367
Arşivlenen Tez
0
DOI Atanmış
0%
DOI Oranı
Anabilim Dalı
Toprak direncini ölçen kablosuz haberleşmeli cihaz tasarımı ve toprak profilinin haritalanması
Toprak özdirenç ölçüm yöntemi günümüzde jeolojik yapıların kalınlık ve derinliklerinin belirlenmesi, jeolojik koşullara bağlı anomalilerin (aykırılık) belirlenmesi, tuzlu su girişimi ve kirlilik haritalarının elde edilmesi, gömülü atık yerlerinin belirlenmesi, yeraltı suyu, petrol, maden gibi doğal zenginliklerin aranması gibi çeşitli mühendislik uygulamalarında kullanılmaktadır. 20. yüzyılda Frank Wenner ve Conrad Schlumberger tarafından ilk uygulamaları yapılmış olan toprak özdirenç ölçüm yöntemi (rezistivite) günümüzde hala aynı prensipleri kullanmaktadır. Bu yöntem bir kaynak ile yüzeyden yer içine iki akım elektrotundan akım verilmesi ve yer içinde oluşan eşpotansiyel yüzeyin potansiyelinin yüzeyde yer alan iki elektrot ile ölçülmesi esasına dayanır. Akım ve gerilim elektrotlarının yeryüzündeki farklı dizilimleri farklı çalışmalar için kullanılmaktadır. Literatürde farklı elektrot dizilimlerinin kıyaslandığı çalışmalar, toprak özdirenç yönteminin uygulamalarına yönelik çalışmalar, elektrot dizilimlerinin dijitalize edilerek iş yükünün azaltılmasına yönelik çalışmalar, üç boyutlu toprak haritalandırmalarına yönelik çalışmalar ve sistem materyallerine yönelik çalışmalar mevcuttur. Yapılan bu tez çalışmasında toprak direncini ölçen mikrodenetleyici tabanlı bir cihaz tasarımı gerçeklemesi ve bu cihazdan alınan verilerin işlenmesiyle iki boyutlu toprak özdirenç (rezistivite) haritası çıkarabilen Android yazılımı oluşturulması amaçlanmıştır. Tasarlanan cihaz 8 elektrota sahiptir. Haritalanması istenen bölgeye yerleştirilen sekiz elektrot tekrar sökülüp takılmaya gerek kalmadan Wenner Alfa, Wenner Beta, Wenner Gama, Wenner Schlumberger, Dipol Dipol yöntemlerinin tamamı uygulayabilmektedir. Röle kontaklarına bağlı olan elektrotların vazifesi mikrodenetleyici tarafından rahatlıkla kontrol edilebilmektedir. Cihaz ile Android platform arasındaki veri aktarımı Bluetooth kablosuz haberleşmesiyle sağlamaktadır. Android platforma cihazdan gelen veriler JavaScript görselleştirme kütüphanesi kullanılarak iki boyutlu toprak özdirenç (rezistivite) haritalarına dönüştürülmüştür.
Bir güç hattı haberleşme sisteminde kullanılan alıcı/verici devresinin bloklama endüktörünün ve izolasyon trafosunun birleştirilmesi
Güç hattı haberleşmesi düşük ve orta seviyeli elektrik şebeke gerilim hattını kullanarak iletişim hizmeti sağlayan bir haberleşme teknolojisidir. Bu haberleşme teknolojisinde elektrik ve veri iletimi aynı hat üzerinden iletilmektedir. Elektrik iletimi yüksek voltaj ve düşük frekans ile sağlanırken, veri iletimi düşük voltaj ve yüksek frekans ile sağlanmaktadır. Bu teknikle internet, telefon, multimedya gibi hizmetler verilebilir ve otomasyon yapılabilir. Ancak bu hizmetin kullanılması sırasında hattın esas amacı olan güç iletiminin de devam etmesi bu sistemler üzerinde kazanç kaybına neden olmaktadır. Bu kazanç kaybını önlemek için kullanılan yöntemlerden biri de bloklama endüktörleridir. Bunun yanında güç hattı haberleşmesinde verici ya da alıcı devreleri şebekeden ayırmak için izolasyon trafoları yaygınca kullanılır. Bu çalışma ile güç hattı tarafındaki sargısı şebekeye seri olarak bağlanmış bir PLC verici devre izolasyon transformatörünün aynı zamanda bloklama endüktörü olarak da kullanılabileceği ve bu durumda da güç hattı haberleşmesinin yapılabileceği gösterilmiştir. Bu yeni PLC devre topolojisi kullanılarak elektriksel bir yük kontrolü de gerçekleştirilmiştir.
Fotovoltaik uygulamaları için elektrobiriktirme yöntemi ile büyütülmüş Zn katkılı Cds ince filmlerinin elektrofiziksel özellikleri
2.42eV' lik bant boşluğu ile heterojunction güneş pilleri için tampon tabaka olarak kullanılmak üzere uzun zamandır üzerinde çalışmalar yapılan CdS (Kadmiyum Sülfür) yarıiletkeni önemli bir yarıiletken malzemedir. CdS yarıiletkenin bant aralığının kontrolü ve yapısal özelliklerinin geliştirilmesi önemlidir. Elektrokimyasal olarak yarıiletken ince film birikimi, ekonomik ve geniş alan biriktirme kabiliyetine sahip olduğu için giderek daha popüler hale gelmektedir. Bu çalışmada, Zn (Çinko) katkılı kadmiyum sülfür ince filmler, basit iki elektrotlu bir sistem ve kadmiyum klorür ve sodyum tiyosülfat çözeltilerinin sulu çözeltileri kullanılarak 50° C sıcaklıkta elektrokimyasal biriktirme yöntemi ile indiyum kalay oksit cam altlıklar üzerine biriktirildi. Zn katkısının yapısal, morfolojik ve optik özellikler üzerindeki etkisi araştırıldı. Sonuçlar incelendiğinde, Zn katkılı CdS yarıiletken ince filmin nano yapıda ve homojen olarak elde edildiği görüldü. Ayrıca Zn katkısının CdS yarıiletken ince filmin bant aralığını artırdığı tespit edildi.
Karbon ve tungsten tabanlı memristör içeren kondansatör devrelerinin yön bağımlı dolması ve boşalmasının incelenmesi
Memristör (Hafızalı Direnç) doğrusal olmayan bir devre elemanıdır. 1971'de Dr. Leon Chua tarafından ortaya atılmıştır. Dr. Chua akı ile yük arasında bir bağlantı varsa, bunun o ana kadar literatürde bahsedilmeyen memristör adını verdiği elemanı tanımlayacağını iddia etmiştir. 2008 yılında, bir HP laboratuvarında memristör gibi davranan bir memristif sistem bulunmuştur. Bu buluşla birlikte, memristör popüler bir araştırma konusu olmuştur. Yeni bir nonlineer devre elemanı olan memristörün diğer devre elemanları ile birlikte davranışının incelenmesi oldukça önemlidir. Literatürde memristör ve kondansatörün (M-C) birlikte analiz edildiği az sayıda çalışma bulunmaktadır. Bu tez çalışmasında, bir kondansatör ve memristör devresinin yani M-C seri devresinin yöne bağımlı şarjı ve deşarjı hem analitik hem de deneysel olarak incelenmiştir. Bu çalışma ayrıca literatürde bir M-C şarj ve deşarj devresinin deneysel olarak ilk kez incelenecek olması açısından önemlidir. Devrelerde Knowm firmasının ürettiği Karbon ve Tungsten tabanlı memristörler kullanılmıştır. Analiz ve deneyler memristörlerin kataloğunda belirtildiği gibi seri bir koruma direnci kullanılarak yapılmıştır. Bu kaynaklı ve kaynaksız M-C devrelerinin Biolek memristör modeli kullanılarak analitik çözümlerinin var olup olmadığı araştırılmıştır. Ardından, bu devreler laboratuvar ortamında kurularak deneysel sonuçlar alınmıştır. Deneysel sonuçlar ve analiz sonuçları karşılaştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Memristör, Karbon-Tabanlı Memristör, Tungsten-Tabanlı Memristör, Deşarj Devresi, Devre Teorisi
Kapasitif algılama devreleri ve bazı uygulamaları
Bilgi ve kontrol sistemlerinin dünyadaki hızlı gelişiminin karakteristik bir özelliği, yaşamın tüm alanlarında çeşitli fiziksel niceliklerin algılayıcılarının(sensörlerinin) giderek yaygınlaşmasıdır. Sensörler endüstriyel kontrolde, üretim süreçlerinin otomasyonunda, otomobil, havacılık, roket-uzay ve havacılık teknolojisinde, tıpta ve güvenlik kontrol sistemlerinde her geçen gün daha yaygın kullanılır. Bu çalışmada, kapasitif algılama sensörü içeren elektronik devre tasarımı için matematiksel model geliştirilmiş ve devrenin algılama kapasitörü değerine bağlı olarak hassasiyetini (duyarlılığını) etkileyen parametrelerinin analizi verilmiştir. Bir bütün olarak, kapasitif algılama devresinin tüm komponentlerinin analizi verilmiş, devrenin tükettiği enerjiyi güvenli bir biçimde karşılayan güneş paneli ve akü hesabı verilerek uzaktan kontrollü yeni bir kapasitif algılama devresi tasarlanmıştır. Kapasitif algılama sensörü üzerinden tespit edilen durum bilgisi, geliştirilen mobil uygulama sayesinde, kablosuz olarak cep telefonu veya tablet gibi bir mobil cihaza aktarılarak, tasarlanan bu yeni sistemin başarılı bir şekilde pratik uygulaması gerçekleştirilmiştir.
Bası yarası oluşabilecek hastalar için akıllı yatak sistemi modellenmesi ve tasarımı
Yatan hastalarda oluşabilecek bası yaraları ve doku nekrozu oluşumu, onların yaşam konforunu önemli ölçüde azaltmakta ve hatta yaşamları için tehlikeli sonuçlara yol açabilmektedir. Bu çalışmada yatan hastalarda oluşabilecek bası yaralarının oluşumunun önüne geçilebilmesi için bir akıllı model yatak prototipi geliştirilmiştir. Tasarlanmış bu akıllı yatak prototipinde ilk aşamada, ağırlık algılama sensörleri (load cell) kullanılarak hasta-yatak sisteminde birim temas yüzey alanı üzerindeki basınç dağılımının haritalaması gerçekleştirilerek yatakla temas eden hasta vücudunun hareketsiz bölgeleri belirlenir. İkinci aşamada ise ilgili yüzey alanından alınan bilgiler doğrultusunda, yüzeye belirli şekil ve parametrelere sahip uyarıcı elektrik impuls sinyal uygulaması yapılır. Önerilen prototip sistemi uzaktan da izlenmeye müsait yeni bir sistem olup, hastanın anlık pozisyon durumunu değerlendirmeye ve ihtiyaca binaen koruyucu tedavi olarak, uygun uyarıcı elektrik akımı sinyallerinin kullanılmasıyla normal doku aktivitesinin devamının sağlanmasına olanak sağlamaktadır. Bu çalışmanın aynı zamanda gelecekte bu konularda yapılacak araştırmalara öncülük edeceği düşünülmektedir.
Görüntü işleme teknikleri ve evrişimsel sinir ağları kullanılarak yüz ifadesinden duygu tespiti
Bu tez çalışmasında, yüzdeki duygu ifadelerini tespit etmek için görüntü işleme teknikleri ve makine öğrenmesi teknikleri incelenmiştir. Öznitelik vektörlerini elde etmek ve yüzdeki duygu ifadedelerini tespit etmek için yapılan çalışmalar aşamalar halinde verilmiştir. Yapılan uygulamalarda ve kategorilerde, 7 duygu kategorisinde, insan yüzleri içeren 981 adet imgeden oluşan CK+ imge seti kullanılmıştır. CK+ veri setinden HOG, LBP, Geometrik Öznitelikler ve Dalgacık Dönüşümü yöntemleri kullanarak öznitelik veri seti oluşturulmuştur. Öznitelik veri seti Destek Vektör Makinaları, K-En Yakın Komşuluk Algoritması ve Lojistik Regresyon sınıflandırma yöntemleri ile sınıflandırılarak yüz ifade tespiti başarı durumları karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Veri setindeki imgelerin orijinal hali ve HOG, LBP ve Dalgacık Dönüşümü öznitelik imgelerinin kullanıldığı durumlardaki başarı oranları karşılaştırılmıştır. Evrişimsel Sinir Ağları (CNN) yönteminin duygu ifadeleri tespitindeki başarısı ele alınmıştır.
Uyumlu kesirli türevle modellenmiş kondansatörlü farklı türden darbe üreteçlerinin maksimum enerjisi hakkında varyasyonel problemler
Bu çalışmada uyumlu kesirli türev (UKT) ile modellenmiş kondansatör (C_α) içeren farklı türden iki tane darbe üretecinin maksimum enerjisi hakkındaki varyasyonel problemler çözülmüştür. Ele alınan ilk devrede, darbe üreteci devresi seri bağlı bir direnç ve UKM kondansatörden yani R ve C_α'dan oluşmaktadır. Ele alınan ikinci devre, darbe üreteci devresinde UKM kondansatörden (C_α), kondansatörün ideal olmayan yalıtkanını modelleyen ve ona paralel bağlı bir dirençten (R_P) ve ikisine de seri bağlı bir dirençten (R) oluşmaktadır. Bu her iki devre topolojisini tanımlayan uyumlu kesirli mertebe diferansiyel denklemler türetilmiştir. Her bir devre için, darbe üretecinin enerjisini maksimum yapmak amacıyla Euler-Lagrange denklemleri ve devreyi tanımlayan diferansiyel denklem kullanılarak bir optimizasyon problemi elde edilmiştir. Her iki problemde kondansatörün yüklenmesi sonucu erişeceği gerilim (V_(C_α )(τ)) ve bu yüklenmenin gerçekleşmesi için gerekli zaman süresi yani yüklenme zamanı (τ) problemin netliği açısından sabit alınmıştır. Kondansatörün başlangıçta yüksüz olduğu yani kondansatör gerilimin V_(C_α )(0) = 0 Volt olduğu kabul edilmiştir. Daha sonra bu optimizasyon denklemleri sınır değerlerinin yerine koyulmasıyla ve sonlu farklar yöntemi kullanılarak sayısal olarak çözülmüştür. Her darbe jeneratörünün UKM kondansatör geriliminin sayısal çözümü Matlab ile yapılmıştır.
Nonlineer sürüklenme hızlı memristör modellerini kullanarak memristif anahtarlama zamanı hesabı
Dr. Leon Chua 1971'de yaptığı çalışmada direnç, endüktör ve kondansatörün yanı sıra dördüncü temel devre elemanı olan Memristör'ü tanımlamış ve memristör elemanının özelliklerini, yük ve akı arasında olduğunu kabul ettiği "kayıp ilişki" olarak tanımladığı ilişkiden türetmiştir. 2008 yılında HP laboratuvarlarında yapılan araştırmalarda memristör gibi davranan TiO_2 ince filmlerin keşfi yapılmıştır. Bu keşfin peşi sıra, bu yeni elektronik devre elemanının yapısı, modellenmesi, bulunduğu devrelerin analizi ve uygulamaları üzerine araştırmalar başladı. Rezistif ya da memristif anahtarlama olarak adlandırılan memristörün direncinin minimum değerinden maksimum değerine ya da maksimum değerinden minimum değerine geçiş olayı ve bu geçiş için gereken zamanın değeri özellikle rezistif bilgisayar hafızaları uygulamaları için oldukça önemlidir. Bir memristörün anahtarlama zamanı deneylerle ölçülmesi ve memristör parametrelerinden hesaplanması gereken önemli bir parametredir. Literatürde, bildiğimiz kadarıyla, rezistif anahtarlama zamanları HP memristör modeli ve bir parçalı doğrusal yük-akı karakteristikli memristör modeli dışında hesaplanmamıştır. Bu tez çalışmasında, pencere fonksiyonu kullanan doğrusal olmayan sürüklenme hızlı bazı iyi bilinen memristör modellerinin memristif anahtarlama zamanları hesaplanmıştır. Bu sonuçlardan ilham alınarak yeni bir memristör pencere fonksiyonu önerilmiştir. Yeni modelin bu çalışmada kullanılan diğer memristör modelleri ile karşılaştırılması yapılmıştır. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar ileride daha gerçekçi memristör modellerinin yapılması için kullanılabilir.
Yatay paketleme makinelerinde çene ve disk bölgelerindeki sıcaklığın PID kontrollü stabilizasyonu
Paketlemenin birinci işlevi, raf ömrü süresince, paket içeriğini taze, temiz ve güvende tutmaktır. Bu yüzden ülkemizde makine sektörününde gelişmesiyle, paketleme hattı; malzeme teknolojisi ve üretim mühendisliğinin bir uygulamasıdır ve her iki disiplindeki gelişmeler, ambalajdaki yeniliklere katkıda bulunmaktadır.Artık tüketicinin marka sahibine ve tüketiciye ürünün bütünlüğü konusunda güvence vermesi için kolay kurcalanmaya açık cihazları açmasını kolaylaştırmak için yırtma şeritli veya lazer kesimli esnek sargıları ve poşetleri görmek artık çok olağan bir hale gelmektedir. Komple paketleme hatları artık şişelerin reçineden kalıplandığı, doldurulduğu, mühürlendiği, etiketlendiği, kartonlandığı ve yüksek düzeyde otomatik kontrol ve denetimle paletlendiği yerlerde çalışmaktadır. Bu tür gelişmeler, çok çeşitli paketleme makinelerine olan ihtiyacı doğurmaktadır. Bu, hepsini ayrıntılı olarak açıklamanın mümkün olmadığı anlamına gelmektedir. Ülkemizde de onlarca makineci paketleme sektörünün makine üretim ayağını oluşturarak, ülke değerlerine maddi manevi katkılar sağlamaktadır. Yatay Paketleme makinelerinde de yaşanan en büyük sorunlardan bir tanesi, çene ısıtıcı kısmında yaşanan sıcaklık stabilasyonunun sağlanamamasından dolayı ambalajların sağlıklı bir şekilde yapılamamasını ortaya koymaktedır. Bu tezde Yatay Paketleme makinelerinde endüstriyel kontrol sistemleri ve ekipmanları kullanılarak hızlı devreye alımlar sağlannmakatadır.Çok daha fazla hurda malzemenin oluşmasının önüne geçmek hemde sürdürülebilir kaliteli üretimin devamlılığı hedeflenmektedir.
Aktif - RC tabanlı doğrusal olmayan elektronik devrelerin nümeriz analizi
Teknolojinin hızlı gelişimiyle beraber haberleşme sistemleri her geçen gün daha verimli ve daha az maliyetli hale gelmiştir. Böylelikle haberleşme ağlarına ve haberleşme sistemlerine var olan ilgi artırmıştır. Elektronik ve yarı iletken teknojilerinin de gelişmesiyle, tüm bu sistemlerin aralarındaki iletişim ve bağlantıların ortaya çıkartabileceği problemlere bir çözüm üretilmektedir. Bu sistemlerdeki dalga (sinyal) formlarını anlamak için simülasyon (benzetim) yöntemleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında, aktif- RC tabanlı doğrusal olmayan elektronik devrelerde gerçekleşen transient olayların matematiksel modellerinin nümerik analizi için algoritmalar geliştirmektir. Dolasıyla, tezde elde edilen araştırma sonuçların, doğrusal olmayan devre elemanları içeren değişik elektronik devrelerin çalışma ve tasarım otomasyonunda ortaya çıkan problemlerin çözümüne teorik ve pratik katkı sağlamıştır. Elektronik devrede kullanılan çeşitli bileşenlerin (alan etkili transistör, bipolar transistör ve varistör) akım-gerilim karakteristiklerini (AGK) belirleyen mevcut bağlantılar analiz edilip, gerilim ve akım arasındaki matematiksel ilişkiler belirlenmiştir. Ayrıca, incelenen elektronik devrede, deneysel verilerinin analitik olarak belirlenmesine olanak sağlayan yaklaşım (aproksimasyon) fonksiyonları belirlenmişitr.
Low-complexity detection and cooperative communication for spatial modulation systems
Spatial modulation (SM) is an alternative method to classical multiple-input multiple-output (MIMO) spatial multiplexing techniques with vertical-Bell Labs layered space-time (V-BLAST) decoding. In SM, the information is transmitted via the conventional amplitude-phase modulation (APM) symbols along with the active antenna indices. Space shift keying (SSK) is a special case of SM where the information is transmitted through only transmit antenna indices. SSK systems are relatively simple; however, their data rate is lower compared to SM for the same number of transmit antennas. Since the SM symbols are conveyed by only one transmit antenna, one radio frequency chain is used at the transmitter and inter-channel interference (ICI) is removed. On the other hand, transmission rate is limited due to the use of single antenna. Generalized spatial modulation (GSM) mitigates this problem by activating more than one transmit antenna. In GSM, information is both transmitted through the combination of transmit antennas and APM symbols. Hence the transmission rate is increased with the use of multiple active transmit antennas. SM techniques have attracted considerable attention from researchers in the past few years and have been considered as potential candidates for next generation wireless networks. Since SM scheme exploits the spatial domain for data transmission, its capacity calculation is different than the classical systems. In SM, the information is conveyed not only through the M-ary constellation domain but also through the antenna domain, the capacity of SM is expressed as the sum of the capacities of these two domains. A detailed analysis of the outage probability of SM has not been given in the literature yet. In this thesis, first, we derive the outage probability performance of the classical SM system. It is shown that SM systems provide better performance compared to conventional modulation systems in terms of outage probability. The optimum performance of SM can be achieved with the maximum likelihood (ML) signal detection but computational complexity increases with exhaustive search. Since the inter-antenna interference arises during the transmission, GSM receiver is much more complicated than the SM scheme. In this work, we investigated a novel low complexity detection algorithm for SM systems (especially for GSM systems due to their receiver complexity). The algorithm can be split into two stages: in the first stage, least squares (LS) estimate of the transmitted signal is used in the ML detection to find the sub-optimal solution of the antenna combinations. The N best estimate of antenna combinations are selected in order to reduce the search space. In the second stage, this reduced set and the LS estimates of transmitted symbols based on this set are then sent to the optimal ML detector to find the correct antenna combinations and APMsymbols. It is shown that the proposed algorithm obtains near ML performance with a lower computational complexity. Cooperative communication has attracted numerous researchers over the past decade. In a cooperative scenario, a source (S) transmits its data to the relay (R) and the destination (D) in the first phase and the relay forwards the source's information either decoding the received signal (decode-and-forward, DF) or amplifying it (amplify-and-forward, AF) in the second phase. This forwarding concept forms a virtual MIMO system to combat fading and it is very effective to gain a larger coverage. In this thesis, the advantages of SM and cooperative communication systems have been combined and the outage probability analysis of SM system is extended to the cooperative scenarios under some relaying techniques. Cooperative SM systems are also compared to conventional modulation systems and provide better performance in terms of outage probability. Finally, we propose novel cooperative SM systems with AF and DF techniques where all nodes have multiple transmit and/or receive antennas, an issue which has not been studied before. The previous studies in the literature for cooperative SM systems generally consider the SSK technique instead of SM. Additionally, most of these studies assume single transmit and/or receive antenna at the relay(s) and destination. As known, the SM/SSK schemes need at least two transmit antennas to map information bits to the antenna indices. Furthermore, a cooperative SM system with DF relaying where the relay(s) has only one transmit antenna is not a complete SM system since the relay(s) can not re-encode the decoded data into the SM symbols. Moreover, to improve the error performance compared to APM, an SM system requires at least two receive antennas. To the best of our knowledge, a comprehensive work on cooperative SM systems that have multiple transmit and/or receive antennas at R and D has not been performed in the past yet. In this work, we derive the average bit error probabilities (ABEP) for both the MIMO-AF and the MIMO-DF systems and validate them with the computer simulations results. Furthermore, these two cooperative SM systems are compared with the classical cooperative system using M-ary modulations in terms of BER performance. Computer simulations and analytical expressions show that the proposed MIMO-DF and MIMO-AF systems provide considerable error performance improvements over conventional cooperative APM systems. Lastly, the BER comparison of MIMO-AF and MIMO-DF cooperative SM systems are presented.
Küp uydular için, VHF/UHF bandı aktarıcı tasarımı ve gerçeklemesi
Eğitim ve araştırma amaçlı uydular düşük maliyetleri ve kısa sürede tasarlanabilmeleri sebebiyle üniversiteler ve araştırma kurumlarında öncelikli araştırma alanlarındandır. Bu uydular birkaç kg ağırlığındadır ve genelde küp şeklindedir. Firmalar açısında da, ürünlerini uzay ortamında test etmenin en uygun yollarından birisi küp uydular aracılığıyla tasarladıkları ürünleri uzaya göndermektir. Uydu aracılığıyla yapılan haberleşmenin en önemli üstünlüğü, çok geniş bir alanın dünyadakine oranla çok daha basit bir donanımla kapsanabilmesidir. Uyduya ulaştırılan işaret, frekansı ve gücü değiştirilerek tekrar dünyaya gönderilebilir. Bu sayede merkezi bir noktadan uyduya gönderilen işaret, uyduda işlenir ve çok daha geniş kapsama alanına sahip bir bölgeye tekrar gönderilebilir. Bu işlevi yapan cihazlara da aktarıcı denilmektedir. Projede alış frekansı 145 MHz, verici frekansı ise 435 MHz civarında çalışan bir aktarıcı tasarımı yapılmıştır. Tasarım adımlarının başlangıcı olarak, RF bütçe hesabı matematiksel olarak yapılarak, alıcının minimum alış gücü -100 dBm, vericinin çıkış gücünün de 30 dBm olarak olması gerekli görülmüştür. Bu durumda aktarıcının RF kazancı net olarak 130dB olmuştur. Bunun kadar yüksek kazançlı bir devrenin osilasyon riski çok fazladır Bu nedenle sistem mekanik olarak havuzlu bölgelerde tasarlanarak, frekansları farklı bölgelerin birbiri ile karışması engellenmiştir. RF bütçe hesabından sonra sistemin blok tasarımı yapılarak, eleman seçimi yapılmıştır. Eleman seçimleri sırasında her elemanın modülleri hazırlanarak, elemanlar sıcak/soğuk testlerine atılmış ve elemanların performanslarının sıcaklık ile değişimine bakılarak eleman seçiminde kıstas olarak kullanılmıştır. Aynı zamanda bilgisayar ortamında sistemin genel gürültü sayısı, 1 dB doyma noktası, 3. Derece harmonik kesişim noktası gibi parametreleri incelenirken, özel bir benzetim ile sistemin her bir düğümündeki harmonikler, intermodulasyonlar ve taşıyıcı işaretin gücü ve davranışları incelenerek blok tasarım güncellenmiştir. Küp uyduların düşük boyutlarından dolayı, çıkış frekansındaki güçlü işaret sistemin girişine gelerek sistemi doyurabilmekte hatta yakabilmektedir. Sistemin girişine veya çıkışına çok dar bandlı filtreler konularak bu soruna çözüm bulunabilir; fakat küp uyduların 50 kHz aralıklı olarak frekans bilgilerinin değişmesi, filtre bulunmasını zorlaştırarak, her seferinde özel tasarım filtre alınmasına gerek kılmaktadır. Bu üniversiteler ve küçük şirketleri maddi olarak zor duruma düşürmektedir. Bu nedenle sistemin girişinde, sistemin çıkış frekansında çentik filtre olarak davranan alçak geçiren filtre kullanılarak hem gürültü performansı iyileştirilmiş hem de çıkış frekansında 0 dBm gücünde işarete dayanabilen bir yapı elde edilmiştir. Aynı zamanda giriş ve çıkış filtrelerinin dar bandlı olmaması sayesinde, sistemin giriş ve çıkış frekansı osilatörlerin frekansları programlanarak değiştirilebilmektedir. Herhangi bir donanım değişikliği yapılmadan giriş frekansı 130-150 MHz bandında, çıkış frekansı ise 430-440 MHz aralığında 1 kHz hassasiyetle ayarlanabilmektedir. Bu değişiklik yazılım ile yapıldığı için uzay şartlarında da uydu bilgisayarı denetiminde gerçekleştirilebilmektedir. Bir sonraki aşama olarak elemanların modülleri ile faraday kafesinin içerisinde masaüstü testleri yapılarak, bilgisayar destekli tasarımda incelenen her düğümdeki harmoniklerin, intermodulasyonların ve taşıyıcı işaretin davranışı ölçülerek; benzetimler ile karşılaştırılmıştır. Sistem küp uydular için tasarlanmıştır, bu nedenle küp uyduların standartlarına uyarak, besleme yapısı PC104 konektörü ile uyumlu şekilde anakart tasarımı yapılmıştır. Tasarlananan anakart üzerinde güç yönetim devre parçaları vardır. Bu parçalar ile aktarıcının sıcaklığı, yansıma miktarı, akımı, girişine gelen işaretin gücü, verimi gibi ifadeler çeşitli haberleşme standartları ile küp uydunun bilgisayarına iletilebilmektedir. Ayrıca güç yönetim devreleri ile aktarıcıda görülebilecek kısa devre koruma, anlık akım koruma, giriş, çıkış gerilimlerinin fazlalığı/azlığı durumunda aktarıcıyı otomatik olarak kapatarak sistemi güvenli modda bekletmektedir. Küp uydu bilgisayarı aracılığıyla sistem uyku moduna alınabilmektedir. Sistem uyku modunda iken, yaklaşık olarak 35 mW güç tüketmektedir. Uyku modunda sistemde bulunan işlemci üzerinden sorgular yapılabilmekte ve sıcaklık, akım gibi veriler sorgulanabilmektedir. Eğer istenirse aktarıcı tamamen kapatılarak, hiç güç tüketimi yapmaması sağlanabilmektedir. Mekanik yapı tasarımı yapılırken, sistemin farklı frekanslarında işaret üreten kısımları ve farklı amaçlar ile tasarlanan kısımları farklı mekanik havuzlarda bulunmaktadır. Bu sayede sistemin harmoniklerinin birbiri ile karışması ve daha önemlisi sistemin üzerinde bulunan geri besleme yolları engellenerek osilatör riskleri ortadan kaldırılmıştır. Mekanik yapı H şeklinde tasarlanarak anakarta vidalanmaktadır. Anakart üzerinde bulunan mikroişlemci, güç yönetim elemanları, akım, sıcaklık sensörleri anakartın üst tarafında bulunmaktadır. Bu nedenle mekanik yapı bu elemanları da korumaktadır. Bu elemanların, ayarlanabilir çevre elemanları anakartın alt katına alınarak, sistem montajı sonrasında da ulaşılabilir konuma getirilmiştir. RF kartların, besleme ve haberleşme pinleri anakart üzerinden gelmektedir. Bu nedenle mekanik yapıda uygun noktalarda, uygun çaplarda dişler ve delikler bulunmaktadır. DC gerilimler için vidalanabilir feedthrough ile RF kartların beslemeleri verilmiştir. Feedthroughlar ile RF geri besleme yolları engellenmeye çalışılmıştır. Haberleşme pinleri ise, pinler ile iletilmiştir. Bu pinler uygun deliklerden geçirildikten sonra anakarta ve RF kartlara lehimlenerek sağlamlaştırılmaktadır. Mekanik yapının diğer bir faydası ise; sistemin ısınan parçaları için soğutucu plaka görevidir. Sistem üzerinde en çok ısınan parça güç kuvvetlendiricisi kısmıdır. Bu nedenle sıcaklık sensörleri, güç kuvvetlendiricisinin yanına ve anakart üzerine konumlandırılmıştır. Sistem verimli bölgede çalışırken, açılış anından itibaren anakart üzerindeki sıcaklık sensörü ile güç kuvvetlendiricisi üzerindeki sıcaklık sensörü arasında yaklaşık olarak 2℃ fark bulunmaktadır. Bu durum güç kuvvetlendiricisinin hızlı bir şekilde üzerindeki ısı yükünü atabildiğini göstermektedir. Anakart, RF kartlar ve mekaniklerin tasarım aşamasından sonra üretilerek sistemin montajı yapılmıştır. Üzerinde bulunan işlemcinin içerisine gömülü sistem kodu yazılarak sistem çalışır duruma getirilmiş ve davranışları ayrıntılı olarak incelenmiştir. Sistemin çalışma sıcaklığı olan -20℃, +60℃ arasında ölçümler alınarak sistem performansının değişimi incelenmiştir. Oda sıcaklığında sistemin girişine gelen işaretin gücü -104 dBm olduğunda, sistem 30 dBm çıkış vermeye başlamaktadır. Sistem üzerinde bulunan otomatik kazanç kontrolü sayesinde, sistem -40 dBm işaret gücüne kadar, harmonik ve intermodulasyonların gücü değişmeden çıkış verebilmektedir. Sistemin faz gürültüsü, oda sıcaklığında giriş gücü -100 dBm iken, yaklaşık olarak -75 dBc/Hz iken; giriş gücü arttırıldığında -110 dBc/Hz e kadar iyileşmektedir. Sistemin verimi yaklaşık olarak %20 iken, 1 W çıkış gücü için toplam 5W güç çekmektedir. Türkiye uzay teknoloji konusunda önemli çalışmalara imza atmaktadır. Bu proje de, bu kapsamda test ve eğitim amaçlı küp uygularda kullanılabilecek bir donanım hedeflenmiştir. Tasarım sonrasında uzay koşullarına uygun olarak çeşitli testler yapılmıştır. Ülkemizde uzay uygulamalarına yönelik bir donanımın başarılı bir şekilde geliştirilmesi, diğer firmalar ve üniversiteler için de uydu teknolojileri alanında çalışmaya teşvik için önemli bir motivasyon da olacaktır.
Modelling of power combiner using fractional order derivative
Combining is a requirement in many applications, large number have been proposed since using different design approaches and transmission media. The aim was to combine separate signal sources into a stronger signal or to combine by improving the power level of the individual signal source. One of the most important structure in many applications, transmission line transformer (TLT) used among, provide broadband functionality from low to very high frequencies for large number of applications. By using a TLT between, a configuration compatible with it, a modelling of two-way power combiner using fractional elements is introduced. The proposed combiner operates from 3 MHz to 3 GHz. The structure is implemented in a broadband circuit with an ideal transformer. The proposed circuit is studied analytically and obtained with physical dimensions within HFSS (High-Frequency Structural Simulator). To extract the equations governing the overall structure, the proposed power combiner was assumed by its equivalent circuit model including input source voltages with resistance at the input ports separated by two times the same resistance and two times lower the same resistance at the output port. Furthermore, the equivalent circuit model with the transmission line is defined with the initial conditions required throughout the design process of the proposed structure. With broadband model equivalent circuit implementation, the transmission parameters were evidenced in MATLAB while in HFSS, the EM (Electromagnetic) analysis give some aspect of the reflection and the transmission characteristics of the designed power combiner-based in range of interest. The input reflection coefficients achieved a maximum of 2dB with a slight increase over some frequencies in the range of interest while the output reflection coefficient provides a maximum of 7dB. On the other hand, transmission characteristics are also simulated and consistent results are observed. From this, the designed combiner achieved an input isolation of 22dB maximum and a gain of 3dB. The quality of our work and his performance were highlighted by the co-simulation MATLAB/HFSS results by considering the fractional order transmission line compared with the classical one. The one investigated in this thesis provide a trade-off in term of accurate results. Additionally, it allows and gives more control through the order of derivative. In addition, the skin effect is modelled in the analysis of the proposed structure as well and the response of the power combiner shows no effect in the simulated results.
New opportunities in MOS-only filter design
Research on analog design automation emerges on troublesome manual design cycles in analog circuit design. Manual circuit-sizing in analog design is a time consuming process since non-idealities in a practical circuit result in serious deviations from theoretical calculations. Moreover, selection of the optimal solution among different performance parameters becomes very critical and challenging process, especially when circuits become complex. In this regard, reformulation of conventional equations and integration of the designer's knowledge as well as experience with simulation-based data encourage novel computer-aided automation algorithms. Moreover, MOS-Only circuit design has been gaining big importance because it does not necessitate large chip area. The most important requirement of the MOS-Only design is to understand physical properties and operating mechanisms of the basic components in electronics. Furthermore, in Very Large Scale Integrated (VLSI) circuit design, large numbers of circuits have been sized by hand-calculations and iteratively chain of computations. In this respect, there is a wide gap for design automation proposals, which incorporate knowledge and experience of designer and re-formulation of the conventional equations in this area. As a result, different algorithms or methods are arisen from this urgent demand and rapid growing of VLSI technology. One of the most popular ways, to design an analog filter is to make use of the intrinsic parameters, gate-to-source capacitance ( ) and transconductance ( ), of a MOSFET. This kind of circuits has very small chip area without employing external passive elements. Also, these circuits make use of only MOS transistors without any external active elements or analog building blocks. In comparison of MOS-Only structures with the other topologies, there are several current mode filters in the literature that employ active circuits like Fully Differential Current Conveyor (FDCCII), Current-Controlled Current Conveyors (CCCII), Current Differencing Transconductance Amplifier (CDTA) , Multi Output Second Generation Current Conveyor (MO-CCII), Dual output CCII (DO-CCII), Voltage Differencing Transconductance Amplifier (VDTA), Modified Current Follower Transconductance Amplifier (MCFTA), Operational Transconductance Amplifier (OTA), Dual Output Current Controlled Current Differencing Transconductance Amplifier (DO-CCCDTA), Differential Voltage Current Conveyor (DVCC) etc. They suffer from high layout area and low operating frequency; because they include high numbers of transistors and passive circuit elements. In this thesis, two novel different methods are presented for the automation of design of MOS-Only filters and MOS-C structures. Proposed methods can be easily implemented for different technological processes. Furthermore, presented novel architectures by using these methods can be easily employed in different application areas. It should be noted that in order to automate the design cycle for the presented MOS-Only structures, it is essential to model fundamental small signal parameters by using surface fitting and advanced polynomial regressive methods. However, it is unavoidable that better modeling accuracy comes up with design complexity. To avoid design complexity, it is important to choose the proper method for the proposed circuits by taking into consideration pre-design specifications. First method is MOS-Only design automation based on polynomial regression. In this method, some high order polynomial functions are fitted to the small signal parameters of transistors. These functions connect the pre-defined design constraints to design variables such as dimensions, bias voltages/currents. Defined formulations based on different simulators' data are the result of surface fitting by using computer assisted methods and they can be easily arranged for different technologies. In the end of automation cycle based on the first method, all aspect ratios, bias currents and voltages are obtained in the MOS-Only circuit. Also, this method brings high computational accuracy for the calculation of post-design specifications. Second method is defined as convex approximation. Convex programming is used for a wide range of applications from mathematics up to deep engineering problems. For electronics, it attracts designers for the sake of computational speed and globally optimal solution. In comparison to the first method, it is aimed to obtain all design parameters by using posynomial and monomial formulations. On the other hand, small signal parameters' modeling may not be possible in every technology with the high accuracy using monomials or posynomials, which are specific sets of the fitting functions. In this work, design parameters are modeled with TSMC CMOS 0.18µm process and results are compared with the aforementioned method comprehensively. Finally, subthreshold operation is modeled using polynomial regression for MOS-Only and MOS-C circuits. In this region, it is possible to develop different circuits for a wide range of low frequency applications. All dominant small signal parameters are reformulated for this region using piecewise polynomial regression with high accuracy. All proposed methods in this thesis are developed for TSMC CMOS 0.18µm process. It should be noted that all coefficients in the models should be reobtained for different technologies. Besides, all circuit schematic and post-layout simulations are realized in CADENCE environment by using TSMC CMOS 0.18µm technology. In conclusion, it is aimed that the designed circuits with proposed methods give new opportunities to the electronics engineers.
RSA algoritmasının üç çekirdekli LEON3 işlemcisi tabanlı sistem üzerinde hata enjekte etme atağına dayanıklı gerçeklenmesi
Günümüzde kriptografik sistemler verinin gizliliğini, bütünlüğünü ve kaynağını doğrulamak için kullanılmaktadır. Kriptografik sistemler simetrik ve asimetrik kripto sistemleri olmak üzere iki başlık altında toplanabilir. Simektrik kripto sistemlerinde şifreleme ve şifre çözme işleminde aynı anahtarın kullanılması gerekmektedir. Bu nedenle haberleşmeden önce anahtar güvenli bir kanal üzerinden paylaşılmalıdır. Bu durum uygulamada zorluklara neden olmaktadır. İlk olarak Diffie-Hellman'ın önerdiği asimetrik kripto sistemleri bu zorluğun üstesinden gelmektedir. Asimetrik kripto sistemlerinde şifreleme ve şifre çözme işlemi için açık ve kapalı anahtar olmak üzere iki farklı anahtar kullanılmaktadır ve sadece açık anahtarın paylaşılması haberleşme için yeterlidir. Bu durumda güvenli kanal kullanılması gerekmemektedir. Asimetrik kripto sistemlerinde en yaygın kullanılan algoritma Rivest Shamir Adleman (RSA) algoritmasıdır. Hem simetrik hem de asimetrik kripto sistemlerine matematiksel altyapılarını hedef alan ve gerçeklemeyi hedef alan yan kanal analizi yöntemleri ile atak yapılmaktadır. Başlıca yan kanal analizi atakları zamanlama analizi, güç analizi ve hata enjekte etme ataklarıdır. Bu çalışmanın amacı RSA algoritmasının geçici bit hataları oluşturmak şeklinde gerçeklenen hata enjekte etme ataklarına dayanıklı olacak şekilde gerçeklenmesidir. Bu amaçla gerçeklenebilir bir işlemci olan Leon3 kullanılarak 3 çekirdekli bir kırmık üstü sistem tasarlanmış ve sentezlenerek Digilent firmasının Nexys4DDR isimli Sahada Programlanabilir Kapı Dizisi ( Field Programmable Gate Array - FPGA) geliştirme kartı üzerinde çalıştırılmıştır. Daha sonra Linux işletim sistemi Leon3 için derlenerek tasarlanan sistem üzerinde koşması sağlanmıştır. Son olarak C++ programlama diliyle RSA algoritması yazılmıştır. Her bir işlemci çekirdeği üzerinde aynı şifre çözme işlemi yapılarak yazılım tabanlı Üçlü Modül Yedekleme (Triple Modular Redundancy – TMR) gerçeklemesi yapılmıştır. Bu gerçeklemede her bir işlemci üzerinde çalışan RSA algoritması belli bir zaman farkı ile çalışmaya başlamaktadır. Bu yöntemle geçici bit bozulmalarından etkilenerek yanlış sonuç üreten bir işlemci olması durumunda diğer iki işlemcinin ürettiği sonuç doğru kabul edilecektir. Gerçeklenen sistem üzerinde RSA algoritmasına kapalı anahtarın rastgele bir bitinin yanlış okunmasına neden olan geçici hata oluşturarak atak yapılmıştır. Tek işlemci kullanılması durumunda yanlış şifre çözme sonucu üretilmiş ve kapalı anahtarın hata yaptırılan biti elde edilmiştir. 3 işlemci kullanılarak atak gerçeklendiğinde ise işlemcilerin RSA algoritmasını başlatmaları arasındaki zaman farkı enjekte edilen hatanın süresine göre makul bir şekilde büyük olunca sistemin hatalı olan şifre çözme işlemi sonucunu elediği görülmüştür. Ayrıca önerilen yöntem tek bir iş parçacığının şifre çözme yaptığı durum ve yine benzer şekilde TMR kullanan ancakxvi iş parçacıklarının çalışmaya başlama zamanları arasında süre farkı olmadığı ve aynı kapalı anahtarın birer kopyasının iş parçacıkları tarafından kullanıldığı durum ile karşılaştırılmıştır. Önerilen yöntemin avantajları ve dezavantajları değerlendirilmiştir. Sonuçta Döngüsel Artıklık Denetimi (Cyclic Redundancy Check – CRC) ile kapalı anahtarın periyodik olarak kontrol edilmesi yöntemiyle birlikte kullanıldığında önerilen yöntemin RSA'i hata enjekte etme atağına karşı koruduğu aynı zamanda hata düzeltme de yapabildiği gösterilmiştir.
Raspberry Pi üzerinde gerçeklenmiş RSA algoritmasına yan kanal analizi
RSA şifreleme algoritması güvenli veri aktarımı için yaygın olarak kullanılan açık anahtarlı şifreleme sistemlerinden biridir. Bu algoritma ilk defa 1978'de Ron Rivest, Adi Shamir ve Len Adleman tarafından açıklanmıştır. Algoritmanın ismi ise bu kişilerin soyadlarının ilk harflerinden oluşmaktadır. RSA şifreleme algoritması verinin şifrelenmesi, şifrelenen verinin çözülmesi ve verinin imzalanması işlemlerinde kullanılmaktadır. Gelişen teknolojiyle beraber bilgilerimizin büyük çoğunluğu elektronik ortama aktarılmaktadır.. Akıllı telefonlarımızı küçük birer bilgisayar gibi düşünebiliriz. Teknolojinin gelişmesi bilginin erişilebilirliğinin arttırmasının yanında bilgi güvenliğinin önemini de artırmaktadır. Bilginin güvenliğinin sağlanması için ilk tercih edilen yöntemlerden biri şifrelemedir. Şifreleme işlemi için standartlaşmış şifreleme algoritmaları kullanılmaktadır. Şifreleme algoritmalarının hepsi bir matematiksel arka plana sahiptir. Günümüzde temel olarak şifreleme algoritması gücünü klasik kriptolojide olduğu gibi algoritmanın gizliliğinden almaz, dayandığı matematiksel arka plandan alır. Örneğin; RSA, gücünü tamsayıların asal çarpanlarına ayırma probleminin zorluğundan alır. Kriptografik sistemlerin dayanıklılığının analizi kriptanalizin çalışma alanıdır. Bununla birlikte yan kanal saldırıları diye tabir edilen algoritmanın gerçeklendiği sistemden sızan ısı, işlem zamanı bilgisi, sistemden çekilen güç, elektromanyetik yayılım gibi verileri kullanan bir yöntem de mevcuttur. Yan kanal saldırıları ilk olarak 1996'da zamanlama analizi konusunda yayınlanan makale ile tehdit olarak kabul edilmeye başlanmıştır. Bu ataklarda sistemin çalışmasına müdahale edilmez. Sistem normal çalışma modunda iken sistemin dışarıya sızdırdığı etkiler (ısı değişimi, işlem zamanı bilgisi, güç tüketimi vs. ) gizli anahtar hakkında bilgi edinilmesini sağlıyorsa bu bilgilere yan kanal bilgileri denir. Temel olarak yan kanal atakları ikiye ayrılır. Basit ataklarda tek bir ölçüm kullanılarak gizli anahtarın tamamı ya da bir parçası elde edilir. Basit ataklarda ölçüm ile yapılan işlem arasında ilişki aranır. Farksal ataklarda ise birden çok ölçüm kullanılarak sistemin sebep olduğu gürültü elimine edilip gizli anahtarla ilgili bilgi edinilir. Bu tür ataklarda ise alınan ölçümler ile işlenen veri arasındaki ilişkiye odaklanılır. Bu tez çalışmasında Raspberry Pi üzerinde gerçeklenen RSA şifreleme algoritmasına Basit Elektromanyetik Analizi (SEMA) ve Farksal Elektromanyetik Analizi (DEMA) saldırıları gerçekleştirilmiştir. Bu atakların gerçekleştirilebilmesi için masaüstü bilgisayar, sayısal osiloskop, Raspberry Pi ve yakın alan alıcısından oluşan ölçüm düzeneği kurulmuştur. Raspberry Pi, üzerinde bir işletim sistemi koşturması ve küçük bir bilgisayar özelliğine sahip olması nedeniyle gürültü seviyesi yüksek bir platformdur. Bu nedenle alınan ölçümlerin analiz edilmesi zorlaşmıştır. Analiz işleminin sonunda RSA algoritması herhangi bir yazılımsal önlem almadan gerçeklenir ve / veya Raspberry Pi üzerinde bir güvenlik önlemi alınmaz ise Raspberry Pi platformunun yan kanal analizi ataklarına açık olduğu görülmüştür.
Design and performance analysis of relay-based cooperative overlay cognitive radio networks
As the rapid growth of wireless communications to meet the fast growing demand for supporting an increasing number of advanced wireless applications and services, the availability of the radio spectrum becomes extremely scarce. In addition, several studies reported that most of the allocated spectrum is not efficiently utilized. To deal with such a problem, cognitive radio (CR) was proposed as a promising technology for boosting the utilization of the radio spectrum, since it could efficiently resolve the spectrum scarcity versus under-utilization dilemma. In CR networks, unlicensed secondary users (SUs) are allowed to use/share the radio spectrum licensed for primary users (PUs) when they are inactive/active, without degrading the performance of the PUs. Research on CR has been divided into three main spectrum-sharing paradigms: interweave, underlay, and overlay. In the interweave paradigm, SUs are allowed to use the spectrum only when PUs are inactive. In the underlay paradigm, SUs are allowed to share the spectrum with PUs with an acceptable levels of interference at PUs' receivers. Throughout this thesis we consider the third paradigm, the overlay model, in which SUs are assumed to be smart and capable of cooperatively maintain or improve the communication between PUs while also gaining access to the spectrum for their own communication. For further increasing the efficient utilization of the scarce spectrum, various modulation and multiple access techniques have been recently proposed such as spatial modulation (SM) and non-orthogonal multiple access (NOMA). NOMA exploits the power domain and SM exploits the spatial domain to efficiently improve the spectrum utilization and the network capacity. SM was proposed as a spatial multiplexing technique that effectively remove inter-channel interference (ICI) and inter-antenna synchronization in multiple input multiple output (MIMO) systems; by allowing only one transmit antenna to be activated at any time interval (i.e., only one radio frequency chain at any transmit interval). SM increases the spectral efficiency by utilizing the active antenna index for conveying information besides the usage of conventional amplitude and phase modulation (APM) techniques. For further enhancement in the performance of SM, transmit antenna selection (TAS) schemes were proposed for SM systems; specifically capacity optimized antenna selection (COAS) and Euclidean distance optimized antenna selection (EDAS). EDAS was shown to outperform COAS but with increased complexity. On the other hand, NOMA is a promising spectral efficient multi-user access candidate for 5G systems. NOMA supports multiple users within the same time/frequency/code resource block but with different power levels that significantly improves the spectral efficiency over conventional orthogonal multiple access (OMA) schemes. In a two-user scenario, NOMA allocates higher power to the user with poor channel gain and less power to the user with better channel gain. The user with better channel gain uses successive interference cancellation (SIC) for signal detection while the user with the poor channel gain uses direct decoding considering the signal for the other user as interference. The performance of NOMA can be improved by using user-pairing, i.e., by pairing the users with more distinctive channel gains with each other. Various researchers have investigated SM in overlay CR networks, where they considered using SM at a secondary transmitter that uses the APM technique to relay the symbol of a primary transmitter while using the antenna index to transmit its own message to a secondary receiver. The application of NOMA in CR networks has also attracted many researchers to investigate problems related with outage probability, capacity analysis, energy efficiency and power allocation schemes to further improve the system performance. In this thesis, we study the combination of NOMA, SM, and TAS schemes in overlay CR networks. Joining NOMA and SM altogether increases the spectral efficiency of the network by exploiting the power and spatial domains. The use of TAS schemes improves the quality of service provided for the primary receiver and enhances the energy efficiency of the system. We first started by applying NOMA in overlay CR networks in both the uplink and downlink with single antenna users. In chapter 3, we propose a two-way two-phase spectrum sharing protocol for the overlay CR paradigm using NOMA and physical layer network coding (PLNC). In our proposed protocol, not only the SU (working as a relay) maintains the two-way transmission between the PUs, it also establishes a two-way transmission with the other SU that results in higher spectral efficiency and hence improved system capacity over other protocols proposed in literature. Closed form expressions for the outage probabilities for both PUs and SUs have been derived and validated through Monte Carlo simulations. In chapter 4, we studied the combination of NOMA and SM in overlay CR networks. We considered an overlay CR network that consists of multiple antennas primary transmitter (PT), primary receiver (PR), secondary transmitter (ST) and secondary receiver (SR). The proposed protocol allows ST to transmit simultaneously using NOMA and SM to both PR and SR. The usage of NOMA and SM increases the spectral efficiency for both PR and SR. With NOMA, SR uses SIC to detect the signal intended for PR and then cancels it to detect its own signal, while PR uses direct decoding to detect its own signal considering the intended signal for SR as an interference. This decreases the detection complexity considerably compared to the case without NOMA in which the detectors are required to jointly detect both SM symbols at each receiver. Furthermore, to provide higher quality of service (QoS) for PR, we considered the application of TAS schemes at ST in accordance with PR. We first considered the usage of COAS where ST assigns the antennas with highest channel gains with respect to PR for SM transmission toward PR. From PR's side, this will ensure that the primary symbol will be sent over one of the channels with high gain (with respect to PR) and the secondary symbol will be sent over one of the channels with low gain (with respect to PR), which will result in decreasing the secondary interference at PR – compared with the case without antenna selection (AS) – and therefore will enhance the performance of PR. On the other hand, from SR's side, the new ordering of the antennas of ST is still random with respect to SR and hence will not affect the performance of SR on the average. The performance of the proposed protocol is investigated through derivations of upper bounds for the average symbol error probabilities (SEP) at PR and SR and validated through Monte Carlo simulations. In chapter 5, we studied the combination of NOMA, SM and EDAS in overlay CR networks. Employing EDAS at ST in accordance with PR results in decreasing the SEP of PR significantly; since it selects the antenna subset that maximizes the minimum squared Euclidean distance for the SM constellation at PR. Similar to chapter 4, this will not deteriorate the performance of SR since re-ordering of the antennas at ST remains random with respect to SR. We evaluate the performance of the proposed protocol by derivation of an upper bound for the SEP of PR for the case of using BPSK for both PR and SR and selection of two transmit antennas from the transmit antennas at ST. Also we compare the performance of the proposed protocol with that of COAS and with that of without-AS through Monte Carlo simulations. Finally, the use of NOMA and SM in CR increases the spectral efficiency and hence the system capacity by allowing more users to be serviced with higher data rates through the use of power and spatial domains. Introducing TAS schemes to NOMA-SM in overlay CR networks has been shown to improve the performance of the protocol for PR significantly without affecting the performance of SR, resulting in significant savings in the transmit power of the secondary transmitter that improves the energy efficiency of the network. It has also been shown that the performance of the proposed protocol CR-NOMA-SM with EDAS provides much more transmit diversity compared to CR-NOMA-SM with COAS; but with a trade-off of increased complexity which can be reduced by the use of low complexity EDAS algorithms.
Otomatik yineleme istemeli işbirlikli iletimde enerji hasatlama
OTOMATİK YİNELEME İSTEMELİ İŞBİRLİKLİ İLETİMDE ENERJİ HASATLAMA ÖZET Günümüz dünyasında iletişim alanında kullanılan veri miktarı, iletişim hızları ve küresel anlamda ağlara bağlı aygıt sayısı hızla artmakta, kullanılan uygulamalar ve teknolojiler aynı hızla gelişmektedir. Buna karşın pil teknolojileri aynı hızda gelişmediğinden, gün içerisinde birçok kullanıcı şarj problemi yaşamaktadır. 2G ağlar, ses; 3G ağlar, ses ve veri; 4G ağlar ise geniş bant internet hizmeti için tasarlanmışlardır. 4G'nin ötesinde bir teknolojiye (5G) erişmek için, iletişim kaynaklarının ve işlem gücünün ağlar ile gezgin aygıtlar arasında dağıtmak, bununla beraber oldukça fazla kıyaslama ve karar mekanizması içeren görevleri yerine getirmek, zengin içerik ve uygulamaları kesintisiz çalıştırmak için sisteme bağlı en küçük aygıtlara dahi güç sağlamak gerekecektir. Söz konusu bu yeni nesil ağlar ve standartlar için iletişim ve kıyaslama işlemlerinin birleşmesinin getireceği karmaşıklık gibi birçok zorluğu çözmek gerekecektir. Telsiz teknolojiler; fiber, bakır veya DSL gibi kablolu teknolojilere kıyasla çok daha fazla enerji tüketir. Telsiz erişim ağları belirgin şekilde, bulut ortamındaki enerjinin en büyük ve en verimsiz tüketicisidir. Telekomünikasyon altyapısı ile kullanıcı arasındaki nihai bağlantı, bulut sisteminin tamamı göz önüne alındığında enerji tüketiminin en çok olduğu noktadır. 3G teknolojileri kablolu bağlantılardan yaklaşık 15 kat daha fazla enerji kullanırken 4G teknolojilerinde bu oran 23 kata ulaşmıştır. 5G 'nin enerji tüketiminde bu oranın hangi boyutta olacağı hakkında ise henüz net bir veri yoktur. Geniş çerçeveden bakıldığında 5G, nesnelerin interneti (IoT – Internet Of Things) teknolojisi sayesinde her zaman, her yerden, her şeyi birbirine bağlamayı hedeflemektedir. IoT ile birlikte giyilebilir aygıtlar, akıllı telefonlar, tabletler ve sensörler, vb. diğer aygıtlar kullandığımız uygulamalar ve hizmetler ile birlikte çalışacaktır. 5G ile birlikte, karşılaştırma işlemlerinin her alandaki iletişim sistemlerinde yoğun bir biçimde kullanıldığını göreceğiz. Giyilebilir aygıtlar gibi trilyonlarca nesnenin bu işlemlere kesintisiz devam edebilmesi için bu karşılaştırma işlemleri için gereken enerjiye sahip olmaları gerekir. IoT 'nin hızla büyüyen sınırsız enerji tüketimini dengelemekte başarılı olması için bir takım yeni çözümlere gereksinim duyulmaktadır. Bu amaçla IoT aygıtlarının düşük güçlü aygıtlar olması beklenmekte olup Cisco 'nun 2020 'de 50 milyar olacağını öngördüğü IoT aygıtlarının sayısı, bugün kullanılan akıllı telefonların ve tabletlerin toplam sayısından çok daha fazladır. Bu aygıtlar ile bağlı oldukları şebekeler ve veri merkezleri tarafından tüketilen enerji dikkate alınırsa, IoT ile oluşacak enerji tüketimi, enerji tüketiminin büyüme oranını etkileyici bir şekilde arttıracaktır. Bu bağlamda IoT çalışmalarında, üzerinde yoğun bir şekilde çalışılan spektrum etkinliği yanında bir başka zorlu konu olarak enerji verimliliği ortaya çıkmıştır. Bunun nedeni, daha yüksek iletim hızı ve çok büyük sayılardaki bağlantılı akıllı aygıtların daha fazla enerji tüketmesi gerçeğidir. Bu sebeple, enerji tüketiminin nasıl azaltacağı ve enerjinin etkin bir şekilde nasıl kullanılacağı önemlidir. Bu kısıtlamayı aşmak ve 5G ağların beklenen gelişmeyi gösterebilmesi için, yeni nesil aygıtlar önceki nesillerdekilerden çok daha hızlı ve akıllı olmak zorundadırlar. Bu sebeple ağ içerisinde bulunan düğümler/kullanıcılar sadece son kullanıcı olmaktan fazlasını sağlamak ve diğer kullanıcılar için röle görevi görmek zorundadırlar. Telsiz iletişimde, kaynağın hedefe doğrudan yeterli bilgi iletemediği durumlarda iki noktanın arasında bir yerde bulunan bir röle yardımıyla bilginin hedefe iletilmesinin sağlandığı iletişim biçimine işbirlikli iletişim denir. Bu tür sistemlerde pil problemleriyle başa çıkmak için önerilen çözümlerden biri de rölede Enerji Hasatı (EH) yapmaktır. Rölede enerji hasatı yapmak için enerji ve bilgiyi aynı anda taşıyan radyo işaretleri (RF) kullanılır. Bu sayede röle kaynaktan aktarılan işareti hedefe iletirken dış bir enerji kaynağına gereksinim duymaz ve pilinde depoladığı enerjiyi kendi iletimi için kullanabilir. Rölenin enerji kaynağından bağımsız çalışabilir olması durumunda enerji hasatlama ve bilgi aktarımı işlemi temelde iki farklı protokol ile uygulanmaktadır. Bunlardan biri zaman anahtarlamalı aktarım protokolü (TSR) diğeri ise güç bölmeli aktarım protokolüdür (PSR). Diğer yandan, 5G sistemlerde başarım artırımı için kullanılması öngörülen radyo erişim tekniklerinden biri dik olmayan çoklu erişim (NOMA - Non-Orthogonal Multiple Access) 'dir. NOMA, aynı zaman aralığı veya frekans bandından, birden çok bilgi işaretinin güç paylaşımı yoluyla toplanarak iletilmesine dayanmaktadır. NOMA 'nın, alıcı tarafa uygulanan bir ardışık girişim giderme (SIC) işlemiyle, 4G gezgin iletişim sisteminde yaygın olarak kullanılan dik çoklu erişim (OMA - Orthogonal Multiple Access) tekniği ile karşılaştırıldığında sistem verimliliği ile kullanıcı adilliği arasında daha iyi bir ödünleşim sağlayacağı düşünülmektedir. Bu teknikle 5G iletişimde kullanıcıların veri hızı gereksinimlerini karşılamanın mümkün olması beklenmektedir. Bu tez kapsamında, bir kaynak, bir röle ve iki hedef düğümünden oluşan ARQ-tabanlı bir işbirlikli iletişim ağında enerji hasatlamanın etkileri Rayleigh sönümlemeli kanallarda incelenmektedir. İlk olarak, kaynağın aynı veri paketini iki hedef düğüme ve röleye doğrudan ilettiği bir yayın kanalı ele alınmıştır. İletim iki hedef düğümde başarılı olduğunda bu düğümler kaynağa ve röleye bir onay (ACK) işareti göndermektedir. Aksi durumda, iki seçenek vardır: Röle söz konusu veri paketini başarıyla almış ve onay (ACK) işareti göndermişse, işbirliği yapmakta ve bu paketi ikinci kez hedef düğümlerine iletmektedir. Röle paketin alımında başarısız olmuş ve onaylamama (NACK) işareti göndermişse bu kez kaynak paketi yeniden hedef düğümlere doğrudan iletmektedir. Her veri paketinin yalnız bir kez yeniden iletimine (röleden veya kaynaktan) izin verilmektedir. Rölenin iletim enerjisi yalnız bir veri paketinden enerji hasatlanarak sağlanmaktadır. Bu anlamda, rölede tampon bulunmamaktadır. Buna bağlı olarak, çöz-ilet (DF) protokolünün gecikme-sınırlı kullanımı söz konusudur. İkinci olarak, NOMA tekniği aynı ağ yapısına uygulanmış ancak kaynağın her hedef düğüme iletilecek ayrı bir veri paketi olduğu varsayılmıştır. Aynı ARQ iletim yapısında kaynaktan ve röleden, uygun bir güç paylaşımıyla süperpoze edilmiş birinci ve ikinci hedefe ilişkin veri paketleri iletilmekte ve daha güçlü kanal durumuna sahip hedef düğümde SIC işlemini gerçekleştirilirken zayıf kanala sahip hedef düğüm kendi paketini diğer paketi gürültü gibi kabul ederek çözmektedir. Her iki durumda da amaç ARQ yardımıyla sistemin güvenilirliğini, rölede enerji hasatlayarak da enerji verimliliğini artırmaktır. Enerji hasatlamak amacıyla TSR ve PSR protokolleri kullanılmaktadır. Göz önüne alınan sistemlerin başarımları ağdaki kanalların servis kesilme olasılıklarına bağlı olarak elde edilen verim bakımından değerlendirilmektedir. SNR, hedeflenen veri hızı, zaman ve güç paylaşım oranları, enerji hasatlama verimi gibi çeşitli sistem parametrelerinin verime etkileri göz önüne alınmıştır. Analitik verim ifadeleri her durumda kapalı biçimde elde edilmekte, elde edilen kuramsal sonuçlar bilgisayar benzetim sonuçlarıyla desteklenmektedir. Elde edilen sonuçlar işbirliği amacıyla röle kullanmanın doğrudan kaynaktan iletim durumuna göre sistem verimini önemli ölçüde artırdığını ayrıca enerji hasatlamak amacıyla PSR protokolünün kullanımının TSR protokolüne göre her durumda daha üstün başarım sağladığını göstermektedir.
Stokastik hesaplama alternatifi olarak bit katarı hesaplama ile hatasız aritmetik işlem bloklarının tasarımı
Stokastik hesaplama (SH), seri bit katarlarını olasılıksal olarak işleyen bir hesaplama paradigmasıdır. Aslen 1950'lerde teklif edilmesine karşın, halen kullanılan ikili hesaplamaya göre doğruluk konusunda geride kaldığı için gözden düşmüştür. Son yıllarda entegre devre tasarımının fiziksel sınırlarına yaklaşmasıyla birlikte, hatırı sayılır derecede alan tasarrufu sağlayan stokastik hesaplama yeniden gündeme gelmiştir. Özellikle kesin doğruluk gerektirmeyen (işaret işleme, yapay sinir ağları vb.) uygulamalarda sıklıkla kullanılmaya başlamıştır. Ancak, doğruluk problemi stokastik hesaplamanın kullanımını sınırlamaya devam etmektedir. Bu çalışmada, stokastik hesaplama ile aynı mantığı kullanan ``Bit Katarı Hesaplama" adlı yeni bir hesaplama paradigması teklif edilmiştir. Bit Katarı Hesaplama, temel olarak stokastik hesaplamanın alan avantajı ile geleneksel ikili hesaplamanın doğruluk avantajını birleştirir. Stokastik hesaplamadaki gibi rastgele veya Binom dağılımlı katarlar kullanılmasına ihtiyaç duymaz. Geleneksel ikili hesaplamadaki gibi bilgiyi paralel bitlerle işlemek yerine seri bit katarları kullanarak devrelerin alan maliyetini önemli derecede düşürür. Neticede, bu paradigma ile üretilen tasarımlar düşük alan maliyeti, yüksek doğruluk gibi modern ihtiyaçlara cevap verebilecek kapasitededir. Geleneksel hesaplamanın temel aritmetik işlem blokları toplayıcı ve çarpıcı devrelerdir. Bu çalışmada da Bit Katarı Hesaplama ile toplayıcı ve çarpıcı devreler teklif edilmiştir. Ancak, yapılan tasarımların stokastik veya bit katarı hesaplama ile elde edilebilecek optimum sonuçlara ne kadar yakın olduğunu anlamak amacıyla, öncelikle bu paradigmaların giriş/çıkış bit katarı uzunluğu, doğruluk, devre karmaşıklığı gibi ölçütler açısından sınırları belirlenmiştir. Farklı ihtiyaçlar için seçenekleri arttırmak amacıyla hem asenkron hem de senkron tasarımlara yer verilmiştir. Ayrıca ardışık katarları işleyebilen tasarımlar da teklif edilmiştir. Bütün tasarımların doğruluk ve alan karmaşıklığı sonuçları, stokastik/bit katarı hesaplama ile elde edilebilecek optimum sınırlara oldukça yakındır. Bit katarı hesaplama kullanılarak teklif edilen toplayıcı ve çarpıcı devreler, geleneksel ikili veya stokastik hesaplama ile tasarlanan literatürdeki benzerleri ile alan, gecikme ve doğruluk yönünden karşılaştırılmıştır. Bu çalışmanın özgün yanlarından bir diğeri, karşılaştırma için yapılan benzetimlerin transistör seviyesinde olmasıdır. Böylece kapı veya sistem seviyelerindeki benzetimlerde ortaya çıkmayan zamanlama problemleri de incelenmiştir. Benzetimler Cadence ortamında AMS 0.35um CMOS teknolojisinde transistör ve kapı seviyesinde yapılmıştır. Yapılan karşılaştırmalarda, teklif edilen toplayıcı ve çarpıcı devrelerin stokastik benzerlerine her açıdan üstünlük sağladığı görülmüştür. Geleneksel ikili devreler ise sadece gecikme konusunda geride bırakılamamıştır ki, gecikme seri katarlar kullanan herhangi bir devre için katlanılması gereken bir sorundur. Karşılaştırmalar ayrıca basit bir yapay sinir ağları uygulamasında da yapılmıştır. Bu uygulamada da, teklif edilen devrelerin doğruluktan neredeyse hiç feragat etmeyerek büyük ölçüde alan tasarrufu yaptığı görülmüştür. Sonuç olarak, bu çalışma ile geleneksel ikili veya stokastik hesaplama ile üretilenlere göre çok daha küçük ve yüksek doğruluklu aritmetik işlemler gerçekleyebilen hesaplamalar için yeni ufuklar açıldığına inanılmaktadır.
Radarla hedef tanıma ve sınıflandırma için temel bileşenler analizine dayalı yeni karma yöntemler
Radar hedeflerini görüntülemek için Yapay Açıklıklı Radar (YAR) ve Ters Yapay Açıklıklı Radar (TYAR) kullanılmaktadır. Hedefi tanıma ve sınıflandırma için ise literatürde çeşitli yöntemler mevcuttur. Bu yöntemlerden bazıları için kullanılacak olan radar hedefinin radar kesit alan (RKA) değerleri gerekir. RKA değeri ise bir hedefe elektromanyetik dalganın gödnerilerek geri yansıyan elektromanyatik dalganın elektrik alanının ölçülmesi ile elde edilir. Elde edilen RKA değerleri, açı çeşitlemesi ve frekans çeşitlemesi kullanılarak genişletilir. Oluşturulan bu RKA değerleri bir matris şekline getirilerek hedef tanıma ve sınıflandırma algoritmalarında kullanılır. Bu çalışmada öznitelik çıkarımına dayalı radar hedef tanıma ve sınıflandırma yöntemleri incelenmiş ve bazı karma yöntemler önerilmiştir. Bu yöntemlerin en önemli zorluğu özniteliklerin seçimi konusudur. Özniteliklerin seçimine dayalı farklı yaklaşımlar incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Radar hedeflerinin tanınması ve sınıflandırılması için incelenen Temel Bileşenler Analizi (TBA) tabanlı yaklaşımlardan birisi Çekirdek Temel Bileşenler Analizi (ÇTBA) 'dir. Ayrıca TBA yöntemi ile birlikte Doğrusal Ayrımcılık Analizi (DAA) ve Fisher Doğrusal Ayrımcılık (FDA) yöntemleri incelenmiştir. Hazırlanan veri setleri ile başarı oranı açısından birbirine olan üstün ve zayıf yönleri analiz edilmiştir. Bu yöntemlerle beraber birden fazla yöntemin birleşiminden meydana gelen, TBA+DAA, TBA+FDA, TBA+DAA+FDA, DAA+FDA, ÇTBA+DAA, ÇTBA+FDA ve ÇTBA+DAA+FDA yeni karma yöntemler de oluşturulup incelenmiştir. TBA yöntemi çok boyutlu veriyi daha az boyutlu bir alt uzaya dönüştürür. Bu doğrusal ve dik geçişi yaparken kovaryans matrisini kullanır. Kovaryans matrisinin özdeğer ve özvektörleri sayesinde temel bileşenler hesaplanır. Aynı zamanda çok boyutlu veriyi daha az boyuttaki veriye dönüştürdüğünden sıkıştırma da yapılmış olur. TBA yönteminde farklı hedeflere ait veriler çok büyük bir varyans ile dağılmak zorundadır. Çok küşük varyanslı dağıldığı durumlarda ise TBA'in başarımı düşmektedir. Böyle bir durumda TBA, doğrusal bir geçiş ile alt uzayda ayrışmayı yapamamaktadır. Bu nedenle veriyi doğrusal olmayan bir geçişle alt uzaya iz düşüren Çekirdek TBA yöntemi önem kazanır. ÇTBA doğrusal olmayan geçişi çekirdek fonksiyonları vasıtasıyla yapmaktadır. Literatürde sıkça kullanılan çekirdek fonksiyonları ise gauss, polinom ve hiperbolik tanjant'tır. Bu çalışmada ise polinom çekirdek fonksiyonu kullanılmıştır. DAA yöntemi ile de hem sınıflar içi hem de sınıflar arası benzerliğe bakılarak başarımın genellenmesi sağlanır. Özniteliklerin seçimi konusu incelendiğinde ise FDA yöntemi bu noktada optimum geçiş matrisini elde edebilmek için optimizasyon gerektirir. Böylelikle optimum özdeğer ve özvektör seçimi yapılır. Literatürde birden fazla yöntemin birleşiminden oluşturulan karma yöntemler de vardır. Örneğin TBA+DAA yöntemi bu çalışmada incelenmiştir. TBA yöntemi ile sınıflandırma başarısının düşük olduğu, çok yakın varyans ile dağılmış hedeflerde TBA+DAA yöntemi başarıyı arttırmaktadır. Ayrıca literatürde olmayan TBA+DAA+FDA, DAA+FDA, ÇTBA+DAA, ÇTBA+FDA ve ÇTBA+DAA+FDA karma yöntemler de bu çalışmada oluşturulup, sonuçları incelenmiştir. Çalışmada eliptik silindir, dikdörtgen düzlem ve eşkenar üçgen düzlem kullanılmıştır. Benzetim için MATLAB tabanlı kullanıcı arayüz programı (GUI) tasarlanmıştır. Böylelikle kullanılacak özdeğer vektör sayısı, sinyal gürültü oranı değeri, eğitim veri setinin büyüklüğü ve gürültü gücünü ayarlanarak, seçilen yöntemin analizi yapılmıştır. Sonuç olarak yeni oluşturulan karma yöntemlerin karşılaştırılmaları detaylı bir şekilde yapılmıştır. Başarı oranı tüm metodlar için yüzde olarak hesaplanıp, karşılaştırmalar için kullanılmıştır. TBA yöntemi çok büyük varyans ile dağılmış verilerde en yüksek başarı oranını sağlamıştır. FDA yöntemi %96,24'lük başarı oranı ile frekans çeşitlemesinin kullandığı veri setinde en yüksek başarı oranına sahiptir. TBA+DAA+FDA ve TBA+DAA yöntemleri farklı sınıflardan oluşturulan ve açı çeşitlemesinin kullanıldığı veri seti için incelendiğinde düşük sayıda özdeğer vektör kullanıldığı durumlarda başarı oranının arttığı gözlenmiştir. FDA yöntemi ise yüksek sayıda özdeğer vektör kullanıldığı durumlarda başarı oranı artmaktadır. TBA+FDA yönteminde eğitim veri seti büyüklüğü arttıkça başarım oranı da artmaktadır. ÇTBA+DAA yöntemi %33,41 başarı oranı ile farklı sınıflardan oluşturulan veriler için en düşük başarı oranına sahiptir. Aynı sınıftan oluşturulan hedeflerde ise DAA+FDA %33,33 ile en düşük başarı oranına sahiptir. Frekans çeşitlemesinin kullanıldığı verilerde ise ÇTBA, ÇTBA+DAA, ÇTBA+FDA ve ÇTBA+DAA+FDA yöntemleri TBA, TBA+DAA, TBA+FDA, TBA+DAA+FDA, FDA ve DAA+FDA yöntemleri ile kıyaslandığında en düşük performansa sahip olduğu gözlenmiştir.
Patch based speckle reduction methods in ultrasound images
Several image denoising methods were grouped based on their working principles and then they were compared according to their denoising performances. After this detailed anaylsis to find best denoising approach, a new patch based denoising method was offered.
Yakın mesafe radar sistemi
Bu tez çalışmasında kullanılan radar sistemi ile yakın mesafede (50 metre ve civarı) konumlanmış bir hedefin tespiti yapılmıştır. Hedefin konum ve açı bilgileri elde edilmiştir. Bu bilgilerin elde edilmesi için alıcıda sinyal işleme algoritması yazılmıştır ve algoritma yazımı için MATLAB programından faydalanılmıştır. Bu radar sistemi bir verici ve iki alıcıdan oluşmaktadır. Vericiden iletilmek üzere kulllanılan sinyal, Doğrusal Frekans Modülasyonlu (LFM: Linear Frequency Modulation) Cıvıltı (Chirp) sinyalidir. Doğrusal frekans modülasyonu, sinyalin frekansının zamanla doğrusal artmasını veya azalmasını sağlar. Doğrusal frekans modülasyonu, radarın hedefleri birbirinden ayırt etme yeteneği olan menzil çözünürlüğünü arttırmak için kullanılmaktadır. Çözünürlükteki artış bir darbe sıkıştırma (pulse compression) tekniği ile gerçekleştirilmektedir. Darbe sıkıştırma tekniği kullanıldığında, frekansı doğrusal olarak artan sinyalin belirli bir sıkıştırma oranı ile alıcıda sıkıştırılması sonucu darbe süresi azalır. Uzun bir darbe gönderildiğinde kısa darbenin menzil çözünürlüğü elde edilirken istenen güç seviyesi korunmuş olur. Darbe sıkıştırma tenknikleri analog ve sayısal olmak üzere iki çeşittir. Bu tez çalışmasında analog darbe sıkıştırma tekniği olan Germe İşlemi (stretch processing) kullanılmıştır. Germe İşlemi bir diğer analog sıkıştırma tekniği olan Uyumlu Filtreleme (Matched Filter) tekniğine alternatif bir yöntemdir. Uyumlu Filtreleme dar bantlı sistemler için kullanılmaktadır. Bant genişliği çok yüksek olduğunda Analog-Sayısal Dönüştürücü (ADC: Analog to Digital Converter) limitini aşmaktadır. Germe işlemi bu donanımsal sınırlamaya çözüm olarak kullanılmaktadır. Germe işleminde belirli bir mesafe penceresinde işlem gerçekleşir. Bir referans sinyali (vericiden iletilen sinyalin gecikmiş formu) ile alıcıya gelen sinyalin karıştırılması sonrasında Alçak Geçiren Filtre'den (LPF: Low Pass filter) geçirilir. Bu sayede temel banda (sinyalin vericide modüle edilmeden önceki hali) indirgenen sinyal belirli bir zaman penceresinde Analog-Sayısal Dönüştürücü ile sinyal sayısal hale getirilir. Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT: Fast Fourier Transform) uygulandığında farklı frekans noktalarında tepe değerleri elde edilir ve bu farklı frekans noktalarından hedefin konum bilgileri elde edilir. Yakın mesafe radar sisteminde hedefin konum (x,y koordinatı) ve açı bilgisini elde etmek için öncelikle bir eşik değeri (threshold) belirlenir. Bu eşiğin üstünde kalan tüm frekans noktalarına karşılık gelen mesafe değerleri hesaplanır. Alıcıların konumları çemberin merkezi, mesafe değerleri çemberin yarıçapı olarak kabul edilir ve iki alıcı için bu çemberlerin kesişim noktaları hesaplanır. Kesişim noktalarının x ve y koordinatları belirlenerek konum ve açı bilgileri elde edilir. Belirlenen her bir muhtemel hedef konumu için hedefin gerçek konumuna olan dik uzaklıklar hesaplanarak hata elde edilir. Bu hata değeri menzil çözünürlüğü (0.6 metre) değerine yakın elde edilmeye çalışılmıştır. Frekans bölgesinde eşiği geçen noktaların genliklerine göre ağırlıklandırma yapılarak hata düşürülmüştür. Radar sisteminde kullanılan parametrelerin (bant genişliği, darbe süresi, örnek sayısı, örnekleme hızı, sıfır sayısı, eşik değeri, işaret gürültü oranı) değişimi ile sistemin başarım ölçütü olan hatanın optimum değeri elde edilmeye çalışılmıştır. Sistem parametrelerinin optimimum değerleri ile hata 0.6 yakın bir değerde elde edilmiştir.
On the performance of cooperative diversity with amplify-and-forward relays over weibull fading channels
The wireless communication channel suffers from much channel impairments such as noise, path loss, fading, shadowing and interference .Among all those degrading factors, fading which is produced by multipath is the most severe due to the interference between two or more versions of the transmitted signal which arriving at the destination at slightly different times and the rapid random fluctuation of those signal amplitude over a short period of time resulting to the drastic degradation of the reliability and the performance of the overall system and the reliability . For this reason, during the last decade wireless communication performance improvement has been the subject of lot of investigation, different methods and techniques have been implemented in order to mitigate the effect of multipath fading and improve the wireless channels. One of the efficient technique proposed by researchers was the so called multiple input multiple output systems commonly abbreviated by MIMO. This technique is also referred as antenna space diversity and represents a powerful means of mitigating the deleterious effects of fading in wireless communication, the basic ideas behind MIMO is the use of multiple antennas at the transmitting and the receiving nodes in order to create diversity, the receiver is supplied multiple replicas of the transmitting signals instead of one signal, so the likelihood that all replicas of the signals will fade simultaneously is extremely reduced. another major advantage of MIMO is potentially increase in the channel capacity without any expansion in the required bandwidth or increase in the transmit power. Despite all these assets, MIMO has practical constraints on its deployment in modern wireless devices due the size of equipment, computational capacity requirements and power consumption. To counteract these constraints an alternative technique that can use single antenna at the transmitting and receiving nodes was proposed, cooperative communication takes advantage of the broadcasting nature of wireless medium and allowing neighboring relay nodes to cooperate in communication by forwarding information from source nodes to destination nodes, cooperative communication provides space diversity gain equivalent to MIMO systems, enhance coverage and substantial increase channel capacity without increase the power of the transmitter. A cooperative phase consists of two time-slots. In the first time-slot, the source broadcasts a symbol to the relays and to the destination. In the second time-slot, the relays process the received symbol and forward them to the destination according to some specifics relay strategy or protocol. Nowadays it exists a whole gamut of different relaying strategies but they can globally be classified into two big groups: Decode-and-Forward (DF) or non-regenerative and the Amplify-and-Forward (AF) or regenerative, in the literatures another classification can be found but throughput this thesis we shall consider the above-mentioned classification and we shall also assume that the relay strategy operate in orthogonal channels mode and Time Duplex Division is used due to the limitation of the terminals to transmit and receive the symbols in the same time at the same frequency. The Amplified-and-forward (AF) is the most popular and the simplest cooperative signaling strategy that can be used at the relay to amplify the received signal from the source node and retransmits it to the destination node without doing any specific decoding, in fact it acts as analog repeaters by retransmitting an amplified version of their received signals for this reason it is also called non regenerative relaying , the amplification process which is the multiplication with an amplification parameter is used to normalize the received power. The main advantage of this strategy is its low -complexity implementation and its power constraints, the disadvantage of this strategy is the fact that, the relay nodes amplified the received noise at the same time. Recent research has shown that AF cooperative diversity leads to significantly lower bit error rate (BER) than DF strategy and direct non-cooperative communication. On the other hand, in DF strategy the complexity at the receiver is higher in comparison to that in the AF strategy, the relay node decodes the received signal transmitted by the source node, re-encode it and then retransmit it to destination node noting that during the decoding process the additive noise is removed but symbol at the relay node may be incorrect, therefore, the overall system performance depends on the success of the symbol decoding. Although DF strategy has the advantage over the latter relay strategy in reducing the additive noise at the relay, it suffers from the error propagation issues due the incorrect detection of the relay. The scope of this thesis is to discuss all the above issues, cooperative communication network multiple-relays is considered in order to mitigate the problem of channel impairments and improve performance of overall system through diversity techniques. Diversity techniques consist of transmitting independently two or more copies of the same signal multiple times, the expectation is that at least one of these replicas will be received correctly, or at least one of the diversity branches will have the higher instantaneous signal-to-noise ratio. One alternative to have diversity in wireless communication system without increasing the number of the receiver and transmitter antennas is through the use of cooperative diversity. In this thesis, we shall analyze the performance of cooperative communication with Amplified-and-forward relays strategy over i.i.d (independent and identical distributed) Weibull fading channels using maximum ratio combining (MRC), a closed form expression for the moment generating function (MGF) of the total SNR at the destination node is derived. The fundamental idea behind maximum ratio combining (MRC) is to combine the signals coming from the Lth relaying branch and maximize the receiver SNR, in other words the instantaneous signal-to-noise ratio of the L branch diversity with the combining technique MRC is the sum of the individual signal-to-noise ratio for each branch. Among all the combining techniques MRC is the optimal in the absence of interference however its implementation requires exact information of the instantaneous SNR on each cooperative diversity branch, which sometimes can be difficult to find, because we shall deal the probability density function of sum of Weibull distribution even if the channel coefficients of the links are mutually independent and identical, to overcome this cumbersome task, we use the Moment Generating based-approach (MGF) and the algorithm of the best relay which consist selecting the relay with the highest instantaneous signal-to-noise ratio among the L branch from the Kth relays to the destination source, so only the best relay node (out of K relays) is used at any time. In fact, the algorithm maximizes the minimum signal strength and reduce the number of required channel and maintain full diversity order. At the end, after applying the MRC, we deal only with the direct link from the source to the destination and a link which has the highest instantaneous SNR. For the analyses of the performance metrics in cooperative wireless communication system the moment generating function based-approach, these approach is gaining popularity as a approach to unified error rate analysis of digital communications un fading channels, the performance metrics like as the outage probability and symbol error rates can be expressed in terms of the MGF of the SNR at the output of a diversity combiner in a multiple-channel receiver system, so it is used in order to greatly simplify our analysis of performance metrics, the use of MGF in diversity analysis of the moment generating come from the difficulty in computing the sum of probability density function of the instantaneous SNR and also when computing outage probability and the average probability of error which require integration over the distribution of the sum of the instantaneous SNR , the distribution of this sum is often not in closed-form for any number of branches of diversity with the same or different fading distribution on each branch , even when it is in closed form it can be difficult to evaluate numerically, another motivation of using the Moment Generating-based approach is that expressing the average error probability in terms of the MGF for the sum of instantaneous SNR instead of its probability density function eliminates these tedious integration Specifically, when the diversity branch are independent non identical (i.n,d ). The performance of the maximum ratio combing diversity of cooperative communication over fading channels has gained much interest, many papers in the recent literature could be found discussing the performance of cooperative system with multiple-relay, most of the model for these systems typically assume either Rayleigh fading channels or independent identically distributed Nakagami or even Rician fading channels , these fading models may not be an appropriate fading channel model, we choose Weibull fading channel because it is a flexible statistical model for describing multipath fading channels in both indoor and out-door radio propagation environments and mobile communication systems. This thesis analyzes the performance of the outage probability and the average symbol error rates of the amplify-and-forward relay strategy over independent and identical distributed Weibull fading channels, the maximum ratio combining technique has been used, in order to combine the instantaneous SNR of the direct link i.e. from the source to the destination, and the indirect link and the best relay selection criteria at the destination is used. The closed-form expression of the MGF for the end -to-to SNR at the destination is derived with the help of Meijer G-function/Generalized hypergeometric function which is available in common mathematical software package such as MATLAB, MATHEMATICA, MAPLE. This derived of the total MGF is helpful in analyzing the performance metrics.
Design and implementation of a sepic battery charger for automotive pv applications
The fossil fuels such as coal and gas pollute the air, water and nature. According to World Wildlife Fund (WWF), generating electricity from fossil fuels causes serious acid rain and damage in forest areas. Demand for electricity is growing day by day. At the same time, the stock of conventional sources such as petroleum, natural gas, coal etc. is limited, and decreasing. Moreover, there is an excessive dependence on imports of conventional sources, because the number of countries which have considerable supplies for fossil fuel are also limited. In addition, there is a continuous increase in their prices. Hence electricity crises have been already started all over the world. Humans are searching for a new energy source because of the undisputed meaning of energy for the continuity of life. Solar energy is a good alternative to fossil fuels because of being renewable, safe to use, and less pollutant. According to National Renewable Energy Laboratory in the United States of America, the annual energy needed by all the people worldwide can be met by the sunlight received by the earth in one hour. As a consequence, governments, businesses, researches, scientists, and communities have been started giving more importance of utilizing renewable energy resources especially solar energy despite the cost of photovoltaic (PV) systems. In fact solar technology is being improved day by day which leads to a decrease in total system cost. A study conducted in 2011 in the United States of America shows that the cost of a PV system redeems itself even in 20 years. Due to being a solid state device, PV cells are robust, easy to design, and require very little maintenance. Furthermore, the size and generation capacity of a solar PV system is a function of number of PV modules. Hence, the applications of solar technology can be easily scaled from microwatts to megawatts. PV systems are mobile, and are able to be used in remote areas. Additionally PV systems have a better life-cost correlation, if the amount of sunlight is enough. On-roof-tops of individual buildings is one of the common, and very first application example of PV systems. On-roof-tops are used to supply power to cool or heat the building, and to provide lighting which decrease fossil fuel dependency significantly. Over time though, the technology of PV systems have been improved, and huge solar PV systems have been beginning to be built on the wastelands. PV cell generates direct current (DC) from solar energy by means of photovoltaics. It can be converted to alternative current (AC) with an inverter to be able to use it at home, or it can be directly stored in a battery to be able to use it when needed. The output characteristics of a PV system depends on the atmospheric conditions such as intensity of solar irradiance, and temperature, due to the nature of PV cell. That is why, the efficiency of PV cell is low, when it is directly connected to the load. PV module utilization is improved by operating PV module around its maximum power point (MPP), where it works with the maximum efficiency. With the objective to operate a PV cell, or PV module around its MPP, maximum power point tracking (MPPT), i.e. maximum power point tracker is used. MPPT is a DC/DC converter which extracts maximum power from PV module under any environmental condition, and transfers it to the load efficiently by providing impedance matching between PV module and load. One of the common usages of PV modules in automotive is solar-powered recreational vehicles (RVs) which are mostly used in boondocks for camping. Solar-powered RVs have at least one 12V leisure battery, which is mostly lead-acid due to being cheap, reliable, well-understood, and easy to find. 12V leisure battery is used for 12V equipment and appliances such as a few lights, tablet, phone charger, laptop etc. which is charged from PV module during camping. The number of leisure batteries depends on the amount of power generated from PV module. PV modules can be portable or mounted on the top of the vehicle such as van, trailer etc. A DC/DC charger is used to take the power generated by PV modules and charge the battery in the most efficient way by using this power. According to the researches, a PV system setup as a backup power source for an RV can amortize itself in 2-4 years. For this thesis, a single ended primary inductance converter (SEPIC) battery charger is designed, implemented, and tested for automotive PV applications, which charges a 12V battery with maximum 8A charging current at 14V for an input voltage range, i.e. a PV module output voltage range from 12V to 25V, and with 85% efficiency. The practical application of this thesis is charging a 12V/80Ah leisure battery of a solar-powered RV, which has a 180W PV module, with maximum 8A charge current at 14V output voltage. In order to achieve thesis's purpose, in the beginning a comprehensive literature review on MMPT in PV applications, DC/DC converter topologies used as MPPT, SEPIC converter design, and SEPIC based battery charger design for PV systems is done. The literature review points out that, an intermediate DC/DC converter is needed to increase the efficiency of PV system, and SEPIC is the most promising topology for target application of this thesis. That is why, SEPIC topology is selected for charger design. Afterwards, theoretical background of SEPIC topology is deeply studied. According to design considerations, and by using theoretical equations, all necessary parameters of components are calculated, switching frequency is defined, and hence a basic SEPIC charger circuit design is completed. A simulation setup is prepared with ideal components, and simulations are performed with LTspice by using an ideal voltage source as an input supply instead of PV module model and a resistor as an output load instead of battery model. The simulation results are interpreted, and compared with theoretical calculations. After verifying design with ideal components, proper off-the-shelf components and controller of charger are selected. Their spice models are gathered from manufacturers if available, else proper models are developed in order to prepare a simulation setup in LTspice. The SEPIC design with real component models i.e. non-ideal component models are performed by again using an ideal voltage source as an input supply instead of PV module model and a resistor as an output load instead of battery model. The simulation results are interpreted, and compared with simulation results of the circuit with ideal components and theoretical calculations. After verifying design with non-ideal components, a 180W PV module model is developed and used instead of ideal voltage source as an input supply and a 12V battery model is used instead of a resistor load as output load in the simulation circuit with non-ideal components with the intention of performing system simulations in LTspice. The simulation results are interpreted, and compared with other simulation results, and theoretical calculations. After the correctness of theoretical calculations and selected components are confirmed by performing simulations in LTspice, SEPIC charger implementation is started. By using Altium Designer 18, schematic and printed circuit board (PCB) of SEPIC charger are designed, after completing the creation of libraries which include all necessary components' symbols, and footprints. Afterwards, all components included in the bill of material report of design are ordered through distributors, and PCB is manufactured. When bare PCB arrives, components are soldered onto PCB. Hence prototype of designed SEPIC charger is obtained, and made ready for testing. All necessary tests are performed in two different test environments, which are laboratory and field tests, in order to validate SEPIC charger design. In the beginning, tests are performed in the laboratory by using a power supply as an input source, and a resistor block as a load. The tests are performed in two main phases in the laboratory. In both phases, a power supply is used as an input source. In the first phase, a resistor block is used instead of battery as a load. In the second phase, a 9Ah battery is used as a load. Eventually, field tests are performed with a 130W PV module used as an input source and a 12V/12Ah battery used as a load. As a consequence, it is achieved to design, and implement a SEPIC charger as intended which provides maximum 8.32A output current at 14.14V output voltage for an input voltage range from 12V to 25V. Implemented SEPIC charger has an efficiency minimum 87.6% at 12V input voltage and maximum 88.6% at 25V input voltage. Additionally in field tests, designed and implemented SEPIC charger charges battery by getting power from PV module properly.
Çevrimsel durağanlık tabanlı uzay-zaman blok kod zamanlaması kestirimi
Telsiz haberleşme sistemlerinde güvenli bir iletişimin sağlanabilmesi için verici tarafından gönderilen mesajların alıcıda hatasız ya da minimum hata oranı ile elde edilebilmesi şarttır. Bu amaçla gönderilen sinyale ilişkin iletim parametrelerinin alıcıda ön bilgi olarak yer alması ya da alıcı tarafından, gönderilen işaretten yararlanılarak kestirimi zorunludur. Literatürde gönderilen sinyale ilişkin taşıyıcı frekansı, bandgenişliği, taşıyıcı frekans kayması, simge zamanlaması, modülasyon türü ve çoklu erişim tekniği gibi parametrelerin alıcıda elde edilmesi için geliştirilmiş birçok yöntemler ve algoritmalar bulunmaktadır. Bu yöntemler ve algoritmalar işbirlikli ve işbirliksiz(gözü kapalı) olarak ikiye ayrılmaktadır. Pratikte kısıtlı bandgenişliği ve analiz edilecek sinyalin önceden bilinmeyen tipte olması gibi sebeplerden dolayı verici ile alıcının işbirliği içerisinde bulunamadığı senaryolarla sıklıkla karşılaşılmaktadır. İşbirliksiz yöntemler bu senaryolar için çözüm getirerek literatürde önemli bir yere sahip olmuşlardır. Özellikle çağdaş haberleşme sistemlerinin kullanıldığı askeri ve sivil uygulamalarda bu problemlerle karşılaşıldığından işbirliksiz yöntemler güncelliğini korumaktadır. Çağdaş haberleşme sistemlerinde kullanılan Çok Girişli Çok Çıkışlı (Multiple Input Multiple Output, MIMO) sistemler verici ve alıcı kısımlarında çok sayıda anten kullanarak iletişimin kalitesini artırmakta ve daha yüksek hızlarda iletişime olanak tanımaktadırlar. MIMO sistemler bu avantajlarından ve birçok uygulama için makul seviyedeki karmaşıklıklarından ötürü yeni nesil haberleşme sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. İşaretlerin iletiminde kullanılan Uzay-Zaman Kodlama (Space-Time Coding, STC) teknikleri sayesinde MIMO sistemler Tek Girişli-Tek Çıkışlı (SISO) sistemlere nazaran daha fazla kanal sığası sunmaktadırlar. MIMO sistemlerde STC işlemi yukarıda belirtilen parametrelere ek olarak uzay-zaman kodlarına ilişkin bazı yeni parametrelerin de alıcı tarafından elde edilebilmesini gerektirir. Nispeten düşük karmaşıklığı sebebiyle pratikte daha yaygın olarak kullanılan Uzay-Zaman Blok Kodları (Space-Time Block Codes, STBC) alıcıda kod blok zamanlaması bilgisinin elde edilmesini zorunlu kılar. Aksi halde alıcı, STBC çözme işlemini gerçekleştirirken yanlış kod başlangıç anından başlayabilir ve bu durum büyük simge hatalarının oluşması ve muhtemelen iletişimin son bulmasıyla sonuçlanacaktır. Bu çalışmada pratikte yaygın olarak kullanılan bir uzay-zaman blok kodu olan Alamouti Kodu (AL) için çevrimsel durağanlık tabanlı bir blok zamanlaması kestirim algoritması önerilmiştir. Önerilen algoritma vericide yapılan kodlama işleminden kaynaklanan, verici anten sinyalleri arasındaki çapraz ilişkilere ait çevrimsel durağanlık özelliklerini kullanarak blok zamanlamasını kestirmektedir. Bununla birlikte gönderilen sinyale ilişkin kod tipi ve alınan işaretten başka hiçbir ek bilgiye ihtiyaç duymamaktadır, bir başka deyişle gözü kapalı bir şekilde işlemektedir. Önerilen algoritmanın İşaret-Gürültü Oranı'na (Signal-to-Noise Ratio, SNR) bağlı performansı bilgisayar benzetimleri yardımıyla ölçülmüştür. Benzetim sonuçları önerilen algoritmanın literatürde var olan algoritmalara göre daha iyi performans sergilediğini ve düşük SNR rejimine karşı daha dayanıklı olduğunu ortaya koymaktadır. Yüksek performansı ve kanal matrisi, modülasyon tipi, gürültü varyansı gibi parametrelere ve eğitici dizilere (Training Sequences, TS) ihtiyaç duymaması sebebiyle önerilen algoritma literatürdeki algoritmalar arasında önemli bir yere sahip olmuştur.
Otonom araçların yön güdümünde PAF tabanlı EZKH yönteminin geliştirilmesi
Günümüzde özellikle askeri uygulamalarda operatörsüz platform kullanımı düşüncesi yaygınlaşmış olmakla birlikte özellikle insansız ya da otonom araçlar geliştirilme amaçlarına uygun olarak verilen görevin tamamını veya bir bölümünü kendi kendine yapması beklenen araçlar olarak ortaya çıkmıştır. Bu isteği karşılayarak güvenli bir otonom yöngüdüm yapabilmenin ön koşulu ise insansız aracının konumunun doğru şekilde bilinmesidir. Günümüzde konum belirlemenin en bilinen yöntemi Küresel Uydu Yönbulum Sistemlerinin (KUYS) kullanımıdır. KUYS'nin olmadığı veya erişilemediği ortamlarda araç konumunun ya da yöngüdüm yapılan bölgenin haritasının da bilenmemesi durumunda güvenli konum belirlemek oldukça zor bir problemdir. Eş Zamanlı Konumlama ve Haritalama (EZKH) aynı anda hem platform pozisyonu hem de ortam haritası belirlenmesi yöntemine verilen addır. Son çeyrek yüzyılda ortaya çıkan EZKH problemi, 2000'li yıllardan başlayarak kara, deniz, hava araçları için araştırılmış olmakla birlikte Kalman Filtresi (KF) tabanlı Genişletilmiş Kalman Filtresi (DKF) ve Dağıtılmış Kalman Filtresi (GKF) gibi parametrik filtre yaklaşımları yanında Parçacık Filtresi (PF) gibi non-parametrik metotlardan oluşan durum tahmin yöntemleri ve model ya da grafik tabanlı üst seviye kontrol amaçlayan ve özellikle de görüntü işleyen teknikler bu kapsamda kullanılmıştır. İnsansız sistemlerin; platform-araç, sensör tipi ve kara, deniz, hava gibi ortam türü başlıklarında oldukça fazla farklılıklar göstermesi nedeniyle, EZKH probleminde genel bir bakış sağlamak için sınıflandırma (taxonomy) yoluyla performans analizi ihtiyacından bahsedilebilir. Bu çalışmada belirsizlik altında tahmin araçlarının performans analizleri ile birlikte literatürde ilk kez olarak Parçacık Akış Filtresi (PAF) tabanlı bir EZKH yapısı filtrenin matematik temelleri, filtre analizleri, otonom araç sistemi ile sensör modellerini de içerecek şekilde verilmiştir. Benzetim sonuçlarına göre parçacık akış filtresi tabanlı EZKH performansının hesaplama maliyeti nedeniyle bazı gerçek zamanlı uygulamalardaki zorluklarına rağmen literatürde daha önce yer almış diğer tahmin yöntemleriyle karşılaştırıldığında özellikle belirsizlikleri daha düşük algılayıcılar kullanan ölçüm ortamlarında parçacık filtresi yapısında ortaya çıkan dejenerasyon sorununu ortadan kaldırarak daha başarılı sonuçlar verdiği ve bu nedenle tercih edilebileceği görülmüştür.
Hücresel mımo haberleşme sistemlerinde antenler arası ortak etkileşimin etkileri
Uzaysal korelasyon Çok-Girişli Çok-Çıkışlı (Multiple-Input Multiple-Output - MIMO) telsiz haberleşme sistemlerinde kanalların uzayda istatistiksel olarak ne kadar ilişkili olduğunu anlatan bir büyüklüktür ve MIMO sistem performansı için önemli bir parametredir. MIMO sistemlerin alıcı veya verici antenleri arasındaki ortak etkileşimin uzaysal korelasyona olan etkileri ise pek çok defa incelenmiştir. Ancak literatürde bulunan ortak etkileşimin uzaysal korelasyona olan etkilerinin incelendiği çalışmaların çoğu hücresel haberleşme antenleri özelinde değildir. Bu çalışmanın amacı hücresel haberleşme özelinde tasarlanan antenler için antenler arası ortak etkileşimin uzaysal korelasyona ve MIMO sistem performansına olan etkilerinin incelenmesidir. Bu amaçla, çalışmanın ilk bölümünde hücresel haberleşme kullanıcı ekipmanlarında sıklıkla kullanılan genel bir ters-F anten modeli üzerinden ortak etkileşimin kanal korelasyonuna ve sistem kapasitesine olan etkileri antenler arası uzaklıklar cinsinden incelenmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde ise gerçek, ticari bir akıllı telefon mekaniği üzerinde tasarlanan ters-F antenler arasından seçilen ve farklı ortak etkileşim değerlerine sahip anten çiftleri üzerinden ortak etkileşimin uzaysal korelasyona ve kanal kapasitesine olan etkileri benzetim ve ölçüm sonuçları ile karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Bunun yanında, anten çiftleri için çok-yollu bir sönümleme ortamında uzaysal korelasyon ölçümleri yapılmış, teorik beklentiler ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, antenler arasındaki ortak etkileşim etkisi, tekdüze olasılık dağılımına sahip güç açısal spektrumlu çok-yollu sönümleme ortamlarında, yarım dalga dipol ve genel bir ters-F anten için uzaysal korelasyonu azaltıcı bir etki göstermektedir. Bunun yanında çalışmanın ikinci bölümünde gerçek bir akıllı telefon mekaniği üzerinde gerçeklenen ters-F antenler üzerinde yapılan çalışmada ise bazı anten çiftleri arasındaki korelasyonda arttırıcı etki gösterdiği görülmüştür. Ergodik kanal kapasitesi hesaplamalarından iki bölümde de çıkan sonuç, ortak etkileşim etkisinin birbirine oldukça yakın konumlanmış antenler özelinde, ortak etkileşim dahil edilmemiş duruma oranla kanal kapasitesini bir hayli arttırıcı etki gösterdiğidir. Özellikle telefon üzerinde gerçeklenen ters-F anten çiftlerinin hepsi için, ortak etkileşim etkisinin ergodik kanal kapasitesinde düşük oranda da olsa artış sağladığı da çalışmada elde edilen sonuçlardandır. Çok-yollu bir sönümleme ortamında ters-F anten çiftleri üzerinde yapılan uzaysal korelasyon ölçümünde ise çalışmanın ikinci bölümündeki ortak etkileşim etkisinin incelendiği kısım ile oransal olarak tutarlı sonuçlar elde edilmiş ve çalışmanın doğruluğunu göstermiştir.
Machine learning aided kidney stone classification with electromagnetic properties
Electromagnetic waves with microwave frequencies have been widely used in medical field for diagnostic and therapeutic purposes. The reasons why microwaves have been preferred are mainly its non-ionizing nature and its ability to penetrate matter. Physiological effect on biological tissues also enables to use for treatment of diseases. Moreover, the difference in electromagnetic properties of distinct biological material enables diagnostic usage. In this study, the determination of kidney stone types was aimed by making use of the dielectric discrepancy between stone types. It is known from statical information that the recurrence rate of kidney stone disease is very high. For this reason, it is important to learn why the body forms kidney stones in order to determine necessary precautions to prevent recurrence. The tools utilized for determination of the reasons for stone formation are blood test, urine test and tools used for urinary stone analysis. To this end, this study focused on development of an innovative method for urinary stone analysis. When dielectric property measurements of three common types of kidney stone were carried out, it is realized that it is possible to distinguish kidney stones with machine learning algorithms and the help of these features. Dielectric constant and dielectric loss values of each stone were measured over the frequency range of 500 MHz – 6 GHz with 100 MHz intervals. Then, Cole-Cole parameters of each stone were calculated with generalized Newton-Raphson method from measured dielectric constant and dielectric loss values instead of directly use of them. Thus, the input size of machine learning algorithm was reduced with successful Cole-Cole fitting. After dielectric property measurement and Cole-Cole fitting, classification of the stones were completed with an artificial neural network and k-nearest neighborhood algorithm. Obtained classification of two algorithm were evaluated with some performance measures which are accuracy, sensitivity, specificity, precision, recall and F1 score. It can obviously be seen from these measures that both of two classifier are quite successful in determination of kidney stone types.
Kablosuz haberleşme uygulamaları için j sınıfı güç kuvvetlendiricisi tasarımı
Bilim insanları modern kablosuz haberleşme sistemleri üzerinde, kompleks modülasyon tekniklerini kullanarak maksimum spektral verim elde etme üzerinde sürekli çalışmaktadır. Bu tür sistemler, en az faz ve genlik bozulması ile sinyali göndermek için çok yüksek doğrusallıkta çalışan güç kuvvetlendiricilerine ihtiyaç duyarlar. Bununla beraber, güç kuvvetlendiricileri, DC güç tüketimini azaltmak ve böylece pil ömrünü uzatmak ve aynı zamanda soğutma için ısı yayılım gereksinimlerini karşılamak için yüksek güç verimi sunabilmelidir. Yazılım tanımlı radyolar ve bilişsel radyolar gibi çok kanallı haberleşme sistemleri, WiMAX ve LTE gibi çoklu standartları ve çoklu frekans bantlarını kullanma eğilimindedir. Bu sistemlerin tasarımı tek bir donanım platformu üzerinde gerçeklenmek istenmektedir. Bu platformlar, bu tür sistemlerin içinde çoklu kuvvetlendiricilere olan ihtiyacı azaltacak, böylece geliştirme maliyetlerini ve uygulama döngüsünü hızlandıracak genişbant güç kuvvetlendiricilerine ihtiyaç duyar. Kablosuz haberleşme sistemleri için güç kuvvetlendirici tasarımında yakın zamana kadar, çok dar spektrum tahsislerine bağlı olarak, belirli düşük RF bant genişliklerine odaklanılmıştır. WiMax, 4G gibi sistemler de dahil olmak üzere gelecek sistemlerde, sadece daha geniş frekans spektrumu ayrılma ihtiyacı nedeniyle değil, aynı zamanda 100 MHz ve ötesinde temel bant genişliğine sahip sinyallerle çalışma ihtiyacından dolayı daha büyük bant genişlikleri gerekecektir. Bugüne kadar, radar gibi diğer RF güç kuvvetlendirici uygulamaları, yüksek RF bant genişliği gereksinimlerinden dolayı, güç ve verim üzerinde yapılan çalışmalardaki ilerlemelerden fazla yararlanamamıştır. Tipik olarak %75 verimin üzerinde çalışan çok yüksek verimli güç kuvvetlendiricileri ile ilgili elde edilen sonuçlar, hassas çoklu harmonik empedans sonlandırmalarını ve aynı zamanda çok yüksek kazanç-bastırma seviyelerini işaret etmektedir. Bu faktörler, sırasıyla dar bant frekans performans sınırlaması ve doğrusal olmayan çalışmaya yol açar. Sonuç olarak, yüksek doğrusallık, verim ve geniş bant genişliği, modern haberleşme sistemlerinde günümüz RF ve mikrodalga güç kuvvetlendiricilerinin sağlamasını istediği temel üç faktördür. Mevcut RF transistör teknolojileri arasında galyum nitrit (GaN) yarı iletken tabanlı güç transistörleri, modern güç kuvvetlendirici uygulamaları için, GaAs ve Si gibi mevcut diğer teknolojilere kıyasla daha yüksek çıkış gücü ve verim sağlayabildiğinden üstün bir yarı iletken teknolojidir. Yukarıda bahsi geçen hususlar dikkate alındığında, bu tezde yapılan tasarımda tek bir transistörle yüksek verim ve çıkış gücü elde etmek için GaN transistör seçilmiştir. Bugüne kadar, yüksek verimli güç kuvvetlendirici çalışmaları için bir çok topoloji önerilmiştir. Bu topolojiler arasında, F sınıfı çalışmada çıkışında, dikdörtgen bir gerilim dalga şekli oluşturmak için tek dereceli harmonik empedansları kontrol ederek iyi bir verim elde edilir. Bununla birlikte, uygun üçüncü dereceli harmonik gerilim elde etmek için, çıkış kondansatörü (Cout) doğru bir şekilde ayarlanmalıdır. Ayrıca, bazı durumlarda kapasite ve çalışma frekansına bağlı olarak, kapasitenin empedansı, üçüncü harmonik frekans için kısa devre olabilir. Yüksek verim elde edilen diğer bir çalışma olan E sınıfında, transistör ideale yakın bir anahtar gibi davranarak yüksek verim sağlanır. Ancak, güç transistörünün gerçek ideal anahtarlama operasyonu, çalışma frekansına ve güç transistörünün yapısal özelliklerine bağlı olarak değişiklik gösterebilir. Bu yüzden, anahtarlama süresindeki geçiş süresi kaynaklı akım ve gerilim dalgalarındaki örtüşmeden dolayı verim düşer. Bu sınırlamalar, E sınıfının verimini yüksek frekanslarda bozar. Sonuçta, F ve E sınıfı çalışmada % 70'in üzerinde verim elde edilmesine rağmen, bu güç kuvvetlendirilerinin performansı, sınırlı bant genişliğinde çalışmaya zorlayan çok özel empedans değerlerinde çalışmaya bağlıdır. Bu yüzden, F ve E sınıfının doğrusal çalışması oldukça zayıftır. Klasik güç kuvvetlendiricilerinin, geniş bir bant aralığında yüksek verim ve doğrusal davranış sergileme talebi bir ödünleşim doğurur. Son birkaç yıldır üzerinde çalışılan J sınıfı güç kuvvetlendiricileri ile bu sorun çözülmeye çalışılmaktadır. Bu yeni yaklaşım olan J sınıfı ile, AB sınıfı çalışmanın aynı verim ve doğrusal davranışını gösteren ve AB sınıfından farklı olarak bandı sınırlayan harmonik kısa devre gerektirmeyen RF güç kuvvetlendiricisi tasarımının teorik tarafı gösterilmiştir. J sınıfı çalışmada, ikinci harmonik sonlandırmayı tamamen reaktif rejime dönüştürmek için çıkış akımı ve gerilim dalga şekilleri arasındaki faz kaymasından yararlanılır. Bu sayede, GaN (HEMT) güç transistörleri kullanılarak tasarlanan J sınıfı ile bant genişliği-verim performansına önemli ölçüde katkı sağlanır. Uygun şekilde temel ve ikinci harmonik empedanslar ile sonlandırılmış doğrusal J sınıfı güç kuvvetlendiricisi, tek bir güç kuvvetlendiricisi tasarımında doğrusallık, verim ve bant genişliği gereksinimleri için ümit verici bir çözüm sunmuştur. Bir GaN transistörün ve J sınıfı çalışmanın avantajlarını birleştiren ve paketlenmiş bir transistördeki dış parazitik elemanların etkisini de göz önüne alarak geniş bant bir J sınıfı güç kuvvetlendiricisi tasarımı, bu çalışmanın odak noktasıdır.
Çok kullanıcılı çok-girişli çok-çıkışlı sistemler için uzaysal modülasyon tabanlı özgün sistem tasarımları
2010'lu yıllara girerken çok-girişli çok çıkışlı (multiple-input multiple-output, MIMO) sistemlere uygulanabilen umut vaad eden yeni bir iletim tekniği önerilmiştir: uzaysal modülasyon (spatial modulation, SM). SM ile klasik modülasyonlu simgeler üzerinden iletimin yanı sıra kullanılan antenlerin indisleri üzerinden de iletim tekniği geliştirilmiştir. Böylece haberleşmeye yeni bir bakış açısı kazandırılmıştır. Spektral verimlilik, enerji verimliliği ve hata başarımı açısından klasik MIMO ve tek-girişli tek-çıkışlı (single-input single-output, SISO) sistemlere nazaran üstünlükleri bulunan SM tekniği son yıllarda revaçtadır. Yine yakın bir tarihte, 2015'te, SM'in spektral verimliliğini ve hata başarımını arttıracak yeni bir iletim tekniği geliştirilmiştir: dik uzaysal modülasyon (quadrature spatial modulation, QSM). Yeni önerilen bu teknik ile SM'e nazaran daha yüksek hata başarımı elde edildiği ve spektral verimliliğin de iyileştirildiği literatürdeki öncü çalışmalarda gösterilmiştir. Literatürde noktadan noktaya (point-to-point, P2P) SM ve QSM çalışmalarına sıklıkla rastlanmakta iken SM ve/veya QSM tabanlı çok-kullanıcılı (multi-user, MU) uygulamalar için yapılan çalışmalar son yıllarda önem kazanmaktadır. Bu çalışma kapsamında, çok-kullanıcılı MIMO sistemlerde SM ve QSM tabanlı özgün sistemlerin geliştirilmesi değerlendirilmiştir. Öncelikle literatürde mevcut olan MU-MIMO SM çalışması temel alınarak, hem spektral verimliliği arttırmak hem de hata başarımını iyileştirmek amacıyla ilgili sisteme QSM uyarlanmış ve MU-MIMO QSM sistemi önerilmiştir. Önerilen sistemin literatürde önerilen MU-MIMO SM sistemine nazaran hem toplam spektral verimlilik hem de kullanıcı başına spektral verimlilik açısından daha üstün olduğu gösterilmiştir. Ayrıca yapılan bilgisayar benzetimleri ile MU-MIMO QSM sisteminin MU-MIMO SM sisteminden daha yüksek hata başarımına sahip olduğu da gösterilmiştir. Önerilen MU-MIMO QSM ve literatürde mevcut olan MU-MIMO SM sistemlerinin sakıncalı yönleri göz önünde bulundurularak yapılan çalışmalar ilerletilmiştir. Özellikle kullanıcı başına tek bir radyo frekans (radio frequency, RF) zincirinin düşmesi sebebiyle maliyet ve güç tüketimi açısından literatürdeki mevcut MU-MIMO SM sistemi ile tez kapsamında önerilen MU-MIMO QSM sistemini iyileştirmek amacıyla yeni özgün sistemler önerilmiştir: azaltılmış sayıda RF zincire sahip MU-MIMO SM/QSM sistemleri. Bu sayede farklı kullanıcıların aynı RF zinciri ve aynı SM/QSM iletim vektörü üzerinden haberleşmelerine olanak verilmiştir. Böylece MU-MIMO SM ve MU-MU QSM sistemleri ile aynı sayıda kullanıcıya daha az sayıda RF zinciri ile hizmet verebilen özgün bir sistem önerilmiştir. Önerilen sistem için hata başarımı analizleri yeni bir yaklaşım ile yapılmıştır. Bu yaklaşımda anten indisleri ve simgeler üzerinden ayrı ayrı ortalama bit hata olasılığı (average bit error probability, ABEP) hesabı yaklaşımı temel alınmıştır. Literatürde SM için benzer yaklaşımın farklı bir hesaplama yöntemiyle kullanıldığı bir çalışma olsa da QSM için önerdiğimiz yaklaşım ve matematiksel çıkarımlar literatürde henüz bulunmamaktadır. Böylece çok-kullanıcılı sistemler ve QSM literatürüne yeni bir bakış açısı kazandırılmıştır. Üçüncü olarak, bir baz istasyonundan (base station, BS) tüm kullanıcılara ortak bir bilgi iletimi olduğu durum göz önüne alınarak ortak bilgi iletimli MU-MIMO QSM sistemi önerilmiştir. Bu sistem ile her kullanıcı için gönderilen kullanıcıya özgü verilerin yanı sıra ortak bilginin iletimi de sağlanmıştır. Ortak bilgi ve kullanıcıya özgü veriler, farklı kombinasyonlarla anten indisleri ile simgelere yüklenerek gerçekleştirilmiştir. Bu sebeple ortak bilgi iletimi için farklı senaryolar değerlendirilmiş ve her bir senaryo için ayrı ayrı ABEP çıkarımları yapılmıştır. Yapılan bilgisayar benzetimleri ile kuramsal olarak türetilen hata olasılığı çıkarımlarının uyumlu sonuçlar verdiği gösterilmiştir. Ayrıca hem ortak bilgi üzerinden hem de kullanıcıya özgü veriler üzerinden hata başarım karşılaştırmaları yapılmıştır. Dördüncü ve son olarak çok-kullanıcılı MIMO sistemler için literatür araştırmaları sonucunda, verici BS'de her bir kullanıcıya sabit sayıda verici anten ataması yapıldığı gözlenmiştir. Bu sebeple hem daha esnek bir verici anten seçimi olması hem de sistemdeki yüksek öncelikli kullanıcılara farklı spektral verimliliklerde iletim sağlanabilmesi için değişken sayıda verici anten atama algoritması geliştirilerek literatüre kazandırılmıştır. Böylece daha esnek bir anten tahsis yöntemi geliştirilmiş ve olası tüm anten kombinasyonları BS'de elde edilmiştir. Bu sayede sistemdeki ilgili kullanıcılara en uygun anten atama kombinasyonu seçilerek iletim sağlanabildiği gösterilmiş olup SM ve QSM tabanlı MU-MIMO sistemlere uyarlanabileceği gösterilmiştir. Böylece yapılan özgün çalışmalar ile çok-kullanıclı MIMO sistemler literatürüne, katkıda bulunulmuştur. İyileştirilmesi hedeflenen spektral verimlilik, hata başarımı ve maliyet parametrelerinin her biri için farklı özgün sistemler geliştirilmiştir.
Sağlık tesisleri giderlerinin tesis parametreleri açısından analizi
Teknolojideki ilerlemeler her alanda olduğu gibi ülkemizde sağlık sektöründe de ilerlemeler kaydedilmesine ve sağlık hizmetlerinin kalitesinin artmasına imkan sağlamıştır. Sağlık sektöründe yaşanan bu önemli gelişmeler, öncelikle uluslararası standartların sağlanmasına daha sonra ülkemiz genelinde tanı, tedavi ve bakım alanlarında ileri bir seviyeye ulaşmamızı sağlamıştır. Sağlık sektöründe yaşanan bu ilerlemeler, beraberinde sağlık sektöründe rekabetin yoğunlaşmasına ve maliyet odaklı yönetim anlayışının etkili olması sağlamıştır. Hızla gelişen tıbbi cihazlar bu alanda uzmanlık gerektirmektedir. Tıbbi ve teknik cihazların kontrol ve sorumluğu sağlık tesisi bünyesinde çalışan klinik mühendislerine aittir. Tıbbi cihazlar sağlık tesisi işleyişinin vazgeçilmez unsurlarıdır. Klinik Mühendislik Hizmetleri, Tıbbi cihazların doğru ve verimli kullanılması/yönetilmesi için gerekli bir birimdir. Bu birimin temel hedeflerinden biri sağlık tesisi bünyesinde bulunan tıbbi cihaz ve ekipmanlarının maliyet kontrolü sağlayarak sağlık tesisi hizmet kalitesine maksimum katkıda bulunmasını sağlamasıdır. Bu çalışmada, Hatay ilinde bulunan Sağlık Bakanlığı'na bağlı on farklı Hastane ve dört farklı Ağız ve Diş Sağlığı Merkezi'nde bulunan tıbbi cihazlar için yedek parça, bakım-onarım hizmeti giderlerinin maliyet analizi çalışması yapılmıştır. Maliyet analizi yöntemi kullanılarak yapılan incelemede, sağlık tesislerinin tıbbi cihaz harcamaları detaylı olarak kontrol edilmiştir. Yapılan analizler sonucu elde edilen veriler ile çalışmaya konu olan sağlık tesisi parametreleri arasındaki ilişkiler değerlendirilmiştir. Bu tezin temel amacı, sağlık tesislerinde kullanılan tıbbi cihazlar için yapılacak harcamalarda tıbbi cihaz harcama yönetimi karar destek sistemi oluşturulmasıdır. Ayrıca sağlık tesisi parametreleri ile tıbbi cihaz harcamaları ile ilişkinin tespiti yapılmasıdır. Araştırma evrenini Hatay ilinde bulunan Sağlık Bakanlığı'na bağlı on farklı Hastane ve dört farklı Ağız ve Diş Sağlığı Merkezi oluşturmaktadır. Veri toplama aracı olarak Sağlık Bakanlığı tek düzen muhasebe yönetim sistemi, malzeme kaynakları yönetim sistemi ve temel sağlık istatistikleri modülü kullanılmıştır. Sağlık Bakanlığı muhasebe sisteminde 2500 civarı muhasebe kodu bulunmaktadır. Sistemden tıbbi cihazlarla ilgili olan/olabilecek 12 adet kod üzerinden tıbbi cihaz bakımı için yapılan harcamalar tespit edilmiştir. Malzeme kaynakları yönetim sisteminden envanterde bulunan tıbbi cihazların tespiti yapılmıştır. Temel sağlık istatistikleri modülünden ise sağlık tesisleriyle ilgili bilgiler tespit edilmiştir. Çalışmadan elde edilen veriler sonucunda Hatay iline ciddi bedellere tıbbi cihazlar alındığı ve dolayısıyla envanterde bulunan tıbbi cihazlara yapılan bakım ve onarımların yükseldiği görülmektedir. Bu harcamaların kontrol altına alınması kısıtlı bütçe kaynaklarının daha iyi değerlendirilmesini sağlayacaktır. Harcamaların kontrol altına alınabilmesi için hangi biyomedikal türe hangi oranda harcama yapıldığının bilinmesi gereklidir. Harcaması yüksek olan biyomedikal türler tespit edilebilirse gelecek yıllarda yapılacak bakım sözleşmeleri ile, kullanımdan kaynaklı hatalar oluşuyor ise eğitim verilerek, tıbbi cihaz tedarikçilerinden kaynaklı problemler oluşuyor ise tedarikçileri değiştirerek ve benzeri uygulamalar ile yüksek harcamaların önüne geçilebilir. Bu çalışma geliştirildiği taktirde veya örneklem sayısı arttırıldığında Türkiye'de bulunan sağlık tesisleri kendi hizmet rolünde olan diğer sağlık tesisleriyle yatak başı maliyetlerini karşılaştırma imkanı oluşacaktır. Sağlık tesisleri tıbbi cihazlar için oluşan harcamalarının yüksek olup olmadığını tespit edebileceklerdir. Aynı şekilde sağlık tesisi yatırımcıları veya yöneticileri sağlık tesisinin hizmete açılma yılını ve dolayısıyla sağlık tesisinin fiziki şartlarının değişiminde tıbbi cihaz teknolojisi kullanımında maliyete neden olup olmadığını tespit edebilecek, hangi süreden sonra sağlık tesisinin yenilenmesi gerektiğine dair karar alabilecektir. Sağlık tesisi yatırımcıları veya yöneticileri sağlık tesisinin hizmet rolünün değişmesinde yatak başına düşen tıbbi cihaz harcamalarının artacağına veya azalacağına dair göstergeleri takip edebilecektir. Sağlık tesisinin ortalama tıbbi cihaz yaşının hangi aralıklarında daha çok bakım, onarım ve yedek parça giderleri oluştuğunu tespit edebilecektir. Bu çalışma özetle sağlık tesislerinin tıbbi cihaz harcamalarını değerlendirilmesi, tıbbi cihaz harcamalarını diğer tesislerle karşılaştırması, maliyetlerinin effektif olup olmadığını tespit edilebilmesi, yeni yatırımlara karar verebilmesi gibi konularda yol gösterici olacaktır.
System on chip implementation of new information hiding method
Information security systems are a part of daily life nowadays. For these reason, their applications are getting more and more significant. Steganography and Cryptography are most important fields of it. In this thesis, you can be aware of what Steganography and Cryptograhy are, what their applications and methods are, especially Steganography methods applied on spatial domain. Then, new data hiding method which is improving neighbor mean interpolation method is proposed. Thanks to proposed method, data hiding process is applied according to a key like cryptography approach. Proposed method can be summarized like that changing scan path of embedding process according to symmetry map which is calculated by pixel symmetry. In addition to explaining new method, the method is also tested on personal computer and embedded hardware. Proposed method is firstly created with Matlab software on desktop computer. Then, proposed method is applied on Zynq embedded system which has hybrid processor architecture. Embedded system application is tested on AVNET's ZedBoard. In order to create this system, firstly development environment of embedded Linux operating system is created on Linux operating system running on personal computer. Then, Embedded Linux run on ZedBoard. In addition, OV7670 camera sensor is integrated with this system and image frame coming from the camera can be writen to memory directly. this frame also can be read for VGA output by using FPGA part of Zynq. In fact, proposed method's data hiding proses is applied by creating software for ARM based processor part of Zynq. Thanks to this thesis, you can also learn installation of Xilinx development environment, installation of cross-compiling environment for embedded Linux systems, writing device drivers for embedded Linux systems, usage of i2c module inside processor part of Zynq and applying image processing application by creating user space application on embedded Linux operating system. In this thesis, there are six chapters. In chapter 1, you can infer purpose of writing this thesis and what information security systems are. Then you can examine digital information hiding and scrambling methods in chapter 2. New data hiding method is explained in chapter 3. The implementations about proposed method are showed in chapter 4. Experiments and their results are inferred in chapter 5 and in last chapter conclusions are cited. Comparing results of previous and proposed methods, you can infer same visual quality and similar computation number. The image which is used for covering, cover image, and the image which is produced after data hiding process, stego image, look similar to each other. You can understand it according to calculation PSNR value between cover and stego images. PSNR results are always stay higher than 35 dB. This result shows that data hiding process is imperceptible.
Accomplishment analysis of 5G large scale MIMO antenna technologies
The exponential growth in mobile communication with the ever-increasing insatiable demand for higher data rates continues in a stable manner for years. In this regard, providing better spectral and energy efficiency, large gains, robustness and reliability by transmitting the signal with more than one antenna makes Large Scale MIMO is a key player in the fifth generation communication. In the concept of this thesis, accomplishment analysis of large scale multi - input multi - output antenna arrays located at the base station side was taken into consideration with the perspective of number of elements, beamwidth, the size of the phase shifter, amplitude and the capacity per user.
New clutter removal methods for through obstacle target detection
Nowadays, ultra–wide band (UWB) radars are extensively used for target imaging, detection and localization, health care applications, indoor motion detection, civil engineering applications, etc. UWB radars have also found many applications for buried object detection problem or through the wall target localization problem due to their ability to penetrate most of the non-metal materials such as bricks, wood, various types of soil, concrete and reinforced concrete, etc. In this thesis, we focus on the buried object detection problem where the radar used for this specific application is called as ground penetrating radar (GPR). It is known that one of the most important problems in images collected from GPR (it is called as GPR image or B-scan) is clutter since it degrades the detection performance. The clutter in the GPR image can be arisen by a various causes such as direct-wave arrival, ground-bounce, other candidate target-like objects, environmental variations (soil type, material type, etc.), weather conditions (sun, rain, snow, etc.). Therefore, it is impossible to eliminate the causes of clutter thus the obtained GPR image contain inherently heavy clutter. This heavy clutter conceals and attenuates the signal strength of the buried objects thus removing the clutter effect in the GPR image will certainly increase the probability of detection performance of the methods. To compare the available clutter removal methods with the proposed ones, we need a sufficient size simulated dataset and real GPR dataset in order to validate the effectiveness of methods with real GPR images. The simulated dataset is required since it can be used to report quantitative results besides the visual ones. The simulated dataset in this thesis is constructed by gprMax free–software which it uses Yee's algorithm to solve Maxwells equations in 3D using finite-difference time-domain (FDTD) method. The simulated dataset contains 112 GPR images and these GPR images are constructed by using seven different soil types, 2 different objects, 2 different burial depths and 4 challenging scenarios. In addition, the popular real GPR data from Vrije Universiteit Brussel is used to validate the performance of algorithms in the sense of visual perception. There are two main groups of approaches for clutter removal methods for buried object detection in GPR images. The first group is subspace–based methods such as principal component analysis (PCA), independent component analysis (ICA), singular value decomposition (SVD) and morphological component analysis (MCA). PCA, ICA and SVD perform matrix decomposition on the GPR image using different matrix decomposition constraints. After the GPR image decomposes into multiple sub–images by these methods, the first sub–image (most dominant one) is accepted as clutter and the remaining ones construct the target components. MCA is listed in this group but it uses the trained dictionaries in the pre-processing step to separate the GPR image into morphological components such as clutter and target. The second group approaches are based on the multi–scale and multi–direction (multi–resolution) based methods such as curvelet transform (CT), nonsubsampled contourlet transform (NSCT), shearlet transform (ST) and etc. These methods are using different scaling and directional subbands to express the GPR image as a decomposition of coefficient matrices with multiple scales and directions. Then, the information found in different directions is used to separate the target from clutter. These methods are exploiting the intrinsic geometrical property of GPR image where the target has hyperbolic direction and the clutter has horizontal direction in GPR image. The most popular multi–resolution based method for clutter removal problem in GPR is CT since the optimized version of CT is publicly available with the name of fast discrete curvelet transform (FDCT). In this thesis, we propose methods for both group. For the first group, the non-negative matrix factorization (NMF) method is proposed which is extensively used in signal processing community for dimensionality reduction, feature extraction, source separation and classification purposes. This method is similar to other subspace–based methods however its constraint is different where all the elements in the decomposed matrices are non–negative and it is a reasonable constraint for clutter removal problem in GPR since the pixel intensity values are non-negative in GPR image. The clutter removal methodology of NMF is similar to PCA, ICA and SVD however the performance is better compared to them and the running–time of the proposed method is fast enough for real–time implementations. For the second group, multi–scale directional bilateral filter (MDBF) is proposed. This method uses bilateral filter (BF) method for multi–scale decomposition part and directional filter bank (DFB) for the multi–directional decomposition part. After the GPR image is decomposed into multiple directional subbands in different scales, the target and clutter components are found by using their inherent directional property and the horizontal information is removed in the decomposed subspace where it corresponds to the clutter. Then, the inverse transform is applied to the remaining subbands and the clutter-free GPR image is reconstructed. MDBF algorithm is proposed firstly and it is improved later by replacing multi–scale part (BF part) with neighborhood filter (NF). NF filter is similar to BF filter however it uses only one Gaussian kernel which depends on the range information and it is more reasonable for this problem. The additional spatial Gaussian kernel in BF does not contribute to the performance. Besides, eliminating one Gaussian kernel also reduces the computational complexity by half and help to increase the running–time of the MDNF method. Different metrics are proposed for the performance comparison of clutter removal methods in GPR images such as peak signal-to-noise ratio (PSNR), structural similarity index (SSIM), receiver operating characteristic (ROC) and etc. Most of the performance metrics need reference (ground–truth) image however our simulated dataset does not have one. Therefore, ROC curves are used as evaluation metric which depends on the probability of detection (PD) vs. probability of false alarm rate (FAR) for quantitative analysis as well as visual results are presented. Both quantitative and visual results have shown that NMF has superior performance compared the other available popular subspace-based methods in literature and MDNF also outperforms the available and recently proposed multi–resolution based methods. In the overall comparison, MDNF show the best performance among all methods however it is not optimized as in FDCT thus the proposed NMF method is more suitable for fast implementations.
Change detection in multitemporal satellite images using multiscale bilateral filter and sift flow
In the past few decade the number of satellites orbiting earth has increased exponentially. These satellites vary in purpose and application ranging from communications, security, and military to climate monitoring and many more. This increment in the number of satellites observing earth's surface led to an abundance in remotely sensed data and satellite images. Furthermore, the recent development of new and advanced technology in the sensor field made images obtained thought satellites more reliable and accurate than ever. High-resolution satellite images provide a level of resolution unparalleled before. Change detection is process to establish and indicate the difference between two items. Multitemporal satellite images are a set of at least two satellite images of the same geographical area taken over different times. This makes change detection in multitemporal satellite images the process of establishing and indicting the difference between a set of at least two satellite images taken over different times. Change detection in remotely sensed images has many applications which range from climate change, disaster prediction, weather monitoring to urban planning and agricultural land change. The field of change detection in satellite images is growing rapidly due to necessity and need for efficient, reliable, fast and accurate change detection algorithms. However despite the abundance of literature facing these issues, truly reliable and accurate change detestation methods are scarce and even when they exist they tend to be slow and complex. The goal of this thesis is to introduce an accurate, robots, fast and unsupervised change detection algorithm. One of the most common methods of change detection are change detection algorithms that are based on the difference image. These algorithms typically use the difference of the two temporal images for further feature extraction and clustering. This makes them simple, fast and usually quite accurate. This makes building a difference image based algorithm a very enticing idea. Hence, the first algorithm proposed here, is an algorithm based on the difference image analysis. The bilateral filter is used to further enhance the difference image. This yields better features that can be used for clustering. The proposed algorithm checks many of the goals that were set in the beginning. It is accurate, fast and unsupervised. However, it underperforms in the robustness category. The problem with difference image based algorithms is that they fail on big real images, they work better on small images has a consistency in its change. This brings us to our second method; this method is based on image matching using dense correspondence. xxiii More specifically SIFT flow algorithm is utilized for change detection. The SIFT flow algorithm is more commonly used in video processing field. It uses scale invariant feature transform (SIFT) to match pixels in any two given images. SIFT flow is highly robust and extremely fast. A way to use this algorithm in change detection instead of its natural use is proposed: assuming that the two images have been previously registered. The SIFT flow between these two images will reflect change. False detections can be curbed by applying a threshold on the SIFT flow intensity. This method is simple in concept but extremely effective in application. The results of using SIFT flow as change detection algorithm proves to be good since it works under unideal conditions rather correctly. However the change map resulting from SIFT flow tents to be a little bit exaggerated and general. The two algorithms proposed so far are a perfect match for each other. The bilateral filter based algorithm finds small detail extremely accurately but underperforms when it comes to large regions of change. The SIFT flow based algorithm on the other hand locates the big areas of change correctly but struggles to find small details. This makes them a perfect match to each other, by applying SIFT flow first we can provide the bilateral based algorithm with the kind of data it likes, bordered areas of consistent change. By combining the two algorithms we can find accurate results on any scale of an image under any circumstance with high speed and efficiency, in other words we take the best of two worlds. The bilateral filter is first tested by presenting artifact to an image. The resulting image is considered the changed image. Then, the bilateral based algorithm is applied over these two images. The result is quantified by comparing the obtained change map to the artifact. Results using this approach show that the bilateral filter based algorithm performs much better than its peers in every aspect. Later, the SIFT flow algorithm and bilateral based algorithm are tested on more realistic data set. The results are presented in the form of change and heat maps. Change maps of the bilateral filter based method are rich in detail, however, they lack accuracy over large areas. SIFT flow based change maps are accurate but lack enough detail. On the other hand, the change maps obtained by combining the two algorithms are both rich in details and accurate.
Görüntü üzerinde sayısal damgalama ve gömülü sistem uygulaması
Bilgisayar ve internet çağını yaşadığımız günümüzde ses, görüntü gibi sayısal medyaların kullanımı hızlı bir şekilde yükselişe geçmiştir. İnternet ortamında, özellikle sosyal ağ platformlarında sayısal medyaların telif hakkı sahiplerinin izni olmaksızın değiştirilerek veya doğrudan kullanılması bir sorun teşkil etmektedir. Bu çalışma da sayısal medyaların üreticisinin izni olmaksızın kullanılması, telif haklarının ihlal edilmesi, kopyalanmanın engellenmesi ve içeriğin korunması gibi problemlerin çözümü için önerilen sayısal damgalama ve yöntemleri üzerinde durulmuştur. Sayısal damgalama, ses, görüntü video gibi sayısal medyalar üzerinde aidiyeti belli etmek amacıyla kullanılan bir yöntemdir. Çalışmada ilk olarak sayısal damgalamaya olan ihtiyaç, tarihte ortaya çıkışı ve kullanım alanlarıyla ilgili bilgilere yer verilmiştir. Sayısal damgalamalar, özel filigranların sayısal medya üzerine gömülmesini ve gerektiğinde çıkarılıp orijinallik karşılaştırması yapılabilmesini sağlayan yöntemlerdir. Bu yöntemlerin daha iyi anlaşılabilmesi için çalışmada, sayısal damgalamaların hangi konuları hedeflediği ve çeşitli parametrelere göre nasıl sınıflandırıldığı incelenmiştir. Sayısal damgalama insan perspektifine göre görünür ve görünür olmayan şeklinde sınıflandırılabilmektedir, bu çalışmada özellikle görünür olmayan ve görüntü üzerine uygulanılabilinen yöntemler üzerinde durulmuştur. Bu yüzden ilgilenilen sayısal damgalama yöntemleri kümesi, steganografi yani bilgi gizleme biliminin bir alt kümesidir. Ses, görüntü, video ve metin üzerinde yapılabilen sayısal damgalama yöntemleri mevcut olmasına rağmen çalışmaların büyük çoğunluğu görüntü üzerinde yapılmaktadır. Bu çalışmada da görüntü üzerine uygulanabilinen sayısal damgalama yöntemleri üzerinde durulmuştur, fakat görüntü üzerine uygulanabilen sayısal damgalama yöntemleri MJPEG, H.264 gibi video standartlarına uygulanabilmektedir. H.264 üzerinde sayısal filigran I-çerçeve üzerine gömülebilir. Görüntü üzerinde sayısal damgalama yöntemleri geliştirilebilmesi için uzamsal düzlemde çalışmalar yapılmıştır ancak çeşitli özelliklerinden dolayı frekans bölgesi dönüşüm kullanan sayısal damgalama yöntemlerinin popülaritesi daha fazladır. Bu yüzden çalışmada, görüntü üzerinde uygulanabilecek frekans bölgesi dönüşümleri hakkında bilgiler verilmiştir ve bu dönüşümlerin iyi ve eksik yönleri tartışılmıştır. Özellikle JPEG görüntü sıkıştırma algoritmasında kullanılan frekans dönüşümleri; ayrık kosinüs dönüşümü (DCT) ve ayrık dalgacık dönüşümü (DWT) sayısal damgalama yöntemlerinde kullanılan en popüler dönüşümlerdir. Çalışmada görüntü üzerinde yapılabilen sayısal damgalama yöntemleri hakkında bilgi edinilmiştir. Bunun için uzamsal düzlem ve frekans bölgelerinde sayısal damgalama yapan 8 ayrı teknik incelenmiştir. Bu bölüm içerisinde sayısal damgalama yöntemlerin sayısal filigranı konak görüntüye gömme teknikleri ve damgalanmış görüntüden çıkarma işlemlerine yer verilmiştir. Yapılan araştırmalar da göz önünde bulundurularak yöntemlerin avantajlı ve dezavantajlı yönlerinden bahsedilmiştir. İncelenen yöntemlerden LSB üzerinde yapılan, ayrık dalgacık dönüşümü temelli, ayrık dalgacık dönüşümü ve tekil değer ayrışımı temelli, ayrık kosinüs dönüşümü alçak frekans bölgesi içerisinde yapılan ve ayrık kosinüs dönüşümü orta frekans bölgesinde yapılan 5 sayısal damgalama yöntemi uygulamaya dökülmüştür. Sayısal damgalama ile ilgili üzerinde durulan diğer bir konuda, sayısal damgalama uygulanmış görüntü üzerine yapılabilecek saldırılara karşı başarı ölçümüdür. Bu amaç ile kullanılabilecek filtreler, geometrik ve sıkıştırma yöntemleri hakkında bilgiler verilmiştir. Uygulaması yapılan sayısal damgalama yöntemlerinde elde edilen damgalanmış görüntüler tuz ve karabiber gürültüsü, bulanıklaştırma, kontrast değişimi, yeniden boyutlandırma, parlaklık değişimi, medyan filtre, görüntünün döndürülmesi ve Gaussian gürültü ile saldırılara uğratılarak dayanıklılıkları test edilmiştir. Bu testlerde, saldırıya uğramış görüntüleri ve damgalanmış görüntüleri orijinal konak görüntüsü ile karşılaştırmak için tepe sinyal-gürültü oranı (PSNR) değerleri hesaplanmıştır. Benzer şekilde her yöntem için damgalanmış görüntüden çıkarılan sayısal filigran ile orijinal sayısal filigranın benzerliğini test etmek için normalleştirilmiş korelasyon katsayısıları(NC) bulunmuştur. Bu ölçümlerden hareket ile hangi sayısal damgalama yönteminin, hangi saldırı yöntemine karşı dayanıklı veya dayanıksız olduğuna dair fikir edinilmiştir. Bu çalışmada, görüntü üzerinde yapılabilen sayısal damgalama yöntemleri araştırılarak gömülü sistemlerde de uygulanabilecek düşük işlem gücüne, karmaşık olmayan, dirençli ve kapasite bakımından sistemi rahatsız etmeyecek sayısal damgalama yöntemlerinin üretilmesi amaçlanmıştır. Test ve ölçümlerden elde edilen tepe sinyal-gürültü oranı ve normalleştirilmiş katsayılar da baz alınarak uygulanan yöntemler arasında en iyi sonuç veren yöntem olarak sayısal damgalama yöntemi ayrık dalgacık dönüşümü ve tekil değerler ayrışımı ile sayısal damgalama bulunmuştur. Ancak, gömülü sistemlere uygulanabilirliği, sayısal filigranı damgalanmış görüntü içerisinden çıkarırken orijinal görüntüye ihtiyaç duymaması, sayısal filigran olarak görüntü yerine bit dizisi de kullanabilmesinden dolayı gömülü sistemde gerçeklemek için damgalama yöntemi olarak ayrık kosinüs dönüşümü ile orta frekans bölgesinde yapılan sayısal damgalama yöntemi seçilmiştir. Tasarlanan gömülü sistemde üreticinin aidiyetini şüphesiz sağlayacak sayısal filigran oluşturmayı, görüntü yakalamayı ve sayısal damgalamayı tek bir yapıda birleştirecek şekilde tasarlanmıştır. Bu hedef doğrultusunda damgalamada kullanılacak sayısal filigran biyometrik damga olarak parmak izi seçilmiştir. Sayısal damgalama için seçilen yöntem çıkarma işlemi sırasında orijinal görüntüye ihtiyaç duyulmadığı ve sayısal filigran olarak biyometrik veri kullanıldığı için gömülü sistemde uygulanan sayısal damgalama yöntemi biyometrik kör sayısal damgalama yöntemi olarak isimlendirilebilir. Gömülü sistemde biyometrik sayısal filigranı oluşturmak için GT-511C3 parmak izi tanıma modülü kullanılmıştır. Oluşturulan gömülü sistemin merkezinde Texas Instruments AM3352 işlemcisinin bulunduğu Beaglebone geliştirme platformu bulunmaktadır. Bu cihaz USB, Ethernet ve SD kart ara yüzlerinden dolayı tercih edilmiştir. Sistemde biyometrik verinin sensor modülünden alınması USB üzerinden gerçekleştirilmektedir. Meydana getirilen yapıda bir diğer önemli eleman ise görüntü yakalamayı sağlayan IP kameradır. Damgalanmak istenen görüntüler merkezi birim Beaglebone tarafından ethernet üzerinden Haikon/Hikvision DS-2CD2110F-IS IP kameradan alınmaktadır. Beaglebone üzerinde bulunan SD kart ile damgalanmış görüntüler ve IP kameradan yakalanan görüntülerin kayıt edilmesi amaçlanmıştır. Ayrıca tasarlanan gömülü sistem ile IP kameradan görüntü almadan SD kart üzerine daha önceden kayıt edilmiş görüntülerde biyometrik filigran ile damgalanabilmektedir. Parmak izi tanıma sensoru ve IP kamera içeren gömülü sistem üzerinde biyometrik kör sayısal damgalama yöntemi başarıyla gerçekleştirilmiştir. Aynı sistem Beaglebone yerine Intel Core i7-3630QM işlemcisine sahip bir bilgisayar ile de gerçeklenmiştir ve iki sistemin performansları karşılaştırılmıştır. Çalışmanın son bölümünde oluşturulan gömülü sisteme üzerinde yapılabilecek yazılımsal ve donanımsal geliştirmelerden de bahsedilmiştir.
Görsel algıya ilişkin bir korteks modeli
Görsel algı, beyinde incelenen en etraflıca çalışılmış ve ulaşılabilir algısal konulardan biridir. Görsel içerik oldukça kolay manipüle edilebildiğinden, yanlış algılaması ilüzyon adı altında kültürel içerik bile olabilmiştir. Son zamanlarda görsel sanal gerçeklik insanı tamamen sarabilmeye başladığından, görsel algının diğer bilişsel konular ile ilintisini araştırabilmek için farklı imkanlar doğmaktadır. Beyinin içindeki görsel devre, kısa dönem belleği, dikkat, alt katman görsel işleme gibi vasıflar arasında, obje farkındalığı gibi yüksek katman fonksiyonları oluşturacak şekilde bir köprü vasfı görür. Beyindeki belli yerlerin gerek deney ile gerek bir hastalık ile fiziksel olarak zarar görmesinin sonucunda elde edilen bilgiler ışığında fizyoloji, hangi bölgelerin ve sinir demetlerinin hangi işleve katkıda bulunduğu hakkında açıklamalara sahiptir. Bu bağlantıların görsel algının ve dikkatin temel yapı taşlarını sergileyebileceğinin alçak katmandaki açıklaması halen bir araştırma konusudur. İhtiyacımız olan, süregelen etkinlik, çeldirici uyartılara bağışıklık gibi temel özelliklerin sağlanabilmesi için biyolojik akla yatkınlığa sahip bir modelle oluşturulmuş bir benzetim kullanılabilir. Doğrusal olmayan topla ve ateşle nöron modelleri ile bu fenomenlerin bir çoğu basite indirgenmiş halleri ile yakalanabilmektedir. Aynı nöron modellerinin görsel algı ve dikkat için de açıklayıcı güce sahip olma ihtimali bulunmaktadır. Bu çalışmada, bu ihtimal üzerinde durulacak ve uygunluğu teste tabii tutulacaktır.
Yüksek verimli ve geniş bantlı güç kuvvetlendirici tasarımı
Kablosuz iletişim pazarındaki rekabet ve geleneksel askeri uygulamaların istikrarlı ilerleyişi ile birlikte, RF teknolojileri bu alandaki insan faaliyetlerinde birçok yönüyle kritik rolleri oynamaktadırlar. Kablosuz haberleşmede kullanılan RF sistemlerini oluşturan alt blokların en çok enerji tüketen bölümü güç kuvvetlendiricileridir. Güç kuvvetlendiricileri, verici sistemlerde sinyallerin bütünlüğünün bozulmadan antene ulaşabilmesini sağlamak amacıyla sinyal seviyesini yükselten birimler olarak özetlenebilir. Verim kritik bir uygulama olan güç kuvvetlendirici tasarımı, çalışma bandında maksimum verimin ve çıkış gücünün sağlanması hedeflenerek yapılır. Tezde öncelikle güç kuvvetlendiricisi temellerinden bahsedilmiş ve kullanılan teknolojiler, tasarım parametreleri ve yöntemleri hakkında bilgi verilmiştir. İzleyen bölümde bu yöntemler dikkate alınarak belirlenmiş tasarım hedefleri oluşturulmuş ve farklı çıkış güçlerine sahip yüksek verimli, geniş bantlı güç kuvvetlendiricileri bilgisayar destekli tasarım programı AWR ile tasarlanmıştır. Çıkış katında kullanılacak eleman sayısı mümkün olduğunca az tutulmuş ve uyumlama devresini oluştururken kullanılan sistematik yaklaşım ile genişbantlı empedans uyumlama problemini basitleştirmek amaçlanmıştır. Tasarlanması planlanan güç kuvvetlendiricisi devrelerinde kullanılan transistörler doğrusal olmadığından dolayı, istenilen bantta empedans uyumlama probleminin çözümü günümüz teknikleriyle oldukça zordur. Bu sebeple devrenin elde edilebilecek optimum empedans değerlerini elde etmek amacıyla yük çekme yöntemi kullanılmış, elde edilen değerleri sağlayacak uyumlama devresi tasarlanmaya çalışılmıştır. Kullanılan yaklaşım, birden fazla güç kuvvetlendiricisi tasarımında kullanılarak geçerliliği kanıtlanmak istenmiştir. Yapılan güç kuvvetlendiricilerden 10W çıkış gücüne sahip tasarımın bant genişliği 1.5 GHz – 5 GHz, 40 W çıkış gücüne sahip tasarımın ise bant genişliği 1 GHz – 3.5 GHz, 100W çıkış gücüne sahip tasarımın bant genişliği ise 1 GHz – 2 GHz'dir. Tasarlanan kuvvetlendiricilerin gerçeklendiği takdirdeki performansını mümkün olduğunca kestirebilmek amacıyla pasif elemanlar ideal modellerle değil, ticari modeller ile devreye dahil edilmişlerdir. Son olarak AWR'nin optimizasyon araçları kullanılarak iyileştirme çalışmaları yapılmış ve tasarımlar son halini almıştır. Tasarım sonucunda elde edilen grafikler incelendiğinde sonuçların istenen seviyede olduğu görülmüştür.
Mikrofon dizilerinde ses kaynağının yerinin zaman farkı gecikmeleri kullanılarak bulunması
Bu çalışmada ses tanıma/algılama ve telekonferans gibi uygulamalarda kullanılabilecek ses kaynağının yerini bulma problemi ele alınmıştır. Kaynak yeri bulma problemi sadece ses kaynağı için sınırlı olmayıp sonar, radar, kablosuz haberleşme gibi diğer çalışma alanlarında da ele alınmıştır. Tek bir mikrofon ile kaynak yeri kestirimi yapılamamaktadır. Bu nedenle mikrofon dizileri kullanılmaktadır. Bir mikrofon dizisinin geometrik olarak farklı yerlere yerleştirilmesi ile ses sinyallerinin farklı zamanlarda mikrofonlara gelmesi amaçlanır. Farklı mikrofonlardan alınan ses sinyalleri irdelenerek ses kaynağının yerinin tespiti amaçlanır. Lokalizasyon problemi için literatürde birden fazla model kullanılmaktadır. Hüzmeleme, uzaysal kestirim problemleri, zaman gecikme kestirimine bağlı yöntemler bu modellerden sayılabilir. Bu tez çalışmasında, gürültü ve yankıya dayanıklı olması, kolay hesaplanabilir olması, gerçek zamanlı sistemlerde kullanılabilir olması ve az mikrofon kullanarak da lokalizasyon kestirimi yapmaya elverişli olması nedeniyle zaman geciktirme kestirimine bağlı ses kaynağının yerini bulma yöntemi ele alınmıştır. İlk olarak, tek bir kaynağın hareketsiz olduğu durum incelenmiştir. Kaynağın yerini bulabilmek için mikrofon çiftlerinin arasındaki zaman gecikmesi hesaplanır. Bunun için çapraz korelasyon ve genelleştirilmiş çapraz korelasyon yöntemleri kullanılmıştır. ÇK yöntemi iki sinyalin benzerliğini ölçmeye yarayan bir yöntemdir. Bir sinyal zamanda kaydırılarak diğer sinyalle olan iç çarpım değeri hesaplanır. İç çarpım değerinin maksimum olduğu noktaya kadar geçen süre zaman geciktirmesini verir. GÇK yöntemlerinde ise sinyaller önce filtreden geçirilir. Amaç, gürültü ve diğer ortam şartlarından daha az etkilenmesini sağlamaktır. Tezde Roth, Scot ve Phat filtreleri kullanılmıştır. İkinci adım olarak mikrofonlara gelen sinyallerin varış zaman farkları, mikrofon ve kaynağın konumları cinsinden yazılır. Elde edilen denklemler lineer olmayan denklemlerdir. Bu denklemleri lineer hale getirebilmek için üç yöntem denenmiştir: Hiperbolik konumlandırma yöntemi, en büyük olasılıklı tahmin yöntemi ve Gauss Newton yöntemi. İlk iki yöntem, iki adet kaynak yeri tespit eder. Doğru kaynak yerini bulmak için ek bir bilgiye ihtiyaç vardır. Gauss Newton ise tekrarlı bir yöntemdir ve kaynak yerini ek bir bilgiye ihtiyaç duymadan tespit edebilir. Bu yöntemde kaynağın başlangıç yeri rastgele atanır ve tekrarlı şekilde asıl kaynak yeri tespit edilmeye çalışılır. İlk atanan değer, sistemin yakınsaması için önemlidir. Yöntemlerin simulasyonu MATLAB programı kullanılarak yapılmıştır. Öncelikle iki boyutlu kaynağın yer tespiti için üç mikrofon farklı konumlara yerleştirilmiştir. Referans mikrofona göre varış zaman farkları genelleştirilmiş çapraz korelasyon yöntemleri ile tespit edilmiştir. En büyük olasılıklı tahmin algoritmasını kullanarak xviii kaynağın farklı konumlardaki yeri tespit edilmiştir. Üç boyutlu yer tespiti için mikrofon sayısı dörde çıkarılmıştır. Referans mikrofona göre varış zaman farkları aynı şekilde hesaplanmıştır. Lineer olmayan denklemleri lineer hale getirebilmek için önce en büyük olasılıklı tahmin algoritması kullanılmıştır. İkinci yöntem olarak hiperbolik konumlandırma yöntemi kullanılmıştır. Hata payı diğer yöntemlere göre daha fazla olduğu için bu yöntem tercih edilmemiştir. Üçüncü yöntem ise Gauss Newton yöntemidir. En büyük olasılıklı tahmin algoritması Gauss Newton yöntemine göre daha iyi sonuç versede iki adet kaynak yeri tespit edilmesinden dolayı, Gauss Newton Yöntemi tezin ikinci kısmında tercih edilmiştir. Tezin ikinci kısmında iki kaynağın hareketsiz olduğu durum incelenmiştir. Yukarıda anlatılan yöntemler tek kaynak yeri tespiti için kullanılabilirken, birden fazla kaynağın olduğu durumda direk olarak kullanılamamaktadır. Bu nedenle, önce mikrofonlara gelen sinyaller ayrıştırılır. Ayrıştırma işlemi için hızlı bağımsız bileşen algoritması kullanılmıştır. Hızlı bağımsız bileşen analizi mikrofon sayısının kaynak sayısına eşit olduğu ve mikrofonların aynı anda kaynak işaretlerini aldığı durumda kullanılmaktadır. Bağımsız bileşenlerin Gauss olmayan dağılıma sahip ve istatiksel olarak bağımsız olduğu varsayımları altında mikrofonlara gelen sinyallerin ayrıştırılması için tercih edilir. Analiz sonucunda, bağımsız bileşenlerin sıralamasına karar verilemez ve elde edilen bileşenlerin enerjileri belirsizdir. Üç boyutlu iki kaynağın yerini tespit etmek için altı adet mikrofon rastgele yerleştirilmiştir. Her bir mikrofonun olduğu yerde bir adet daha mikrofon olduğu düşünülmüştür. Yani, altı adet mikrofon çifti elde edilmiştir. Tüm mikrofon çiftleri için hızlı bağımsız bileşen analizi uygulanıp, mikrofonlara gelen farklı iki kaynak kestirilmiştir. Hızlı bağımsız analizi ile elde edilen sinyaller kendi enerjileri ile normalize edilir. Normalize edilen sinyallerin hızlı Fourier dönüşümü alınır. Bu adımda iki farklı ses kaynağının, iki farklı frekansa sahip olduğu gözlenmiştir. Fourier dönüşümü alınan sinyallerin genlikleri eşitlenir. Elde edilen sinyaller korelasyon katsayısı yardımıyla karşılaştırılır ve sinyallerin hangi kaynaktan geldiği belirlenir. Böylelikle, frekans bilgisi kullanılarak sınıflandırma işlemi yapılır. Her bir mikrofon çifti için hızlı bağımsız bileşen analizi ile elde edilen sinyallerin hangi kaynaktan geldiği belirlendikten sonra ilgili kaynağın işaretleri bir araya getirilir. Hızlı bağımsız bileşen analizinde enerjinin kestirimi yapılamadığı için belirsizliklerin giderilmesi gereklidir. Sinyallerin mutlak değeri alınıp maksimum değerleri ile normalize etme işlemlerinden sonra bu problem de çözülmüş olur. Birinci kaynak için referans mikrofona göre varış zaman farkları tek kaynak olduğu durumdaki gibi hesaplanır. Gauss Newton yöntemi ile kaynağın yeri tespit edilir. Bu kısımda kaynak yeri için ilk verilen değer rastgele değil en küçük kareler yöntemiyle belirlenir. Aynı işlemler, ikinci kaynak içinde uygulanır. Böylelikle, her iki kaynağın yeri tespit edilir.
Layout works of various capacitor multipliers to reduce the integrated circuit area
The main aim of this thesis is reducing the silicon area by using capacitor multipliers. This focus requires very good layout work, correct methodologies should be applied during layout work. Structure of semiconductor devices must be known in order to apply these methodologies. These main components are MOSFET, resistor and capacitors. Capacitors are classified in to three categories, these are; MIM, MOM and MOS capacitors. They are explained in chapter 2 in detail. Analog layout techniques are explained to produce the optimized layout. These techniques are used for matching and reducing silicon area. Current distribution may be considered as another approach. Mostly, MOSFETs are placed to an integrated circuit by using these techniques. Capacitors and resistors are also important because they occupy large areas in an integrated circuit. These techniques may change as technology changes year by year. The main reason for this is discovering new behaviors of semiconductor components as their dimensions scale down. Mainly, there are two types of capacitor multipliers. These are voltage mode and current mode multipliers. One voltage type and two current types are designed and their layout work are done. They are simulated for three multiplication factors. These are 28, 65 and 126. Magnitude and phase of impedance of equivalent capacitor is simulated. Capacitance behavior are determined in frequency domain thanks to the impedance analysis. Equivalent capacitor is calculated between frequencies which are described with impedance response. Quality factor of equivalent capacitor is also simulated between the same frequency range. Three topologies are compared in terms of equivalent capacitor, area gain and frequency range. As a conclusion, results of three topologies are consolidated and also advantages and disadvantages are shown for three multiplication factors. As a future work, fabrication of these topologies is advised. Also, new methods must be considered, especially for voltage mode.
Time interleaved sar adc design with background calibration
Analog to digital converters are interface circuits between analog signals and digital signals. High speed analog to digital converters with moderate resolutions are used in many applications such wireless communication, optical communication, serial-link receivers, direct-sampling TV receivers and digital oscilloscopes. On the other hand, power efficient wideband ADCs are needed for many battery-powered portable devices. Increasing speed or resolution of ADCs results in power penalty. Power consumption increases nearly linearly with increasing resolution or sample rate up to process boundries. However, when approaching process boundries power consumption increases beyond linear. Time-interleaved ADCs are used to overcome the power penalty issue when the speed approaches the process boundries. Analog to digital conversion can be separated into two steps which are sampling and quantization. Time-interleaving ADCs distribute quantization step over parallel channels. This slows speed of the quantization circuit back from the process boundries. Therefore, the power efficiency is provided as if process boundries are extended to higher frequencies by the number of channels. So in time interleaved ADCs, while sampling rate is just equal to the conversion rate, quantization rate can be decreased by the number of the parallel channels. Metastability is another problem in high speed ADC circuits. As comparator speed decreases by interleaving subADCs, metastability rate also decreases by timeinterleaved architecture. Despite the benefits mentioned above, mismatch among the subADC channels can degrade linearity. Mismatch errors can be categorized into two classes: static and dynamic errors. Gain mismatch, ofset mismatch and capacitor mismatch of subADCs are static error sources. Static errors are frequency independent and dealt easier compared to dynamic errors. Dynamic errors are input frequency dependent errors which include timing skew mismatch and bandwidth mismatch errors. Dynamic mismatch errors gain dominance as input signal frequency increases and may become most dominant error source when digitizing high frequency inputs. Both static and dynamic mismatch errors can be corrected by utilizing calibration circuits. In this study, a time-interleaved ADC consisting of 18 parallel channels is designed. Sampling speed of converter is 2GS/s, 52dB SNDR is accomplished around Nyquist frequencies. Besides, digital background calibration system is designed and simulated in MATLAB and Verilog environment.
Human activity recognition using deep learning
Human activity recognition has been very active research topic in computer vision area due to its wide range of applications, such as smart surveillance, robotics and human-computer interactions. Researches on activity recognition mainly focused on RGB videos and wearable sensors and its applications. With easy availability and and widespread use of RGB-D sensors, human activity recognition is becoming more popular. Activity recognition can be applied to many areas like detecting dangerous events or monitoring people living alone. For example, if a robot could watch and keep track of how often a person drinks water, it could prevent the dehydration of elderly by reminding them. Due to its unstructured and often visually confusing nature, recognition of daily activities becomes a much more difficult task. Activity recognition problem can be defined as classifying activities as robust as possible without depend on environment, camera positions, lighting conditions background changes and so on. This is very challenging task because of it may contain many parameters. Also nature of the activities changes dramatically person by person. Also problem scenario may contain many variation: we can have interacting activities, we can have very different camera locations or we can have different datasets etc. So, human activity recognition is still open problem and there is no prominent solution to solve all different scenarios. In this thesis, human activities were classified with various deep learning techniques using skeletal and RGB datasets. We aimed that to solve that problem without depend on just one type data. Recent years, deep learning based approaches has shown great success on many areas such as image classification, object recognition etc. They have great feature extraction capabilities if we compare to hand-crafted feature extraction techniques. So, we constructed from scratch deep neural network to get these meaningful features. The aim of processing skeletal data is to automatically recognize human activities with deep learning techniques using three-dimensional skeletal joint data from the RGB-D sensor. Depth sensors open up possibilities of dealing with the analysis of human actions based on 3D skeleton data has become popular recently, due to its robustness and view-invariant representation. Our methods uses the joint data directly and automatically acquires the features to be used in the classification, thus provides superiority to the methods which uses hand-crafted features. In our work, we used several datasets for human activity classification. One of them is NTU RGB+D dataset which is quite new and challenging compared to the datasets in the literature is used. Also, this dataset is very large and very suitable to implement deep learning which is data-hungry methods and it includes interacting activities. We have carried out several analyzing methods for classification of interacting activities. Also, we have seen that there is no enough work in the literature for classifying interacting activities. It is important how your model is good enough to classify real world data you get. So, we collected skeletal data using Microsoft Kinect v1 sensor from 4 different person for five different activities.We trained our model on MSR Daily Activity 3D dataset and tested our model on data we collected. Test results shows that our models very good at new person activities. With using 2D, 3D from scratch Convolutional Neural Networks(CNN) and Long-Short Term Memory(LSTM) Networks a performance analysis was performed for skeletal data. Also a novel technique was implemented for data augmentation and new synthetic data was created by using Generative Adversarial Network (GAN). By using this technique, accuracy was increased significantly. We used two different Long-Short Term Memory (LSTM) models for classification, standard LSTM and Bidirectional LSTM. Standard LSTM network have restrictions as the future input information cannot be reached from the current state. The basic idea of Bidirectional LSTM model is to connect two hidden layers of opposite directions to the same output. Results shows that Bidirectional LSTM has great capability to interpret relation of sequential data with each other. Several Convolutional Neural Network (CNN) based methods was implemented for activity recognition. Firstly, we developed two different from scratch 2D CNN for skeletal data. We analyzed how deepening network is effecting learning capability.In another experiment we used two-stream CNN network where model is fed another feature map which include motion information between consecutive frames as a supportive input. To get more meaningful spatio-temporal informations about activity, in another experiment we deployed 3D CNN model for this task. Also, we used Support Vector Machines (SVM) as a classifier after obtained features by 3D CNN. Thus, we wanted to analyze classification success between SVM and Multilayer Perceptron (MLP). Experiments shows that 3D CNN architecture developed from scratch gives a higher performance than other CNN approaches and it enables action representation properly. Success of the deep learning based solutions rely on size of the training data. For this reason, we used large in this thesis. However, we tried to augment data by using a novel technique called Generative Adversarial Network (GAN).Generative Adversarial Networks (GANs) offer a novel way to unlock additional information from a dataset by generating synthetic samples with the appearance of real data. By using GAN, 20000 new synthetic data were created and included to training set before classification. As a result of the experiments made, the technique applied by the 3D CNN and combined with GAN achieves the highest classification accuracy with by obtaining much more meaningful features compare to the LSTM Networks. In the second part of the thesis, we propose different deep learning techniques for activity recognition by using RGB data in videos. We carry out three different experiments which are 3D CNN architecture solely, hybrid model which deploy LSTM network for classification, and combination of optical flow with features from 3D CNN networks. Experiments shows that optical flow features are very useful to get motion features of activities and combining it with 3D CNN architectures helps to increase accuracy and allows more robustly classification. UCF101 and HMDB51 benchmark datasets were used for performance analysis and evaluate the proposed methods. These are very challenging datasets because of they consist of cluttered background and contains highly camera motions and also has unconstrained nature. Results shows that combining optical flow features with 3D CNN features makes better representation for motion understanding and more robust classification.
5g ve ötesi için indis modülasyonlu OFDM
Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a multi-carrier transmission scheme that has been used for the most of recent wireless communications systems, even it has been decided to be used as the modulation technique with multi-numerologies structure in 5th Generation (5G). This is due to the advantages of OFDM, such as efficient spectrum utilization by varying number of subcarriers, power of subcarriers, and pulse-shaping filters; flexible adjustment to different requirements by changing OFDM symbol block size, cyclic prefix size, and subcarrier spacing; well-suitability to multiple antennas systems; frequency domain equalization; permission to flexible scheduling mechanism for multiple users. On the other hand, it has two main disadvantages that has been tried to be solved up till now: high peak-to-power average ratio (PAPR) that causes distortion of the signal due to non-linearities of power amplifiers (PA) and high out-of-band emission (OOBE) that makes spectrum granularity difficult. Since OFDM has been selected as the core waveform of 5G, researches about these drawbacks will continue to find better solutions. As being an enhancement modulation technique to OFDM, orthogonal frequency division multiplexing with index modulation (OFDM-IM) has been proposed for spectrum- and energy-efficient next generation wireless communication systems, and it has been attracted by many researchers recently. Unlike conventional OFDM, OFDM-IM employs both the indices of active subcarriers and data symbols at the active subcarriers to convey information. In OFDM-IM, the incoming bit sequences are divided into two groups. First group determines the active subcarriers according to look-up tables or special algorithms, then second group determines the data symbols at the active subcarriers. OFDM-IM offers attractive advantages in comparison to OFDM thanks to the information bits conveyed by IM, such as better bit error rate (BER) performance at low-to-mid level spectral efficiency values, higher robustness to inter-carrier interference (ICI), better ergodic achievable rate, and being more flexible based on different channel conditions and system requirements. However, OFDM-IM has also the drawback of high PAPR similar to OFDM, and this important problem has not been studied well in the literature. Active constellation extension (ACE), which is one of the well-known PAPR reduction methods for OFDM, can be used to solve this drawback of OFDM-IM. Owing to the fact that this PAPR reduction method is less effective for OFDM-IM due to the inactive subcarriers that do not convey data symbols, we propose the extension of the constellation over inactive subcarriers through adding clipped signals over them. These subcarriers have a signal power limited by an upper bound, and this causes a slight degradation in the bit error rate (BER) performance. Computer simulation results demonstrate that our proposed method has a better PAPR reduction performance than the ACE method for OFDM and OFDM-IM while being more energy efficient with a very slight degradation in BER performance when a proper clipping threshold level is selected. Additionally, it is shown that the proposed method and ACE can be further combined, and this provides an improved PAPR reduction. In order to decrease the computational complexity of the PAPR reduction method to the linear-logarithmic level, smart gradient projection (SGP) is employed. 5G of wireless networking is coming with diverse use cases, such as enhanced-Mobile BroadBand (eMBB), Ultra Reliable and Low Latency Communications (URLLC), and massive Machine Type Communications (mMTC). eMBB services require very high data rates and wider bandwidths. URLLC services require very low latency, very high reliability and availability. And, mMTC services require massive connectivity, low bandwidth, low power consumption, and enhanced coverage. As a result, 5G wireless networks require flexible physical layer solutions through new radio access technologies (RATs). At this point, OFDM-IM appears a flexible solution to satisfy the diverse user demands. Considering the strict requirements of mMTC services, such as low throughput, low power consumption, and low cost design, we propose fading-aligned OFDM-IM for more spectrum- and energy-efficient communication. In the proposed method, inactive subcarriers in OFDM-IM are cleverly utilized to avoid deep fading sub-channels, because the deep fading of the active subcarriers decreases bit error rate (BER) performance significantly. Computer simulation results demonstrate that more than 10 dB gain is obtained for a reference BER value of 10^(-4) at the same spectral efficiency with conventional OFDM. Moreover, the proposed method is compared with convolutional coded (CC) OFDM at the same spectral efficiency, and it is shown that the proposed scheme performs better in terms of BER performance. Furthermore, theoretical error performance of the proposed method is investigated to support our computer simulations.
Artificial tactile sensation by microstimulation of the hindpaw representation in the primary somatosensory cortex of behaving rats
In this thesis, rats were trained to detect the presence or absence of bursts of mechanical sinusoidal vibrations (duration: 0.5 s, zero-to-peak amplitude: 200 um, frequency: 40 Hz) delivered to the volar surface of their hindpaws in a novel vibrotactile operant chamber. In psychophysical experiments, psychometric curves were obtained for three frequencies (40 Hz, 60 Hz and 80 Hz). Then, the rats were implanted with microelectrodes in the hindpaw representation of the primary somatosensory cortex and trained to detect trains of biphasic charge-balanced current pulses (pulse width: 600 us, current intensity: 20-200 uA)(ICMS). They further tested in psychophysical experiments and psychometric curves were obtained for ICMS detection as in vibrotactile experiments. The psychometric data collected from vibrotactile and ICMS experiments were fitted with surface functions using the stimulus intensity and frequency. Psychometric correspondence functions (PCFs) were constructed based on the psychometric functions of five rats. The PCFs were used to estimate current intensities for a given tactile stimulus intensity and frequency. The PCFs were validated in an additional experiment at five frequencies (40 Hz, 50 Hz, 60 Hz, 70 Hz and 80 Hz). In this experiment, the rats performing vibrotactile detection task were presented with unrewarded trials containing either a vibrotactile or an ICMS stimulus. The vibrotactile and ICMS intensities were matched based on PCFs. Kolmogorov-Smirnov statistic showed that the vibrotactile and ICMS stimuli produced similar psychometric curves in validation experiments (all p values >0.05 for 5 frequencies and 5 rats). Therefore, the PCF based method seems to be feasible for modulating the current intensities and frequency of ICMS in a somatosensory neuroprosthetic application.
Alt uzay yöntemleri ile duvar arkası görüntüleme
Gününmüz uygulamalarında yüksek çözünürlüklü radar görüntüleme önemli bir yere sahiptir. Klasik Fourier dönüşümü ile görüntüleme de ölçüm bir bant aralığında yapıldığından dolayı menzilde ki çözünürlük düşüktür. Çapraz menzilde ki çözünürlük ise anten açıklığına bağlıdır. Fourier ile yüksek çözünürlüklü görüntüleme yapılmak istenirse hem bant genişliğinin hem de anten açıklığının fazla olması gerekmektedir. Yapay olarak artırılabilen ve yapay açıklıklı radar olarak adlandırılan radar tipinde çapraz menzil çözünürlüğü önemli derecede artmaktadır. Şerit tarama tipi yapay açıklıklı radar da 2 boyutlu görüntü elde etmenin bir yolu her anten noktasında menzil profili denilen A tarama yapılarını bir araya getirmektedir. B tarama adı verilen iki boyutta radar görüntüsü bir boyutlu radar görüntülerinden oluşmaktadır. Bu durumda görüntüleme de hiperbolik bozulmalar ortaya çıkmaktadır. İki boyutta yüksek çözünürlük ve doğrulukta görüntü elde etmek için algoritmaların iki boyutta gerçeklenmesi gerekmektedir. Bu tez kapsamında görüntüleme yöntemlerinden ilk olarak duvar arkası görüntüleme de kullanılan çok yüksek çözünürlüklü bir alt uzay yöntemi olan MUSIC algoritması iki boyutta hem ham dataya hem de hüzme uzayında ki bir dataya uygulanmış ve mikrodalga görüntüleme yapılmaya çalışılmıştır. Zayıf saçıcı koşulu altında saçılan alan ile cisim fonksiyonu arasında bir Fourier dönüşümü ilişkisi vardır. Bu nedenden dolayı MUSIC algoritmasını ham ölçüm datasına uygulamak yerine hüzme uzayında ki dataya uygulanmış ve avantajları gösterilmiştir. Hüzme uzayında ki data hem zaman bölgesi hüzme şekillendirme hem de frekans dalgasayısı migrasyonu uygulanarak elde edilmiştir. Hem bilgisayar ortamında yapılan saçılan alan hesabıyla hem de deneysel olarak ölçülen radar datası ile yapılan gerçeklemeler tatmin edici sonuçlar vermiştir. Görüntüleme yöntemlerinin ikinci kısmında doğrudan örnekleme yöntemi incelenmiştir. Doğrudan örnekleme yönteminin en önemli avantajı tek bir verici anten altında saçılan alanın ölçülmesi durumunda bile saçıcı cismin şeklini ve koordinatlarını doğru bir şekilde bulabilmektedir. Doğrudan örnekleme yöntemi herhangi bir optimizasyon gerektirmeyip sadece matris operatörleri kullanmaktadır. Bu basitlikten dolayı daha büyük adımlı görüntüleme algoritmalarında bir ön adım olarak kullanılabilmektedir. Bu amaçla multistatik ölçümde yapılan doğrudan örnekleme yöntemi aynı zamanda tek frekans ve çoklu frekans monostatik duruma da genişletilmiştir. Sayısal sonuçlar monostatik doğrudan örnekleme yönteminin efektif bir yöntem olduğunu göstermiştir.
Direct and inverse electromagnetic scattering problems in spherically layered media
The direct and inverse scattering problems related to radially inhomogeneous spheres have interesting mathematical properties alongside practical value. In the direct scattering problem, the acoustic or elecromagnetic parameters of the spherical scatterer, which are arbitrary functions of the radial distance only, are assumed to be known; and the aim of the problem is to determine the scattered field in the whole space. On the other hand, for the inverse problem, these parameters constitute the unknowns of the problem, and they are determined through the value of the scattered field supposed to be measured on a measurement surface in the outside region. For the solution of the direct scattering problem, different techniques, with certain advantages and limitations, exist in the literature. The analytical techniques such as dyadic Green's function are only valid for certain types of profile, whereas numerical solution techniques such as method of moments have limited accuracy and they are in general computationally expansive. For the inverse problem, established methods such as Newton's method or the contrast source inversion technique can be applied directly to the three dimensional problem; however, the computational effort necessary for this type of procedure will put a limit to its practical value. Therefore, it can be concluded that the problems involving radially inhomogeneous spherical scatterer is still open to contributions. In this thesis, a method to reduce the original three dimensional acoustic and electromagnetic problems into one dimensional forms has been developed. It has been demonstrated that such a method would be compatible with the available alternatives, and it will require less computational effort than the three dimensional solution techniques. It should be noted that although the orginal problem is a three dimensional one, the homogeneity along the angular direction enables one to replace it with one dimensional object and data equations involving only radial functions. For this dimension reduction procedure, the orthogonality of the spherical harmonics over the unit spherical surface have been used. In the acoustic case, the scalar acoustic field has been expressed as a series expansion in terms of scalar spherical harmonics. Since those are functions of the angular terms, and the geometry is spherically symmetrical, their orthogonality is preserved within the original three dimensional object equation. Therefore, it is possible to eliminate the angular terms via orthogonality relation, and to obtain one dimensional reduced integral equations involving the coefficients of the series expansion for the acoustic field. For the solution of the direct scattering problem these coefficients can be determined by a simple discretization of the one dimensional integrals along the radial direction. On the other hand, a Newton based iterative scheme has been formulated for the solution of the inverse scattering problem. In this formulation, the one dimensional equations are solved using an initial guess for the unknown parameters, and the coefficients of the measured scattered field constitute the data that is used to update the initial guess iteratively. The procedure for the electromagnetic case is similar to the acoustic one. However, since the problem is a vectorial one in this case, the electric field is expanded in terms of vector spherical harmonics. These vectorial functions also satisfy the orthogonality condition over a spherical surface, therefore it is possible to reduce the vectorial electric field integral equation into a system of one dimensional integral equations. The integrals once again will only contain the scalar coefficients of the series expansion for the electric field, which are functions of the radial distance only. The resulting system of equations can be solved simultaneously to obtain the coefficients. The Newton based algorithm that was used in the acoustic case can be adapted to electromagnetic inverse problem in a straightforward manner. Therefore, same technique will be applied for the solution of the electromagnetic profile inversion problem. The results of the numerical tests demonstrate that the method is quite reliable for determining the interior and scattered field in the case of acoustic or electromagnetic direct scattering problem. It is compatible with alternative methods, and it is computationally effective. Unlike analytical techniques which can only be used for piecewise homogeneous spheres, the method can be easily adapted to any kind of profile.Moreover, its accuracy is higher compared to the computationally more expansive numerical techniques. Therefore it is safe to assume that it can be used for practical applications involving complex scatterers such as head models. The acoustic or electromagnetic scattering problems involving radially inhomogeneous spheres are frequently encountered in the research fields such as biomedical engineering or material science. The method developed in this thesis can be reliably used in these problems. For the inverse problem, the method yielded quite satisfactory results for slowly varying continuous profiles, provided that an appropriate initial guess is chosen. Other than the initial guess for the unknown acoustic or electromagnetic parameters, the most important point that effects the outcome of the method is the initial parameters of the iterative process itself. Through various numerical tests, the optimal values of these parameters have been determined and presented in the thesis. However, it was observed that even for these values, the success of the method is considerably lower for more rapidly varying profiles. Especially for layered profiles, the method can only provide a smoothed approximation. Numerical tests also demonstrated that the method produces useful results for relatively low contrast values. It should be noted that these are well-known limitations of Newton based algorithms, and the method performs reasonably well for an iterative profile inversion technique.
A framework for a nation-wide electronic health vault with a secure multi-cloud hybrid model
The thesis starts with the introduction of the topic. After that it describes what cloud computing is and its various types that can be implemented. We adopt a multi-cloud hybrid system with an Infrastructure as a service approach. Third part gives details about electronic records that replaced the paper-based records in medical institutions. We are designing a system that could store both electronic healthcare records and personal healthcare records together. Fourth part explains what Health Information Exchange is, what could be the benefits coming from it and some efforts that have been put until now. Fifth part states the interoperability requirement in order to develop a full integrated systems and standardizations in medical community. Sixth part examines different papers written in the literature about healthcare clouds and what distinguishes them from each other. It tries to determine characteristics of each framework and implementation. Seventh part clarifies the methodology followed while writing this thesis. It reveals how the dimensions that helped in developing the framework has been established. Eighth part defines the new framework of the healthcare cloud system, states how the data privacy will be protected against internal and external threats. It explains how confidentiality, integrity and availability is provided in each phases of the data journey. This chapter also gives a high level illustration of the topology that could be used while implementing. Ninth and the final chapter is giving the results of the research and concludes the work done by stating the limitations and possible future works.
İlaç ve gıda ürünlerinde gluten proteini sorgulama mobil uygulaması
Uygulama İOS işletim sistemine sahip mobil cihazlar için tasarlanmış olup akıllı telefonlar ve tabletler tarafından rahatlıkla uygulama marketlerinden indirilerek kullanılabilecektir. Uygulama uzun uğraşlar sonucu hazırlanan veritabanında ilaç ve gıda ürünlerinin glüten proteini muhteviyatında içerip içermediği hakkında kullanıcılara bilgi vermek için tasarlanmıştır. Bu sayede Çölyak hastası bireylerin ürün satın alırken daha bilinçli ve daha kolay bir şekilde alışveriş yapmasına imkan sağlamaktadır. Ayrıca bu uygulama vasıtasıyla Çölyak Hastaları'nın beslenme şekillerinde, Beslenme ve Diyetetik Uzmanları tarafından Çölyak Hastalarına uygulanan diyetlerde kısacası Çölyak Hastalığına sahip bireylerin beslenme kalitesi anlamında önemli bir yükseliş sağlanacağı düşünülmektedir.
Görünür yakın kızılötesi spektrometre tasarımı ve bir uygulama örneği
Günümüzde spektroskopik yöntemler endüstride, tarımda ve sanayinin bir çok dalında sıklıkla analiz ve sınıflandırma amacı ile kullanılmaktadır. Kurumların analiz laboratuvarlarında özellikle malzemelerin çeşitli özelliklerinin belirlenmesinde kızılötesi spektroskopik yöntemler kullanılır. Bunun için spektrometre veya spektrofotometre denilen genelde pahalı optik ve elektronik bileşenlerden oluşan cihazlar kullanılmaktadır. Elektromagnetik spektrum ışığın tüm dalga boylarını içine alan spektral aralığın tamamıdır. Dalga boyları fm'lerden binlerce km'ye ulaşan geniş bir elektromagnetik tayf mevcuttur. Gözümüzün gördüğü aralık ise mor ötesi- yakın kızıl ötesi (UV-NIR) bölgeleri arasında kalan yaklaşık olarak 400 nm genişlikli dar bir banttır. Bu bandın dışındaki kalan tüm aralığı gözümüz ile göremeyiz. Elektromagnetik dalga temel olarak yüklerin hareketinden meydana gelmektedir. Uzayda bir noktada yer alan ve belirli bir referans noktasına göre hareket eden yük çevresine elektromagnetik dalga yaymaktadır. Benzer şekilde yüklü bir cisme gelen elektromagnetik dalga da yüklü cismi hareket ettirmektedir. Bu ilkeler tüm elektromagnetik tayf için geçerlidir. Spektrometrik analizlerin temelinde de elektromagnetik dalgalar ile maddenin etkileşimi yatmaktadır. Atomlar birbirleri ile çeşitli kimyasal bağlar oluştururlar ve bu bağların bir kısmı maddenin doğası gereği polardır. Elektromagnetik dalgalar uygun dalga boylarında maddenin doğal polaritesi ve enerjisinden kaynaklanan doğal titreşimi ile etkileşime girerler. Bazı maddeler bazı dalga boylarındaki elektromagnetik yayınıma yanıt verirken bazılarına yanıt vermezler. Spektrometreler temel olarak bu farkların ayrıştırıcı özelliğinden faydalanmak amacı ile tasarlanmıştır. Kızılötesi dalga boylarında dalga boyu elektronik geçişler için oldukça büyüktür. Bu nedenle elektromagnetik alanlar maddenin molekül düzeyi polaritesi ile etkileşime girmektedirler. Her kimyasal bağın polar yapısı birbirinden farklıdır. Dolayısı ile birbirinden farklı dalga boylarında elektromagnetik dalgaları soğururlar. Elektromagnetik dalga soğurulduğunda moleküllerin titreşimlerini artırır. Kızılötesi spektroskopisine bu nedenle titreşim spektroskopisi de denmektedir. Spektrometreler değişik dalga boylarında değişik amaçlar için kullanılmaktadır. Temel bileşenleri aynı olsa da dalga boylarının farklılaşması nedeni ile kullanılan ışık kaynağı ve alıcı sensörlerin yapıları birbirinden farklı olabilmektedir. Spektrometreler temel olarak, ışık kaynağı, örnek kabı, ızgara ya da prizma ve alıcı sensör dizisinden oluşmaktadır. Spektrometrelerin yapıları spektroskopik ölçüm biçimine göre de değişmektedir. Soğurma spektroskopilerinde kaynaktan gelen ışınlar örnekten geçirildikten sonra sensöre gelmektedir. Yansıma ya da saçılma spektroskopilerinde ise ışınlar öncelikle örneğe gönderilir. Örnek üzerinden yansıma yapanlarda sensöre gönderilecek biçimde bir optik tasarım yapılır. Emisyon spektroskopisi ise maddenin dış ışık kaynaklarından aldığı ışığı tekrar yansıtması üzerine kurulu olduğu için ışık kaynağı içermez. Spektrometrik yöntemlerin en önemli aşaması elde edilen spektral karakteristiğin yorumlanması yani analiz edilmesidir. Spektral verilerin analizi için bir çok farklı yöntem kullanılmıştır. Kısmi en küçük kareler yöntemi (Partial Least Squares Regression - PLSR), doğrusal ayrıştırma analizi (Linear Discriminant Analysis - LDA), destek vektör makinesi (Support Vector Machine - SVM) ve benzer regresyon ve sınıflandırma yöntemleri bunlardan bazılarıdır. Her yöntemin avantajı ve dezavantajı kullanılan spektral aralığa, analiz yapılmak istenilen maddenin türüne, analiz yapılacak ortamın işlem yeteneğine ve kaynağına bağlı olarak değişmektedir. Hangi metodun ne oranda başarılı olacağı sorusu ayrı bir çalışma konusudur. Sınıflandırma algoritmaları denetimli ve denetimsiz olmak üzere iki tür öğrenme süreci ile çalışmaktadır. Her iki yöntemde de sınıflandırılacak örnekler üzerinden ölçümler alınır ve ölçümlerden yola çıkılarak bir model oluşturulur. Elde edilen model ile bir sonraki örneğin hangi sınıfa ait olduğu tespit edilir. Denetimli öğrenmede ölçümlerin hangi sınıfa ait olduğu bilgisi mevcuttur. Denetimsiz öğrenmede ise ölçümlerin hangi sınıfa ait olduğu bilinmemektedir. Çalışmanın giriş bölümünde kızılötesi spektroskopinin ne olduğu, ne gibi ilkelere dayandığı ve mevcut literatürde ne gibi çalışmalar yapıldığı ele alınmıştır. İkinci bölümde mevcut spektroskopik yöntemler ve temel ilkelerden bahsedilmiştir. Üçüncü bölümde ise spektral veriler için analiz yöntemleri özetlenmiş ve işlem kaynağının sınırlı olacağı düşünülerek LDA yöntemi üzerinde durulmuştur. Dördüncü bölümde spektrometre tasarımı ele alınmıştır. Spektrometre tasarımı için öncelikle çalışma aralığı seçilmiş, sensör ve ışık kaynağı da buna uygun olarak belirlenmiştir. Ölçümlerin dış ortamdan etkilenmemesi açısından örneğe gelen ışığın doğrudan alıcıya gittiği bir kapalı bölme oluşturulmuştur. Kapalı bölmeye ışık kaynağının bulunduğu bölmeden ve sensör bölmesinden açıklıklar bırakılmıştır. Gelen ışık örneğe çarptıktan sonra çeşitli açılarda yansıma yapmaktadır. Yansımaların bir kısmı sensörün bulunduğu açıklığa gelmektedir. Işık kaynağı olarak 4.8 V 0.5 A tungsten lamba ve kızılötesi (IR) led kullanılmıştır. Alıcı olarak optik düzeneği kendi üzerinde bulunan Hamamatsu'nun c11708ma spektrometre sensörü kullanılmıştır. Sensörü sürebilmek için ATMEGA16A işlemci kullanılmış bu işlemci ile UART üzerinden STM3210E-Eval deneme kartı ile haberleşme kurulmuştur. Yine UART üzerinden PC'ye yazılan bir uygulama ile sınıflandırma için model oluşturulmuş, bu modelin sınıflandırma işlemi ARM üzerine transfer edilmiştir. Beşinci bölümde tasarlanan spektrometre ile örnek bir sınıflandırma uygulaması yapılmıştır. Sınıflandırma için iki ayrı firmanın iki farklı çiçek toprağı ele alınmıştır. Örnekler borosilikat cam tüpe yerleştirilmiş ve tasarlanan spektrometrenin örnek açıklığında her zaman aynı mesafede durması amacı ile bir aparat ayarlanmıştır. Her sınıf topraktan 30'ar tüp toprak örneği alınmıştır. Her sınıf için 20 öğrenme örneği 10 test örneği olacak şekilde ayırılmıştır. Her sınıftan 20x4x10 olmak üzere toplam 800'er örnek alınmış LDA algoritmasına toplamda 1600 ölçüm girdi olarak verilmiştir. Her örneğin hangi sınıfa ait olduğu bilinmektedir. Accord.Net machine learning kütüphanesi kullanılarak özvektörler ve dönüştürülmüş sınıf ortalamaları elde edilmiştir. Elde edilen bu model STM3210E-Eval deneme kartı üzerinde bulunan ARM cortex M0 işlemcisine yüklenmiştir. STM3210E-Eval kartı ve sensörü süren ATMEL kartı arasında UART haberleşmesi ve basit bir protokol kurulmuştur. Spektrometre sensörü C11708ma'dan alınan veriler UART haberleşmesi ile STM3210E-Eval deneme kartı üzerine aktarılmıştır. Deneme kartı üzerinde bulunan yazılım sayesinde tıpkı PC yazılımında olduğu gibi spektral veri toplanabilmektedir. Sınıflandırma işlemi toplanan spektral veri ve PC'den elde edilen model yardımı ile yapılmıştır. Sınıflandırma için ayrılan örneklerden 5 tekrar olmak üzere, her sınıf için 50 ölçüm, toplamda 100 ölçüm alınmış ve sınıflandırma çapraz doğrulama yapılarak test edilmiştir. Test sonucu %100 olarak bulunmuştur. Test yapılırken analiz aşamasında kullanılan bir referans yüzey kalibrasyon amacı ile kullanılmıştır. Tasarlanan NIR spektrometre ile iki farklı çiçek toprağı birbirinden ayırt edilebilmiştir. Yapılan çalışmalara göre görünür yakın kızılötesi bölgede toplam organik karbon miktarının önemli bir soğurma karakteristiği gösterdiği ifade edilmiştir. Bu nedenle ayrıştırmanın nedeninin iki farklı toprak türünün farklı miktarlarda organik karbon bileşenlerine sahip olduğu düşünülmektedir.