan ölçümler ile karşılaştırılma olanak sağlamıştır. Son aşamada ise, devreler ve dönüştürücü dizileri belirlenerek ölçümler yapılmıştır. Bu ölçümler, çalışma frekansına, dönüştürücünün cinsine, dönüştürücü dizilerine ve yapılan ölçümlerin uzaklıklarına göre karşılaştırılmıştır. Bu ölçümler sonucunda elde edilecek verilerden hangi düzeneğin daha verimli çalıştığı belirlenecektir. Bu çalışmada sadece devre ve dizi tasarımları yapılmış ve 40 KHz ve 80 KHzlik devre gerçeklemeleri yapılmıştır. Diğer frekanslardaki uygulamalar ve uygulamada hangi devrenin daha iyi sonuç vereceği başka bir çalışmaya bırakılmıştır.
Forward and inverse scattering problems for the objects located in a closed medium
In this thesis, reconstruction of dielectric objects buried in a perfectly electric conducting enclosure is realized. Free space magnetic permeability is assumed for all cases. Our motivation is to observe the influence of reflected field from conducting boundary. It is predicted that reflections may form as image sources and hereby they result in better reconstruction. Primarily, synthetic data for scattered field is measured for arbitrary shaped objects. Then location, geometry and physical properties of scatterers are investigated for two cases: in an existing circular conducting boundary and in a free space. The approach used to solve this problem is based on a semi-numerical technique called method of moments (MoM). All implementations are coded in MATLAB environment. MoM is a frequency domain solver that has been widely used since 1960s. It aims to discretize time-harmonic electromagnetic field integral equations and design a linear matrix system. Applying linear algebra, matrix equations can be solved at ease. Integral equation in MoM solution involves Green's function as its definition of Fredholm equation. Since Green's function is evaluated analytically, MoM is approved as a semi-numerical method. Scattering problems are grouped into two categories such as forward and inverse scattering. Forward one is used to compute scattered field under the assumption of known source, scatterer and medium properties. Conversely, inverse one deals with acquiring the profile of objects when incident and scattered field data is known. Forward scattering problems are defined as well-posed problems; since their solution exists, is unique and stable. However, ill-posedness may arise for inverse scattering problems. Therefore, they need to be reformulated. Supplementary assumptions must be done to make the problem solvable. This operation is called regularization. A. N. Tikhonov proposed a regularization method that is recognized by his own name in 1963. During thesis, we benefit Tikhonov regularization to eliminate ill-posedness of problems. Forward scattering problems concerning closed medium can be identified by an integral equation involving Green's function as it is mentioned. Therefore, we begin with finding Green's function of closed medium. Then, scattered field is calculated numerically. Integral equation is discretized and total field is computed for each cell. The decrease in cell size serves better object modeling, so cell side is chosen at most λ/16. Accuracy of MoM process is very important for us and verification is necessary. For this purpose, analytic solution for closed medium is also performed. By the way, Green's function is employed as a 2D transverse magnetic (TM) polarized line source. When a single source is injected into simulation area, some deficiencies are encountered in imaging. Therefore, multi-source illumination is preferred in most cases. Besides, plenty of observers are located around the scatterer in a certain distance. Next, inversion algorithm is applied to achieve shape reconstruction. By doing so, Born Approximation and Newton methods are utilized. Born Approximation requires some restrictions to be satisfied. It provides improvements in outcomes if operating frequency and/or contrast are low. To explore object function, Born method enables us to use incident field in integral (data) equation instead of total one. In other words, scattered field is ignored. Then, discretization is performed for integral equation. However, ill-posedness is shown up while applying linear algebra. Hence, Tikhonov regularization is implemented. On the other hand, Newton method does not need any provision, so it is more advanced. It is an iterative method presented to find object function. It starts with guessing an initial value for sought object function. In every step, a new guess object function is proposed to reach or get close to real value of it. We selected a condition for error tolerance to halt the process when object function is close enough to real value. After reconstruction for closed medium is fulfilled, conducting surrounding is removed. Forward and inverse problems are solved for unbounded medium using appropriate Green's function. The background medium can be a free space or dielectrically filled. Several tests are practiced to observe the impact of conducting boundary on reconstruction and localization of object in closed mediums. The selection of radius of conducting enclosure is very important. The most favorable distance between observers and conducting enclosure "λ/4" is also affirmed. In addition, size of reconstruction area is examined. Born method offers us quality imaging for particular cases. The increase in contrast deteriorates the results. Therefore, Newton method is also applied to same settings. The drawback of Newton is to find a convenient initial value for contrast. If it is not picked properly in the beginning, simulation duration lasts longer or forever. In conclusion, forward problem is verified by means of analytic solution. Born and Newton methods are successfully performed for inversion. The reconstruction and localization is succeeded. Multi-source effect is analyzed and its performance is highlighted. Unfortunately closed medium solutions do not provide great enhancement in imaging as supposed. For most cases, shape reconstruction is not corrupted at least. There has to be some advantages of closed mediums, because they preserve the simulation area.
1 MHz çıkış frekansında 80+ dB SFDR başarımı elde eden 0.18 um 16-b 32 MSPS CMOS gerilim çıkışlı sayısal-analog çevirici tasarımı
Interfacing digital domain signals to an analog control or transfer system requires an integrated circuit (IC) element referred to as a digital-to-analog converter (DAC). Achieving high precision and high dynamic linearity at high sampling speeds and high output frequencies is an ever on-going research challenge due to the complexity of interconnected tradeoffs involved in the performance of such architectures. Due to the nature of these performance tradeoffs, certain architectures are used for certain applications which prioritize 6 main parameters: physical size, power consumption, resolution, bandwidth, precision/sensitivity and cost. Most DAC architectures used in all kinds of communications, data acquisition, signal processing, and control systems can be categorized into one of two families (i) Current-mode type architectures that offer high speed at the cost of monotonicity, drift sensitivity and precision settling; (ii) Voltage-mode type architectures that address the precision settling problem but have its shortcomings in speed and resolution. This work addresses the unmet need for a precision settling, high speed and high bitrate DAC architecture by taking the standard resistor-string type buffered voltage output architecture and greatly improving its dynamic linearity for driving time-varying loads at high output frequencies. Typical operation of a resistor string-type DAC involves selecting nodes on a resistor string with a certain switching architecture dictated by the input decoder, and driving the output load through a voltage buffer. The resistor string sits between two voltage references and divides the full scale input into equal steps. DC performance of such converters is determined by the precision of the voltage references and more importantly the matching of the elements on the resistor string. These so-called static nonlinearities can be digitally calibrated to give 16-bit accuracy at low bandwidth; but error mechanisms that affect the dynamic linearity at high output frequencies remain mostly unsolved. The most fundamental dynamic performance metric of DACs is the spurious-free dynamic range (SFDR) of the output waveform. SFDR is the ratio of the root-mean-squre signal amplitude to the highest spurious component in the first Nyquist zone and is closely related to total harmonic distortion (THD) and intermodulation distortion (IMD), thus a good measure of dynamic linearity. In this work, most simulation results are presented in reference to the SFDR of the full-scale output waveform. What is considered to be the current state-of-the-art 16-bit voltage output DAC (TI-DAC8580) gives 63 dB SFDR for a 200 kHz, which is the highest frequency listed on specification. The architecture presented in this work surpasses this performance by a great amount, giving a layout extracted 83 dB SFDR for a 1 MHz signal. Six main dynamic error mechanisms were identified and compensated to achieve this performance. Code-dependent interpolating amplifier input capacitance is compensated by the inclusion of a dummy interpolating amplifier and dummy differential pair switch structure. Code-dependent resistor string equivalent resistance and code dependent Vgs and Vbs varying switch bank on-resistance are compensated with the inclusion of tap point calibration resistors. Charge injection and related glitches on the output bus are reduced by a unique fully differential resistor string and differential interpolating instrumentation amplifier architecture. Interpolating amplifier output stage nonlinearity is reduced by driving the class AB output stage transistors at their velocity saturation region. LSB sensitivity to floating resistor string loops are reduced by implementing a loop pre-charge stage on the fully differential resistor string. Aside from the development of such novel architectures, other specifics of all stages on schematic, as well as on layout, are optimized to reduce distortion by keeping the output bus settling characteristic fast and code independent. Simulation environment is chosen to be Spectre+AMS running on Cadence 6.02 evaluating BSIM4 models of the TSMC 018 um process. The unmodified standard architecture which was the starting point of this work has a 60 dB schematic level SFDR for a 1 MHz (f0), 32 MHz (fs), 2 Vpp output signal. The final design has a 88 dB schematic level SFDR, 83 dB layout level SFDR under the same conditions, tested under process corner, temperature range and supply drift variations. Tape out is expected to be April 2015.
Analiz ve sentez seyreklik için sözlük öğrenme algoritmaları ve görüntü işlemede uygulamaları
İşaret işleme alanında ses, video, metin ya da görüntü işaretinin gözlemlerini kullanarak işareti geri çatma problemi oldukça sık karşılaşılan önemli bir problemdir. Bir x işareti ve y gözlemlerine ait, doğrusal bilgi edinme modeli Ax=y şeklinde gösterilebilir. Bilindiği üzere, bir işareti gözlemlerinden kayıpsız bir şekilde geri elde edebilmek için en az işaret boyutu kadar gözlem bilgisine sahip olmak gereklidir. Bu klasik bilgiye göre işaret boyutundan daha az gözlem verisi ile işareti geri elde etmek imkansız gibi görünmektedir. Ancak bazı varsayımlar altında işaret boyutundan daha az sayıda gözlem ile işareti geri elde etmek mümkün hale gelmektedir. Bu varsayımlardan biri işaretlerin 'seyrek' olduğu varsayımıdır. Seyrek gösterilim ile bir işaret kendi boyutundan daha az sayıda katsayı kullanılarak ifade edilebilmektedir. Bu özellik sebebiyle işaretlerin seyrek gösterilimi, işaret işleme alanındaki geri çatma, sıkıştırma, görüntü ayrıştırma, gürültü azaltma, öznitelik çıkarma ve sınıflandırma gibi birçok problemin çözümünde kullanılmaktadır. İşaretlerin seyrek gösteriliminde temel olarak sentez ve analiz model olmak üzere iki model vardır. Sentez modelde işaret bir sözlük ve bir seyrek katsayı vektörü kullanılarak ifade edilir. Burada kullanılan sözlük aşırı tam bir sözlüktür ve bu sözlüğün, seyrek katsayı vektörünün sıfır olmayan elemanlarına denk düşen sütunlarının doğrusal kombinasyonu ile işaret seyrek bir şekilde gösterilmektedir. İşaretin seyrek gösterilimi için kullanılan sözlük sütunu sayısı işaretin boyutundan oldukça düşüktür. Analiz modelde ise işaretin seyrek gösterilimi, bir operatör ile seyrek gösterilimi aranan işareti çarpmak suretiyle elde edilir. Ancak son yıllarda bu modellerin yanı sıra analiz modelin genelleştirilmiş hali olan seyrekleştirici dönüşüm modeli de oldukça verimli bir model olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu modelde analiz modeldekine benzer operatörler daha az hesapsal karmaşıklık ile elde edilebilmektedir. Bu yüksek lisans tez çalışmasında işaretlerin seyrek gösteriliminde kullanılan modeller ve özellikle bu modellerdeki temel problemler olan sözlük öğrenme, operatör öğrenme ve seyrekleştirici dönüşüm öğrenme problemleri incelenmiştir. Bu problemlerin çözümü için sunulan çeşitli algoritmalar MATLAB ortamında gerçeklenmiştir. Ayrıca analiz modelinin ve seyrekleştirici dönüşüm modelinin avantajlarını bir araya getiren yeni bir seyrekleştirici dönüşüm operatörü öğrenme algoritması tanıtılmıştır. Bu tanıtılan algoritma ile analiz modelinin en yaygın bilinen algoritması görüntü gürültüsü giderme uygulaması ile karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırmaya ilişkin sonuçlar da tez çalışmasında verilmiştir.
CMOS OTA tabanlı endüktans, direnç benzetimi devreleri ve uygulamaları
Bu çalışma kapsamında, farklı DO-OTA elemanlarını analog devrelerde kullanarak endüktans ve direnç benzetimi sağlayıp, bu benzetimler sonucu elde edilen endüktans ve direnç simülatörleri ile farklı uygulamalar oluşturulması amaçlanmıştır.Bu tezin amacı akım modlu ayarlanabilir bloklar tasarlayarak haberleşme dalında öneriler getirmektir. Son yıllarda, aktif süzgeç, osilatör gibi analog devre bloklarının gerçekleştirilmesinde akım modlu devreler geleneksel gerilim modlu devrelerin yerini almaya başlamıştır. Akım modlu devreler daha az güç tüketimine sahip olmaları, daha düşük besleme geriliminde çalışabilmeleri, daha geniş band genişliğine sahip olmaları, frekans cevaplarının ve hızlarının daha iyi olmasından dolayı tercih edilmişlerdir. Bu amaçla farklı aktif elemanlarla farklı yapılar oluşturulmuş, bunların başarımı ORCAD programının araçlarıyla incelenmiş, elde edilen sonuçlar kıyaslanarak birbirlerine göre üstünlükleri ve zayıflıkları ortaya konmuştur. Aktif elemanlarla gerçekleştirilmiş endüktans benzetimi devreleri üzerine birçok araştırma yapılmıştır. Benzetim devreleri ile CMOS teknolojisinde kullanılan pasif endüktans elemanının bazı dezavantajları giderilmeye çalışılmaktadır. CMOS teknolojisi ile üretilen pasif endüktans elemanı elektromanyetik etkileşime sahiptir ve bu nedenle gürültü meydana gelmektedir. Bir başka dezavantajı da fazla alan gerektirmesidir. Aktif elemanlarla bu gibi sorunlar giderilmeye çalışılırken, CMOS teknolojisi ile gerçekleştirilen benzetim devrelerinin yine de önemli kısıtları bulunmaktadır. Sınırlı band genişliği, gürültü performansı ve üretimden gelen rastgele dengesizlikler bahsedilen kısıtlardandır. Yapılan araştırmalarda klasik DO-OTA, klasik Arbel Goldminz, değiştirilmiş Arbel Goldminz yapıları incelenmiştir ve bu yapılar CMOS TSMC 0.18μ teknolojisi ile gerçeklenmek üzere ele alınmıştır. Bu düşünce ve literatür araştırma sonuçlarından sonra, ele alınan farklı DO-OTA yapılarının farklı kutuplama akımlarına göre akım geçiş karakteristikleri, gerilim geçiş karakteristikleri, eğimleri (g_m), giriş empedans karakteristikleri, çıkış empedans karakteristikleri ve çıkış akım karakteristikleri detaylı incelenmiştir. İncelenen DO-OTA yapıları ile direnç simülatörleri, endüktans simülatörleri ve seri rezonans devreleri SPICE benzetim programı yardımıyla kurulmuş ve test edilmiştir. Daha sonra Serdar Menekay ve diğerleri tarafından önerilen benzetim devre topolojileri ele alınmıştır. Ele alınan topolojiler bu çalışmada elde edilen endüktans ve direnç simülatör yapıları kullanılarak gerçeklenmiştir. Bir sonraki aşamada, çalışma kapsamında elde edilen yapılar, A.Uygur ve H.Kuntman tarafından CMOS akım farkı alan geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (CDTA) kullanılarak oluşturulan yedinci dereceden eliptik video süzgecine uygulanmıştır ve benzetim sonuçları incelenmiştir. Bu süzgeç dört farklı DO-OTA yapısı ile elde edilen direnç ve endüktans simülatör yapıları kullanılarak gerçeklenmiştir. Farklı DO-OTA yapıları kullanılarak SPICE programı yardımıyla kurulan süzgeç yapısı idealleri ile birlikte karşılaştırılmıştır.
Bir hızlı DAC' ın çıkış katı için, SRFT yöntemi ile bir geniş band empedans eşleştirici ağı tasarımı ve gerçekleştirilmesi
One of the main concerns in RF design is transferring the power between terminals with different terminations. In this regard, impedance matching networks can play a crucial role in surmounting this issue. As the master thesis, this study was therefore conducted for purpose of designing and implementation of an impedance matching network as the output stage of a high speed DAC matching 6.25Ω to 50Ω. The design was accomplished by using SRFT (Simplified Real Frequency Technique) introduced first by Prof. B. S. Yarman and H. J. Carlin in 1982. This thesis consists of six chapters, dealing with the theory of the project, the software coding process in Matlab, simulations and verification, test circuit design and realization and the integrated design in TSMC 0.180 um technology process. In the first chapter, the motivation of the study is investigated. As it is mentioned, in order design a high-speed data converter satisfying defined design goals, there is a need for a small output load which in this study is a resistor with value of 6.25 ohm. Since the value of output load is different from the standard common loads such 50 ohm or 75 ohm there is a need for an impedance matching network for avoiding power dissipation. The second chapter deals with fundamentals of the chosen approach for designing desired impedance matching network. The third chapter explains how the technique is implemented in Matlab programs. In the forth chapter, the obtained circuit from the chapter 3 is simulated by ADS Keysight simulator. Also, some realization techniques such as lumped to distributed conversions are applied during the simulations. As the next steps are about realization and measurement of the designed network, the study is focused on measurement techniques. Since all of the measuring devices such as vector network analyzers use ports with characteristic impedance of 50 ohm, for sake of straight forward measuring, two test circuits with two different techniques are designed and implemented during chapter 5. As each of the test circuits include a transformer before the designed impedance matching network and after the 50 ohm port of the measuring device, converting 50 ohm to 6.25 ohm . Chapter 6 tries out the integrated version of the design. In this regard, the TSMC 180 um technology process is used. During this chapter the design is implemented with component models presented in RF library. Although the design is successful in maintaining the transducer power gain's wav form but it fails illustrate good results in gain; giving a lossy network.
Ortak hedefli röleli telsiz iletişim sistemlerinde bit ve enerji verimliliği analizi
Teknolojinin hızla ilerlemesine bağlı olarak daha küçük boyutlardaki donanımların işlem sığasının önemli ölçüde artmasıyla telsiz iletişim sistemlerinde karmaşıklığı daha yüksek, fakat başarımı çok daha iyi yöntemlerin kullanılması mümkün olmuştur. Dolayısıyla 90'lı yıllarda önerilen yüksek başarımlı kanal kodlama teknikleri 2000'lerde pratik olarak gerçeklenebilir hale gelmiştir. Seleflerine göre kanal sığasını daha verimli kullanan bu sistemlerle telsiz iletişim sistemleri başarımında önemli bir sıçrama gerçekleştirilmiş ve UTRAN, 802.11 gibi protokol standartlarıyla telsiz iletişim sistemleri telli iletişim sistemlerine alternatif sunabilir konuma gelmiştir. 2006 sonrasında ise önce akıllı telefonların, sonrasında tablet ve ultrabook gibi aygıtların yaygınlaşmasıyla geniş bant iletişim ihtiyacı duyan gezgin birim sayısında önemli bir artış olmuştur. Bu durum araştırmacıların telsiz iletişim sistemlerine olan ilgisini arttırmış ve daha yoğun akademik eğilimlerle telsiz iletişim tekniklerinin başarımındaki yükseliş ivmelenmiştir. Günümüzde E-UTRAN (LTE-A) ve 802.11ac gibi standartlarla gigabit mertebesinde veri bloklarını bir saniye içerisinde aktarmak mümkün hale gelmiştir. Yukarıda belirttiğimiz ve on seneden az bir sürede gerçekleştirilen ilerlemede çok girişli – çok çıkışlı (MIMO) sistemlerin payı büyüktür. Literatürde bulunan çeşitli çalışmalarda doğru koşullarda tasarlanan MIMO yapıları uzay – zaman kod tasarımlarıyla kullanılarak sistem başarımında çok önemli kazanımlar sağlandığı görülmüştür. Öte yandan işlem gücü artarken, boyutların genellikle küçüldüğü gezgin birimlerde istenen miktarlarda anten çoğullaması sağlamak çoğunlukla olanaksızdır. Bu noktada araştırmacılar iletişim sistemindeki farklı kullanıcıların birbirlerine ya da iletişim ağındaki adanmış röle birimlerinin işaretleşmeye yardım ettikleri sanal anten dizilerinin telsiz iletişim sistemlerinde kullanımını önermişlerdir. Sistem içerisindeki farklı birimlerin işbirliğine dayanan bu yapılar MIMO ağlarıyla aynı derecede başarım sağlayabiliyor olmaları nedeniyle ilgi odağı konumundadır. Telsiz iletişim sistemlerine ilişkin diğer önemli bir nokta zaman, frekans, kod gibi kaynakların sistemdeki kullanıcılar için ortak olması ve artan uç birim sayısıyla birlikte hızı koruyabilmek için bu kaynakları arttırmak gerektiğidir ki çoğu zaman bu olanaksızdır. Bu durum telsiz iletişim sistemlerinin sığası için sınırlayıcı bir etkendir. Fakat işbirlikli iletişim sistemlerinin önerilmesine paralel olarak ortaya atılan ağ kodlamalı sistemler aynı kaynakların farklı kullanıcılar tarafından eş – zamanlı kullanımına olanak sağlamıştır. İlk olarak ağ kodlaması (SNC), sonrasında ise fiziksel katman ağ kodlaması (PNC) sistem kaynaklarının daha verimli kullanarak daha yüksek sistem sığalarına, iletim hızlarına olanak sağlamıştır. Bu tez çalışmasında, işbirlikli iletişim sistemleri ağ kodlamalı iletişim yapıları altında incelenerek bit iletim ve enerji verimliliği ekseninde analiz edilmiştir. Röle ve hedefin paylaşıldığı iki kaynak birimli örnek bir iletişim sistemi için altı farklı protokol önerilmiş olup bu yapılar birbirleriyle ve literatürdeki iki yönlü sistemlerle aynı koşullar altında karşılaştırılmıştır. Protokoller güvenilirlik ve hız odaklı iki farklı tasarım ölçütüyle oluşturulmuştur. Hızlı olan protokollerde amaç hedefe en kısa sürede en fazla bilgi bitini iletmek iken güvenilir sistemlerde hedefin hem kaynaklar hem de röle tarafından mutlaka besleniyor olması amaçlanmıştır. Protokoller, kaynakların farklı zaman ve aynı zaman aralıklarında iletim yaptıkları durumlar için iki farklı gruba ayrılmıştır. Aynı zamanda iletim yaptıkları sistemler eş – zamanlı sistemler olarak adlandırılmış olup fiziksel katman ağ kodlamalı yapıdadırlar. Ayrık – zamanlı iletim yaptıkları durumda ise kaynakların iletimi klasik zaman çoğullamalı yapıdadır; buna karşın röle birimi ağ kodlamalı olarak iletim yapmaktadır. Bu nedenle ayrık – zamanlı sistemlerin klasik zaman çoğullamalı yapılarla ağ kodlamalı yapıların bir karması olduğu söylenebilir. Tüm tasarımlarda hata yayılımını engellemek için röle ve/veya hedef birimlerinde ARQ uygulanmıştır. Önerilmiş olan bu altı protokolün bit iletim verimliliği ve enerji verimliliği kuramsal çıkarımlarla ve benzetim sonuçlarıyla incelenmiştir. Başarımın iletim hızının kanal sığasının üstünde ya da altında kalması durumuna göre hesaplandığı bit iletim verimliliği için herhangi iki düğüm arasındaki anlık işaret – gürültü oranına bağlı kanal sığasının, iletim hızının altında kalması durumunda bu iki düğüm arasındaki iletişimin servis dışı kalacağı söylenebilir. Bu bilgiden hareketle bit iletim verimliliğine, kanal sığalarının altında kalarak hedef birime iletilen ortalama bit sayısı denilebilir. Enerji verimliliği ise iletilen bu ortalama bit sayısı için harcanan enerji miktarıdır. Benzetim sonuçlarıyla desteklendiği üzere sistemlerin ayrı ayrı tasarımlarıyla ilişkili olmakla beraber genel olarak eş – zamanlı sistemlerin daha yüksek en büyük bit iletim hızlarına ulaşabildiği, ayrık – zamanlı sistemlerinse düşük işaret – gürültü oranı ya da yüksek iletim hızlarında başarımlarını daha uzun süre koruyabildikleri söylenebilir. ARQ'yu hedefte uygulamanın ise rölede uygulamaya göre bit iletim verimliliği anlamında daha etkin bir çözüm olduğu belirtilebilir. Enerji verimliliği anlamında kötü ortam koşullarına daha az duyarlı olan (düşük SNR, yüksek hız) ayrık – zamanlı sistemler genel olarak daha başarılıdır. Hedefte ARQ uygulayan sistemler ise rölede ARQ uygulayan sistemlere göre daha verimlidir. Serbest uzay yol kaybının dikkate alındığı durumlarda röle konumunun uygun seçimiyle rölenin ARQ uyguladığı sistemlerin başarım artışı daha fazla olmakta, hatta düşük işaret – gürültü oranlarında rölede ARQ'lu sistemler yukarıda varılan yargının aksine hedefte ARQ'lu sistemleri bit iletim verimliliği anlamında geçebilmektedir. Benzer bir yorum enerji verimliliği üzerine de yapılabilir.
MIMO sistemler için sinyal tanıma algoritmaları
Bilinmeyen haberleşme sinyallerinin gözü kapalı ve işbirliksiz şekilde tanınması için geliştirilen sinyal tanıma teknikleri günümüzde askeri ve sivil uygulamalarda sıklıkla kullanılmaktadır. Bu tekniklerle alıcıdaki bilinmeyen veya kısmen bilinen bir sinyalin modülasyon tipi, bant genişliği, taşıyıcı frekansı, kullanılan çoklu erişim ve frekans yayma metodları gibi kendine özgü iletim parametreleri işbirliksiz ve gözü kapalı şekilde tespit edilebilmektedir. Kablosuz sayısal iletişim sistemlerinin giderek yaygınlaşması ve kullanıcıların her geçen gün artan yüksek veri hızı ve servis kalitesi talepleri, kablosuz sayısal haberleşme sistemleri için daha fazla kapasite vaadeden yeni haberleşme tekniklerinin geliştirilmesi doğrultusunda yapılan çalışmaları hızlandırmış, yenilikçi kablosuz haberleşme tekniklerinin hızla çoğalıp çeşitlenmesinin önünü açmıştır. Sinyal tanıma algoritmalarının bu çeşitlilikle baş edebilmeleri için zaman içinde geliştirilen her yeni iletim tekniğini içerecek şekilde durmadan genişletilmeleri ve modifiye edilmeri elzemdir. Verici ve alıcıda birden çok antenin kullanılmasıyla yüksek veri hızları ve kapasite artışı sağlayan Çok Girişli Çok Çıkışlı (Multiple-Input Multiple-Output, MIMO) sistemleri yukarıda bahsedilen son on yıl içinde ortaya çıkmış yeni haberleşme tekniklerinden belki de en çok umut vaadedeni olarak görülebilir. MIMO sistemler, Tek Girişli Tek Çıkışlı (Single-Input Single-Output, SISO) sistemlere göre daha karmaşık yapıda olduğundan, verici anten sayısı ve uzay-zaman kodları (Space-Time Codes, STC) gibi SISO sistemlerde geçerli olmayan ancak tanınması gereken yeni iletim parametrelerini de beraberinde getirmiştir. Ayrıca SISO sistemler için geliştirilen modülasyon tipi tanıma algoritmalarının, alıcı antenlerdeki kendine-girişim sebebiyle MIMO sistemlerde kullanılması mümkün değildir. Bu tezde MIMO sistemler için yenilikçi sinyal tanıma algortimalarının geliştirilmesi üzerinde çalışılmıştır. Bu bağlamda iki temel sinyal tanıma algoritması önerilmiştir. Bunların ilki, kodlanmış sinyal vektörlerinin döngüsel-durağan karakteristiklerinin farklı uzay-zaman blok kodlarını (Space-Time Block Codes, STBC) birbirinden ayırt etmek amacıyla kullanıldığı ortakça anten sayısı-uzay-zaman blok kodu sınıflandırma algoritmasıdır. İkincisi ise anten sayısı tespiti ile modülasyon tipi tanıma problemlerinin birlikte ele alındığı minimum tarif uzunluğu (Minimum Description Length, MDL) bazlı yenilikçi bir ortakça anten sayısı- modülasyon tipi sınıflandırma algoritmasıdır. MIMO sistemlerde sinyal tanıma konusunda literatürdeki diğer çalışmaların aksine, önerilen algoritmalar anten sayısı tespiti, modülasyon tipi tanıma ve uzay-zaman blok kodu tanıma problemlerini ayrı ayrı değil de ikili olarak ortakça ele almaktadır. Bununla birlikte, önerilen ortakça anten sayısı-uzay-zaman blok kodu sınıflandırma algoritması, literatürdeki diğer yöntemlerin aksine, kod uzunlukları birbirine eşit uzay-zaman blok kodlarını da birbirinden ayırt edebilmekte, 2'den fazla verici anten için tasarlanan uzay-zaman blok kodlarının da tanınmasında kullanılabilmektedir. Önerilen ortakça modülasyon tipi ve anten sayısı tespiti algoritması ise çok az ön bilgi ile yüksek bir performans sergilemektedir.
Yüksek band genişlikli 8-bit 20 Msps SAR ADC
Real time oscilloscopes require very high speed analog to digital (A/D) conversion. 1 GHz bandwidth is common among mid-end oscilloscopes today, whereas up to 40 GHz bandwidth can be achieved by state of the art, high-end oscilloscopes. A/D converters in such oscilloscopes need to be 2 Gsps and 80 Gsps respectively. Due to high bandwidth of the input signal, and difficulty of maintaining a linear, low jitter and low noise analog front-end, most oscilloscopes use no more than 8-bits of resolution in their A/D conversion stages. Other than achieving raw speed, lowering the power consumption of the A/D conversion becomes important for a certain class of battery powered, hand held oscilloscopes. Successive approximation register (SAR) type A/D converters have recently gained popularity in high speed applications due to their inherently low power consumption. To compensate for the relatively low conversion rate of the SAR ADCs, time interleaving of multiple A/D converters can be used. To have a smaller number of A/D converters in a time interleaved application, it becomes necessary to design a high bandwidth, fast and small SAR A/D converter. The purpose of this thesis is to demonstrate the design of such an A/D converter, using a standard 180nm CMOS process, for future work on time interleaving. Main specifications of the A/D converter are 1 GHz analog input bandwidth, 20 Msps sampling rate, 8-bits of resolution, and more than 6 effective number of bits at Nyquist frequency across process, supply, temperature, and chip to chip variations. To help reduce mismatch effects during time interleaving, the A/D converter is offset cancelled, and voltage references will be shared. Capacitor mismatch effects will not be pronounced for 8-bits of resolution. 100-way interleaving of such an A/D converter will be needed to design an 2 Gsps oscilloscope A/D converter, which is out of the scope of this work. Optimization of the design for lowest possible power consumption and smallest area is also beyond the scope of this thesis. In this work, a reliable and feasible 8-bit, 20 Msps SAR A/D converter with 1 GHz bandwidth is presented using 180 nm standard CMOS process. A five stage comparator with 3-stage output offset cancellation is designed, characterized using simulation and laid out. A fully differential capacitive DAC driven by the SAR logic is designed and characterized using simulation. Three reference buffers for Vref+, Vref- and Vcm are also designed and characterized via simulation. Finally, the A/D converter using an effective timing pattern is constructed and characterized for offset, differential linearity (DNL), integral linearity (INL), spurious free dynamic range (SFDR), signal to noise and distortion (SINAD), signal to noise ratio (SNR) and effective number of bits (ENOB). Simulations indicate that at full Nyquist bandwidth, the A/D converter exceeds 6 ENOB across process, voltage, temperature and chip to chip variation, with a nominal results of 7.2 bits. At a low 1 MHz input frequency, the nominal corner shows an ENOB of 7.95. Power consumption is typically 15mW excluding reference buffers, which will be shared during interleaving.
Örneklem tabanlı gürbüz konuşma tanıma
Bu çalışmadaki amaç örneklem tabanlı yöntemlerin gürbüz konuşma tanıma konusundaki başarımını ölçmektir. Bu amaçla "Seyrek Sınıflandırma" isimli bir yöntem gerçeklenmiştir. Ayrıca elde edilen sonuçlar, yöntemin başarımını ölçmek adına klasik SMM-GKM tabanlı bir konuşma tanıma sisteminin sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Çalışmanın birinci bölümünde otomatik konuşma tanıma sistemleri hakkında kısa bilgi verilmiştir. Devamında ise gürültünün konuşma tanıma işlemine olan olumsuz etkisinden bahsedilmiştir ve literatürde kullanılan gürbüz konuşma tanıma yöntemlerine değinilmiştir. Bunlardan biri çok durumlu eğitim yöntemidir. Ancak bu yöntem yüksek başarım oranları elde edebilmek için çok fazla gürültü çeşidini içinde barındıran veri setleri gerektirmektedir. Bunun yanında gürültü içeren konuşmalardan eğitilen modeller temiz konuşmaları tanırken, temiz konuşmalardan eğitilen modellere göre daha kötü başarım vermektedir. Bu amaçla literatürde model dengeleme ve öznitelik iyileştirme gibi yaklaşımları kullanan yöntemler kullanılmaktadır. Bunlara ek olarak, gürbüz konuşma tanıma için, literatürdeki örneklem tabanlı konuşma tanıma yöntemlerinden biri olan Seyrek Sınıflandırma yöntemi kullanılmaktadır. Bu yöntem modeli ya da öznitelikleri güncellemek yerine, gürültülü konuşmaları gürültü ve konuşma örneklemlerinin seyrek doğrusal birleşimi cinsinden ifade ederek bir kaynak ayrıştırması yapmaktadır. Bu yolla gürültülü bir konuşmanın temiz konuşma bileşenine yakınsanmaktadır. İkinci bölümde Markov zinciri ve SMM hakkında ayrıntılı bilgi verilmiştir.SMM'ye ait üç problem ve bu problemlere çözüm olarak kullanılan algoritmalar anlatılmıştır. Üçüncü bölümde konuşma tanıma sisteminin bileşenleri, SMM'nin konuşma tanıma yapısında nasıl kullanıldığı, eğitim ve test işlemlerinin nasıl yapıldığı, öznitelik vektörlerinin çıkarım şeması verilmiştir. Dördüncü bölümde örneklem tabanlı konuşma tanıma hakkında bilgi verilmiştir. Öncelikle literatürde çokça kullanılan ve Destek Vektör Makineleri, Yapay Sinir Ağları ve Saklı Markov Modelleri gibi örnekleri olan global modelleme teknikleri ve örneklem tabanlı modelleme tekniklerinin farkı üzerinde durulmuştur. Daha sonra örneklem tabanlı teknikleri konuşma tanımaya uygularken takip edilen adımlar açıklanmıştır. Bölümün devamında ise seyrek gösterimin örneklem tabanlı konuşma tanıma uygulamalarında kullanımı incelenmiştir. Son olarak ise bu çalışmada gerçeklenen örneklem tabanlı Seyrek Sınıflandırma yöntemi anlatılmıştır.Beşinci bölümde yapılan deneyler ve sonuçları anlatılmıştır. Öncelikle eğitim ve test setlerinin nasıl elde edildiği ve hangi işlemlerden geçirildiği anlatılmıştır. Daha sonra bu setler kullanılarak HTK ile yapılan eğitim ve test işlemleri, sonrasında ise seyrek sınıflandırma yöntemi için yapılan çalışmalar anlatılmıştır.Bu çalışmanın sonucunda Seyrek Sınıflandırma yöntemi yardımıyla bir konuşma tanıma sistemi gerçeklenmiştir. Bu yöntem HTK yardımıyla gerçeklenen klasik bir konuşma tanıma sisteminin sonuçları ile karşılaştırılmış ve Seyrek Sınıflandırma yönteminin düşük İGO değerleri için SMM-GKM tabanlı sisteme göre daha iyi başarım sağladığı görülmüştür.
Şebeke fonksiyonları sanallaştırma kullanarak IMS şebekelerinde dinamik yük paylaşımı
Long Term Evolution (LTE) access technology has become a de facto standard to meet the unprecedented mobile traffic increase. LTE, which has an all IP based architecture, uses IP Multimedia Subsystem (IMS) at the core network for delivering and managing IP multimedia services. IMS systems has several functions like P-CSCF, I-CSCF, S-CSCF and HSS. On the other hand cloud technologies and commercial off the shelf(COTS) HW are evolved in recent years which gives also the possibility to virtualize network functions. Virtualization at telecom networks is also necessary to overcome high capex investment costs coming with high data traffic due to smartphones, Internet of Things(IOT) devices and decreasing revenues. Network Function Virtualization (NFV) is utilized to simplfy the deployment and management of constantly evolving and highly complex networking services. NFV also helps to dynamically scale network resources when capacity is really needed. Using COTS HW will also reduce opex costs since the HW used for IT and networks services will be similar. On the other hand NFV gives the possibility to decrease used power resources by allowing dynamic scaling down the capacity when the network traffic is low. This also makes the green network in reality. In this thesis, we propose a dynamic load management framework for IMS networks using NFV. In the proposed framework, IMS functions are created within a single virtual machine (VM) instance and moved to the cloud environment hosted by a general purpose hardware system. Requests coming from the IMS clients are first processed by a load balancer module to efficiently distribute the incoming load over a pool of multiple IMS VMs. The decision of switching an IMS VM instance on or off is performed by the VM provisioning service using the resource utilization information periodically received from the IMS VMs. We utilized open source tools to implement the dynamic load management framework. The proof-of-concept experiments using a real testbed environment demonstrate that the proposed framework significantly increases the scalability of the IMS networks for the highly loaded traffic scenarios. In thesis we have build a real testbed environment with open source tools. Open IMS is used for IMS functions like P-CSCF, I-CSCF, S-SCSF and HSS. Open SIPS is used as load balancer for balancing Sesssion Initiation Protocol (SIP) traffic towards IMS. IMS Bench SIPp used for SIP traffic generation. Zabbix monitoring tool used for monitoring IMS instances and starting new instances when needed because of high CPU load in active IMS nodes. The advantage of our testbed is showing real results since it is build completely by real products other than simulation tools like NS2 or Omnet+. These open source products installed on VMWare Workstation as VMs and necessary configurations done for these tools. Some configuration and source code change was also necessary at Open IMS, Open SIPS side for the integration of these tools. Scripting at Open SIPS load balancer and IMS Bench SIPp was necessary for the test scenarios like IMS calls , IMS registration and distributing the SIP traffic to IMS nodes effectively. To obtain the test results we run scenarios with LB and without LB for several times and used average values in our graphics. Results obtained shows that putting load balancer is increasing CSRs (Call Success Rate) significantly when compared with the scenario without load balancer.
Fiziksel klonlanamaz fonksiyonlar yardımıyla anahtar üretimi ve lisans doğrulama
Sahtecilik faaliyetleri global ekonomi için büyük bir tehdittir. Klonlama, istek fazlası üretim, kurcalama (tampering), tersine mühendislik başlıca sahtecilik yöntemlerindendir. Lisansız kullanılan veya sahte ürünler birçok firmanın ekonomisine ve marka değerine büyük zararlar vermektedir. Özellikle askeri uygulamalar ile havacılık ve tıp elektroniği uygulamalarında yapılan sahtecilik faaliyetlerinin ölümcül sonuçları olabilmektedir. Sahtecilik faaliyetlerini engellemek için güçlü kriptografik protokollere ve güvenli tanımlama bilgilerine ihtiyaç duyulmaktadır. Fiziksel klonlanamaz fonksiyonlar (PUF) içlerinde çalıştıkları fiziksel ortama özel değerler üretmeleri ve kopyalanamaz olmaları sayesinde güvenli tanımlama bilgilerinin üretilmesinde kullanılabilirler. Bu yapılarla daha güçlü yetkilendirme protokolleri oluşturularak elektronik tasarımların güvenliği arttırılabilir. Günümüzdeki kriptografik sistemlerin birçoğunda kullanılan anahtarlar ve diğer tanımlama bilgileri bir bellek üzerinde saklanır. Bu gibi kritik bilgilerin sistem içerisinde sürekli varolması zaman zaman güvenlik zaafiyeti oluşturmaktadır. Ayrıca anahtarların üretilmesi ve dağıtılması da sistem güvenliği açısından son derece kritiktir. PUF gibi gerektiği zaman sonucu kolayca okunabilen ve kullanıldığı donanıma özgü çıkış veren fonksiyonlar gerek anahtarın üretilmesi problemine gerekse anahtarın sürekli saklanması problemine karşılık çözüm üretebilirler. Fakat PUF'lar çevresel etkiler ve elektronik gürültü gibi sebeplerle tekrar tekrar okunduklarında çoğu zaman aynı çıkışı veremezler. Kriptografik uygulamalarda kullanılan anahtarlarda hatalı verinin olmaması gerekir. Bu nedenle PUF'lar üzerinde hata giderme işlemi yapılması gerekmektedir. Hata giderme işlemi için sayısal haberleşme sistemlerinde uzun zamandır kullanılan hata düzeltme kodlarının kullanılması (error correction codes) önerilmiştir. Hata düzeltme kodları ile hatasız PUF verileri elde edebilmek için elde edilmek istenen hatasız bit sayısından çok daha fazla PUF bitine ihtiyaç duyulmaktadır. PUF ve hata giderme sisteminin kapladığı alanın bunlarla gerçeklenecek sistemlerin geri kalanını baskı altına alacak şekilde büyük olmaması istenmiştir. Bu nedenle seçilecek PUF yapısının az alanda çok sayıda bit sağlaması istenmektedir. Çalışma kapsamında FPGA platformu üzerinde PUF hataları giderilerek anahtar üretimi gerçeklenmiş ve bu anahtarı kullanan bir lisans doğrulama protokolü oluşturulmuştur. FPGA üzerinde gerçeklemeye uygun olması bakımından halka osilatörlü PUF (RO-PUF) yapısı seçilmiştir. Standart halka osilatörlü PUF yapısı daha az alandan daha fazla bit alabilmek amacıyla yeniden konfigure edilebilir halka osilatörlü PUF yapısına çevrilmiştir. Ayrıca sayıcı çıkışları üzerinde Lehmer ve Gray kodlama yapılmıştır. Hata düzeltme kodu olarak kodlayıcı ve kod çözücüsünün kolay tasarlanabilmesi bakımından birinci derece Reed Muller kodları kullanılmıştır. Elde edilen hatasız PUF bitleri bir LFSR tabanlı Toeplitz özet fonksiyonundan geçirilerek 128 bitlik anahtar elde edilmiştir. Elde edilen anahtar ile bir lisans doğrulama sistemi (dongle) tasarlanmıştır. Buna göre bir IP veya ürün bu lisans doğrulama sistemi ile iletişime geçerek kendisinin lisanslı olup olmadığını kontrol edebilmekte eğer doğru dongle takılı değil ise çalışmamaktadır. Sistemin güvenliği için kritik olan anahtarın dongle dışına çıkmamasını sağlamak üzere bu sistemde RSA açık anahtar kriptografisi tercih edilmiştir. RSA anahtarlarının bazı koşulları sağlaması gerektiğinden PUF çıkışından elde edilen 128 bitlik değer doğrudan anahtar olarak kullanılamamıştır. Bu nedenle PUF çıkışlarından açık ve gizli RSA anahtarlarını üreten bir anahtar üretici blok tasarlanmıştır. Ayrıca RSA şifreleme, şifre çözme, imzalama ve doğrulama işlemlerini gerçekleyen bloklar tasarlanmıştır. Tüm RSA sistemleri yazılımsal olarak gerçeklenmiştir. Platform olarak Microblaze işlemcisi ve büyük sayılarla yapılan işlemler için BigDigits kütüphanesi kullanılmıştır. Çalışma sonunda FPGA platformu üzerinde çalışan PUF tabanlı bir anahtar üretici sistem ve bu sistemi kullanan bir lisans doğrulama sistemi elde edilmiştir.
Klasik ve ağ kodlamalı OFDMA sistemlerde alt-taşıyıcı atama
Telsiz haberleşmedeki performansı etkileyen en temel unsurlardan olan sönümleme, güvenilir ve kaliteli bir iletişim için problem teşkil etmektedir. Sönümlemenin yanında iletim hızı, bandverimliliği, kaynak ataması gibi unsurlar da sistemlerin performansını büyük ölçüde etkilemektedir. Sönümleme etkisini azaltmak için kullanılan tekniklerden biri olan işbirlikli çeşitleme sayesinde haberleşme sistemlerinin hata performansı, iletim hızından kayıp karşılığında iyileşmektedir. Ağ kodlama tekniği, işbirlikli sistemlerin iletim hızındaki bu kaybı önlemek amacıyla geliştirilmiş ve üzerinde son zamanlarda yoğun biçimde çalışmalar yapılan tekniklerden biridir. Ağ kodlamanın geliştirilmiş bir versiyonu olan rastgele ağ kodlamada ağ düğümlerine gelen veri paketleri, rastgele üretilen katsayılar ile çarpılarak kodlanmaktadır. Böylece rastgele ağ kodlamada, paket kaybına ve gecikmeye karşı daha çok direnç sağlanmaktadır. Aynı zamanda rastgele ağ kodlama ile sistemlerin iletim oranı ve bandverimliliğinin de iyileşmesi sağlanmaktadır. Telsiz haberleşmede, iletim oranı ve bandverimliliği ile yakından ilişkili olan önemli bir problem de kaynak ataması problemidir. Sınırlı frekans bandının sistemde bulunan kullanıcılar tarafından olabildiğince verimli bir şekilde kullanılması gerekmektedir. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, Dik Frekans Bölmeli Çoğullama) tekniği, frekans seçici kanallar üzerindeki iletişim güvenilirliği ve esnekliğini geliştirme potansiyeli nedeniyle; halihazırdaki ve gelecek nesil haberleşme sistemleri için önem teşkil etmektedir. OFDM'in çok kullanıcılı iletişim için önemli bir uygulaması da OFDMA'dir (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access, Dik Frekans Bölmeli Çoğullama Erişimi). Özellikle çok kullanıcılı sistemlerde mevcut kaynakları, bandgenişliği sınırlamaları altında en uygun şekilde kullanmak gerekmektedir. Gelişen teknolojinin ve gezgin cihazları kullanan kullanıcı sayısının artmasıyla kaynak ataması, günümüzde büyük bir problem olarak karşımıza çıkmaktadır. OFDMA sistemlerinde kaynak ataması ile ilgili olarak alt-taşıyıcılar kullanılmaktadır ve veriler bu alt-taşıyıcılar aracılığıyla iletilmektedir. Kullanıcılara en uygun şekilde alt-taşıyıcı ataması yapılarak mevcut kapasite en uygun biçimde kullanılabilmektedir. Bir sistemde, alt-taşıyıcı ataması yaparak kullanıcıların mümkün olduğunca az kesinti durumunda kalmaları sağlanmaktadır. Alt-taşıyıcı atamasına ilişkin olarak, bir OFDMA sistemi, diyagram kuramı kapsamındaki rastgele ikili diyagram modeli ile gösterilebilmektedir. Rastgele ikili diyagramlarda, maksimum eşleme yöntemleri ile mevcut alt-taşıyıcılar kullanıcılara, en az sayıda kullanıcıyı kesintide bırakacak şekilde atanabilmektedir. Her kullanıcı, alt-taşıyıcı atanması bakımından aynı fırsata sahip olmaktadır. Rastgele ikili diyagramlarda maksimum eşleme ile alt-taşıyıcı ataması yapmak için Hopcroft-Karp algoritmasını kullanarak geliştirilen RVRHK (Random Vertex Rotation based Hopcroft-Karp, Hopcroft-Karp tabanlı Rastgele Düğüm Döndürmesi) algoritması kullanılmaktadır. Elde edilen sonuçlara göre, sadece maksimum eşleme algoritmaları ile alt-taşıyıcı ataması yaparak çeşitleme kazancı elde edilebilmektedir. RVRHK algoritmasının yanında, daha genel durumlar için en uygun alt-taşıyıcı ataması yapılması ile ilgili olarak ℋ-eşleme yaklaşımından yararlanılmıştır. ℋ-eşleme yaklaşımının ele alındığı alt-taşıyıcı atama algoritması olarak RVRHK'nın daha geliştirilmiş hali olan R^2 EHK (Random Rotation and Expansion based Hopcroft-Karp, Hopcroft-Karp tabanlı Rastgele Döndürme ve Çoğullama) algoritması kullanılmaktadır. Bu tezde, literatürde ilk olarak RVRHK ve R^2 EHK algoritmalarının sağladığı performans Nakagami-m kanallar için incelenmiştir. Bunun yanında, farklı kullanıcı ihtiyaçlarına uygun biçimde, Çoklu-R^2 EHK algoritması geliştirilmiştir. Gerçekten de, faydalanılan çalışmaların hepsinde kullanıcıların karşılamaları gereken iletim oranı her zaman sabit olarak kabul edilmiştir. Bir OFDMA sistemindeki kullanıcıların farklı servisleri kullanmaları durumunda, her kullanıcının farklı bandgenişliği ihtiyacı olacağından her kullanıcıya atanması gereken alt-taşıyıcı sayısı ve de her kullanıcının karşılaması gereken iletim oranı farklı olmaktadır. Bu nedenle, literatürde ele alınmayan ve diyagram kuramı ile geliştirilen yeni atama yöntemleri geliştirilerek kullanıcılara farklı sayıda alt-taşıyıcı atanması konusu ve kullanıcıların karşılamaları gereken iletim oranlarının farklı olma durumları da tez kapsamında ele alınmaktadır. Sabit sayıda alt-taşıyıcı atamasına göre farklı sayılarda alt-taşıyıcı atamasında, daha az sayıda alt-taşıyıcı ataması yapılan kullanıcılar, sistemin genel performansını belirlemede baskın olmaktadırlar. Kullanıcıların karşılaması gereken iletim oranı sabit iken, sistemdeki herhangi bir kullanıcıya diğerlerinden çok daha az sayıda alt-taşıyıcı ataması yapıldığında o sistemin genel performansı, her kullanıcıya sabit sayıda alt-taşıyıcı ataması yapılan sistemin genel performansına göre kötüleşmektedir. Buradaki amaç, kullanıcıların ihtiyaçlarına yönelik atama yapmak olduğundan performanstan ödün verilmektedir; fakat kullanıcıların ihtiyaçlarına göre başarılı bir şekilde alt-taşıyıcı ataması yapılabilmektedir. Ayrıca, kullanıcıların karşılaması gereken iletim oranlarının, atanacak olan alt-taşıyıcı sayısı ile orantılı olarak belirlenmesi durumunda tüm kullanıcılar aynı performansı vermektedirler. Bu tezin son bölümünde, klasik OFDMA sistemi için yapılan analizler, ağ kodlamalı OFDMA sistemlerine genelleştirilmiştir. Ağ kodlamalı OFDMA sistemlerinde, alt-taşıyıcıları kullanıcılara bağlayan yolları göstermek amacıyla ikili bir hiperdiyagram modeli önerilmektedir. Hiperdiyagramlar üzerinden ağ kodlamalı OFDMA sistemlerinde, kullanıcıların kesinti olasılıkları en az olacak şekilde alt-taşıyıcı ataması yapılmaktadır. Ağ kodlamalı bir OFDMA sisteminde, röle kullanımından dolayı elde edilen çeşitleme derecesi, klasik OFDMA sistemlerinde elde edilen çeşitleme derecesine göre artmaktadır. Böylece, kesinti olasılığı da oldukça iyileşmektedir. Tezden elde edilen sonuçlara göre sistemdeki kullanıcıların veri türlerine ve iletim hızlarına göre alt-taşıyıcı ataması yaparak sistemdeki bandgenişliği en uygun şekilde kullanılabilmektedir ve sistem verimi olabildiğince artırılmaktadır. Ağ kodlamalı OFDMA sistemleri daha karmaşık yapıya sahip olduğundan kaynak ataması, hız ve bandverimliliğinin hedeflenen şekilde sağlanması için kullanıcıların ihtiyaçları doğrultusunda alt-taşıyıcı ataması yapmak çok büyük avantajlar sağlamaktadır. Ağ kodlama tekniklerinin, gelecek nesil haberleşme sistemlerinde yer alacağı düşünüldüğünde, bu tez kapsamında önerilen yöntemler ve elde edilen sonuçlar, OFDMA kullanan yeni nesil telsiz haberleşme sistemlerinde alt-taşıyıcı ataması konusuna farklı bir bakış açısı getirmekte ve yeni çalışmalar için fikirler vermektedir.
FPGA üzerinde hafızalı hücresel otomat yapısı ile rastgele sayı üreteci tasarımı
Hücresel otomatlar, farklı boyutlarda hücreler dizisinden oluşabilen yapılardır. Yapısındaki hücreler değerlerini sonlu bir durum kümesinden alır. Uzay ve zamanın ayrık olduğu sistemlerdir. Hücresel otomatlarda, hücreler komşularıyla belirli bir kurala göre etkileşerek durum değiştirir. Bu şekilde zamanda ilerleyerek bir model ortaya çıkarırlar. Hücresel otomatlar, fiziksel, kimyasal ve biyolojik sistemlerin modellenmesinde kullanılmıştır. Cisimlerin çatlaması, bitki ve hayvanların gelişimi gibi bazı doğal olayların modellenmesini sağlamıştır. Ayrıca, hücresel otomatlar paralelliğinin de verdiği hızla görüntü işleme, görüntü tanıma gibi konularda da kullanılmıştır. Hücresel otomatlar, bu çalışmada da bahsedileceği gibi rastgele sayı üreteci tasarımında kullanılmıştır. Bu çalışmada bir boyutlu hücresel otomat yapısıyla ilgilenilmiştir. Önce temel hücresel otomat yapıları incelenmiştir. Temel hücresel otomatta, hücre komşularıyla belirli bir kurala göre etkileşime girerek bir sonraki durum değerini almaktadır. Sonra hafızalı hücresel otomat yapısı incelenmiştir. Bu yapıda, hücrenin bir sonraki değeri sadece komşularının şimdiki durumlarına değil, kendisinin ve komşularının önceki değerlerine de bağlıdır. Daha sonra hafızaya rastgeleliğin katıldığı hücresel otomat yapısı incelenmiştir. Buradan yola çıkılarak, hücrenin önceki değerlerine rastgele olarak bakılan yeni hücresel otomat yapısı tasarlanmıştır. Buna göre, hücrenin o anki değeri belirlenirken bir önceki ve şimdiki değerine rastgele olarak bakılır. Komşuları için de aynı işelm yapılır ve hücrelerin değerleri belirlenir. Böylece bu değerler belirli bir kurala göre etkileşerek hücrenin bir sonraki değerini belirlenir. Bu tasarımın FPGA üzerinde sayısal gerçeklemesi yapılmıştır. FPGA üzerinde çalıştırılan sistemin sonuçları bilgisayara alınarak hücresel otomatın yayılımı gözlenmiştir. Gerçekten rastgele sonuçlar alındığı görülmüştür. Sonra da bu sistem üzerinden rastgele sayı üreteci tasarımı yapılmıştır. Rastgele sayı üreteçlerinin, rastgeleliklerinin ne kadar güvenilir olduğunu ölçen testler vardır. Rastgele sayı üreteçlerinin bu testlerdeki başarı durumuna göre güvenilirlikleri hakkında yorum yapılabilir. Bu çalışmada da, tasarlanan rastgele sayı üreteci bu testlerden geçirilmiş ve başarılı sonuçlar alınmıştır.
Yakın alan haberleşmesi ile güvenli uygulamalar için donanım/yazılım ortak sistem tasarımı ve gerçeklenmesi
Yakın alan haberleşmesi (Near Field Communication - NFC) kısa mesafelerde bilgi alışverişini sağlayan bir kablosuz haberleşme teknolojisidir. Bu haberleşme sisteminin en önemli özelliği cep telefonuna entegre bir biçimde kullanıma olanak sağlamasıdır. Günümüzde yaygınlaşmış cep telefonu kullanımı göz önünde bulundurulduğunda NFC birçok kullanım alanında kullanıcılara daha öncesinde üstlerinde taşımak zorunda oldukları kart veya bilet gibi ödeme ya da geçiş için kullanılan cihazları kullanmadan zaten sürekli yanlarında taşıdıkları bir cep telefonu ile bu işleri yerine getirmelerine imkan vermektedir. Bu teknoloji ülkemiz dâhilinde pek sıklıkla olmasa da hali hazırda birçok ülkede ödeme, ulaşım, kontrollü giriş çıkış gibi birçok uygulama alanında kullanılmaktadır. Ancak NFC'nin kullanıldığı bu uygulamalar güvenlik açısından incelediğinde ve çeşitli saldırılara tabi tutulduğunda sahip olduğu güvenlik açıkları ortaya çıkmaktadır. Literatürde işlenen güvenlik açıkları iki NFC özellikli cihazın arasındaki haberleşmenin dinlenmesi, veri bozulması, veri eklenmesi ve veri değiştirilmesidir. Bu tez çalışmasında söz konusu ataklara karşı NFC özellikli cihazların güvenli bir haberleşme kanalı üzerinden veri aktarmalarına imkan sağlayacak bir sistem tasarımı ve gerçeklemesi yapılmıştır. Tasarımın NFC standartlarına sadık kalınarak yapılması amacıyla öncelikle bir gerçekleme ortamı altyapısı oluşturulmuştur. Bu alt yapı içerisinde bir NFC özellikli cihazın içinde bulunan NFC teknolojisi ile ilişkili alt birimlere karşılık düşecek iki adet haberleşme kartı tasarlanmış ve gerçeklenmiştir. Bu kartlar ile birlikte NFC kontrol birimi için iki adet FPGA geliştirme kartı üzerinde Microblaze işlemcisi kullanılmış ve NFC kontrol birimi yazılım tasarımı yapılmıştır. Yapılan tasarımların entegre edilmesi ile birimler arasında kablosuz NFC veri transfer hattı kurulmuştur. Söz konusu haberleşme kanalının güvenli hale getirilmesi amacıyla donanım / yazılım ortak sistem tasarımı yöntemi ile FPGA üzerinde bir doğrulama protokolü gerçeklenmiştir. Bu aşamada cihazlar arasında NFC bağlantısı kurulmasından önce karşılıklı olarak cihazların doğrulanması ve anahtar paylaşımı gerçekleştirilmiştir. Bu amaç doğrultusunda gerçeklenen donanım kısmında kapı seviyesinde çeşitli kriptografik algoritmalar, yazılım kısmında ise donanım olarak gerçeklenen kriptografik algoritmaların kullanılmasıyla söz konusu doğrulama protokolu gerçeklenmiştir. Sonrasında bu doğrulama protokolü NFC veri transfer akışı ile entegre edilmiş, haberleşme akışı dahilinde aktarılan mesaj, doğrulama protokolünün çalıştırılmasıyla üretilen anahtarlar kullanılarak şifreleme ve şifre çözme işlemlerine tabi tutulmuştur. Bu yol ile NFC özellikli birimler arasında güvenli bir haberleşme kanalı üzerinden veri aktarımı gerçekleştirilmiştir.
Büyük medikal veri setlerinin yaklaşık spektral öbeklenmesi için jeodezik tabanlı benzerlik ölçütleri
Clustering is the unsupervised classification to group patterns such as data, observations or feature vectors. Due to its extraction of clusters in a fast manner without supervised information, many different methods have been proposed in various applications. Among them, spectral clustering (SC) has been recently popular and successfully used in various areas such as image processing, computer vision and information retrieval, thanks to its ability to find irregularly shaped clusters and its independence from parametric cluster models. Spectral clustering is a manifold learning algorithm based on eigendecomposition of a graph Laplacian matrix constructed from pairwise similarities of the data points. Although this eigendecomposition produces higher clustering accuracies than the accuracies obtained by traditional methods, it has high computational cost and memory requirement which makes direct use of spectral clustering infeasible for clustering large datasets. To address this challenge, approximate spectral clustering (ASC) methods, which apply spectral clustering on a reduced set of data points (data representatives) selected by sampling or quantization, have been proposed. The ASC not only makes spectral clustering feasible for large datasets but also enables new information types to be used in similarity definition. In this thesis, data representatives are obtained by selective sampling and neural gas as sampling and quantization method respectively because of being the best methods in the literature for sampling and quantization. In addition, k-means++, a clustering algorithm which solves random initialization problem of k-means, is first used to obtain data representatives as a quantization method for ASC. In order to achieve high clustering accuracies with ASC, an important step is to determine the criterion to define the pairwise similarities of the selected data representatives. Traditionally, an Euclidean distance based Gaussian kernel with a global decay parameter (optimally set by experiments) is used. Alternatively local decay parameters are also used. However, this approach ignores new information types such as data topology, local density distribution and data manifold which are provided by ASC. To utilize all the available information for accurate similarity definition, geodesic based hybrid similarity criteria are proposed in this study. The geodesic distance between any two data representatives is their shortest path distance depending on a neighborhood graph. In addition to commonly used k-nearest neighbor graph, which requires a user-set parameter k, a weighted Delaunay triangulation (CONN) is employed to determine the optimal number of neighbors with respect to local data characteristics without any user-set parameter. CONN also indicates data topology and detailed local density distribution to be used in similarity definition. Based on these neighborhood graphs, the proposed geodesic distance based similarities are defined using Euclidean distance, local density distribution by CONN, and their fused approach. Therefore, these proposed similarity criteria represent better pairwise similarities because they use different combination of all available information for ASC. The clustering performance of the proposed criteria is evaluated by an extensive experimental study. Their advantages are first shown on three artificial datasets with different clustering challenges. Then, they are shown more successful than the commonly used Euclidean based similarity, using ten datasets (including medical data as well) from UCI Machine Learning Repository. Finally the proposed geodesic hybrid similarity criteria based ASC is applied on four sets of brain MR images obtained from MICCAI 2012 challenge on multi-modal brain tumor segmentation, achieving an accuracy of up to 80.06% without any supervised information. This accuracy is much successful than traditional clustering methods (compared to 66.55% obtained by k-means and compared to 76.52% obtained by ASC based on similarity using Euclidean distance) and very close to supervised accuracies existing in the literature. The extensive experiments show the outperformance of the proposed criteria and favor them as a successful approach in clustering both large and small/medium datasets.
Yeni çoklu çözünürlüklü görüntü ayrışımları ile çoklu spektral ve pankromatik uydu görüntülerinin füzyonu
Görüntü füzyonu, basitçe aynı görüntünün farklı biçimlerinden yeni ve geliştirilmiş bir görüntü elde etme işlemidir. Belirli bir bölgenin farklı uydular aracılığıyla elde edilen görüntüleri veya bir fotoğrafın farklı bozulmalara uğramış kopyaları, görüntü füzyonu yoluyla birleştirilerek, tek bir görüntüyle algılanması mümkün olmayan özelliklerin tespit edilmesi sağlanır. Füzyon görüntüsü, orjinal görüntülerin tamamlayıcı bilgilerini içerdiğinden, bu görüntülere oranla daha iyi özelliklere sahiptir. Sonuç olarak, füzyon ile insanın görsel algılayışı ve görüntü işleme uygulamalarında kullanması için iyileştirilmiş görüntüler elde etmek mümkündür. Görüntü füzyonunun en çok kullanıldığı alan olan Uzaktan Algılama için tasarlanan cihazlar, ya renk bilgisi olan düşük çözünürlükte (MS), ya da renk bilgisi olmayan, yüksek çözünürlükte görüntüler (PAN) elde ederler. Görüntü füzyonu, tam bu noktada devreye girerek, hem çözünürlüğü yüksek, hem renk bilgisi içeren yeni bir görüntünün elde edilmesini sağlar. MS ve PAN görüntünün füzyonu sonucunda amaçlanan şey MS görüntünün PAN aracılığıyla keskinleştirilmesi olduğu için, bu yöntemlere "pankeskinleştirme" de denmektedir. Tarihi gelişim sürecinde, birçok pankeskinleştirme metodu önerilmiştir. En etkin özelliği gösteren yöntemler, çokluçözünürlük yöntemleridir. Çokluçözünürlük metodlarında füzyon işlemi üç adımda gerçekleşir. İlk adımda, giriş görüntüleri alt bandlarına ayrılır, ikinci adımda altbandlar önceden belirlenmiş bir kural çerçevesinde birleştirilir ve son adımda oluşan yeni altbandlardan, füzyon görüntüsü elde edilir. Çokluçözünürlük yöntemiyle MS görüntüye detay ilavesi, ARSIS konsepti altında toparlanmıştır. Bu çalışmada, çoklu çözünürlük yöntemleri arasında, yaygın olarak kullanılan A Trous Dalgacık Dönüşümü tabanlı füzyon yöntemleri incelenmiştir. Bu dönüşüm yardımıyla elde edilen füzyon görüntülerinde detay ilavesinin genellikle aşırı olduğu bilinmektedir. Bu sorunu çözebilmek için geliştirilen yöntemlerde detay ilavesini azaltmak için çıkarılan detaylar katsayılar yardımıyla azaltılmaya çalışılmıştır. Bu yöntemler, genel olarak lokal ve global yöntemler olarak ikiye ayrılmaktadır. Lokal yöntemler, daha geniş detayların olduğu bölgelerde iyi sonuç verirken, global yöntemler daha küçük detayların olduğu bölgelerde iyi sonuç vermektedir. Bilateral süzgeç yapılarının da ATWT gibi görüntüleri altbandlarına ayrıştırabildiği bilinmektedir. Bu çalışmada. Bilateral süzgeçleme için kullanılan parametreler yardımıyla görüntüden elde edilecek detay miktarlarını ayarlamak mümkün olduğundan, istenilen sonuçlara yaklaşmak daha kolay olabilmektedir. Bilateral süzgeçleri temel alan ve ATWT yöntemlerine karşı düşen global yöntemler önerilmiştir. ATWT yöntemlerinde görüntüyü ağırlıklandırmak için ağırlıklandırılmış ATWT (WATWT) dönüşümünü baz alan yöntemler ele alınmıştır. Bu yöntemde, bilateral süzgecin konumsal parametresi kullanılırken, uzamsal parametresi yerine ATWT de kullanılan süzgeç yerleştirilmiştir. Bu sayede, parametre hesabı teke indirilerek, bilateral süzgeçlerden daha hızlı, bilateral süzgeçlerin performansına yakın global yöntemler önerilebilmiştir. WATWT yi temel alan bir lokal yöntem de önerilmiştir. Önerilen yöntemler çokluspektral ve pankromatik uydu görüntülerinin füzyonu için kullanılmış ve tez çalışmasında incelenen diğer yöntemler ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar belli kriterlere göre değerlendirildiğinde, önerilen global yöntemlerin mevcut global yöntemlerden ve yine önerilen lokal yöntem mevcut lokal yöntemlerden daha iyi sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. Önerilen lokal yöntemin sonuçları, ATWT tabanlı yöntemlerin iyi sonuçlar elde edemediği küçük detaylar içeren bölgelerde, daha tatmin edici sonuçlar aldığı gözlemlenmiştir.
Bulanık uzman sistem kullanarak tıkayıcı uyku apne hipopne sendromunun ciddiyet seviyesinin tahmini
Tıkayıcı (Obstruktif) uyku apne hipopne sendromu (OSAHS) üst solunum yolundaki tekrarlayan tıkanmalar sonucu oluşan önemli bir sağlık sorunudur. OSAHS'ın hipertansiyon, koroner kalp hastalığı, felç gibi hastalıklara neden olabileceği görülmüştür. Bunun yanı sıra tıkanmalar nedeniyle gece uykusunun bölünmesi, gün içi uykululuğuna yol açmakta buna bağlı olarak trafik ve iş kazaları meydana gelebilmektedir. OSAHS teşhisi uyku laboratuvarlarında polisomnografi (PSG) ile yapılmaktadır. Ancak bu işlem ile başarılı sonuçların alınabilmesi hastanın PSG öncesi bir takım kurallara uymasını, laboratuvarın yeterli fiziksel şartları ve ekipmanları sağlamasını gerektirdiğinden oldukça yorucu ve zaman alıcıdır. Bunun yanı sıra PSG'nin hastanın sırt üstü pozisyonda yatma eğilimini arttırdığı ve pozisyonel OSAHS hastaları için yanıltıcı sonuçlara yol açtığı görülmüştür. Diğer bir sorun OSAHS'ın varlığı ile ciddiyetini gösteren apne hipopne indeksindedir (AHİ). AHİ aralıkları için tek bir standart var iken 3 farklı hipopne tanımının olması bir tanıma göre OSAHS hastası olan birinin hipopne sayısının diğer bir tanım kullanıldığında daha az çıkması nedeniyle sağlıklı olduğu bulgusuna ulaşılabilir. Tüm bunlar ve uzmanlar ile yapılan görüşmeler sonucunda elde edilen bulgular PSG'ye alternatif bir tanı yönteminin ve daha esnek AHİ aralıklarının gerekliliğine işaret etmektedir. Yapay zekanın bir alanı olan uzman sistemler tarım, kimya, uzay teknolojisi, jeoloji ve tıp gibi çeşitli alanlarda karar destek aracı olarak kullanılmaktadır. Zadeh'in 1965'te önerdiği bulanık kümelerin hem sayısal hem de dilsel değişkenlerin bir arada kullanılmasına olanak tanıması, uzman sistemlerin insanınkine benzer bir akıl yürütme becerisini kazanarak uzman sistemlere yukarıda bahsedilen problemlere çözüm olma potansiyelini vermektedir. Bu çalışmanın amacı OSAHS'ın ciddiyet derecesini tahmin etmek üzere bir bulanık uzman sistem tasarlamaktır. Bu çalışma kapsamında girdi olarak vücut kitle indeksi (VKİ), uyku sırasında kandaki en düşük oksijen çözünürlük yüzdesi (min SpO2), Mallampati skoru ve boyun çevresi (BÇ) kullanılmıştır. Çıktı olarak ise standart AHİ aralıklarının bulanıklaştırılmasıyla oluşturulmuş bir ölçü kullanılmıştır. Uzman görüşlerine göre oluşturulmuş kurallara göre Mamdani yöntemini kullanarak sisteme girilen hasta verisinden bulanık bir sonuç elde edilmiştir. Sistemin son çıkışı olan tahminler bir önceki adımda elde edilen sonucun ağırlık merkezi yöntemi kullanarak keskinleştirilmesiyle elde edilmiştir. Daha sonra elde edilen ciddiyet derecesi tahminlerine göre hastalar hafif, orta ve ağır OSAHS'lı şeklinde sınıflandırılmıştır. Son olarak, tahmin sonuçları hastaların gerçek AHİ değerleri ile karşılaştırılmıştır ve model, geliştirilmesi esnasında verileri kullanılmayan hastalar üzerinde sınanmıştır.
Nesnelerin interneti için sistem tasarımı ve kablosuz kişisel alan ağlarında ağ kodlama uygulamaları
Internet of Things (IoT) is a promising concept to meet the needs of a smarter world in near future. Through the way from development to the deployment of IoT devices, wireless technologies seem to be dominant over wired infrastructures. Plug and play nature of wireless communication makes it more preferable over other alternatives. Almost every IoT device will have at least one radio interface and they will be condensed to the same spatial location. Not only the number of wireless IoT devices increase, but also people move in more crowded multistorey buildings which causes concentration of wireless nodes in same vicinity. Therefore, efficient usage of the radio spectrum will become more important than ever for upcoming decades. As we can easily deduce, efficient usage of the radio spectrum is not only about physical layer protocols but also upper layers that generate payload for the physical layer protocols. For this reason, cross layer approaches gain importance because efficiency is generally provided by multilayer analysis and improvements in telecommunication systems. As a high capacity alternative to conventional routing techniques, network coding provides more efficient usage of radio spectrum for multicast communication between nodes. The main idea behind network coding is processing the received packets in the intermediate nodes instead of simply storing and forwarding within the scope of network layer. With the use of coding techniques, number of transmissions can be reduces for same amount of data transferred through the network. This provides not only efficient usage of radio spectrum for same amount of data but also increases data throughput in unit of time. Within the scope of this study, network coding is applied in a heterogeneous network formed by hybrid radio nodes. Low capability hardware is preferred instead of sophisticated radio nodes, to be able to adapt proposed system to the field easily.
Yere nüfuz eden radar görüntülerinde morfolojiık bileşen analizi yöntemi ile kargaşa giderme
Yere Nüfuz Eden Radar (YNR, Ground Penetrating Radar (GPR)) yerin altını görüntülemek için kullanılan önemli bir teknolojidir. YNR sisteminde; kontrol ünitesinde darbe üreteciyle üretilen elektromanyetik işaret, verici anten vasıtasıyla yerin altına gönderilir, alıcı anten tarafından geri yansıyan işaretler toplanır ve toplanan işaretler sinyal işleme algoritmalarıyla işlenerek görüntüleme ekranında gösterilir. YNR teknolojisi tünel araştırmaları, maden araştırmaları, şehir alt yapılarının araştırılması, yer altındaki kablo ve boruların tespit edilmesi, arkeolojik araştırmalar, asfalt kontrol araştırmaları ve askeri alan araştırmaları gibi bir çok araştırma alanında kullanılmaktadır ve YNR sisteminin yazılımsal ve donanımsal özellikleri kullanıldığı alana göre farklılık göstermektedir. Bu tez çalışması askeri alanda mayınların tespit edilmesi problemine yönelik bir çalışmadır. Mayınlar ilk olarak metal içeriği fazlasıyla yoğun maddeler kullanılarak üretilmişlerdir fakat metal dedektörlerinin bu mayınları rahatlıkla tespit etmesi üzerine mayınlar metal içeriği çok az olacak ya da hiç metal içermeyecek şekilde plastik madde kullanılarak üretilmişlerdir ve bu mayınların tespit edilmesinde metal dedektörleri başarısız olmuştur. Çözüm olarak YNR sistemleri metal içeriği çok az olan ya da hiç metal içermeyen mayınların tespit edilmesi için kullanılmaya başlamıştır. YNR sistemi metal içeriği çok az olan ya da hiç olmayan mayınların tespit edilmesinde metal dedektörlerine üstünlük sağlasa da bu mayınların YNR sistemi kullanılarak tespit edilmesi hiç de kolay değildir. Kargaşa, özellikle yeryüzüne yakın gömülen, küçük boyutlu ve plastik anti-personel mayınların görüntülenmesini ve tespit edilmesini zorlaştırmaktadır. Kargaşa; alıcı-verici anten arasındaki kuplaj, yeryüzünden geri gelen yansıma ve toprak içerisinde bulunan istenmeyen cisimlerden (ağaç kökleri, ufak taşlar, toprak içerisindeki düzensiz yapılar, vb.) gelen yansımalardan oluşmaktadır. Kargaşa mayınların tespit edilmesini zorlaştırmasının yanında bazı durumlarda toprak içerisinde gömülü cisim olmamasına rağmen ilgili bölgede hedef olduğu algısı oluşturarak yanlış alarmlara sebep olmaktadır. Hedef tespit başarımını arttırmak, yanlış alarm olasılığını azaltmak için kargaşa giderme yöntemleri önem kazanmıştır. Literatürde YNR görüntülerinde kargaşa gidermek için üç farklı yaklaşım mevcuttur. Bu yaklaşımlar kargaşayı modelleyen yöntemler, hedefi modelleyen yöntemler ve veriyi altuzaylara ayrıştıran istatistiksel yöntemlerdir. Kargaşayı modelleyen yöntemler genellikle hedefin olmadığı bölgeden kargaşayı kestirerek tüm veriden kestirilen kargaşayı çıkarmaktadırlar. Kargaşa bu işlem sonucunda giderilerek sadece hedefin olduğu görüntüye ulaşılır. Kargaşayı modelleyen yöntemler hedefin olmadığı bölge bilgisi gerektirmektedir. Hedefi modelleyen yöntemler ise iki aşamadan oluşmaktadır. İlk aşama eğitim aşamasıdır ve bu aşamada çok sayıda hedefe ait veriye ihtiyaç duyulmaktadır. Hedefe ait bu veriler kullanılarak öznitelik çıkarımı yapılmaktadır ve hedef modellenmektedir. İkinci aşama olan test aşamasında şüphelenilen bölgelerde öznitelik çıkarımı yapılarak modellenen hedefe ait referans özniteliklerle karşılaştırılır ve kargaşa hedeften ayırt edilir. Hedefi modelleyen yöntemler genellikle anti-tank mayınlar içindir çünkü anti-tank mayınların YNR imzası modellemeye uygundur. Ayrıca bu yöntemlerin işlem yükü çok fazla olduğu için sadece şüphelenilen bölgeye uygulanması gerekmektedir ve bu yüzden şüpheli bölgeleri belirleyecek yardımcı algoritmalara ihtiyaç duymaktadırlar. Veriyi altuzaylara ayıran istatistiksel yöntemler ise YNR görüntüsünü hedef, kargaşa ve gürültü şeklinde görüntülere ayırarak kargaşa gidermek için kullanılmaktadırlar. Bu yaklaşım içerisinde Tekil Değer Ayrışımı (TDA, Singular Value Decomposition (SVD)), Temel Bileşen Analizi (TBA, Principal Component Analysis (PCA)) ve Bağımsız Bileşen Analizi (BBA, Independent Component Analysis (ICA)) yöntemleri yer almaktadır ve literatürde yaygın olarak YNR görüntülerinde kargaşa gidermek için kullanılmaktadır. Bu yöntemler genellikle birbirleriyle ve kargaşayı modelleyen yöntemlerle karşılaştırılmıştır ve birçok yayında BBA yöntemi diğer yöntemlere üstünlük sağlamaktadır. YNR görüntülerini alt uzaylara ayırarak kargaşa giderme yapan bu yöntemlerin tek dezavantajı hedefe ait bilgileri kargaşa ve gürültüden ayırt ederken hangi bileşenlerin hedefe ait bilgileri içerdiği bilgisinin kesin olarak bilinmemesidir. Bu tez çalışmasında literatürde ilk kez Morfolojik Bileşen Analizi (MBA, Morphological Component Analysis (MCA)) yönteminin YNR görüntülerinde kargaşa gidermek için kullanılması önerilmiştir. MBA yöntemi seyrek işaret işleme alanında önerilen görüntü ayrıştırma yöntemidir ve ilk olarak resim ve doku bileşenlerinin iç içe olduğu görüntüleri doku bileşeni ve resim bileşeni olarak ayrıştırmak için önerilmiştir. MBA yöntemi zamanla bir çok uygulamada kullanılmaya başlamıştır. MBA algoritması görüntüyü farklı bileşenlere ayırırken herbir bileşen için bir sözlüğe ihtiyaç duymaktadır. Sözlük işaret ya da görüntülerden alınan ve yama olarak adlandırılan küçük görüntü parçalarından oluşmaktadır. MBA algoritması, bir bileşenin bir sözlükle seyrek olarak ifade edilirken diğer bir sözlükle seyrek olarak ifade edilemediğini varsaymaktadır ve algoritmanın başarısı bu varsayıma bağlıdır. YNR görüntüleri incelendiğinde kargaşa ve hedefin farklı karakteristiklerde olduğu belirlenmiştir ve uygun sözlükler kullanılarak MBA algoritmasının YNR görüntülerinde kargaşa gidermek için kullanılabileceği düşünülmüştür. MBA algoritması gerçek YNR görüntülerine uygulanarak kargaşa gidermek için uygun ve etkili bir yöntem olduğu gösterilmiştir. Ayrıca MBA algoritması kullanılarak elde edilen sonuç literatürde yaygın olarak kullanılan TDA, TBA ve BBA yöntemleriyle elde edilen kargaşa giderme sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır ve MBA algoritması kullanılarak elde edilen kargaşa giderme sonucunun diğer yöntemler kullanılarak elde edilen sonuçlara üstünlük sağladığı gösterilmiştir.
Güneydoğu Türkiye tarımsal alanlarında, Radarsat-2 uydu görüntülerinin işlenmesi ile yarı-deneysel, üç toprak nemi tahmin modelinin geliştirilmesi
Soil moisture or soil water content is an important factor and parameter for agricultural, hydrologicaland meteorological applications. Usually the soil moisture definition is, divided into two branches: deep or root zonesoil moisture, and surface soil moisture.Surface soil moisture is refers to the water that is in the upper 10 cm of soil and only constitutes 0.0012% of all water available on Earth(Verhoest et al., 2008). Whereas root zone soil moisture is the water that is available to plants, which is generally considered to be in the upper 200 cm of soil. The water stored in the soil has different roles in the global water cycle. For instance, the growth of plants, irrigation scheduling management, good product, crisis management during drought, etc. Or, it controls the partitioning of rainfall into runoff and infiltration. Runoff commonly means both exporting fresh water to other areas and degradation of topsoil through leaching and erosion(surface moisture),infiltration mean filling underground aquifers (deep soil moisture) (Verhoest et al., 2008). It has been widely observed that soil moisture is also a key variable in flood forecasting.However, the measurement of soil moisture is very important in other branches of science. Methods for measuring the mass of soil water have been in use since the 15th Century. Today, the most common method is with regard to the mass, volume or saturation of the soil. There are various methods available to measure the soil moisture content both directly and indirectly (Stachder 1996, Prietzsch 1998, Marshall 1999). In principle, direct and indirect methods of measurement can be distinguished from one another. Direct methods include all measured processes in which the soil water is removed via evaporation, extraction, or chemical reactions and gravimetric method such as the FDR or TDR methods. On the other hand, research in to the remote sensing of soil moisture began in the mid 1970's thanks to a surge in the development of satellite technology. Soil moisture measurement and estimation from remotely sensed data has come a long way due to its unique capability of monitoring large areas with long term repetitive coverage. Remote sensing is data acquisition with out direct contact with the object of interest by using of particular wavelength of electromagnetic spectrum. The omitted or reflected signals in remote sensing methods far from the Earth's surface contain information about soil properties and surface details in both optical and microwave remote sensing and have been put to use for soil moisture study. Studies on backscattering coefficiencyhave beenpublished regarding many different models for surface soil moisture estimation; (i) the empirical model (EM) of Oh et al., 1994, (ii) the theoretical integral equation model (IEM) of Fung et al., 1992,X-Bragg model (2008), and (iii) the semi-empirical models of Oh et al., 1992, Oh et al., 2004 and the model of Dubois et al., 1995. In this study by using performance of the Oh et al., 1992, Oh, 2004 and Dubois et al., 1995a, surface soil moisture estimation models was evaluated with two RADARSAT-2 scenes (FQ1, FQ19) on agricultural area over the Harran ,Sanliurfa of east south of Turkey. The results was researched in soil moisture models that was used in thesis,analyzed by Lee, Enh_Lee, Forst and Kuan filters to reduce speckle noise and improve the models performance and the accuracy of RADARSAT-2 soil moisture maps. In addetion, the optimal filter sizeby study about of statistical calculated indices for different kernel size was estimated . Highest agreement for optimal filter kind is Kuan,15×15, 5×5 kernel size for OH92, OH04 for 07.September.2012 RADARSAT-2 's data and 5×5,5×5,15×15 kernel size for OH92,OH04,DU95 models for 08.September.2012 ,RADARSAT-2 's data . By using Pauli RGB image was estimated surface coverage. The surface coverage information was used to find estimated soil moisture values in study area. Finally, the local and estimated values werecompared. This research supports the idea of incidence angle effect on the performance of models (Baghdadi et al. 2008 and Mo et al. 1984) and the idea of surface roughness as having animportant effect on the estimation ofsoil moisture values (Baghdadi et al.,2002; Verhoest et al., 2000; S.Khabazan et al., 2013; Zribi and Dechambre, 2003).
Tarımsal süreçlerin hibrit petri ağları ile modellenmesi
Zirai faaliyetlerin yönetimi incelendiğinde, genel endüstriyel süreçlerin idaresinden daha karmaşık olduğu göze çarpmaktadır. Bunun sebebi tarımsal işlerde belirsizliklerin ve risk faktörlerinin, yerine göre işleyişin bütününe dahi etki edebilecek seviyede var olabilmesidir. Hava koşulları, çevresel ve biyolojik etkenler bu durumlara örnek olarak verilebilir. Bu nedenlerden dolayı tarımsal işlemlere ilişkin yapılacak planlamalar daha geniş bir açıdan göz önüne alınmalıdır. Petri ağları, dağıtık, paralel, asenkron, eş zamanlı, nedensel olmayan ve/veya stokastik sistemler için kullanılan, matematiksel ve grafiksel özellikler taşıyan bir modelleme sistemidir. Bu nedenle yaygın bir kullanım alanına sahiptir. Zirai işlemler; tarlanın sürülmesi, ekim yapılması, sulama, gübreleme, hasat alımı gibi sürekli durumların yanı sıra makinelerin hazır durumda olması, arızalar, hava şartları, toprak durumu gibi ayrık olayları da içermektedir. Hibrit petri ağları ile tarımsal işlemlerde olduğu gibi, hem ayrık hem de sürekli süreçler modellenebilmektedir. Grafiksel özellikleri de göz önüne alındığında, hibrit petri ağları ile tarımsal süreçlerin modellenmesi, sadece matematiksel yaklaşımla yapılan modellemelere kıyasla üstünlük sağlamakta, süreçlerin daha iyi gözlenebilmesi için etkin bir yol sunmaktadır. Bu çalışmada, tarımsalyönetim süreçlerine ilişkin modeller geliştirilmiştir. Ayrık ve sürekli her iki tür durumların da modellenebilmesi için hibrit petri ağları da kullanılmıştır. Oluşturulan modeller, ASABE standartlarına uygun olarak tanımlanan, kapasite planlaması, görev zamanı planlaması, program oluşturma, güzergâh planlaması ve performans değerlendirmeolmak üzere beş yönetim göreviiçin kullanılabilecektir. Modeller, sadece verilecek örnekler için değil, genel olarak diğertarımsal işlemler için de kullanılabilir. Literatürdeki zirai makine yönetimine ilişkin çalışmalar incelendiğinde program oluşturma safhası kapsamında tarla iş akışı yönetimi için petri ağları ile modelleme uygulamalarının yer aldığı görülmektedir Ancak zirai makine yönetimine ilişkin beş yönetim görevinden diğerlerini içeren ve petri ağları ile gerçeklenen model bulunmamaktadır. Bu çalışma ile zirai makine yönetiminin beş aşaması için de, modellere bağlı olarak olası belirsizlik ve risk faktörlerini de içerebilecek ve bu etkenlere göre yeni değişkenlerin de tanımlanabileceği modeller sunulmuştur.
GPU üzerinde yazılım tabanlı anten gerçeklenmesi
Bu tezde, kablosuz haberleşme, uydu haberleşmesi, mobil iletişim, RADAR uygulamaları ve yeni nesil haberleşme sistemleri için genel amaçlı, programlanabilir, yazılım tabanlı anten (YTA) sistemi önerilmektedir. YTA siteminin bileşenleri, resiprok ve yönsüz antenler, alçaltıcı veya yükseltici RF elemanları, sayısallaştırıcı ve yazılım ile kontrol edilebilir demet katsayıları üreten ve işaretleri biçimlendiren GPU'dan oluşur. Bu tezde, anten elemanları, RF bloğu ve sayısallaştırıcı birimlerinin ideal olduğu kabul edilmiş ve bu bileşenlerin üzerinde herhangi bir çalışma yapılmamıştır. Tez kapsamında sunulan YTA sisteminin yazılım modülü, GPU donanımı üzerinde koşmakta ve CPU'lu YTA sistemi ile karşılaştırmalı olarak değerlendirilmektedir. Simülasyonlar ise MATLAB ile üretilen temel bant sentetik işaretler yardımıyla yapılmaktadır. YTA sistemi, ayrık demet biçimlendirme metodunun farklı katsayı dizileri ile çok defa kombine edilmesiyle tasarlanmıştır. Kombinasyon tamamen yazılımsal olarak yapılmaktadır. YTA'nın programlanabilir olma özelliği, uyarlamalı ve akıllı algoritmaları gerçeklemeye imkan verdiği gibi esnek ve başarılı sistemlerin inşa edilmesine de olanak sağlamaktadır. YTA sistemi, aynı anda birden çok ışıma yönüne kanalize olabilme özelliği ile bütün kanalların verilerini gerçek zamanlı işleme yeteneğine sahiptir. YTA'nın işlem yükünün ve gerçek-zamanda çalışma zorunluluğu olan uygulamaların gereksinimlerinin karşılanması için GPU ve CPU kullanan çözümler bu tezde incelenmektedir. CPU için seri bir YTA algoritması, GPU için ise paralelleştirilmiş YTA algoritması tasarlanmıştır. YTA algoritmasının GPU üzerindeki işlem süresi hesaplanırken üç farklı süre tanımlanmıştır. Birincisi CPU tarafından verilerin GPU'ya yüklenme süresi (tu), ikincisi GPU'nun verileri işleme süresi (te), üçüncüsü ise GPU tarafından işlenen verilerin CPU'ya geri gönderilme süresidir (td). Toplam süre, seri olarak yapılan veri yükleme, veri işleme ve veri indirme sürelerinin toplamı olarak tanımlanmaktadır. CPU için ise toplam süre sadece veri işleme süresini içermektedir. GPU üzerindeki YTA algoritması, hızlı veri işlemesine rağmen verileri yükleme ve verileri geri indirme noktasında, yüksek hacimli transferler yapıldığından ve donanımlar arasında iletim bant genişliğinin sınırlamalarından dolayı yavaş kalmıştır. Buna rağmen, simülasyon sonuçları toplam sürenin çoğunlukla gerçek zaman eşiğinin altında kaldığını göstermektedir. Toplam harcanan sürede iyileştirme yapmak için çözüm olarak asenkron senaryo önerilmiş; fakat bu tez kapsamında asenkron senaryo simüle edilmemiştir. GPU üzerinde koşan algoritma daha hızlı performans gösterdiği ve bu sayede geniş bantlı verileri bile gerçek zaman eşiğinin altında işleyebildiği gözlemlenmiştir. CPU algoritması ise yavaş kalmış ve fazla kaynak harcamasına rağmen verileri gerçek zamanda işleyememiştir. GPU'lar yüksek hacimdeki verilerin hızlı bir şekilde işlenmesine olanak sağlarmaktadır. Veri hacminin büyüklüğü, GPU'da koşan YTA algoritmasının performansını da etkileyen bir unsurdur. Bu nedenle, YTA algoritmasının işleyeceği verinin büyüklüğü bir çerçeve boyutu olarak tanımlanmıştır. Çerçeve boyutunun mertebesi önce kaba bir yaklaşımla belirlenmiş, belirlenen değer yakınında çerçeve boyutunun hassas değişimlere tepkisi ölçülmüştür. GPU algoritmasının performansı, çerçeve boyutunun artması ile bir noktaya kadar artmış sonrasında ise fazlaca değişiklik göstermemiştir. Performansının kötü olduğu çoğu durumda bile verileri gerçek-zamanda işleyebilmiştir. Bu durum GPU ile gerçeklenen YTA sisteminin başka sistemlere entegrasyonun ve adaptasyonun hızlı ve başarılı olacağının göstergesidir. Sonuç olarak; GPU üzerinde koşan YTA algoritmasının CPU üzerinde koşan algoritmaya göre önemli derecede toplam işlem süresini azalttığı gözlemlenmiştir. GPU üzerindeki YTA sisteminin ölçeklenebilir olması nedeniyle, GPU'nun gelişme hızı ve maliyet etkin bir çözüm olması da göz önüne alındığında, yeni nesil haberleşme sistemlerinde ve radar uygulamalarında yaygın bir kullanım alanına sahip olacağı düşünülmektedir.
Leon3 mikroişlemcisi tabanlı sistem tasarımı
Bu tez kapsamında JPEG (Joint Photographic Experts Group) görüntü sıkıştırma standardı kullanılarak görüntü şifreleme yapılmıştır. Özellikle internet iletişimin yaygınlaşmasından sonra bilgisayarlar arasında görüntü aktarımı önem kazanmıştır. Buna paralel olarak depolama problemi ortaya çıkmaya başlamıştır. Bu soruna çözüm olarak ortaya çıkan JPEG, orjinal görüntünün boyutunda önemli miktarda azalma sağlamaktadır. Depolama probleminin yanı sıra güvenlik de aynı şekilde önem arz etmektedir. İletilen verilerin yada görüntülerin istenmeyen kişiler tarafından ele geçirilmesi önemli bir güvenlik problemi olarak görülmektedir. Bu amaçla hem sıkıştırmanın hem şifrelemenin bir arada yapılması oldukça mühim hale gelmiştir. Bu yüksek lisans tezi kapsamında da sıkıştırma oranınından fazla kayıp vermeden görüntünün şifrelenmesi amaçlanmıştır. Sıkıştırma standardı olarak JPEG seçilmiştir. Şifreleme yöntemi olarak Küçük Şifreleme Algoritması (Tiny Encryption Algorithm-TEA) seçilmiştir. Şifreleme işlemi sıkıştırma işlemiyle iç içe yapılmıştır. JPEG formatına dönüştürülmüş bir görüntüyü şifrelemek yerine sıkıştırma bloklarıyla birlikte piksel seviyesinde şifreleme yapılarak güvenlik seviyesinin arttırılması hedeflenmiştir. JPEG kodlayıcıda tasarlanması gereken bloklar Ayrık Kosinüs Dönüşümü (Discrete Cosine Transform-DCT), kuantalama, zig-zag tarama, DC farksal kodlama, AC dizi uzunluğu kodlama ve kod paketleme bloklarıdır. Şifreleme bloğu olan TEA, zig-zag tarama bloğundan sonra gelmektedir. İlk olarak giriş görüntüsü DCT bloğuna gelmektedir. Bu blok giriş görüntüsünü 8x8'lik matrisler halinde alarak işlem yapar ve çıkışında da 8x8'lik matrisler üretir. Bu matrislerin ilk elemanına DC katsayı, diğer 63 elemanına AC katsayı adı verilmektedir ve çıkış görüntüsü artık frekans tanım bölgesine geçirilmiş olur. Daha sonra kuantalama bloğuyla, matrislerdeki yüksek frekans terimlerinin çoğunlukla sıfırlanması sağlanır. Bu sıfırlanmalar sayesinde sıkıştırma yapılacaktır. Daha sonra gelen zig-zag tarama bloğunda kuantalanmış görüntü verisini içeren 8x8'lik matrisler seri hale getirilir. Verilerin sıralanması zig-zag düzeninde gerçekleşir. Bu şekilde sıralama yapıldığında DCT katsayılar, en düşük frekanslı katsayı olan DC katsayıdan yüksek frekanslı AC katsayılara doğru dizilmiş olur. Kuantalama işlemi de yüksek frekansları sıfırlamak üzere kurulu olduğundan zig-zag yolda ilerlendiğinde sıfırlar ardı ardına gelmektedir. Bir sonraki adımda TEA şifreleme bloğu vardır. Şifreleme için öncelikle sadece tüm 8x8'lik matrislerin sadece DC katsayıları kullanılmıştır. Daha sonra hem DC katsayılar hem de her matrisin 5 adet AC katsayısı kullanılmıştır. Sıkıştırmanın fazla azalmaması amacıyla daha fazla sayıda AC katsayı şifrelenmemiştir. Şifreleme bloğundan sonra DC farksal kodlama bloğu ve AC dizi uzunluğu kodlaması yapılmıştır. Son aşamada ise kod paketleme bloğu kullanılarak sıkıştırma ve şifreleme işlemi bitirilmiştir. JPEG görüntü şifreleme donanımı tasarlandıktan sonra bir mikroişlemciye çevresel olarak eklenmesi hedeflenmiştir. Bu amaçla Gaisler firmasının geliştirdiği 32 bitlik Leon3 mikroişlemcisi seçilmiştir. Leon3, Sparc V8 mimarisi tabanlı ve çoklu işlemi destekleyen bir mikroişlemcidir. Sentezlenebilir Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) modelleriyle oluşturulmuştur ve 16 çekirdeğe kadar tasarım yapılabilir. Yüksek konfigürasyon, yüksek performans, enerji verimliliği, basit tasarım entegrasyonu ve yazılım desteği sebebiyle bu mikroişlemci seçilmiştir. İçerisindeki Advanced Microcontroller Bus Architecture (AMBA) veri yolu yapısı, Advanced High-Performance Bus (AHB) ve Advanced Peripheral Bus (APB) olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Bu çalışmada tasarlanan donanım APB veri yoluna eklenmiştir. Bu işlemi yapmak için AMBA protokolüne uygun bir arayüz tasarlanmıştır. Daha sonra gerekli tanımlama işlemleri yapılarak donanım ekleme işlemi tamamlanmıştır. Bunun yanında donanımın mikroişlemci çekirdeğiyle haberleşmesinde kullanılacak olan bayrak tanımlamalarını yönetmek için bir C kodu gerekmiştir. Bu C kodu, Leon3 mikroişlemcisinin çapraz derleyicisi ile derlenmiş ve kullanılmıştır. Tasarlanan devrenin girişine verilen görüntü boyutu 288x288 olarak belirlenmiştir. Bu görüntü istendiği takdirde değiştirilebilir. Elde edilen şifrelenmiş ve sıkıştırılmış görüntü matrisleri MATLAB ortamında okutulduktan sonra elde edilen çıkış görüntüleri karşılaştırılmış ve Peak Signal to Noise Ratio (PSNR) değerleri verilmiştir. Bunun yanında donanımın Sahada Programlanabilir Kapı Dizisi (FPGA) üzerinde kapladığı yer bilgileri de verilmiştir.
Uzay kaydırmalı anahtarlama modülasyonu kullanan işbirlikli çok atlamalı ağlar
Bu tezde uzay kaydırmalı anahtarlama modülasyonunun çok atlamalı ağlardaki başarımı bit hata olasılığı ve servis kesilme olasılığı bakımından incelenmiştir. İşbirlikli haberleşmenin kullanıldığı sistem için kuramsal ve benzetimsel sonuçlar paylaşılmıştır.
Radar hedef görüntüleme ve sınıflandırma için seyrek doğrusal öngörü modelleri
RADAR, which is the abbreviation for Radio Detection and Ranging, is used for many applications including fire control, air traffic control, meteorology, target searching, detecting and tracking. Radar transmits pulses or burst to search for targets. Scattered signals from the target are processed by the radar receiver to extract information about the target such as range, velocity, image of target. The most important radar application is the imaging. Imaging radars can provide range profile and radar image in addition to target's velocity. Resolution, which is the key point of imaging radar, is the problem for conventional radar because high resolution is succeeded with wide bandwidth and angular width. While wide bandwidth can be achieved by using stepped frequency or linear frequency modulated signal, wide angular width is obtained by increasing the dimension of antenna which is not desired or possible in real life application. Instead of huge antenna, synthetic aperture concept that is obtained by relative motion of target and radar is introduced. Synthetic Aperture Radar (SAR) and Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR) are based on the synthetic aperture concept. Range profile and radar image are reconstructed by processing the backscattered signals which are collected in frequency and frequency-aspect domain, respectively. Fourier Transform based method is the most common method to reconstruct range profile and radar image. 1-D IFFT of frequency domain data gives the range profile and scattering centers are estimated from the peaks of range profile. Uniformity in spatial frequency domain is required to construct focused radar image but collected data are uniformly sampled in frequency aspect domain. Polar to Cartesian transform is used to convert frequency aspect data to spatial frequency data with uniform sampling. After employing polar reformatting, 2-D IFFT of data constructs focused radar image. Computational cost of this method is very low. In spite of this advantage, the achieved resolution is limited. Spectral estimation methods are another method to generate high resolution range profile and radar image. Multiple Signal Classification (MUSIC) and Autoregressive (AR) model algorithms are the most popular spectral estimation methods. The idea behind the Multiple Signal Classification algorithm is the decomposition of correlation matrix into signal and noise subspaces. Correlation matrix is computed from averaging over the number of snapshots. However, only one snapshot is available in radar application. Spatial smoothing method is used to compute correlation matrix. MUSIC algorithm with spatial smoothing process provides high resolution although it decreases the effective bandwidth. Success of this algorithm is not enough to find the location of scatterers if backscattered data are limited or have low signal to noise ratio (SNR). AR model which is based on the forward and backward linear prediction improves the resolution in range and cross range direction. Radar profile and radar image are obtained by AR model power spectrum. The simplest way to estimate AR model coefficients is to minimize the l-2 norm of the error between predicted and observed signal. Spurious peaks and sidelobes might appear in the range profile and radar image depending on the AR model order. Sidelobes can be suppressed by Singular Value Decomposition (SVD) truncation. The drawback of this method is that number of scatterers should be known or estimated. Backscattered data can be represented as linear combination of small number of elements from overcomplete dictionary which consists of elementary signals. The idea behind the sparsity is to find the smallest subset of dictionary which represents the observed signal. Most of entries in signal representation vector/matrix should be zero to represent backscattered signal with less atoms. Radar image which is based on sparse signal representation provides high resolution in both range and cross range direction without predicting the number of scatterers. Sparse representations can be computed by three-different minimization problem which are Basis Pursuit Denoising (BPDN), Basis Pursuit Denoising with Penalty term and Least Absolute Shrinkage and Selection Parameter (LASSO). Basis Pursuit Denoising algorithm minimizes the sum of the absolute value of coefficients of the sparse representation vector/matrix subject to the residual sum of squares being less than the constant. BPDN with penalty terms is the unconstraint formulation of BPDN. Sparse coefficients are obtained by the l-2 norm minimization of residual by penalizing l-1 norm of the coefficients of the sparse representation vector/matrix. LASSO minimizes residual sum of squares while sum of the absolute value of coefficients of the sparse representation vector/matrix is smaller than constant threshold. Solution of BPDN with penalty term, BPDN and LASSO minimization problems take a lot of time. Orthogonal Matching Pursuit (OMP) algorithm is another method to generate sparse representations of the range profile and radar image. This method requires short time to find the sparse solution. High resolution radar image and range profile can be achieved by using these methods. In this thesis, radar imaging based on sparse AR modeling is proposed. Tickhonov regularization is another way to solve the ill-posed equation system by introducing smoothness and sparsity. If l-2 norm of the AR model coefficients are penalized, smoother solution is produced. The inclusion of l-0 norm penalty function produces sparse solution. In this work, backscattered signals are modeled by AR model algorithm and sparse AR model coefficients are calculated. Sparse AR model coefficients are computed from BPDN, BPDN with penalty term and LASSO. Spurious peaks and side lobes are suppressed in the resulting radar image. Especially, proposed sparse AR model approaches yield better result than the other spectral estimation methods in case of the low SNR and narrowband data. Although all scatterers and location of them are found correctly in radar image based sparse representation, classification success of these methods is the worst one. As a result, radar imaging based on sparse representation is a good candidate for imaging if data are collected at wide bandwidth and angular width. Classification results of methods except sparse radar image representation are very close to each other under the wide bandwidth and aspect angle case. For the limited data case, classification of radar images based sparse AR model methods yields best result among all the methods which are explained in the thesis. Classification results of MUSIC algorithm is in the second place. This result is expected since sparse AR model methods are more successful than MUSIC algorithm to find the scatterers and location of them. As a conclusion, 1-D and 2-D sparse AR model are proposed and these models are applied on the radar data to reconstruct range profile and radar image. Sidelobes are suppressed in the generated range profile and radar image. In addition to that, this method is more successful than MUSIC algorithm to find the scatterers for the limited data case. Classification success will be enhanced if range profile and radar image are generated by using proposed method.
Protein katlanma probleminin çözümü için kaba-taneli kafes ve kafes-dışı modelleri kullanan yapay zeka tabanlı yöntemler
The protein folding problem is one of the most widely studied problem within the bioinformatics community. Computational methods proposed for the solution of this problem can be categorized into two main groups: Comparative modeling, and ab initio methods. Comparative modeling utilizes existing databases of experimentally determined protein structures to determine the three-dimensional structure of proteins. However, in ab initio methods three-dimensional structure of proteins are determined from solely their amino acid sequences. In the ab initio methods, a number of potential energy functions with different resolutions (including the simple coarse-grained methods and the detailed all-atom models) are proposed to model the interactions that occur among the amino acid molecules of the proteins. A search method is then used to thoroughly explore the energy landscape of the defined potential energy function to find the optimum fold of a protein. In this thesis, new possibilities are searched to find an effective way of improving the search abilities for ab initio methods. Within this scope, both the coarse-grained and all-atom models are studied to determine the protein structures. Coarse-grained methods studied in this thesis include the simplified lattice and off-lattice models. For the hydrophobic polar (HP) lattice model, a new state-space representation of the protein folding problem is proposed for the use of reinforcement learning methods. The proposed state-space representation reduces the dependency of the size of the state-action space to the amino acid sequence length. The proposed method also introduces the concept of "learning" for the protein folding problem in two-dimensional HP model. Thus, at the end of a learning process optimum fold of any sequence of a particular length can be found which is not the case in the existing methods. Moreover, by utilizing a swarm based reinforcement method (Ant-Q algorithm) the optimal fold is found rapidly when compared to the most widely used reinforcement learning algorithm, the Q-learning algorithm. For the off-lattice AB model, a new optimization algorithm, the Vortex Search (VS) algorithm, is proposed to minimize the energy function of this model. The proposed VS algorithm tested on a benchmark numerical function set and it is shown that it performs quite well when compared to the well known optimization algorithms. Another contribution of the thesis presented for the off-lattice AB model deals with the energy function of this model. The energy landscape of the off-lattice AB model leads the algorithms to easily trap into local minimum points. In literature, to escape from local minimum points, usually a combination of the well known optimization algorithms or some extensions of these algorithms are proposed. However, in this thesis rather than an algorithmic improvement, a more smoothed energy landscape is provided for the algorithms by modifying the energy function of the off-lattice AB model. The all-atom model studied in the thesis is based on the ECEPP force field which is combined to the VS algorithm in conjuction with the SMMP software package. A number of proteins are selected from the PDB database to evaluate the performance of the proposed method results of which indicate that the proposed method is comparable to the existing methods.
Küçük uydular için Ku band mikroşerit yama anten dizisi ve düşük gürültülü kuvvetlendirici tasarımı ve gerçeklemesi
This dissertation is concerned with both investigation of a well-characteristic microstrip array antenna which is specially designed with three slits with ground plane structure and a high-gain wideband low noise amplifier (LNA) which are appropriate for the Ku-band application to fulfil the demand of radar, satellite, and communication. This thesis is divided into four parts. First part is a short and brief introduction about the works and designs that have been done in order to realize the design in the desired band frequency for small satellites. The second part deals with the theory behind Ku-band slotted rectangular patch array design. For designing this array patch antenna, firstly unit patch element over a Taconic TSM-30-0600-C1/C2 (εr=3) with the height of 1.52mm. Obtained single element radiation pattern is directional with good amount of radiated power with negligible backward radiation. The 3D radiation pattern shows maximum power flowing in the z-direction (Ѳ=0⁰). After simulation, the single element antenna has about 7dBi gain and linear polarization at = 90⁰ degree direction and 10dB back lobe ratio has been achieved. Then 2×2 array structure is developed by using array feed circuit. Dimension of array antenna is 16mm × 18 mm and feed of array antenna combines with 100Ω and 50Ω T-junctions over Taconic-TSM substrate with the height of 0.76mm on the reverse top side layer. For 2×2 array antenna, maximum measured gain of 10.9 dBi has been achieved in 11.9 GHz to 12.9 GHz band frequency. Furthermore, for array antenna, linear polarization is at = 90⁰ degree direction. The third part is related to LNA design. In this contribution , single transistor LNA by utilizing bias and matching networks which are modeled in AWR, has been designed and simulated at Ku-band for the potential employment in the satellite RF subsystems. Substrate used is Rogers material (εr=3) and thickness of substrate and metal are H=0.762 mm and t=17.5 µm ,respectively. The design employs an N-CHANNEL HJ-FET transistor from NEC, NE3511S02. Designed LNA has ~10.5dB peak gain and 1.5dB NF.
Dyadic Green fonksiyonu kullanılarak küresel bir kafa modelinde elektromanyetik alan hesabı ve uygunlaştırıcı ortam etkisinin gözlemlenmesi
Bu çalışmada, küresel bir kafa modelinin yüzeyine yerleştirilen bir uygunlaştırıcı ortam katmanının, küre üzerindeki elektromanyetik alan değişimine olan etkileri analiz edilmiştir. Uygunlaştırıcı ortam, kafa yüzeyi ile boş uzay arasına yerleştirilen ve dielektrik değerleri boş uzaydan farklı olan bir tabakayı temsil etmektedir. Çözülen problem, 5 tabakalı ve dışarısı boş uzay olan küresel bir kafa modelindeki her tabakada Dyadic Green Fonksiyonu (DGF) kullanılarak elektromanyetik alan probleminin çözülmesi, ardından kafanın yüzeyine yerleştirilen bir uygunlaştırıcı ortam katmanının küredeki elektromanyetik alan üzerindeki etkilerinin analiz edilmesi şeklinde özetlenebilir. Problemde, kafa modelindeki tabakaların içten dışa doğru beyin, serebrospinal sıvı (CSF), kemik doku, deri ve boş uzay olduğu varsayılmış, uygunlaştırıcı ortam tabakası deri ile boş uzay arasına yerleştirilmiştir. Problemin her aşamasında kaynağın z-ekseni üzerinde ve x-yönlü olduğu kabul edilmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında literatür araştırması yapılıp şimdiye kadar ortaya koyulan örnek çalışmalar incelenmiştir. Araştırmada öncelikle DGF kullanılarak küresel bir sistemde elektromanyetik alan probleminin çözümü üzerine literatür taraması yapılıp iki tabakalı dielektrik kürede ve 𝒩-tabakalı küresel sistemlerde elektrik alan hesabı öneren örnek çalışmalara rastlanmıştır. Ardından uygunlaştırıcı ortam kullanımı üzerine araştırma yapılıp bu konuda ortaya koyulan bazı çalışmalar olduğu görülmüştür. Bu çalışmalardan Transmisyon Hat Modeli (TLM) ve 2D Kafa Modelinde Darbe Algılaması (SD) üzerine hazırlanan iki çalışmadaki değerler baz alınarak çeşitli karşılaştırmalar yapılıp bulunan sonuçlar analiz edilmiştir. Örnek çalışmaların incelenmesinin ardından problem basamak basamak ele alınıp çözüme gidilmiştir. İlk olarak, DGF kullanılarak elektromanyetik alan hesaplama teknikleri incelenip küresel sistemlerdeki uygulanışı üzerine yoğunlaşılmıştır. Öncelikle, yalnızca 2 tabakalı dielektrik bir küre için verilen çözüm incelenmiş, katsayı hesaplaması ve DGF denklem çözümleri verilmiştir. Ardından, problemi 𝒩-tabakalı küresel sisteme genişletmek için önerilen denklemler incelenip analiz edilmiştir. 𝒩-tabakalı küresel bir kafa modelinde katsayı hesabı adım adım ele alınmış, çözüm yöntemleri gösterilmiştir. 𝒩-tabakalı sistemdeki her tabaka için kullanılan DGF fonksiyonları ve elektrik alan hesabı içeren denklemlerin çözüm yöntemleri açıklanmıştır. Burada, ele alınan 𝒩-tabakalı her sistem için n adet DGF fonksiyonu ve elektrik alan denkleminin çözüm yöntemi anlatılmıştır. 𝒩-tabakalı küresel bir sistemde elektrik alan hesabı öneren bu çözümde, öncelikle 2 tabakalı durum ele alınmış ve katsayı hesabı yapılıp, sonuçları bir önceki bölümde 2 tabakalı dielektrik küre için elde edilen katsayı sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Sonuçların aynı xviii çıktığı doğrulanmıştır. Bu doğrulama sonrasında, ilk olarak 6 tabakalı bir sistemde, kaynağın uygunlaştırıcı ortam olarak kabul edilen dıştan ikinci katmanda olduğu varsayılmış ve 𝒩-tabakalı sistemlerde elektrik alan hesabı öneren çözüm kullanılarak elektrik alan hesabı yapılmış ve çözüm yöntemi adım adım anlatılmıştır. Uygunlaştırıcı ortamın dielektrik değerleri boş uzay ile aynı kabul edilerek 5 tabakalı duruma geçiş yapılmıştır. İkinci olarak ise, 6 tabakalı bir sistemde, uygunlaştırıcı ortamın deri ile boş uzay arasında bulunduğu varsayılmış, kaynak uygunlaştırıcı ortam tabakasına yerleştirilmiş ve 𝒩-tabakalı sistemlerde elektrik alan hesabı öneren çözüm kullanılarak elektrik alan hesabı yapılmış, çözüm yöntemi adım adım anlatılmıştır. Benzer şekilde, uygunlaştırıcı ortamın dielektrik değerleri boş uzay ile aynı kabul edilerek 5 tabakalı duruma geçiş yapılmıştır. Çalışmanın 3. Bölümü'nde, 5 tabakalı ve 6 tabakalı küresel bir kafa modelinde İntegral Denklem Çözümü (IES) kullanılarak hesaplanan elektrik alan değerleri, bir önceki bölümde elde edilen elektrik alan değerleri ile karşılaştırılmış ve analiz sonuçları paylaşılmıştır. IES metodu, küresel kafa modelinin çok sayıda hücreden oluştuğu varsayımına dayanarak, uygun integral denklemler ile her tabaka için çözüm bulan bir metottur. Karşılaştırmalar 4 durum için yapılmıştır: 5 tabakalı ve uygunlaştırıcı ortam bulunmayan küresel kafa modelinde kaynak boş uzayda konumlandırıldığında beyinde ve kafaya çok yakın bir noktada ölçüm yapılarak; 6 tabakalı, uygunlaştırıcı ortam deri ile boş uzay arasında bulunan küresel kafa modelinde, kaynak uygunlaştırıcı ortamda konumlandırıldığında beyinde ve kafaya çok yakın bir noktada ölçüm yapılarak. Her iki yöntem ile elde edilen sonuçların çok yakın mertebelerde olduğu gözlemlenmiştir. Bu doğrulama sonrasında, çalışmanın bundan sonraki bölümlerinde, 𝒩-tabakalı sistemler için elektromanyetik alan hesabı içeren çözüm yöntemi farklı durumlar için kullanılarak sayısal sonuçlar paylaşılmıştır. Çalışmanın 4. Bölümü'nde, uygunlaştırıcı ortamın dielektrik değerleri analiz edilmiştir. Elde edilen sonuca göre, çalışmanın geri kalan kısmında uygunlaştırıcı ortam analizinde, uygun bulunan dielektrik değerler kullanılmıştır. 5. Bölüm'de, uygunlaştırıcı ortam varken ve yokken elektrik alandaki değişim gözlemlenmiştir. Uygunlaştırıcı ortamın etkisi öncelikle kaynak kafa yüzeyine çok yakın bir noktada konumlandırılıp beyin, CSF ve deri tabakalarında gözlemlenmiştir. Ardından kaynak CSF tabakasında beynin yüzeyine çok yakın bir noktada varsayılarak, uygunlaştırıcı ortam varken ve yokken kafa yüzeyine çok yakın bir noktada, kemik dokuda ve beyinde gözlemlenmiştir. Bir sonraki bölümde, problemin kutupsal koordinatlarda tekrar çözülmesi ve küresel koordinatlarda elektrik alan değerlerinin r'ye göre değişimin gözlemlenmesi şeklinde ek analizler ve sonuçları paylaşılmıştır. Çalışmada varılan çıkarımlar, problemdeki kısıtlamalar ve çalışmadan sonra uygulanabilecek geleceğe yönelik çalışma önerileri sonuç bölümünde verilmiştir.
Akıllı kart ve biyometrik tabanlı genel amaçlı erişim kontrolü sistemi tasarımı
Access control systems (ACS) are the ones, which people come across frequently while entering places, passing through somewhere or even logging into any online accounts. Public transportation, authorized building or room entrance, highway passing, PC accesses, signing on to online banking or social media accounts are some examples that can be experienced during everday life as the samples of accesses. In most cases, these actions are in under control the reason why personal security plays an important role. Therefore, there are plenty of approaches and electronic systems in the literature to provide control for such cases above. In this thesis, it is proposed an approach for low cost and easy to programme system, which is general purpose and multi-modal. General-purpose feature brings an innovation to these kind of systems to be more generic. The system can easily adapted to new applications, in other words, the system first can control door accesses, but on the other hand, it can also be used for some other applications like payment based paypass implementations. This diversity comes thanks to different input devices like smart card reader, fingerprint scanner, NFC/RFID reader, touchable screen for PIN entering & system response monitoring etc. Consequently, the system satisfies the multi-modal approach with these devices that make system more secure. In the following chapters, firstly the general details of the thesis are presented in the introduction part. There are introductory information about the system scheme and some analysis that are crucial to be held previously like requirement and feasibility. Also, it can be found the hypothesis which this thesis work stands for in terms academic approaches. There is also literature review for the previously handled works. Especially for the fingerprint sensor, there are some studies that use the same device which is controlled by microprocessor. Then, in the second chapter, the important background information for the phylosophy of this thesis is given. It contains about the preliminary explanations on behalf of biometry, cryptography, hash functions etc. Biometry is used in many different areas from security to forensic, even for diagnosis in the medicine. For authentication purposes, access systems can have sensors related to biometrics. This chapter helps the reader to understand the main frame of the study. In the third and the main chapter, all the design issues are presented. It has basically two sub-sections. Firstly, the hardware related knowledge is described. Sensors and controllers are given in here. In this study, the system engineering approaches are used together with embedded systems; therefore, different kind of sensors are to be work synchronously via controllers. The system basically consists of two nodes: Access Node-ACN and Admin Node-ADN. Each has a controller unit and some sensors. For the ACN, fingerprint sensor in the thesis takes the fingerprint image as 256x288 pixels in gray level. Then inside of the sensor, the whole image is transferred into characteristic file, and after into a template. There is no information related to algorithm neither in the datasheet nor in any of the source in the internet such as vendor. In our system, the data from the sensor is saved in the smart card securely and later newly captured data is to be compared with this smart card originated information. Extracted data from fingerprint must be stored securely in the smart card which does not have any extra protection mechanism. Therefore, biometric data hiding or encryption must be handled as the smart card can be on wrong hands. When access operation is needed, data in the card and the freshly read one from the user via sensor is to be compared, either does fingerprint sensor. Moreover, in the software structure part of this thesis in the second branch of Chapter three, hardware handling software details are given in the scope of software engineering. UML diagram contains the Role Based Access Control Pattern – RBACP to give different privileges to the different users. Thesis has general purpose approach by this way. Besides, in the admin part, the Windows operating system based GUI is designed thanks to C# programming language. This monitoring screen allows admin to control the system from far. Comnunication between access node and admin node is in wireless communication thanks to XBee sensors, so communication protocol that proposed by this thesis must be secure indeed, too. As the "access" needs to be secure, designed system must rely some scientifically secure algorithms that thesis mainly aims at. In 1976, public key cryptography released some opportinities to make system security by key exchange. Even when two wireless devices communicate with each other, man-in-the-middle attack can be less hazardous thanks to Diffie-Hellman key exchange algorithm. System Analysis is given in Chapter four. There are details about the system operation and some limitations related to some seperating devices that are occured during the design and the tests. All the overall system details are presented in this chapter. Any researcher who reads that thesis work can construct the system by using the hardware and software details inside. Thus, the researcher can have an ACS environment to work for security algorithms by implementation of cryptography or secure image-processing issues for future work together ciphering with fingerprint issues. In the last chapter, last results of the project are presented. In this conclusion part, the future considerations related to thesis are introduced, too. Smart cards and NFC/RFID technology are in use for loads of applications. If the biometric information is intended to be embedded into these technologies, then some scientific questions arise related to security. Moreover, if wireless technology is in use as a hardware module, then another security circumstance emerges to be academically handled as this thesis does via design of communication protocol in the scope of Petri nets. Modelling the own protocol together with data packages, instruction codes etc. makes the thesis more academic and the system more secure. To conclude, the system was successfully designed and all academic approaches were explained in this thesis report.
Yüksek hızlı analog/sayısal dönüştürücüler uygulaması için 1.5ns ile 8ns gecikme kilitlemeli çevrim tasarımı ve serimi
As the VLSI technologies decreases to sub-micron and increases the clock frequencies the demand to correctly align the clock frequency with input data increases. On the other hand, as the clock period is reduced in high-speed applications the timing jitter becomes crucial border in clock distribution networks. Also by decreasing the clock period, if the jitter and skew remain constant, the total clock phase error increases. This issue will hugely affect synchronous system properties like setup and hold times in flip-flops, data access times and the precision of internal control signals. The process, temperature and voltage variation effects on clock are another problems that cause timing jitter and need to be compensated with employing a DLL to stabilize the delay of the unit delay across PVT. In this work, a 120MHz to 670MHz delay locked loop in 180nm TSMC CMOS process is presented to align the input clock and data of the 1.25GSPS high speed digital to analog converter. Three separate voltage controlled delay lines used to achieve a wide frequency range. An 8-Bit shift register is used to select the proper VCDL according to the reference input clock, this is happened by the last 4-Bit of a serial 8-Bit input code of shift register and will be discussed in detail. A TSPC based phase and frequency detector is used to achieve high-speed operation and acceptable rate of jitter to produce UP and DOWN pulses to control charge pump switches. A single ended charge pump is used to convert these UP and DOWN pulses to a control voltage through a loop filter to control the delay of the VCDL and lock the DLL to a one period delayed clock signal. In order to perform corner and monte-carlo simulations and evaluate the performance of the proposed delaye locked loop, a test bench with multiple input frequencies designed to apply different input clock frequencies to the DLL block. The full layout of this system is drawn to evaluate the effect of the parasitics and circuit mismatch. Then cycle to cycle jitter, peak to peak jitter, duty cycle error, settling time are simulated across PVT and monte-carlo results are provided.
Ultrason görüntülerinin havza sınırlama yöntemi kullanılarak bölütlenmesi
Ultrasound imaging is an important medical application as it is a safe, non-invasive, and interactive procedure for creating detailed visualization of various structures within the body. Computational methods help improving the quality of ultrasound images as well as they aid in the discovery of important structures. In this line of research, this thesis studies the segmentation problem in general, which aims to identify regions of interest of a given image, and in particular, focuses on its application on ultrasound images using the watershed algorithm. The thesis consists of three main parts: (i) preprocessing of the ultrasound images, (ii) the watershed algorithm, and (iii) postprocesssing the segmented images. Despite the technical advances in the clinical field, speckle noise continues to pose a challenge in the interpretation of ultrasound images. The first part of the thesis addresses this issue using preprocessing algorithms, namely; histogram equalization and median-based filters to reduce the speckle noise. This yields an initial improvement in the ultrasound image quality. Next, in the second part, the watershed algorithm is used on the filtered images to discover important regions. The algorithm works based on an analogy from geography where watershed lines separate catchment basins from each other, hence creating different segments. The algorithm is applied on both intensity values and local statistics which are based on mean and variance values. A well-known drawback of the watershed algorithm however is that it leads to oversegmentation. Therefore, in the third part, region merging algorithms are studied to overcome this issue. A novel region merging algorithm that incorporates several criteria is proposed. The criteria include the size (the number of pixels in a region), intensity (color values associated with each pixel) and statistical measures (such as variance and mean ratio). These algorithms include three parameters denoted as Tsize, Tincrement and Tmerge which are image dependent. Extensive tests run on a phantom cyst image and a clinical liver image. Our test results show that the numbers of regions for the cyst and liver images are reduced by about ~40 and ~50 times, respectively. Overall, we achieved a significant reduction in oversegmentation using a mixture of pre- and postprocessing. The results demonstrate the effects of each studied component; median-based filtering, watershed segmentation, and region merging.
SAR ADC'lerde kuantalama işleminde bozucu etkilerin analizi ve 50Vpp girişli 14bit 250kS/s SAR ADC ölçümü
Analog to digital converters are instruments that convert a physical quantity, a voltage or a current are the most common quantities in an electrical conversion scenario, to a digital value that represents the amplitude of the physical quantity with respect to a reference. Due to certain error factors, the digital value obtained after the conversion is not the perfect representation of the physical quantity. The design of an analog to digital converter integrated circuits requires the identification of these error factors and their optimization and minimization, and at the same time requiring the optimization of several other performance parameters such as power consumption, chip area and the number of external discrete components required. Reliable methods for characterizing and assessing the performance of analog to digital converters are required to verify and validate the design work. This study focuses on the successive approximation register type of analog to digital converter, in an analysis, design and measurement scenario. The operation principle of the successive approximation register analog to digital converter is analyzed and the primary error factors, stemming from the quantization operation, that deteriorate the performance from an ideal analog to digital converter are identified. The analysis is carried over to the design of a novel 50Vpp input range, with 14bit resolution 250kS/s SAR ADC. The SAR ADC and its operation is presented, with the previously identified error sources are correlated to the operation of the various circuit elements that make up the circuit. Finally, the measurement setup for the SAR ADC is presented. With the measurement setup, the SAR ADC is characterized and its performance parameters are extracted.
Stokastik hesaplamada hata oranlarını azaltmak için yeni yöntemler
Günümüzde hesaplama yapması için tasarlanan devreler küçük boyut ve düşük güç tüketimi gibi konuları dikkate alır. Üretim sürecindeki hatalar olasılıksal terimlerle ifade edilebilir. Bu nedenle bu hatalarla ilgili geleneksel olmayan yöntemler tercih edilmeye başlanmıştır. Stokastik hesaplama, bu geleneksel olmayan yöntemlerden biridir. Stokastik hesaplama, rastgele bit dizileriyle zamanda kesintisiz değerleri temsil eden teknikler topluluğudur ve ilk olarak 1953 yılında John von Neumann tarafından hazırlanan bir makale ile takdim edilmiştir. Bu kesintisiz değerler olasılıklar olarak değerlendirilir. Dolayısıyla geçerli aralık [0,1] aralığıdır. Stokastik hesaplama devrelerini gerçeklemek kolaydır (çarpma için tek bir VE kapısı). Diğer bir deyişle düşük maliyetli gerçeklemeler yapılabilmektedir. İlave olarak, tek bir bit değeri değişimi stokastik sayının temsil ettiği değerde küçük bir değişime neden olacaktır. Bir bit değeri değişimi gerçekleşirse temsil edilen değerin paydası 1 artacak veya azalacaktır. Stokastik hesaplamanın sahip olduğu etkileyici avantajların yanısıra dezavantajları da vardır. Bunlar temelde süre ve hata oranlarıdır. Aynı olasılık değerleri farklı permütasyonlarla da elde edilebileceği için beklenen sonuçlar her zaman elde edilemeyebilir. Bu durum hatalı bir değer elde edilmesine yol açabilir. Kısa bit dizileri için bu hata oranları oldukça yüksektir. Hata oranlarını azaltmak için, dizilerin uzunluklarının arttırılması gerekmektedir. Ancak, uzun bit dizileri işlem süresini arttırmaktadır. Stokastik hesaplama alanındaki araştırmalar hata oranlarını göz ardı etmektedir. Yüksek hata oranları stokastik hesaplamanın uygulama alanlarını daraltmaktadır. Bu problem bu tezi yazmada temel motivasyonumuz olmuştur. Çarpma ve ölçekli toplama stokastik hesaplamanın temel aritmetik işlemleridir. Çarpma giriş dizisinin uzunluğundan bağımsız olarak tek bir VE kapısı ile gerçeklenebilmektedir. Geleneksel yöntem ile uzun bit dizilerini çarpmak için fazla sayıda eleman içeren bir devre kullanılmalıdır. [0,1] kapalı aralığında kalma zorunluluğu olduğu için toplama işlemi stokastik hesaplamada kullanılamaz. Onun yerine ölçekli toplama tanımlanmıştır. Ölçekli toplama yapmak için çoklayıcı kullanılır. Stokastik devrelerde çıkış deterministiktir. Çünkü çıkıştaki değer, çıkış dizisinin içerdiği lojik 1'ler sayılarak elde edilir. Ancak, rastgele bit atama yönteminde girişler olasılıksaldır. Bu yüzden hata oranları bu yöntemde yüksek çıkmaktadır. Hata oranlarını azaltmak amacıyla girişlerin de deterministik olduğu rastgele bit karıştırma yöntemi önerilmiştir. Geleneksel stokastik hesaplamada Bernoulli dağılımına sahip bit dizileri birbirinden bağımsızdır. Bağımsız bit dizileri ile girişlerin tüm kombinasyonları için hatasız çıkış elde etmek mümkün değildir. Eğer giriş dizileri bağımlı hale gelirse beklenen çıkış değeri de değişir. Bağımlılık kullanılarak hatasız çıkışlar elde etmek mümkündür. Bir girişin değili ikinci giriş olarak uygulanırsa çıkışta 0 değeri elde edilir. Ayrıca iki girişe de aynı dizi uygulanırsa, çıkışta da aynı dizi elde edilir. Ancak çıkışta elde edilmesi beklenen değerler elde edilen değerler değildir. Bu bağımlılığın sonucudur. Bu tezde, ilk bölümde hata oranlarını azaltmak amacıyla, adını rastgele bit karıştırma yöntemi koyduğumuz yeni bir yöntem önerdik. Bu yöntem, stokastik hesaplamada geleneksel olarak kullanılan rastgele bit üreteçleri ile oluşturulan bit dizileri ile (bu yönteme de rastgele bit atama yöntemi adını koyduk), lojik kapılar ve bunlardan oluşan devreler kullanılarak hata oranları üzerinden karşılaştırılmıştır. İki yöntemin arasındaki fark giriş dizileri aynı değerleri temsil etse de dizilerin fiziksel olarak farklılık göstermesidir. Karşılaştırma yapmak için çeşitli giriş kombinasyonları ile hatayı veren iki ve üç boyutlu grafikler çıkarılmış, bit dizilerinin değişik uzunlukları dikkate alınmış, lojik kapılar için genel hata denklemleri oluşturulmuş, yazılımlar yardımıyla oluşturulan algoritmalar gerçeklenmiştir. Elde edilen veriler ışığında, önerilen rastgele bit karıştırma yöntemi, temel lojik kapılar için geleneksel yöntemden daha iyi hata oranları vermiştir. Bağımlılık kullanılarak hatasız çıkışlar elde etmek mümkündür sonucuna vardıktan sonra bağımlılığı kullanarak hatasız çıkış değerleri elde etmeye çalıştık. Bağımlılığı kullandığımız devre yapılarında rastgele bit karıştırma yöntemi kullanılmalıdır. Rastgele bit atama yöntemi ile hatasız sonuçlar elde edilemez. Giriş dizilerini iyileştirme çalışmalarından sonra devre yapısını iyileştirmeye çalıştık. 3. kısımda 0.5 ile hatasız çarpma yapan bir blok ve hatasız çarpma için iki yöntem önerdik. 0.5 ile çarpma bloğunu herhangi bir olasılık değerini hatasız elde etmek için uyarladık. Önerdiğimiz iki yönteme de bit bit kaydırma ve dizi klonlama yöntemi adını verdik. Bilgisayar programları ile yaptığımız simülasyonlarda önerdiğimiz bloğun ve yöntemlerin hatasız sonuçlar verdiğini doğruladık. 4. kısımda, çalışmamız sonucunda elde ettiğimiz sonuçları yorumladık ve gelecekte uygulanabileceği çalışma alanlarından da bahsettik.
Bir dairesel polarizasyonlu mikroşerit antende eksenel oran frekans bant genişliğinin mantar biçimli bir elektromanyetik bant aralığı yapısı ile artırılması
Bu çalışmada ISM 2.4 bandında çalışan dairesel polarizasyonlu bir mikroşerit antenin eksenel oran bant genişliğinin, etrafına yerleştirilen polarizasyon bağımlı mantar biçimli düzlemsel elektromanyetik bant aralığı yapıları ile artırılması hedeflenmiştir. Bilindiği üzere tek beslemeli mikroşerit antenlerin dairesel polarizasyon bant genişliği çok dardır. Eksenel oranın 3 dB'in altında kaldığı bant aralığı göz önüne alındığında bu bant genişliğinin yüzde 2-3 civarında olduğu görülmektedir. Çoklu besleme ve birden fazla eleman kullanımı gibi teknikler ile bant genişliği artırılabilse de bu yaklaşım, genellikle antenin besleme hattının karmaşıklaşması veya anten toplam boyutunun artması problemini beraberinde getirmektedir. Elektromanyetik bant aralığı yapıları, metamalzeme olarak adlandırılan yapay malzemelerin bir alt dalıdır. Mantar biçimli elektromanyetik bant aralığı yapıları ise daha özel bir kavramdır. Bu yapıların üst kısmı iletken bir şerit halinde kare, altıgen gibi düzgün bir geometrik şekle sahiptir. Yapının alt kısmı elektriksel iletken bir toprak yüzeyi ile kaplıdır ve yapının ortasında üst kısmı ile alt kısmını birbirine bağlayan iletken yollar bulunur. Bu yapılar, elemanlar arasındaki boşluk ve üst kısmı alt kısma bağlayan iletken yollar nedeniyle bir LC devresi ile modellenebilir ve rezonans devresi gibi davranır. Bu özelliği sayesinde bu yapıların yasak bant oluşturduğu bilinmektedir. Polarizasyon bağlımlı elektromanyetik bant aralığı yapıları ise dalganın farklı polarizasyonuna farklı tepkiler veren yapılardır. Mantar biçimli polarizasyon bağımlı yapılar ise genellikle üst iletkeninin şeklinin farklı polarizasyonlarda farklı tepkiler verecek şekilde dikdörtgen yapı olarak veya iletken yolun yerinin değiştirilmesi ile gerçeklenir. Bu şekilde farklı polarizasyonlu dalgaların göreceği endüktans değeri değişeceğinden rezonans frekansı da değişecektir. Bu tezde polarizasyon bağımlı elektromanyetik bant aralığı yapılarının uygun konfigürasyonda dairesel polarizasyonlu bir mikroşerit antenin eksenel oran bant genişliğini artırabildiği gösterilmiştir. Anten etrafına yerleştirilen 12 adet dikdörtgen şekilli mantar biçimli elektromanyetik bant aralığı yapısı sayesinde %2-3 civarında olan 3dB eksenel oran bant genişliği %6-7 civarına çıkarılmıştır. Bu da ISM 2.4 bandının tek beslemeli bir mikroşerit anten ile düşük profilli bir yapı kullanılarak kapsanması anlamına gelmektedir. Tasarımın boyutu, geleneksel kare yama antene göre bir miktar daha büyük olsa da bu bant genişliğini elde etmek için tasarlanan dizi yapılarından daha az yer kapladığı söylenebilir.
Seyreklik temelli sınıflandırmanın hiperspektral görüntülerde uygulamaları
Teknolojinin gelişmesine paralel olarak sayısal algılamada kullanılan sensörler de gelişmektedir. Ölçülen ve üretilen verilerin kullanılabilmesi için aynı oranda iletim hızının ve saklama kapasitesinin artması beklenmektedir. Ancak sensör teknolojileri hızla ilerlerlerken aynı kapasitede bu iki teknoloji gelişememektedir. Her yıl bir önceki yıldan yüzde 58 daha fazla veri üretilmektedir. Sıkıştırılmış algılama bu sorunu çözmek için geliştirilmiştir.Sıkıştırılmış algılama sinyalin elde edilmesinde ve geri çatılmasında kullanılan etkili bir sinyal işleme tekniğidir. Sıkıştırılmış algılama günümüzde önemli ve çok popüler bir sinyal işleme modeli olarak kullanılmaktadır. Uzaktan algılamada yeryüzü yüzeyinden alınan görüntüler bant çözünürlüklerine göre sınıflandırılabilmektedirler. Hiperspektral görüntüler yüzlerce dar banttan oluşurlar ve çok yüksek miktarda spektral bilgi içerirler. Hiperspektral görüntülerde yer alan daha fazla spektral bilgi alındığı bölgenin daha iyi karakterizasyonu yansıtmaktadır. Arazi örtüsünün tanımlanmasında, ayırt edilmesinde ve sınıflandırmasında doğruluğu ve gürbüzlüğü diğer görüntülere göre daha yüksektir. Sınıflandırma uzaktan algılanarak elde edilen görüntülerin yorumlanabilir haritalara çevrilmesini sağlayan geliştirme sürecidir. Ayrıca, sınıflandırma coğrafi bilgi biliminin görüntü işlemede en önemli yönüdür. Bu tez kapsamında hiperspektral görüntüler üzerine seyreklik tabanlı sınıflandırıcılar uygulanması üzerine çalışılmıştır. Hiperspektral görüntüler üzerinde seyreklik yaklaşımını kullanan iki farklı algoritma, destek vektör makineleri ve en yakın komşuluk algoritmaları koşturularak yüzey örtüleri sınıflandırılmıştır. Açık kaynak olarak sunulan dört farklı veri seti kullanılmıştır. Hiperspektral veri setleri içerisindeki her ayrı sınıftan yüzde 10 eğitim için seçilirken geriye kalan yüzde 90 veri seti ise test verisi olarak kullanılmıştır. Başarımlar, doğruluk haritalarına göre karşılaştırılarak; her sınıf için ayrı ayrı ve genel ortalamalarda hesaplanmıştır. Seyreklik yaklaşımını kullanan iki algoritma gerçeklenmiştir. Gerçeklenen algoritmalardan biri sadece seyreklik yaklaşımını kullanırken diğer algoritma seyreklik yaklaşımının yanında destek vektör makinelerini de (Support Vector Machines – SVM) kullanan hibrit bir tekniktir. Ayrıca, bu hibrit algoritmada spektral bilgiler yanında uzamsal bilgiler de kullanılarak sınıflandırma başarımı arttırılmaya çalışılmıştır. Klasik sayılabilecek destek vektör makineleri ve en yakın komşuluk yöntemlerinin başarım çıktıları ile seyreklik tabanlı sınıflandırıcıların başarımları karşılaştırılmıştır. Seyreklik tabanlı sınıflandırıcıların klasik yöntemlerden daha iyi sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. Seyreklik yaklaşımında uzamsal bilgilerin de kullanılmasıyla sınıflandırma başarımının daha da arttığı görülmektedir. Seyreklik tabanlı algoritmaların işlem karmaşıklığının yüksek oluşundan dolayı çalışma süreleri klasik algoritmalardan daha fazla olduğu gözlemlenmiştir.
Temel görüntü işleme algoritmalarının FPGA üzerinde gerçeklenmesi
Projede görüntü işleme algoritmalarının çoğunda uygulanan temel algoritmalar FPGA üzerinde alıştırılmıştır. Bu algoritmaların başında RGB gri dönüşümünün yapılması, sobel ve prewitt operatorleri, Gauss filtresi, LoG dönüşümü ve Canny kenar belirleme algoritmalarıdır. Buradaki algoritmalar diğer görüntü işleme algoritmalarının temelini oluşturması açısından önemlidir. Daha gelişmiş görüntü işleme algoritmaları çalıştırılırken önce bu algoritmalar uygulanır. Bu durum projede bu algoritmalarının konu olarak alınma amaçlarından biridir. Bu proje sonunda temel algoritmaların FPGA üzerinde çalışabildiği görülmüştür ve böylece bu tür algoritmaların üzerinde çalışabileceği bilgisayar dışında alternatif bir çalışma ortamının olduğu gösterilmiş oldu.
SAR ADC'nin davranışsal modellenmesi
During the last two decades, the usage of integrated circuits have been increased in modern electronic systems due to development of the process technology while offering low cost and high performance. Also it leads to powerful digital signal processing techniques that require an analog-to-digital converter (ADC) to communicate with analog world. Nowadays, ADCs (Analog to Digital Converters) become very popular with the increase of mixed signal applications in electronic. Moreover, energy consumption have been the most significant topic in the last decade. Amongst various ADC architectures, SAR (Successive Approximation Register) ADC becomes most common ADC architecture as it is suitable for low power, medium to high resolution and medium speed applications. Previously, Capacitive DAC array was the most critical block of SAR ADC, due to the matching of the elements in the DAC that determines the total noise contribution and linearity of SAR ADC. Developing technology gives an opportunity to implement the DAC with smaller area and better matching and as a result it is possible to reach higher resolution with SAR ADC. However other non-idealities of the blocks in SAR ADC must be taking into account to attain higher resolution together with high speed. The increase of transistor number in the circuit due to the development of process technology cause long transistor-level simulation time that can be take days to complete. However, Matlab or Simulink models offer fast and accurate results that can be used to determine design specifications or to investigate exist architecture. In this thesis, complete behavioral model of a two-step SAR ADC architecture is studied in Matlab Simulink environment to analyze non-idealities of capacitive DAC, comparator, opamp, clock signal and reference voltages by using charge equations that are derived to find transfer functions of the SAR-ADC. Since all block parameters are set as a variable, it is possible to use model for any Nbit SAR ADC architecture with small changes. Moreover the model shows promising results with respect to measurement results of the SAR-ADC that is also studied in the thesis. As a consequence, accomplished model is a powerful tool that helps to understand basic and complex behaviour of the SAR ADC and provides information about limiting factors for ADC in a short time period compared to transistor-level simulations.
Yükselme eğimi kontrollü farksal çıkış sürücüsü tasarımı
In the last two decades, usage area of integrated circuits have been gradually increased with the developments in the process technology. Moreover, Due to developments in process technology, the area of integrated circuit is reduced and digital blocks has been able to switch at high speeds. Although the switching activities is performed in the digital blocks of the integrated circuit, these activities may reveal an undesired noise which effects the performance of both analog and digital blocks in the integrated circuits. This noise is called as a simultaneous switching noise or inductive noise. The simultaneous switching noise increases depending on the frequency of switching activity and the amount of a current which sourced to a load. Various techniques is proposed to solve this phenomena up to the present. However, the proposed circuits provides solution for specific application and they can not create the desired effect for different load types. For instance, inductive loads cause an voltage spikes at the output signals when they are driven by a rapid current changes. This ringings reveal an distortion at the output signals, even they may reach the voltage levels which cause an permanent damage to the circuit In this study, an output driver structure, which is capable to drive low impedance load in a controlled manner, is discussed. The sensitivity to the simultaneous switching noise is reduced by adding a slew rate and amplitude control system to the circuit. Moreover, the circuit is optimized to drive inductive loads which is common element in the industrial applications. Proposed output driver is implemented with XFAB's 0.35 μm CMOS process with high voltage option. Drain terminal breakdown voltage of high voltage transistors is 10 V. Designed circuit consumes 52.8 mW in the high power mode and 33 mW in lower mode under typical conditions. These values does not represents the power which is transferred to the load. The current transferred to the load is maximum 200 mA in the high power mode and maximum 100 mA in the low power mode. Total area of the chip is 2x2.45 mm 2 and it consists two output drivers which are independent from each other.
Otonom robot ve kontrol birimi tasarımı
Mobil robotlar günümüzde tarım, mayın tarama, askeri uygulamalar, uzay araştırmaları ve insanların erişemediği veya nükleer santraller gibi insanlara zararlı ortamlarda kullanılmaktadırlar. Ancak bu robotların bazıları bir operatörden bağımsız olarak, diğer bir deyişle otonom olarak çalışmaktadırlar. Dünyada çeşitli alanlarda kullanılmak üzere otonom robot geliştirmek için bir yarış vardır. Bu tezde çeşitli alanlarda kullanılmak üzere (öncelikli olarak tarım alanında) otonom robot ve kontrol ünitesi tasarlanmıştır ve gerçekleştirilmiştir. Projede tasarım yapılırken modülerlik, düşük maliyet, yerli üretime katkı, çevre şartlarına uygunluk ve özgünlük özelliklerine sahip bir robot tasarlanmaya çalışılmıştır. Robotun kontrol ünitesinin robotun taşıyıcı platformundan bağımsız olmasına dikkat edilmiştir. Çünkü projede kullanılan platformun amaca ve kullanılacağı araziye uygun olarak değiştirilebilmesi istenmektedir. Tasarlanan kontrol ünitesi içinde batarya kontrol sistemi, bütün sensör verilerini işleyen, diğer kartlarla haberleşen ve robotun motorlarını süren bir ana kart ve görüntü işleme görevlerini yerine getirebilecek olan bir mini bilgisayar bulunmaktadır. Ana kart açı ve konum sensörleri, mesafe sensörleri, tekerlek hızını ölçen sensörler ve diğer kartlardan bilgiler alarak robotun tekerleklerini motor sürücü vasıtasıyla sürmektedir. Robot platformu altı tekerlek ve alüminyum bir iskeletten oluşmaktadır. Her tekerlek ayrı bir motor tarafından sürülmektedir. Robot kızaklı yönlendirme metodunu kullanarak hareket etmektedir. Yani robotun sağ üç motoru ayrı, sol üç motoru ayrı kontrol edilmektedir. Kızaklı yönlendirme metodu, diferansiyel yönlendirme metoduna çok benzemektedir. Robotun küçük ve modüler olması istendiği için robot tasarımı üç ayrı seviye halinde yapılmıştır. İlk seviyede robotun iskeleti, motorları ve bataryaları bulunmaktadır. Birinci seviyeye araç geliştirilirken değişiklik yapılması istenmeyen parçalar yerleştirilmiştir. Ayrıca birinci seviye, platforma özgü bir seviyedir. Birinci seviye paletli, dört tekerlekli, altı tekerlekli bir platform olabilir. Hatta diferansiyel yönlendirme ile kontrol edilebilen bir deniz aracı bile olabilir. İkinci seviyede, robot için tasarlanmış olan kontrol ünitesi bulunmaktadır. İkinci seviye için kısaca robotun beyni denilebilir. Üçüncü seviyede ise amaca uygun parçalar bulunmaktadır. Örneğin, aracın açık arazilerde otonom hareket etmesi istendiği için üçüncü seviyeye açı ve konum sensörleri eklenmiştir. Üçüncü seviye, gelecekte robota dahil edilebilecek birimlerin ekleneceği seviye olarak tasarlanmıştır. Sonuç olarak, çeşitli amaçlara uygun olan bir otonom mobil robot ve kontrol ünitesi tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Şu anda robot manuel kontrol ve merkez ile haberleşme görevlerini yerine getirmektedir. İlerleyen çalışmalarda görüntü işleme ve kontrol yöntemleri uygulanarak robotun otonom hareket etmesi sağlanacaktır. Robotun ilk olarak tarım alanlarındaki ürün sıraları arasında otonom hareket edebilmesi için açı, konum ve mesafe sensörlerinden aldığı bilgileri, görüntü işleme kartından gelen bilgiler ile birleştirmesi hedeflenmektedir.
Bir geniş bantlı mikrodalga güç yükseltecinin doğrusal olmayan eleman modeli kullanılarak tasarlanması
Yüksek lisans tezi olarak gerçekleştirilmiş olan bu çalışmada, tasarım adaımlarındaki tüm detaylara yer verilerek yapılan bir örnek tasarım üzerinden, genişbandlı bir güç yükselteci tasarım metodolojisi sunulmuştur. Çalışma başlığında da yer alan doğrusal olmayan bir eleman modeli, çalışmanın çıkış kaynağı olarak düşünülebilir. Çünkü bu türden, doğrusal olmayan bir elemanın davranışını modellemek, lineer denklem sistemleriyle mümkün olmamakta ve çoğu optimizasyon algoritmalarıyla tasarım kriterlerine uygun başarımlar elde edilememektedir. Davranışı doğrusal olmayan eleman içeren böyle bir tasarımın bir de genişbandlı olması istendiğinde durum iyice karışacak, ortaya çıkan denklem takımları çözülemeyecek bir hal alacak ve optimizasyon algoritmaları ile sonuca yakınsamak neredeyse imkası hale gelecektir. Bu nedenle çalışmada böyle bir tasarımın yapılması, bilgisayar destekli tekniklerle ele alınmış, tasarım adımları adım adım izah edilerek doğrusal olmayan bir transistör modeli içeren, oldukça geniş bandlı bir mikrodalga güç yükselteci tasarımı yapılmıştır. Tasarımı yapılan devrenin üretime elverişli hale getirilmesi ve serim sonrası simülasyonlarına yer verilerek ayrıca tasarım sonrasında devre elamanı olarak üretici eleman modelleri kullanılarak devrenin performansı gerçeğe en yakın şekilde analiz edilmeye çalışılmıştır. Tasarım sonucu gözlemlenen simülasyon sonuçları oldukça tatmin edici nitelikte çıkmıştır. İdeal ve serim tasarımı tamamlanan devrenin daha sonra prototip üretimi de tamamlanıp testlere tabi tutulmuş ve elde edilen ölçüm sonuçlarına da yer verilmiştir. Ölçüm sonuçları henüz kısıtlı imkanlar nedeniyle bir takım eksiklikler içerse de elde edilen bulgular devrenin düzgün bir şekilde çalıştığını göstermektedir. Devrenin ölçümleri devam etmektedir. Tasarım aşamalarından önce genel olarak doğrusal olmayan eleman modelleri ve elde edilme yöntemlerinden de kısaca bahsedilmiştir. Ayrıca güç yükselteçleri hakkında ve tasarım parametreleri ve tasarımda kullanılan yöntemlere de değinilmiştir. Yine yükselteç devrelerinde sıkça kullanılan uyumlaştırma devre türleri ve bunların tasarım yöntemlerinden de kısaca bahsedilmiş, tasarım adımlarında anlatıldığı üzere bu uyumlaştırma türlerinden farklı basamaklarda farklı problemlerin çözümünde faydalanılmıştır. Doğrusal olmayan davranış sergileyen bir eleman içeren genişbandlı bir güç yükseltecinin tasarımı her ne kadar bir örnek üzerinden anlatılmışsa da, uygunan yöntemler genelleştirilebilir niteliktedir ve paylaşılan bilgilerin doğrusal olmayan eleman içeren devre, özellikle güç yükselteci tasarımcıları için faydalı olacağı ümit edilmektedir.
Baskılı devre teknolojileri kullanılarak PSA test cihazı tasarımı
Printed circuit boards are such plates made of different insulating materials that they feature copper lines on the surface in order to integrate electronic circuit elements and contain holes coated inside with conductors between the surfaces. Those having only single surface can be produced unprofessionally using flat iron whereas those with multilayer require professional installations. Pcbs designed and manufactured employing the old technologies are so big and correspondingly enlarge physical dimensions of the devices designed.Multilayer printed circuit boards allow us to design cards in small dimensions. Placing electronic component both on upper and lower layers ensures flexibility in design. It is also possible to create capacitive effect inside the inner layers of high density cards. This offers an opportunity to reduce number of capacities occupying excessively more space in design. Transition holes coated inside with conductors must not develop a short-circuit with the copper lines of other layers. In order to prevent this, printed circuit board manufacturers developed such conceptions as blind and embedded holes. Blind hole is the one that starts from the uppermost or lowermost layers, advance several layers and end there. Embedded hole is a conducting hole that starts from one inner layer and extends to another, and can be interfered in no way. Embedded holes, as in the case of blind holes, also provide flexibility in design.Bisens device, is a medical device that can determine pathogenic microorganisms, identify toxin, and detect biosign of cancer. In this dissertation PSA test device's mainboard was redesigned by using new pcb technologies.Rigid, double sided pcb made of through holes has been designed previous version of the mainboard. Old technology employed in the production of printed circuit boards and choice of big components and footprints caused the printed circuit board to become excessively large, and in turn, device enclosure became bigger. As a result, a prototype product much bigger than it was thought it would be, was obtained. Aim was to reduce printed circuit board size, introducing improvements in the mainboard of the medical device mentioned in this thesis study. Multilayered blind holes have also been employed in this design for such purposes.
Ortodontik seramik braketlerin laser ile sökülmesinin incelenmesi
Diş hekimliğinin bir bölümü olan ortodonti diş çapraşıklıkların düzeltilmesini, çene ve yüzdeki iskeletsel bozukluklarını önlenmesini sağlayan bilim dalıdır. Geleneksel ortodontik tedavide ortodontik braketler asit ile pürüzlenen diş minesine yapıştırılır ve tedavi süresince teller sabitlenerek iyileşmelerine yardımcı olur. Braketler metal, plastik veya seramik malzemeden olabilirler. Ortodontik seramik braketler estetik açıdan beklentileri karşıladığı için metal braketlere göre, çabuk deformasyona uğramadıkları için ise plastik braketlere göre daha avantajlıdır. Ancak seramik braketler yapılarından dolayı diş yüzeyine kolayca tutunamazlar bu yüzden tutuculuk özelliğini arttırmak için mine yüzeyinin daha fazla pürüzlendirilmesi gerekmektedir. Bu işlemlerden dolayı seramik braketlerin sökümü için daha fazla çekme kuvvetine ihtiyaç duyulur. Bu çalışmada yapıştırıcı olarak kimyasal olarak polimerize Bis-GMA adeziv rezin kullanılmıştır. Adeziv rezinin yapıştırılması geleneksel (üç basamaklı) total-etch sistemidir. Bu sistem sırası ile asitle dağlama, primer (sealant) ve adeziv rezin uygulanmasından oluşur. Tedavi bitiminde seramik braketlerin mine yüzeyinden çıkarılması gerekir. Bunun için çeşitli metodlar vardır. Geleneksel yöntemlerde braket mine yüzeyinden pens yardımıyla kanırtılarak çıkarılır. Bu işlem esnasında uygulanan kuvvetten dolayı mine yüzeyi geri dönüşümü olmayacak şekilde zarar görür. Ayrıca kanırtılarak yapılan söküm işlemi uzun sürer. Bu yönteme alternatif olarak birçok yöntem geliştirilmiştir. Bunlardan biri laserlerdir. Laser ile söküm metodu için birçok farklı dalga boyu ve parametreler denenmiştir. Laser enerjisinin ısıl etkisinden dolayı braketi mine yüzeyine bağlayan adeziv rezinin bağlayıcı kuvvetini azaltarak işlemi kolaylaştırmaktadır. Braketlerin koparılma esnasında daha az kuvvet uygulanacağından diş minesinde oluşacak tahribat azalacaktır. Çalışmada kullanım kolaylıklarından ve taşınabilir boyutlarından dolayı 980 nm Diyot Laser, 1470 nm Diyot Laser ve 1940 nm Thulium Fiber Laser kullanılmıştır. Bu üç farklı dalga boylarındaki laserler ile farklı parametrelerde braketlerin sökme işlemleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın amacı mine hasarının minimum seviyede kalmasını sağlamaktır. Birçok avantajının yanı sıra laserlerin en büyük dezavantajı, ışıma sonucu dişte oluşan ısının canlı pulpa dokusuna zarar verecek sıcaklık artımı yaratmasıdır. Bu yüzden yapılan çalışmada pulpada oluşan sıcaklık değerleri K-Tipi ısıl çiftler ile gözlemlenmiştir. Çalışmanın sonucunda 980 nm ve 1470 nm dalga boylarındaki ışımaların ortodontik seramik braketlerin sökülmesinde etkili olmadığı görülmüştür. Buna karşın 1940 nm dalga boyundaki 3 W gücünde 2,6 sn'lik ışıma uygulandığı takdirde seramik braketin kopması için gereken kuvvet anlamlı olarak azalmış; ayrıca pulpa odasındaki sıcaklık artımı 5,5 C'lik güvenli eşik değerini aşmamıştır. Buna ek olarak çalışmada braketin yüzeyden kopartılması için geçen süre hesaplanmış ve bu grubun kontrol grubundan anlamlı olarak düşük çıktığı gözlemlenmiştir. Yüzey incelemeleri ardından çoğu grupta arta kalan adeziv materyali kontrol grubuna yakın değerlerde çıkmıştır.
Üstel fonksiyon için yeni bir yaklaşım kullanarak CMOS kazancı ayarlanabilir kuvvetlendirici tasarımı
Kazancı ayarlanabilir kuvvetlendiriciler, geniş dinamik aralık gerektiren uygulamalar açısından vazgeçilmez bir unsurdur. Kontrol işlemi, geniş dinamik aralık söz konusu olduğunda üstel fonksiyonların kullanımını zorunlu kılar. Bu sebeple günümüzde bu yapıların tasarımında üstel fonksiyonların kullanımı ön plana çıkmaktadır. Fakat modern teknolojilerde geniş dinamik aralığı ihtiyacıyla birlikte yüksek frekans, düşük güç tüketimi, düşük gürültü, küçük kırmık alanı gibi ihtiyaçlar da söz konusu olduğu için tasarım yöntemleri, kullanılan teknolojiler ve kullanılan bloklar farklılaşmaktadır. Bu çalışmada, 0.18mm CMOS teknolojisi kullanılarak bir kazancı ayarlanabilir kuvvetlendirici tasarlanmıştır. Elektronik sistemlerde işaretlerin algılanması veya işlenmesi için gerekli ihtiyaçlardan biri de işaretin bloklar arası geçişi sırasında uyumluluk sağlanmasıdır. Kabaca işaret uyumlaması ihtiyacı iki genel durumda ortaya çıkar; bunlardan ilki, tasarımcının bir giriş işareti seviyesini uygulanacak elemanın giriş aralığına uyumlamasını gerektiren durumlardır, ikincisi ise, tasarımcının çeşitli kayıpların yerini doldurmak için giriş değerini sabitleme ihtiyacı olduğu durumlardır. Kazancı ayarlanabilir kuvvetlendiriciler bu ihtiyaca yönelik tasarlanmış devrelerin temelini oluşturan yapılardır. Genel anlamıyla, kazanç değerini elektronik olarak ayarlayarak işaret uyumlaması yapan kuvvetlendiricilerdir. Kazanç değerini ayarlama işlemi için kullanılan yöntemler; geniş kontrol aralığı, geniş frekans aralığı, yüksek doğruluk, yüksek hız gibi uygulama alanına yönelik ihtiyaçlara göre farklılık göstermektedir. Kazancı kontrol eden yapıların temelleri Gilbert tarafından 1968 yılında yapılmıştır. Daha sonra, "ayarlanabilir kazanç kontrol hücresi" adlı bu devreler Willy Sansen tarafından geliştirilerek bugünkü topolojilerin ilk örnekleri gerçeklenmiştir. Bu çalışmalar akım yönlendirme yöntemi kullanılarak bipolar transistörlerle tasarlanan kuvvetlendirici yapılarıyla oluşturulmuştur. 80'li yıllarda BiCMOS teknolojisi, 90'lı yıllarda da CMOS teknolojisi ile kazancı ayarlanabilir kuvvetlendirici örnekleri ortaya çıkmıştır. CMOS teknolojisinin kullanımıyla birlikte matematiksel gerekliliklerden dolayı yeni kontrol yöntemleri önerilmeye başlanmıştır. Dolayısıyla kazancın üstel fonksiyon yaklaşıklıklarıyla kontrol edilmesi yöntemi de bu dönemlere denk gelmektedir. Öte yandan günümüzde en çok tercih edilen yöntemlerden olan sözde üstel fonksiyon yaklaşımının ilk örnekleri 1995 yılında Harjani tarafından önerilmiştir. Bu çalışmada, kazancı ayarlanabilir kuvvetlendiricilerin çalışmasının anlaşılması için literatürdeki kazanç ayarlama yöntemleri incelenip, sınıflandırması yapıldıktan sonra bu yöntemlerden biri olan sözde üstel fonksiyon yaklaşımı yöntemi için geniş frekans aralığı ihtiyacı gözetilerek yeni bir üstel yaklaşım önerilmiştir. Gerçeklemek üzere kazancı ayarlanabilir kuvvetlendirici yapısı tasarlanarak, gerekli analizler yapılmıştır.
Salt aktif süzgeçler
Bugüne kadar "salt aktif süzgeçler" başlığı altında yapılan birçok devre, kompanze edilmiş işlemsel kuvvetlendirici ve OTA elemanları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. İşlemsel kuvvetlendiricinin kompanzasyonu için kullanılan kapasitenin pasif bir eleman olması nedeniyle, şimdiye kadar literatürde sunulan devrelerin "salt aktif" tanımına tam olarak uygun oldukları söylenemez. Bu çalışmada harici veya tümdevre kapasitelerinin hiçbirisi kullanılmadan sadece aktif elemanların iç kapasiteleri kullanılarak süzgeç devrelerinin nasıl gerçekleneceği ortaya konulmuştur. Temel analog işaret işleme yapı taşlarından olan aktif süzgeçlerin tümdevre gerçekleştirilmesindeki en önemli sorunlardan biri, tümdevre kapasitelerin kırmık üzerinde kapladığı alandır. Bu olumsuz durum daha büyük zaman sabitli, daha büyük değerli kapasite kullanımını gerektiren alçak frekans süzgeçlerinde daha da kritik hale gelmektedir. MOS transistorun geçit kapasitesinin kapasite yoğunluğu, poli arası veya poli metal arası tümdevre kapasitelerinin yoğunluğuna göre daha büyük olmaktadır. Ayrıca gene MOS geçit kapasitesi, tümdevre kapasiteleri kadar doğrusal davranışa sahiptir. Bu tezde, tümdevre süzgeçlerinin kırmık üzerinde daha düşük alan kaplayarak gerçeklenmesi amacıyla, bunların tümdevre kapasiteleri yerine MOS geçit kapasiteleri kullanılarak nasıl gerçeklenebileceği ve bu gerçeklemelerin getireceği avantajlar ortaya konulmuştur. Bu doğrultuda harici pasif eleman kullanmadan istenilen süzgeç fonksiyonunu gerçekleyen salt aktif süzgeçlerin gerçeklenmesine yönelik yeni devre topolojileri önerilmiştir. Bu elde edilen devrelerin, harici pasif elemanlar ile gerçekleştirilen devrelere göre tümdevre üzerinde daha düşük alan kapladığı görülmüştür. Öte yandan, tezde verilen salt aktif süzgeçlerin sentezinde MOS transistorun en büyük iç kapasitesi olan geçit kapasitesi kulllanılmış olduğundan, dinamik davranışları parazitik kapasitelerin etkilerden daha az etkilenmekte, bunlar klasik süzgeçlere göre yüksek frekanslı çalışmaya çok daha uygun olmaktadırlar. Tezin ikinci bölümünde, düşük frekanslı süzgeçlerin tümdevre üzerinde kapladığı alanı düşürmek amacıyla dört farklı devre tasarım teknikleri önerilmiş, ve tümleştirilebilen düşük frekanslı süzgeç devreleri elde edilmiştir. Bu doğrultuda çok geniş bir frekans bölgesinde ayarlanabilen temel süzgeç fonksiyonlarını gerçekleyen devreler elde edilmiştir. Önerilen yöntemler sayesinde büyük boyutlu transistorlar kullanmaya ihtiyaç duymadan, 1.8MHz'lik integratör tabanlı bant geçiren salt CCCII süzgeç devresi, 3MHz'lik birinci derece salt MOSFET tümgeçiren devre ve 24MHz'lik ikinci derece bant geçiren süzgeç devreleri elde edilmiştir. Benzetim sonuçlarıyla da bu devrelerin uygulanabilirliği gösterilmiştir. Önerilen devre tasarım teknikleri kullanılarak gerçekleştirilen salt aktif süzgeçlerin etkin kullanım alanına sahip olduğunu göstermek için, 4MHz'lik birinci derece tümgeçiren süzgeç devresi önce harici kapasiteler kullanılarak MOSFET-C süzgeci olarak, daha sonra tezde önerilen yöntemlere uygun olarak salt MOSFET süzgeci olarak gerçeklenmiştir. Devrelerin serimleri çizilmiş ve önerilen yöntem sayesinde %81 oranında bir alan tasarrufu sağlandığı gösterilmiştir. Sadece düşük frekanslı çalışma için kullanılan yöntem sayesinde değil, salt aktif yapıdaki devrelerin kullanılmasıyla da alan tasarrufu sağlanmıştır. 37MHz'lik kesim frekansındaki devre için de %40'lık bir alan tasarrufu sağlanmıştır.
Primer ve sekonder yapılar kullanılarak proteinlerin fold düzeyinde sınıflandırılması ve motif çıkarımı
Proteins are crucial molecules in biological phenomena because they form much of the functional and structural machinery in every cell in organisms and their function is determined by their spatial structures. Protein structures can be described at various levels in detail, ranging from atomic coordinates, through vector approximations, to secondary structure elements. Protein structure comparison is an important issue that helps biologists understand various aspects of protein function and evolution. It is commonly believed that the 3D fold has a major effect on the ability of a protein to bind other proteins or ligands. The similarity analysis of protein structure is therefore an important process in understanding the protein's role in the machinery of life. Comparison of protein structures is also essential for estimating the evolutionary distances between proteins and protein families. Protein fold classification is also an important problem in bioinformatics and a challenging task for machine-learning algorithms. According to convention a protein could be classified into one of four structural classes based on its secondary structure components; all-α, all-β, α/β, α + β. Structural Classification of Proteins (SCOP) provides a detailed and comprehensive description of the structural and evolutionary relationships among all proteins whose structures are known. According to SCOP four structural classes are divided into folds. Protein fold classification problem is to determine that the query protein belongs to which fold. In this thesis we deal with two problems related to proteins; protein fold classification and structural block comparison (motif retrieval). Proteins are formed by two basic regular 3D structural patterns called secondary structures; helices and strands. A structural motif is a compact 3D protein structure referring to a small specific combination, which appears in a variety of molecules. In this thesis, primarily protein fold classification problem is employed. For the classification of protein folds, neural network based three methods are used; Grow and Learn (GAL) network, Self-Organizing Maps (SOM) and Self-Organizing Maps for Structured Data (SOM-SD). For GAL and SOM primary protein structures are used, on the other hand for SOM-SD secondary protein structures are used. Firstly GAL method is used to classify the protein folds. Here, six attributes which are physicochemical features of amino acids (amino acid composition, predicted secondary structure, hydrophobicity, normalized van der Waals volume, polarity and polarizability) are used as features. A number of proteins are selected from Protein Data Bank (PDB). Then, 27-class protein fold classification problem is tried to be solved with this method. To increase the success rate one-versus-others (OvO) prediction method is used. Secondly SOM is used to classify the protein folds. Features and proteins in the previous method are used also in here. As in the previous method, OvO method is applied for performance evaluation. Thirdly SOM-SD method is used for protein fold classification. While using SOM-SD, Protein Gaussian Image (PGI) representation of proteins is used as feature. PGI is a representation in the Gaussian sphere in which each secondary structure is mapped with a unit vector from the origin of the sphere having the orientation of the secondary structures. The chain sequence of secondary structures is recorded as a list which is mapped on the sphere surface. To test this method the dataset including three folds with 45 proteins (15 proteins in each fold) from PDB is used. To determine the effectiveness of the attributes some tests were made using GAL. Firstly, only C (amino acid composition) attribute was used to be contained in the feature vectors. Then S (predicted secondary structure) attribute was appended to C, so C+S was used to be the elements of the feature vectors, progressively in the last set all six attributes were used and tested by using GAL. The test results showed that the most important attribute is the amino acid composition. This attribute has a good performance even tested alone. Besides in here, for reducing dimension of the feature vector without changing success rate divergence analysis was applied. This analysis calculates divergence values of the features and put them in order according to their importance. After this analysis the most significant 30, 40, 50 and 60 features were determined and they were tested with GAL. The results related to protein fold classification problem showed that proteins are classified according to their folds with a good precision and the results are comparable to the existing methods in the literature. In this thesis after protein fold classification problem, motif retrieval problem is handled. Here, a particular motif is retrieved from a particular protein using structural block comparison. To do this, three methods based on Generalized Hough Transform (GHT) are used. The first method uses single secondary structure, the second one uses secondary structure couple co-occurrences and the third one uses secondary structure triplets. For all three methods the barycenter (geometric mean) of the motif is assigned as Reference Point (RP) and in order to determine this point a mapping rule is figured out. Then, voting process is applied and the point having maximum number of votes is assigned as the candidate RP. For the test, a few proteins selected from PDB are used and the test results showed that the RP is determined with a good precision and the motif is retrieved from the protein with expected number of votes.
Küçük uydular için X bant GaN SiC-HEMT F sınıfı yüksek verimli güç kuvvetlendiricisi tasarımı ve RF güç fetleri için faz ile genlik duyarlığı analizi
Uzay yarışının başlamasıyla birlikte insan yapımı uydular üzerinde yapılan çalışmalar, gelişen teknolojinin bütün imkanlarından faydalanarak daha da artan bir hızla devam etmektedir. Disiplinler arası çalışmanın en güzel örneklerinden birisi olan uydularda, haberleşme sistemleri önemli bir yere sahiptir. Uydulardan veri alınması, bir uydunun çalışmaya devam ettiğinin en önemli kanıtıdır. Uyduların dünya ile tek bağının telsiz iletişim sistemi olması, uydu haberleşme sistemini uydunun en önemli elemanlarından birisi yapmaktadır. Günümüzde uydu teknolojileriyle ilgili çalışmalar küçük uydular sayesinde daha küçük bütçeler ile yapılabilir hale gelmiştir. Küçük uyduların düşük fırlatma maliyeti ve kısa sürede tasarlanabiliyor oluşu, küçük uyduların üniversitelerde tasarlanabilir seviyeye gelmesini sağlamıştır. Gelişen elektronik, makina ve malzeme bilimleri sayesinde küçük uyduların yetenekleri de artmış, bu sayede uzayla ilgili birçok bilimsel çalışma da küçük uydular ile yapılabilir hale gelmiştir. Bilimsel araştırmalara ek olarak firmaların tasarladığı cihazlar da düşük maliyetlerinden dolayı küçük uydular ile denenmeye başlamıştır. Küçük uydular maliyet, tasarım ve fırlatmada kolaylık sağlasa da iki önemli sorunu da beraberinde getirmektedir: Yüksek hızda hareket etmeleri sonucu dar bir iletişim penceresine sahip olmaları ve kısıtlı yüzey alanı sebebiyle enerji üretiminin de sınırlı olması. Küçük uydular, alçak yörünge olarak adlandırılan 400-2000 km aralığında yörüngeye oturtulmaktadır. Dünyaya yakın şekilde konumlandırıldıkları için dünya etrafında dönüş hızları da çok yüksek olmaktadır. Dünyaya olan uzaklığına bağlı olarak yaklaşık 7,5 km/saniye hızlarla hareket eden küçük uyduların ufuktan görünmeye başlamasıyla birlikte uydudan veri alınmaya başlanmaktadır. Ancak çok hızlı hareket etmelerinden dolayı veri aktarım süresi kısa olmaktadır. Birkaç dakikalık bu süre içerisinde iletişim hızından dolayı iletilmesi gereken verinin tamamını aktarmak mümkün olamayabilmektedir. Dar iletişim penceresi sebebiyle daha kısa sürede daha yüksek hızda veri gönderilmesi ihtiyacı doğmaktadır. Yüksek veri hızlarına erişebilmenin bir yolu bant genişliğinin arttırılmasıdır. Artan bant genişliği, daha yüksek frekanslı bir taşıyıcı işaret kullanımı ihtiyacını beraberinde getirmektedir. İletişim hızını arttırmanın bir diğer yolu da modülasyon türünü değiştirerek daha fazla sembol iletimi sağlayacak yapıların tercih edilmesidir. Ancak modülasyonun daha karmaşık hale getirilmesi elektronik devrelerin de buna uygun tasarlanmasını zorunlu hale getirmektedir. Özellikle çıkışta bulunun yüksek güçlü kuvvetlendiricilerin doğrusal olması gibi önemli ihtiyaçlar, tasarımcı açısından önemli kısıtlar getirmektedir. Küçük uyduların hacmi küçük olduğu için uydunun yüzey alanı da küçük olmaktadır. Bu nedenle uyduya yerleştirilebilecek güneş paneli sayısı da sınırlanmakta, daha az enerji üretimine sebep olmaktadır. Bu kısıt da daha verimli ve daha küçük boyutlu devreleri tercih edilir hale getirmektedir. Bu tez çalışmasında, küçük uydularda kullanılabilecek X bantta çalışan bir yüksek güçlü kuvvetlendirici tasarımı sunulmuştur. Tasarlanan kuvvetlendiricinin veriminin yüksek olmasına, boyutunun küçük olmasına ve uzay ortamına dayanıklı malzemelerden üretilmesine özellikle odaklanılmıştır. Yüksek güçlü ve yüksek frekanslı kuvvetlendiriciler HEMT yapılı devre elemanlarıyla gerçeklenebilir durumdadır. GaN SiC-HEMT aktif elemanı diğer RF güç transistörlerine göre daha yüksek sıcaklıkta çalışabilmektedir. Ek olarak daha yüksek gerilimde çalışabildiği için daha yüksek güç sağlayabilmektedir ve empedansı da yüksek olduğu için tasarım açısından kolaylık sağlamasından dolayı bu tez çalışmasında tercih edilmiştir. SiC üzerine yapılan GaN alan etkili transistörlerin bu üstünlükleri, GaN transistörleri uzay uygulamalarında da daha çok tercih edilir hale gelmesini sağlamıştır. Harmoniklerin uygun sonlandırımıyla güç kuvvetlendiricilerinde verimin arttırılabildiği bilinen bir gerçektir. Bu tez çalışmasında, AB sınıfı kutuplama sayesinde yüksek kazanç sağlaması, gerilim/akım şekillendirme tekniği sayesinde daha yüksek çıkış gücü sağlaması ve devre karmaşıklığının az oluşundan dolayı F sınıfı kuvvetlendirici yapısı tercih edilmiştir. Yapılan analiz ve benzetimlerde ilk 3 harmoniğin uygun sonlandırılmasının devreden beklenilen verimi sağlayacağı görülmüştür. Çıkış katında 2. harmonik kısa devre, 3. harmonik de açık devre olarak sonlandırılmıştır. Giriş katında ise 2. ve 3. harmonikler kısa devre olarak sonlandırılmıştır. Devre tasarımında olabildiğince az sayıda ayrık devre elemanı kullanılmasına dikkat edilmiştir. Bu sayede devre elemanlarından kaynaklı sapmaların azaltılması hedeflenmiştir. Devrede uzay şartlarına dayanıklı SMA dişi tip konnektörler kullanılmıştır. Tasarım ilk olarak transistörün doğrusal olmayan modelinin kullanılan bilgisayar destekli yazılım aracına uygun şekilde yüklenmesi ile başlamıştır. Yüklenen transistör modelinin uygun şekilde çalıştığı doğrulandıktan sonra tasarıma başlanmıştır. Tasarımın ilk aşamasında giriş ve çıkış katındaki harmonik sonlandırıcı devreler tasarlanmıştır. Daha sonra yükle-çek (load-pull) analizi yapılarak giriş ve çıkış empedansı belirlenmiştir. Bu empedans değerlerini sağlayacak empedans uydurucu devrelerin de tasarlanmasıyla devre tasarımı tamamlanmıştır. Devrede ağırlıklı olarak mikroşerit devre elemanı kullanıldığı için ve devre boyutu da küçük olduğu için mikroşerit hatların birbirleriyle olan etkileşimlerini ve süreksizlik etkilerini daha doğru analiz edebilmek için elektromanyetik benzetimler de yapılmıştır. Devrede gerekli düzeltmeler ve ince ayarlar yapılarak devrenin istenilen elektriksel özellikleri sağlamasının ardından devrenin üretim aşamasına gelinmiştir. Serimi hazırlanan devrede taban üzerindeki bakır hatlar altın ile kaplanmıştır. Giriş ve çıkış katı olarak 2 ayrı parça halinde üretim yapılmıştır. Giriş ve çıkış devre kartları, kullanılan taban esnek olduğu için fiziksel şekil bozulmasını önlemek için pirinçten yapılmış taşıyıcı panellere sabitlenmiştir. Bu taşıyıcı metaller ve transistör de pirinçten yapılmış ekranlama işlevi görecek olan bir metal kutuya yerleştirilmiştir. Montaj işlemlerinin tamamlanmasının ardından ilk olarak kararlılıkla ilgili analizler yapılmıştır. Farklı kutuplama değerleri altında osilasyon olup olmadığı incelenmiştir. Akım-gerilim eğrileri çıkartılarak transistörün doğru akım altındaki davranışı incelenmiştir. Devrede kararlılık ve doğru akım açısından bir sorun olmadığı görüldükten sonra devrenin küçük işaret altındaki davranışı incelenmiştir. Kazanç ve yansıma değerleri incelenmiş, benzetimler ile karşılaştırılmıştır. Benzetimler ile büyük fark olmadığı görüldükten sonra güç kazancı, çıkış gücü ve verim ölçümüne geçilmiştir. Devre üzerinde yapılan ince ayardan sonra ölçülen en yüksek güç eklenmiş verim (PAE) 8.1GHz'de 27dBm giriş gücü ile % 52.1 olmuştur. Aynı frekans ve giriş gücünde çıkış gücü 36.6dBm (~4.5W) olarak ölçülmüştür. %50 ve üzeri verim için bant genişliği yaklaşık 300MHz'dir (7.9-8.2 MHz) ve kazanç da 9-10 dB arasındadır. Kuvvetlendirici 37dBm (5W) çıkış gücü sağlayabilmektedir. Güç kuvvetlendiricileri doğrusal olmayan bölgede çalıştırıldıkları için giriş işareti ile çıkış işareti arasındaki genlik ve faz değerinin değişimi düzenli olmamaktadır. Bu durum kuvvetlendiricinin doğrusallığını bozmaktadır. Doğrusallığı bozulan bir kuvvetlendirici de kuvvetlendirdiği işaretin yapısını bozacağı için modülasyonu da etkilemektedir. Bu nedenle bu değişimin ve doğrusallıktaki bozulmanın incelenerek haberleşme sistemin modülatör kısmının buna göre tasarlanması önemli bir ihtiyaçtır. Tez çalışmasında F sınıfı kuvvetlendirici tasarımına ek olarak güç transistörlerinde faz ve genlik duyarlığı da incelenmiştir. Tek değişkenli, 1. dereceden duyarlık analizi ile inceleme yapılmıştır. Yapılan analiz ile bir güç transistöründeki baskın parazitik elemanların devrenin faz ve genlik cevabına etkisinin ağırlıkları belirlenmiştir. Sayısal analizlerde ticari bir GaN SiC-HEMT transistörün üretici firma tarafından sağlanan teknik bilgileri kullanılmıştır. Elde edilen sayısal verilere göre çıkış direnci faz duyarlığı üzerindeki en baskın elemandır. Genlik duyarlığında da gm değerinden sonra en baskın eleman yine çıkış direnci olarak belirlenmiştir. Elde edilen ifadeler genel olup farklı bir alan etkili transistör için de benzer hesaplamalar yapılabilir.
+10 GS/S zaman aralıklı ADC için 65nm CMOS teknolojisinde 8-BIT 1 GS/S ADC yapısı ve 4-BIT flash ADC
Data rate of communication systems constantly increasing . Rapid scaling of digital semiconductor technologies has moved the signal processing of these systems to digital domain. Therefore high-speed ADCs are required to form the bridge to take the analog signals in digital domain. Data rates exceeding 10 Gbps makes the use of single channel ADCs unfeasible on this purpose. A power efficient solution is time-interleaving. Time-interleaving relaxes the speed requirements on single channel ADCs and lets designers to focus on power efficiency of the ADC. Channel mismatches in time-interleaved ADCs causes performance degradation. Errors arise mainly due to offset, gain and timing mismatch of channels. Among them, timing error is the most problematic since estimation of timing errors becomes more cumbersome in high-frequencies. Estimation and correction of timing errors in time-interleaved ADCs are hot topics of research. Calibration of errors can be on background or on foreground. Background calibration is more desirable since it allows system to adapt to changing conditions while not hindering the operation of the ADC. Time interleaving errors generate spurs on the spectrum. Spurs are problematic for the wireless communication systems, since they may block the input signal. In order to extinguish the spurs a channel randomization technique is proposed. Technique is based on randomly taking one of the ADC channels to make the errors of the channels noise-like term. It is advantageous since it works on background. Technique maintains a spur-free spectrum however does not improve the SNR of the system. Estimation of channel mismatch errors and clock distribution in a time-interleaved ADC becomes tedious as the number of channels increase. In order to keep the channel number low, channels should be fast while being power efficient. To satisfy this task, an 8-bit 1 GS/s multi-bit per cycle ADC is proposed. ADC employs a novel search algorithm based on redundancy. No calibration scheme required thanks to the algorithm therefore the power efficiency of the system can be increased. In order to realize the multi-bit per cycle structure, a multiple-threshold generation preamp is proposed. Comparators are the most important part of an ADC. Comparator specifications such as speed, accuracy and power consumption directly affect the relative specifications of the whole ADC. A novel latch with embedded preamp is proposed. Novel structure has latch regeneration time, offset, power consumption and kickback noise improvements over the conventional structures. 8-bit 1 GS/s multi-bit per cycle SAR ADC employs a flash ADC to perform the coarse conversion benefit from its speed. Although flash ADCs are fast, offset and kickback noise of comparators can penalize their accuracy. Proposed latch with embedded preamp improves the offset performance. To solve the kickback issue, reference voltages of the flash ADC are sampled. This technique is based on equalizing the kickback for both input and reference voltages therefore eliminating the effect. Sampling network of the ADC is critically important since any error made in the sampling phase directly passes to the ADC. Bootstrapped switches are used to improve the linearity of the switches. By using bootstrap switches, charge injection can be made signal independent. If it is combined with the reference sampling technique used in flash ADC, effects of charge injection can be diminished significantly. ADC blocks are designed and laid out in ST Microlectronics 65 nm process. Postlayout simulations have proven the efectiveness of the proposed techniques and blocks. Tape-out was done in July 2015. Measurements is expected to take place in November 2015.
Yazılım tanımlı radyo tabanlı FM demodülatör tasarımı
Tez çalışması, haberleşme sistemlerinde yaygın bir kullanım alanına sahip olan FM işaretinden bilgi işaretinin elde edilmesini sağlayan FM demodülatör yapısının tasarımını ve gerçeklenmesini kapsamaktadır. Tasarlanan demodülatör yapısı yazılım tanımlı radyo tabanlıdır. Tasarım aşamasında sayısal FM demodülatör yapıları incelenmiş ve daha önceki çalışmalar dikkate alınarak demodülatör tasarımı tamamlanmıştır. Sistemin benzetimleri MATLAB Simulink ve Modelsim yardımı ile yapılmış olup VHDL kullanılarak başarılı bir şekilde donanımsal olarak gerçeklenmiştir. Son yıllardaki gelişmeler ile birlikte düşük maliyetli sayısal işaret işleyicilerin yaygınlaşması, yazılım tanımlı radyo sistemlerinin tasarımı için önem arz etmiştir. Özellikle hücresel haberleşme olmak üzere telekomünikasyon teknolojisindeki hızlı gelişim ile birlikte düşük maliyetli ürünlere olan ihtiyaç artmıştır. Günümüzde geleneksel radyo haberleşme sistemleri yerlerini hızla yazılım tanımlı radyo sistemlerine bırakmaktadır. Yazılım tanımlı radyo, radyo sistemlerinde donanımsal fonksiyonların yazılım tabanında gerçeklenmesi ile oluşmaktadır. Geleneksel olarak donanım bazında gerçeklenen modülasyon, demodülasyon, karmaşık işaretlerin IQ ayrımı, kodlama, kod çözme ve süzgeç gibi analog tasarım ile yapılması zor olan temel haberleşme birimleri yazılım tabanlı olarak gerçeklenebilmektedir. Böylece mevcut yazılım güncellenerek haberleşme sistemlerinin fonksiyonları değiştirilebilir. Bu kapsamda yazılım tanımlı radyo sistemlerinde sabit elektronik devrelerinin kullanımı azalmakta ve esnek bir yapı elde edilmektedir. Frekans modülasyonu haberleşme sistemlerinde yaygın bir kullanım alanına sahiptir. Analog bir modülasyon türü olan frekans modülasyonu, yazılım tanımlı radyo teknolojisinin gelişimi ve getirdiği avantajlar ile yeni nesil haberleşme sistemlerinde yazılım tabanlı olacak şekilde tasarlanabilmektedir. Frekans modülasyonlu RF işaretleri sayısal olarak örneklenmekte ve işaret işleme teknikleri kullanılarak gerçek zamanda demodüle edilmektedir. Sayısal FM demodülasyonunda tabanbant gecikme demodülatörü, faz uyarlayıcı demodülatör, faz kilitlemeli çevrim ve karma demodülatör yapıları kullanılmaktadır. Bu demodülatör yapılarının MATLAB programı yardımı ile benzetimleri yapılmış, işaret kalitesi, işlem gücü ve kapladığı alan dikkate alınarak karma demodülatör yapısı tercih edilmiştir. Karma demodülatör yapısı dördün karıştırıcı ve demodülatör olmak üzere iki temel bloktan oluşur. Dördün karıştırıcı bloğunda, ADC ile örneklenmiş FM işareti NCO tarafından oluşturulan sinüs ve kosinüs işaretleri ile çarpılarak alçak geçiren süzgeçten geçirilir. Bu bloğun çıkışında elde edilen gerçel ve sanal işaretler demodülatör bloğunun girişini oluşturmaktadır. Demodülatör bloğu gecikme, çarpma, toplama, CORDIC bloklarından oluşmaktadır. Demodülatör bloğunun çıkışı alçak geçiren FIR süzgeç yardımı ile biçimlendirilerek bilgi işareti elde edilir. Karma FM demodülatör mimarisinin tasarımı Modelsim benzetim programı ve SignalTap hata ayıklama aracı ile doğrulandıktan sonra Altera firmasının DE0 Nano geliştirme kartında gerçeklenmiştir. Rohde & Schwarz vektör işaret üreteci yardımı ile 1MHz taşıyıcı işarete sahip FM işareti üretilmiş ve farklı frekans sapma değerleri ile tasarım test edilmiş ve doğrulanmıştır. Gerçeklenen sistem Altera DE0 Nano geliştirme kartında bulunan EP4CE22F17C6 model FPGA'da bulunan 22320 adet LE'nin 1893 tanesini kullanmıştır. Sistemin toplam güç tüketimi 113.56 mW, gecikme süresi ise 5.84 ns'dir.
Yeni hücresel doğrusal olmayan ve hücresel lojik ağların gerçeklemeleri ve uygulamaları
This thesis is a consistent and coherent reorganization of studies on two topics of nonlinear systems. First topic includes Relaxation Oscillators and logic oscillators with similar behavior which are locally coupled and the resulting Cellular Nonlinear Networks (CNN) are utilized for a predictive motion planning algorithm. Nonlinear waves, especially autowave and traveling wave, have been studied and their system model, coupling schemes, parameters, and inputs generating both types of nonlinear waves are explained. The research covers two implementations of selected CNN and compares their digital circuit (FPGA prototyping), CPU simulation and GPU simulation performances. The research is focused on the Doppler Effect occurrence of the propagated nonlinear waves. A novel nonlinear wave propagation based feedback motion planning algorithm which utilizes the Doppler Effect and generates a prediction for the future state of target object has been proposed. The comparisons which reveals the effect of Doppler Effect are reported. The results prove that a tracker even slower than the target may catch it using the proposed algorithm. This new method of motion planning needs two layers of oscillator based CNNs. Two types of relaxation oscillators (one of them is a new model) and the logic oscillator have been tested for the algorithm. Novel models of chaotic time-delay systems are introduced in the thesis as the second topic. The proposed binary output nonlinearity makes the oscillator generate a mono-scroll chaotic attractor. This thesis also proposes a generalization of the binary output nonlinear function, which is a quantized output nonlinearity. The generalized nonlinearity yields a multi-scroll attractor. Both systems are modelled as sampled-data models, because the binary delay lines are constructed by digital components (D-type flip-flops). The research on implementations of these oscillators has been expanded with binary inverting buffers (NOT gates) and asynchronous digital state machines. These systems successfully generate true random bit sequences without the need for post-processing. Up-to-date NIST's statistical test suite is used for the tests of bit sequences and successful throughput rates are reported. The jitter on the NOT gate based delay line is utilized as physical noise and all-digital implementation supported by the jitter also passed the statistical tests. The thesis merges research parts and reorganize the outputs under four titles: cells, networks, implementations and applications.