TARAMA SONUÇLARI
Tarama sonuçları yıla göre kronolojik olarak sıralanmıştır.
Tarama sonucu 110 tane kayıt bulundu.



Sıra No :14196
Üniversite

504061235

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Osman Palamutçuoğulları

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2014

Tez Öğrencisi

Yunus Akbey

Başlık

10 Gbit/s FİBER OPTİK ALICILAR İÇİN SiGe BiCMOS FARKSAL GEÇİŞ-EMPEDANSI KUVVETLENDİRİCİSİ TASARIMI

Özet

1970’lerin başında silika fiberin kaybının 20 dB/km düzeyinin altına indirilmesi sonucunda, telekomünikasyon sektöründe ve daha sonra internet ve veri paylaşımı alanında fiber optiğin payı yıllar ilerledikçe artmıştır. Şüphesiz bunda etkili olan en büyük nedenler; ışığın kullanılmasıyla gerçekleştirilen veri transferinin EMI’den çok az etkilenmesi, çapraz-geçişin (cross-talk) çok az oluşu, düşük üretim ve montaj maliyetleri ve de dayanıklılık gibi fiber kablonun sağladığı üstünlüklerdir. Fiber optiğin en azından teorik olarak hali hazırda çok büyük bant genişliği sağlayabilmesi ve büyük veri taşıma sığası sunması, daha hızlı uç elemanlarına ve elektronik tümdevrelerine gereksinim olduğu gerçeğini de beraberinde getirmiştir. Yarıiletken teknolojisindeki yeni gelişmeler sonucu ortaya çıkmış bulunan heterostructure” ve “heterojunction” yarı iletken devre/kırmık elemanları, fiber iletişimin öngördüğü hızlı veri taşıma ve düşük gürültü özelliğini bir arada sunabildiklerinden, fiber optik alıcı ve vericilerinin uç elemanları olarak geniş kullanım alanı buldular. SiGe çift kutuplu (bipolar) tranzistorunun geliştirilmesiyle, bu teknoloji ürünü tranzistorlar, fiber optik alıcılarında uç elemanı olarak kullanımlarında önem kazanmışlardır. SiGe teknolojisi, çift kutuplu Si tranzistorun Baz bölgesine belirli oranda Germanyum katkılanmasıyla, aynı boyutlardaki bilinen çift kutuplu tranzistora (BJT) göre daha büyük fT kesim sıklığı olanağını sunmuştur. Baz bölgesi dağılmış direncinin de daha düşük değerlere düşmesi sonucunda da, daha düşük gürültülü uç elemanlar gerçeklenebilmesine olanak sağlamıştır. Bu üstünlükleriyle SiGe, yukarıda sözü edilen III-V ve HBT yapılarıyla rekabet etme şansı bulmuştur. Ardından SiGe BiCMOS teknolojisi, alcının analog ve sayısal tüm öbeklerinin aynı kırmık üzerinde tümleştirme olanağını da sunabildiğinden, düşük gürültülü, geniş bantlı ve düşük maliyetli çözümler gerçeklemede söz konusu alanlar için çok çekici olmuşlardır. Vericideki lazer diyot aracılığı ile sayısal veri, ışık kaynağına dönüştürülür ve fiber kabloya gelir. Fiber kablo içinde yitime ve dağılıma (dispersion) uğratılan, modüle edilmiş (kodlanmış), sayısal bilgi taşıyıcısı ışık, alıcıdaki foto diyot tarafından yeniden elektrik akımına dönüştürülür. Burada bu elektrik akımı, önce TIA tarafından yükseltilip kendisiyle orantılı gerilime dönüştürüldükten sonra, ikincil kuvvetlendirici ile (post amplifier, PA) genliği daha da artırılarak saat devresine (clock and data recovery, CDR) gönderilir. Saat devresinde saat işareti ve veri bilgisi ayrıştırılır ve daha küçük hızlara azaltılmak için “DEMUX” devresine gönderilir. CDR bir eşik gerilimi üretir. Bu eşik geriliminin üzerindeki genlik sayısal “1”, altındaki genlik sayısal “0” olarak belirlenir. Burada CDR, bu süreci gerçekleştirmek için her bir darbe süresinin tam ortasında karar verir. Bunu yapmasının nedeni dağılıma ve bozunuma uğratılmış işaretteki farklılaşmaları göz önüne alarak en güvenli bit çözümlemesini gerçekleştirmesidir. Bu noktada TIA tasarımının büyük önemi bulunmaktadır. Çünkü TIA işaretin foto diyottan sonra uğradığı en ön kattır ve bütün alıcının gürültüsünü büyük oranda bu katın gürültüsü belirleyecektir. Dolayısıyla gerçekleştirilecek TIA’nın düşük gürültülü olması gereklidir. Dağılım/bozunum etkilerinden kaynaklanan kare dalgadaki bozulmalar, gürültünün de etkisiyle her bir darbenin CDR tarafından yanlış çözümlenme olasılığını artıracaktır. Bunun önüne geçmek için alıcının duyarlılığı belirli bir hata payı üzerinden hesaplanır. Doğal olarak, TIA’nın bu duyarlılığa etkisi büyüktür. Bu duyarlılık, fiber iletişim kurallarının belirlediği bit-hata-oranı (bit-error-rate, BER) üzerinden hesaplanır ve göz diyagramları (eye diagrams) çıkıştaki işaretin ne derece düzgün olduğunu görmemizi sağlar. Bu projede 10 Gbit/s gibi hızlı bir uygulama hedeflendiğinden TIA’nın geniş bantlı olması gerekeceği açıktır. Bu düzeydeki bir hızla modüle edilmiş işaret; bant genişliği yeterli olmayan bir TIA’ya uğradığında, işarette bozulmalar meydana gelecek ve göz diyagramında yatay ve dikey kapanmalar gözlenecektir. Bununla birlikte gereğinden fazla bant genişliği girişte daha büyük toplam gürültüye neden olacağından, TIA’nın bant genişliği ve gürültüsü arasında bir uzlaşının sağlanması gerektiği açıktır. 10 Gbit/s NRZ koduna sahip veri işareti için yaklaşık 7 GHz bant genişliğine sahip bir uç devresi fiber optik alıcılar için yeterli olabilmektedir. Sıklık (frekans) domenindeki düzgün sıklık tepesi ve yeterli bant genişliği ölçümleri, çıkıştaki işaretin şeklinin düzgün olabilmesi için yeterli değildir. Dolayısıyla işaretin evresindeki (phase) değişimler de gözlemlenmelidir. Yeteri kadar doğrusal olmayan evre tepkesi ya da düşük evre paylı işaret, geçici rejim (transient) ölçümlerinde aşımlara neden olabilmektedir. Gürültü ve hız arasındaki optimizasyonda TIA’nın kazancı, düşük güçlü ve tek besleme kaynağına sahip olması gibi diğer önemli ve ayırt edici özelliklerin de eklenmesiyle, TIA tasarımında bu özelliklerin arasından istenen hız için en optimum performansı sağlayacak sonuçlar elde edilmeye çalışılmalıdır. Çünkü sahip olunan yarı iletken teknolojisinin özellikleri ulaşılabilecek performansı büyük ölçüde belirlemektedir. Büyük geçiş-empedansı (transimpedance) kazancı elde etmek aynı zamanda büyük bant genişliği elde etmeyi sınırladığından genellikle ikincil kuvvetlendiriciye ihtiyaç duyulur. Bu ikincil kuvvetlendiriciler farksal yapıya sahiptir. CDR’deki veri çözümleme işlemi için birkaç yüz mili volt yeterli olabilmektedir. Dolayısıyla TIA’dan elde edilecek 50-60 dBΩ mertebelerindeki kazanca ilaveten 30-40 dB aralıklarında ikincil kuvvetlendiriciye ihtiyaç olacaktır. TIA’nın fark kuvvetlendiricisi şeklinde tasarlanması güç kaynağı dalgalanmalarını, ortak biçim gürültüsünü ve parazitik etkenlerin neden olabileceği kararsızlık sorunlarını büyük ölçüde giderir. Aynı zamanda ikincil kuvvetlendiricide ayrıca bir referans gerilim üretecini gerekli kılmaz. Bu anlamda farksal yapıyı ihtiva eden TIA tekil yapıya göre daha avantajlıdır. Ancak farksal yapıdaki ilave tranzistorlar ve tümdevre elemanları, gürültünün artmasına dolayısıyla duyarlılığın kötüleşmesine de neden olacaktır. İlaveten, foto diyotun tek çıkış üretmesine karşılık TIA’nın iki girişi olması, asimetrik sorunlara neden olacaktır. Bunun için bu çalışmada foto diyot TIAnın diğer ucunda da modellenmiştir. TIA tasarımında yukarıda belirtilen performans ölçütlerine ulaşmak için geliştirilen/sunulan değişik devre yapıları ve performans arttırıcı teknikler kaynaklarda vardır. Bu çalışmada bunlara değinilmiş ancak tasarlanan devrenin iyi sonuçlar vermesiyle bu yapıları kullanmaya gereksinim kalmamıştır. Bu çalışmada 10 Gbit/s hızındaki fiber optik uygulamaları için fiber optik alıcının en önemli katlarından birisi olan geçiş-empedansı kuvvetlendiricisi (transimpedance amplifier) tasarlanmış, devrenin benzetimleri gerçekleştirilmiş ve sonuçları sunulmuştur. Söz konusu yarı iletken teknolojisi ile en iyi devre yapıları ve mimarileri incelenmiş, analizleri ve benzetimleri yapılmıştır. En iyi sonuçlar paralel-direnç geri besleme devresi kullanılarak elde edilmiştir. Düzgün bir sıklık tepesi ile 9 GHz kesim frekansı elde edilmiştir. İlaveten, oldukça doğrusal evre tepkesi sonucuna ulaşarak, 1ps den daha az grup gecikmesi (group delay) değişimi elde edilmiştir. 58 dBΩ farksal TIA kazancı sağlanmış ve 1.061 μA toplam giriş gürültüsü ile 15 μApp elektrik duyarlılığı elde edilmiştir. En yüksek farksal çıkış işareti salınımı 320 mVpp’dir. Güç tüketimi tek besleme kaynağından, 3.3 V ile 71 mW’dır. Her bir TIA tasarımı için ayırt edici ölçüt olan ortalama giriş gürültüsü 11.18 pA/√Hz’dir. Gerçeklenen TIA, PA ile aynı kırmık içinde gerçeklenmemesi durumunda, S22 benzetimi 1 GHz ile 9 GHz arasında -15 dB’in altında kalacak şekilde elde edilmiştir. Gerçeklenen devre 10-Gbit/s hızı için ve SONET OC-192 standartları için uygun bir devredir.

Title

DESIGN OF DIFFERENTIAL TRANSIMPEDANCE AMPLIFIER IN SiGe BiCMOS FOR 10 Gbit/s FIBER OPTICAL RECEIVERS

Abstract

After the beginning of 70s that first low loss silica fiber was presented, fiber optic communication has dominated to the telecommunication field and data transportation including short-haul and long-haul networks. The main reason for that fiber optic communication offers relatively very large bandwidth. Furthermore, the transmission using light keeps superior advantages over the conventional electrical communications such as no cross-talk, immune to the EMI, easy implementation and endurance. Because fiber theoretically has enormous bandwidth and huge data transport capacity, heterostructure and heterojunction transistors such as GaAs and InP have dominated to photoreceivers since they exhibit very good bandwidth and noise performance simultaneously. SiGe BiCMOS however has provided cost-effective alternative for the realization of photoreceivers because SiGe BiCMOS can combine entire receiver in a single die. While high-gain, low-noise and high speed capability of SiGe is assisted for the analog part, CMOS circuits can build digital architecture of the optical receiver. As for the receiver, the light transmitted by laser diode travels through fiber and experiences loss and dispersion before reaching a photodiode at the far end. The photodiode then senses the power of light and transforms the light intensity to a proportional photocurrent. At the receiver front-end, transimpedance amplifier (TIA) is an interface that converts the receiving photocurrent to electrical voltage. This amplified voltage generally is not enough for further digital processing. A second amplifier, namely post amplifier (PA), further increases the signal level. Clock and data recovery (CDR) extracts the digital data and clock information from the received signal. This is done by defining the threshold voltage. The pulse is assigned to “1” when the pulse amplitude is above the threshold voltage. In other case, when the pulse amplitude is lower than threshold voltage, the pulse is assigned to “0”. During recovery of the received data, CDR decides at the midpoint of each pulse in order to lower bit-error-rate (BER). In addition to low power and single supply operation, TIA must exhibit linear phase response in order to be used for 10 Gbit/s applications. Trade-off between noise, speed, gain and supply voltage presents many challenges in TIA design. Overall sensitivity of the receiver is mostly determined by TIA because TIA is the first electrical part after photodiode. That being the case, TIA must maintain a reasonable signal gain as well as producing little noise to improve the sensitivity. It is also desirable to accommodate wideband data extending from almost dc to high frequencies to avoid intersymbol interference (ISI), which lowers BER. As performance indicators, BER is used to determine the bandwidth and the sensitivity, and the eye diagrams can be visual aids to estimate or to troubleshoot sources of noise and the other limiting factors. To meet these requirements, this study presents a new topology and compares it with the other transimpedance amplifier topologies. In this thesis, the differential SiGe transimpedance amplifier for 10 Gbit/s fiber optical receivers is realized and its results are presented. The TIA is optimized for the best phase linearity over the bandwidth resulted in a group delay variation less than 1 ps. No inductor is used to achieve wideband operation. SiGe HBT BiCMOS enables TIA to be a cost-effective alternative and to integrate with other blocks of the fiber optical receiver. The differential structure of the TIA makes it immune to the effect of the supply and substrate noise. While flat frequency response with 9 GHz bandwidth is obtained, differential transimpedance gain is almost 58 dB. The electrical sensitivity of the proposed TIA is 15 App. Power consumption is 71 mW and maximum differential output swing is 320 mVpp. It is shown that the differential TIA is well suited for 10 Gbit/s data rate and OC-192 specifications.

Anahtar Kelime

fiber,fiber optik,alıcı,geçiş empedansı,elektronik,fotodiyot,çok geniş bant

Bilim Kodu

0




Sıra No :14189
Üniversite

504111341

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Assoc. Prof. Dr. Güneş KARABULUT KURT

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2014

Tez Öğrencisi

Khalid Mahmood

Başlık

CİHAZDAN CİHAZA İLETİŞİM İÇİN MOD SEÇİM KURALLARI: TASARIM KRİTERLERİ VE BAŞARIM METRİKLERİ

Özet

Cihazdan cihaza (D2D) haberleşme, birbirlerine nispeten yakın olan mobil cihazların doğrudan haberleşmesini sağlar. Biz, D2D iletişimi için alıcı-verici baz istasyonu ile doğrudan veya dolaylı olarak iletişim yolunun seçimini yapmayı amaçlıyoruz. Bunu mod seçim problemi diye adlandırarak, bu tezde mod seçim kurallarını kanal kapasitesi, sinyal-gürültü oranı (SNR), girişim-sinyal oranı (ISR), alınan sinyal gücü göstergesi (RSSI) ve mesafeye dayanarak tanımlıyoruz. Aynı zamanda, Gauss dağılımı ile bir hipotez testi olarak ilgili performans metriklerini mod seçim problemi modellemesiyle tanımlıyoruz. Ayrıca, doğru algılama, yanlış alarm ve cevapsız algılama olasılıkları için analitik ifadeler sağlıyoruz.Önerilen çerçevedeki sonuçlarımız, D2D haberleşme için kullanılan mod seçim kuralıyla beklenen performansları hakkında yeterli fikir verebiliyor.

Title

MODE SELECTION RULES FOR DEVICE TO DEVICE COMMUNICATIONS: DESIGN CRITERIA AND PERFORMANCE METRICS

Abstract

Device-to-device (D2D) communications enables mobile devices to directly communicate with each other when they are relatively close to each other. We consider the selection of direct or indirect communication path via the base transceiver station for D2D communications. Referring to this as the mode selection problem, in this thesis we define mode selection rules based on channel capacity, signal-to-noise ratio (SNR), interference-to-signal ratio (ISR), received signal strength indicator (RSSI) and distance. We also define associated performance metrics by modeling the mode selection problem as a hypothesis test with Gaussian distribution. Furthermore we provide the analytical expressions for correct detection, false alarm, and missed detection probabilities. Our results of the proposed framework can provide sufficient insight about the expected performances through the used mode selection rule for D2D communications.

Anahtar Kelime

Cihazdan Cihaza İletişim, Mod Seçim Kuralları, Hipotez Testi, D2D haberleşme performans.

Bilim Kodu

6090200




Sıra No :14218
Üniversite

504101221

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. Osman PALAMUTÇUOĞULLARI, Yrd. Doç. Dr. Serkan TOPALOĞLU

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2014

Tez Öğrencisi

Özgür BOSTAN

Başlık

OKUMA NOKTASI ARTIRILMIŞ, DÜŞÜK MALİYETLİ, KOMPAKT VE UZUN MENZİLLİ MONOSTATİK UHF RFiD OKUYUCU TASARIMI VE UYGULANMASI

Özet

RFiD sistemlerinin çeşitli uygulama alanlarında artan popülerliği neticesinde, özelikle UHF bandında çalışacak olan RFiD okuyucu üretimine dair ihtiyaçlar gittikçe artan bir eğilim göstermektedir. Bahsedilen ihtiyaçlar göz önüne alınarak, bu tez kapsamında yeni bir okuyucu tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan okuyucu, endüstriyel RFiD uygulamaları için gerekli görülen birçok ilgi çekici özelliği bünyesinde barındırmaktadır. RFiD sistemleri, kısaca radyo frekanslı kimliklendirme diye tanımlanabilmektedir. Elektromanyetik dalgaları kullanarak (kablosuz iletişim), üzerlerine RFiD etiketleri iliştirilmiş olan nesne, hayvan ve insanlardan verilerin transfer edilmesini sağlarlar. Takip, gözlem, kontrol vb. amaçlı kullanılabilmektedir. Genel itibari ile barkod sistemi gibi otomatik tanımlama teknolojileri ailesinin bir üyesidir. Tez kapsamındaki ilk iki bölümde, RFiD sisteminin detaylarına ve temel standartlarına dair bilgilere yer verilmiştir. Üçüncü bölümde, donanım sistem tasarımına ait süreçler detaylı bir şekilde ele alınmış ve simülasyon ile ölçüm sonuçlarına yer verilmiştir. Tasarlanan okuyucu; okuma noktası artırılmış, düşük maliyetli, kompakt, uzun menzilli ve Gen2 uyumlu olacak şekilde UHF bandında geliştirilmiştir. Aynı zamanda, birden fazla okuyucunun aynı anda çalıştığı yoğun ortamlarda çalışabilme özelliğine sahiptir. Okuyucu, anten çıkış gücü 30-dBm olan iki adet anten çıkış portu barındırmaktadır. Ayrıca, yenilikçi bir özellik olarak, geri yansıyan RF gücünü azaltmak için anten uydurma devresi tasarlanmıştır. Bu işlem, okuyucunun çıkış empedansının antenin empedansına uydurulması ile gerçekleştirilmektedir. Bununla birlikte, okuyucu, işlem anında antenin empedansını olası çevresel faktörlere karşı kararlı bir yapıda tutabilme kabiliyetine de sahiptir. Bunların yanı sıra, bir güç algılayıcı devresi vasıtasıyla, okuyucu için var olan yasal koşulları sağlamak adına, çıkış gücünü sınırlandırma ve kontrol etme özellikleri de mevcuttur. Donanım tasarımı esnasında, yüksek frekansta PCB tasarım teknikleri, radyo frekansı ve fizik temelleri, dijital ve analog devre tasarım teknikleri gibi farklı disiplinlerden çeşitli teknik bilgiler ve kabiliyetler kullanılmıştır. Artırılmış okuma noktası özelliği, tasarlanan bir başka donanım, RF çoklayıcı devresi, vasıtası ile sağlanmaktadır. Bu ürün sayesinde, UHF RFiD okuyucunun anten çıkışları artırılarak sistem kurulum maliyeti azaltılmaktadır. Bu cihazın amacı, çoklu anten ihtiyacı olan uygulamalarda okuyucu sayısını sabit tutarak, anten çıkış sayısını artırmaktır. Bu sayede sistemin uygulanma maliyetinde avantaj sağlanmaktadır. Ürün dahilindeki anahtarlama entegrelerinin araya girme kayıplarının az olması ve entegrelerin kontrolünü sağlayan denetleyici yapısı, okuyucuların marka modelinden bağımsız tak-çalıştır sistem modeli ürüne ait katma değerli nitelikleridir. Bu tez dahilinde tasarımı gerçekleştirilen UHF RFiD okuyucu, aynı zamanda Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı’nın sağlamış olduğu Ar-Ge proje destekleri kapsamında desteklenmiştir. Bu proje ve tez neticesinde, imalat masraflarını düşürmek adına okuyucu tasarımı ve üretimi yerli olarak gerçekleştirilmiş ve yurt içinde milli bir cihaz geliştirilmiştir. Proje sonucunda, başlangıçta belirlenen tüm kıstaslar başarıyla sağlanmış ve birer adet RF çoklayıcı devresi ve UHF RFiD okuyucu devresi, kontrol ünitesi ve grafiksel arayüz yazılımı ile birlikte, istenen herhangi bir RFiD uygulamasında kullanılmak üzere prototip olarak üretilmiştir.

Title

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A LOW-COST, COMPACT AND LONG RANGE MONOSTATIC UHF RFiD READER WITH READ POINT EXTENSION

Abstract

RFiD systems have an increasing popularity in various kinds of applications. Necessities are rising for the manufacture of new RFiD readers in industry especially at UHF band. Based on this concept, a new UHF RFiD reader design with extended read point capability has been presented within the scope of this thesis. Designed reader has attractive features required by some industrial RFiD applications. Before the hardware design part of the study, first, the background of RFiD and its key standards have been introduced in the first two chapters. In the third chapter, the hardware design process has been covered in detail and simulation and measurement results have been presented. The designed hardware is a low-cost, compact and long-range Gen2 compliant UHF RFiD reader with extended read point capability. The reader has up to 30 dBm (1 Watt) output RF power at two selectable antenna ports. The reader has an antenna tuning circuit, a novel feature, to reduce reflected RF power from antennas. This is achieved by tuning output impedance of the reader to the impedance of antenna. The reader can also tune the antenna impedance during operation in case the environment of the antenna changes. A power detector is used to control and limit the output power to regulatory requirements. While designing the hardware, several technical skills within a wide spectrum of disciplines were used like PCB design in high frequency, radio frequency, physics of RF, digital and analog design. Extended read point capability is provided with another hardware design called RF multiplexer circuit. This product has been designed in order to increase the number of antenna output ports of UHF RFiD reader to reduce the system implementation cost in dense antenna applications. This hardware design is also a part of another Research & Development project funded by the Ministry of Science, Industry and Technology of Turkey. As a part of this project and this thesis, the UHF RFiD reader has been designed as a domestic product to lower the cost of manufacture. As a result of this project, all the objectives have been achieved and a prototype of UHF RFiD reader, which has a control unit and a graphical user interface, and an RF multiplexer have been manufactured to be used in any desired UHF RFiD application.

Anahtar Kelime

RF, RFiD, RF donanım tasarım, RF çoklayıcı, Düşük maliyet, Uzun menzil, Okuma noktası artırılmış

Bilim Kodu

609




Sıra No :14224
Üniversite

504101341

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Yard. Doç. Dr. Serkan ŞİMŞEK

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2014

Tez Öğrencisi

Agâh Oktay ERTAY

Başlık

TABAN İLETKENİ KUSURLU MİKROŞERİT YAPILARLA FİLTRE TASARIMLARI

Özet

Bu çalışmada filtre tasarımında önemli olan argümanlar ışığında, taban iletkeni kusurlu, alçak geçiren mikroşerit filtre tasarımları yapılmıştır. İlk iki tasarımda klasik bir alçak geçiren mikroşerit filtre adım adım tasarlanıp frekans karakteristiği çıkarılmıştır ve daha sonra taban iletkenine, çeşitli geometrilerde ve sayılarda kusurlar açılarak yarattığı etkiler analiz edilmiştir. Bu tasarımlarda filtre performansını önemli ölçüde değiştiren daha küçük devre boyutu, keskinlik faktörü gibi argümanlar ele alınmıştır. Üçüncü tasarımda ise diğer iki tasarıma göre oldukça küçük boyutta bir filtre tasarlanmıştır. Filtrenin geniş bir durdurma bandına sahip olması için yapının üst bölümünde uygun değişiklikler yapılmış ve adım adım frekans karakteristiğine etkileri incelenmiştir. Tasarımlarda elektromanyetik simülasyonlar için HFSS ve SONNET tam dalga elektromanyetik simülasyon programları, devre simülasyonları ve hesaplamalar için ise AWR, FILPRO ve MATLAB yazılım ortamları kullanılmıştır. Son durumda her üç tasarım için keskinlik faktörü,band genişliği,durdurma band genişliği ve dalgalanma seviyesi gibi filtre argümanları açısından karşılaştırma yapılmıştır.

Title

FILTER DESIGNS WITH MICROSTRIP DEFECTED GROUND STRUCTURES

Abstract

In this study, filter designs with microstrip defected ground structures are implemented in consideration of arguments which is important in filter design. In the first two designs, frequency characteristic is achieved after designning a classical low pass microstrip filter step by step, after that effects of defected ground structures with different numbers and geometries which are etched on the ground plane are analyzed. Arguments ,which change the performance of filter, such as compact circuit size, sharpness factor, stopband width are examined. A quite compact filter is designed in third design with respect to other two designs. Suitable modifications are done on the top of the structure to have wide stopband of the filter and effects of the frequency characteristics are analyzed step by step. In all designs, HFSS,SONNET and AWR,FILPRO,MATLAB are used for electromagnetic,circuit simulations and calculations respectively. Finally, a comparison is performed in terms of filter arguments such as sharpness factor, bandwidth, stopband width and ripple level in passband.

Anahtar Kelime

Toplu elemanlı filtreler,Pasif filtreler,Mikrodalga filtreler,Taban iletkeni kusurlu yapılar, Mikroşerit yapılar, Mikroşerit filtreler, Filtre tasarımı, Mikroşerit filtre tasarımı

Bilim Kodu

6090200




Sıra No :14234
Üniversite

504101408

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Biyomedikal Mühendisliği

Danışman Adı

Yrd. doç. dr. İsa Yıldırım

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2014

Tez Öğrencisi

Saeed Seyyedi

Başlık

SAYISAL MEME TOMOSENTEZİ GÖRÜNTÜLEMENİN TOPLAM DEĞİŞİNTİ MİNİMİZASYONU KULLANARAK SIKIŞTIRILMIŞ ALGILAMA YÖNTEMLERİ TEMELLİ BENZETİMİ, DEĞERLENDİRMESİ VE ÇALIŞMASI

Özet

Tomosentez sistemi X-ışınları kullanılarak 3 boyutlu anatominin görüntülenebilmesi amacı ile geliştirilmiş olup modern bilgisayarlı tomografi cihazlarının öncüsü olmuştur. Görüntülenmesi istenen bir dilimin etrafında eş-odaklı döndürülen X-ışın kaynağı ve algılayıcısı sayesinde bir dilime odaklanmak mümkün oluyordu. Fakat birden fazla dilimin görüntülenmesi için döndürme işleminin değişik odaklar için tekrarlanması gerekmekteydi. Bu işlem hastaların yüksek doza maruz kalmasına sebep olup odak dışında kalan dilimlerin oluşturduğu bulanıklar görüntü kalitesini düşürmekteydi. Bu sorunlar dolayısıyla uzunca zaman üzerinde çalışmalar yapılmayan tomosentez yöntemi, sayısal X-ışın algılayıcı teknolojisinin gelişmesi, bilgisayar hesaplama kapasitesindeki artış ve geri çatma yöntemlerindeki gelişmeler sonucu yeniden kullanılmaya başlanmıştır. Tomosentez yönteminin öncelikli kullanım alanının meme kanserlerinin erken teşhisi olacağı düşünülmektedir. Günümüzde kullanılan mamografi cihazı yoğun fibroglandular dokular tarafından çevrelenmiş kitlelerin tespitinde başarılı olamamaktadır. X-ışın kaynağının değişik açılardan birden fazla görüntünün alması ile memenin değişik derinlikteki dilimlerinin ayrı ayrı görüntülenmesi mümkün olabilmektedir. Böylece normal olmayan kitlelerin başka dokular tarafından örtülmesi engellenmiş olmaktadır. Sayısal meme tomosentezi dar bir açı aralığında dönen X-ışını kaynağı ile elde edilen iki boyutlu projeksiyonlar kullanılarak memenin üç boyutlu görüntülenmesine olanak sağlar. Sayısal meme tomosentezi görüntülemede kaydedilen projeksiyonlardan görüntü geri çatımı için çeşitli görüntü işleme algoritmaları mevcuttur. Filtrelenmiş geri projeksiyon algoritması, projeksiyonlardan görüntü elde etmek için kullanılan geleneksel bir geri çatma tekniğidir. Ancak dar açıdan alınan projeksiyonların geri çatımında verdiği sonuçlar tatmin edici değildir. Yinelemeli görüntü işleme algoritmalarından, cebirsel geri çatma tekniği ya da eş zamanlı cebirsel geri çatma tekniği sonradan geliştirilmiştir. Cebirsel geri çatma tekniğinde görüntü uzayında verilen zayıflatma değerlerinin ileri izdüşüm formülü ile izdüşüm değerleri hesaplanır. Daha sonra her bir ışın için izdüşüm hatası olarak adlandırılan hesaplanan izdüşümler ile ölçülen izdüşümler arasındaki fark hesaplanır. İzdüşüm hatası geri-izdüşüm yöntemi ile görüntü değerlerine eklenir. Sistemdeki tüm ışınların üzerinden bir kere geçildiği zaman bir yineleme tamamlanmış olur. Yineleme önceden belirlenmiş bir kriter (örneğin izdüşüm hatasının belli bir değerin altına düşmesi gibi) sağlanana kadar devam eder. Yinelemeler sırasında görüntü değerlerinin ışın bazında güncellemesinden dolayı cebirsel geri çatma tekniği yönteminin çok hızlı yakınsadığı bilinmektedir. Fakat yakınsadığı görüntülerin oldukça gürültülü olduğu gözlenmektedir. Eş zamanlı cebirsel geri çatma tekniğinde görüntü değerlerinin bir açıdan toplanan tüm izdüşümler değerlendirildikten sonra değiştirilmesi düşünülmüştür. Yani izdüşüm hatasının tek bir ışın için değil, detektörün bir açıda topladığı tüm ışınlar için aynı anda hesaplanır. Bu yöntemde her açıda oluşan izdüşüm hataları aynı anda geri izdüşüme tabi tutularak görüntü değerleri güncellenmektedir. Bu yöntemin cebirsel geri çatma tekniği yöntemine göre daha yavaş yakınsamasına rağmen daha az gürültülü görüntüler oluşturduğu belirlenmiştir. Tomosentez görüntülemede en önemli problem olan odak dışı bulanıklığın nedeni doz miktarındaki sınırlamadan ve görüntüleme sisteminin yapısından kaynaklanan yeterli sayıda izdüşüm alınamamasıdır. Tomosentez görüntülemede geri-çatma eksik belirtili bir problem olduğu için sistemin sonsuz sayıda çözümü vardır. Bu noktada sıkıştırılmış algılama yöntemi görüntü üzerinde bazı kabullerde bulunarak olası çözümlerden kısıtlarına en uygun olanı seçmeye çalışır. Bu çalışmada gerçeklenen ve geliştirilen yöntemlerin kıyaslanmasında kullanılmak üzere sayısal meme görüntülemesinde odak dışı dilim bulanıklığı ve gerçek memelerde ki fibro-glandular doku benzetimlerini göz önünde bulunduracak şekilde üç boyutlu bir meme fantomu tasarlandı. Çalışmada ışın izleme algoritması olarak Siddon yöntemi kullanılmıştır. İz düşümlerden imgenin geri çatılmasında karşılaşılan problemlerden biri de x-ışını kaynağından çıkan ışının detektöre ulaşıncaya kadar nesne içerisinde hangi voksellerden geçtiğinin tespit edilmesidir. Bilgisayarlı Tomografi, MRI ve PET cihazlarında da aynı durum söz konusudur. Radyolojik yol boyunca doku içinden ışının geçtiği her bir vokselin tespiti basit değil, ayrıca zaman alıcı bir işlemdir. Bu iş için önerilen en iyi yöntemlerden biri de Siddon tarafından geliştirilmiştir. Bu yöntem nesnenin voksellerden teşekkül değil de, birbirine dik eşit aralıklı düzlemlerin kesişimi olan birim hacimlerden oluştuğu kabulüne dayanmaktadır. Bu çalışmada üç boyutlu geri çatma yöntemlerinden cebirsel geri çatma tekniği ve eş zamanlı cebirsel geri çatma tekniği gerçeklenmiştir. Ayrıca bu yöntemler sıkıştırılmış algılama tabanlı üç boyutlu toplam değişinti minimizasyonu ile birlikte gerçeklenerek farklı kriterler ve senaryolar göz önünde bulundurularak karşılaştırılmıştır. Farklı yöntemlerin başarımları, kök ortalama kare hatası, kontrast gürültü oranı ve ortalama yapısal benzerlik değerleri kullanılarak karşılaştırılmıştır. Ayrıca ilgilendiğimiz dilimin geri çatılan görüntüsü de farklı yöntemlerin öznel karşılaştırılmasında kullanılmıştır. Sonuçlar incelendiği zaman sıkıştırılmış algılama tabanlı yöntemlerin yinelemeli cebirsel yöntemlere üstünlük sağladığı görülmüştür. Bu çalışmada gerçeklenen cebirsel yöntemlerin yakınsama eğrileri bir birine yakındır. Toplam değişintiyi minimize edecek şekilde geliştirilen sıkıştırılmış algılama tabanlı yöntemler daha hızlı yakınsayarak odak dışı dilim bulanıklığını azaltmada daha başarılı olmuşlardır. Geliştirilen ve gerçeklenen farklı yinelemeli ve sıkıştırılmış algılama tabanlı görüntü işleme yöntemlerini üç boyutlu sayısal tomosentez veri setleri ve fantom modelleri üzerinde uygulanmasına olanak verebilmektedir. C++ programlama dili kullanılarak nesne tabanlı üç boyutlu sayısal meme tomosentez görüntüleme sistemi geliştirildi. Simülatör, kullanıcı dostu bir ara-yüz ile istenen fantom modeli ya da gerçek veri setlerinde kullanılacak yöntemin seçilmesi ve çalıştırılmasına olanak vermektedir. Simülatör, X-ışın kaynağı, detektör, nesne sınıflarını ve kullanıcıdan verileri almak, kaydetmek, çıkış görüntülerini göstermek için arayüz sınıflarını içermektedir. Simulasyon, konfigürasyon, izdüşüm ve geriçatma olmak üzere üç ana bölümden oluşmaktadır. Ayrıca bu çalışmada, sayısal meme tomosentezi parametrelerinin geri çatılan görüntü kalitesi üzerine etkileri de incelenmiştir. Farklı tarama açı aralıkları ve farklı projeksiyon sayıları için yinelenen simülasyon sonuçları karşılaştırılarak değişen parametrelerin etkileri araştırılmıştır.

Title

SIMULATION, EVALUATION AND STUDY OF DIGITAL BREAST TOMOSYNTHESIS IMAGING BASED ON COMPRESSED SENSING METHODS USING TOTAL VARIATION MINIMIZATION

Abstract

Breast cancer is one of the most commonly diagnosed types of cancer among the women in the world. It is proved that diagnosis of this type of cancer in its early stages makes the treatment simpler and more likely to be effective. Different imaging modalities have been used to diagnose this type of cancer in its earlier stages to increase the chance of treatment. Traditionally breast mammography imaging modality was in use to diagnose the breast cancer cells. Mammography imaging modality provides two-dimensional images from the three-dimensional breast from a single angle of view at each time. This modality suffers from the tissue overlapping problem occurs during the imaging process which causes false-negative results due to the existence of fibroglandular tissues with higher absorption value in the upper layers of the breast. Digital breast tomosynthesis mammography (DBT) is a promising new modality for breast cancer detection. In DBT, projection-view images are acquired at a limited number of angles over a limited angular range and the imaged volume is reconstructed from the two-dimensional projections, thus providing three-dimensional structural information of the breast tissue. DBT system consists of three main parts which are X-ray tube, detector and breast. The X-ray tube rotates in an angular range and exposures X-rays between certain intervals yields in acquiring a set of two-dimensional projection images that are used in the task of reconstruction. DBT system simulation includes two main parts: ray-tracing and reconstruction parts. Several ray-tracing methods have been used to simulate the projection task of the DBT system. In this study we get use from Siddon’s ray-tracing algorithm. Siddon’s algorithm gives a set of radiological pathes inclding the information of intersected voxels with the length of intersections and projection values. Various reconstruction algorithms are available for DBT imaging. Filtered back projection (FBP) algorithm has traditionally been used to reconstruct images from projections. But, It is well-known that traditional FBP method produces significant artifacts when applied to limited-angle data. Despite of the high computational cost and long reconstruction time of the iterative reconstruction methods, they are supposed to be an appropriate category of reconstruction techniques for limited angle modalities because of the useful image reconstruction from sparse and noisy data. Therefore Iterative reconstruction algorithms such as algebraic reconstruction technique (ART) and simultaneous algebraic reconstruction technique (SART) have been in use for DBT system. The newly developed compressive sampling/compressed sensing (CS) algorithm has shown the potential to accurately reconstruct images from highly undersampled data. Compressed sensing based techniques are numerically implemented using ART and total variation (TV) minimization method. In order to make a comparison among the methods mentioned above, we designed a standard three-dimensional phantom that mimics the overlapping tissue problem of the breast imaging. The results of simulating using the designed phantom in our study, show an impressive improvement in the quality of reconstructed images with CS methods comparing to iterative techniques without TV minimization. We have also developed an object-oriented simulator for three-dimensional DBT imaging modality using C++ programming language. The simulator is designed in three main parts which are configuration part to insert the details of the DBT system manually or automatically from an XML file, projection part to edit the phantom model and to run the ray tracing algorithms and displaying the projection images and finally the reconstruction part which gives the possiblity of defining an initial phantom to start running a set of three-dimensional image reconstruction methods and displaying of the results of the reconstruction task. The simulator is capable of running the iterative and CS base methods using TV minimization technique. It is also possible to design a desired three-dimensional phantom with a set of arbitrary details and smaller objects into it to mimic the characteristics of the real volumes. A user friendly graphical user interface helps users to easily insert the data, select and run the desired methods on the designed phantom models and real data sets. In the next Chapter of this study, we investigate the effect of different acquisition parameters such as total angular range and the number of projection views on the quality of reconstructed image in DBT system. The motivation of this study is the lack of existence of any gold standard for DBT systems. Unlike the previous studies, we focus on the parameters of the available DBT systems in the market to find out the best composition of the acquisition parameters for DBT system. We choose five different sets of acquisition parameters and make a comparison among them to find the best set of parameters in terms of root mean square error (RMSE) to exhibit the convergence of each method and mean of structural similarity index (MSSIM) in order to show the visual quality of the reconstructed images using the standard phantom developed for this study.

Anahtar Kelime

sayısal meme tomosentez, geri çatma, sıkıştırılmış algılama, toplam değişinti

Bilim Kodu

609




Sıra No :14241
Üniversite

504101200

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Biyomedikal Mühendisliği

Danışman Adı

Doç. Dr. Müştak Erhan Yalçın

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2014

Tez Öğrencisi

Abolfazl Tahmasebi Inallu

Başlık

ŞERİT TAKİP SİSTEMİ MERKEZLİ DİREKSİYON ÜZERİNDE KUVVET GERİBESLEME SİSTEMİ TASARIMI VE SÜRÜŞ SİMÜLATÖRÜNE UYGULANMASI

Özet

ŞERİT TAKİP SİSTEMİ MERKEZLİ DİREKSİYON ÜZERİNDE KUVVET GERİBESLEME SİSTEMİ TASARIMI VE SÜRÜŞ SİMÜLATÖRÜNE UYGULANMASI ÖZET Sürüş simülatörleri eğlence, eğitim ve otomotiv alanındaki araştırmalarda kullanılmaktadır. Sürüş simülatörleri özellikle otomotiv alanında insanın etkisinin araştırılması ve destek sürüş sistemlerinin geliştirilmesinde önemli bir rol oynamaktadır. İnsan vücudu çok hassas bir makinedir, bu nedenle sürüş deneyimleri doğru sonuçlar üretmek için sürüş simülatörü deneyleri gerçeğe mümkün olduğunca yakın olmalıdır. Araç hareketini hesaplamak için, simülatörlerde kullanılmak için geliştirilmiş araç dinamiğine ilişkin bir matematiksel model bulunmaktadır. Bu model sürücü algısını etkilemekte ve sürüşe gerçeklik hissi vermektedir. Bu Yüksek Lisans tezi sırasında sürüş simülatöründe, gerçeğe yakın sürüş deneyimi sağlamak için Matlab®/Simulink® programlama dili ile bir araç dinamik modeli geliştirilmiştir. Sürüş simülatörü için geliştirilen dinamik model özellikle gerçek zamanlı uygulamalar için tasarlanmıştır. Bu projede geliştirilen araç dinamiği Volvo XC90 model araç içindir. Matlab®/Simulink® üzerinde geliştirilen dinamik model iki alana odaklanmıştır: İlk hedef sürüş simülatörü üzerinde direksiyon için gerçekçi güç geribeslemesi sağlamaktır. İkinci hedef şerit takip asistanı verimlilik oranı ölçmektir. Direksiyon sisteminin modellenmesi sürüş simülasyonu için önemli parçalarından biridir. Direksiyon sistemi için hazırlanan gerçekci bir simülasyon sürüş esnasında sürücünün yüksek güvenilirlikli sürüş hissine ulaşması için yararlı olabilir. Bilinen araçlar için kremayer ve pinyon (rack and pinion) direksiyon sistemi kullanılmaktadır. Direksiyon sistemi modeli iki ana bölümden oluşmaktadır: Direksiyon geometrisi ve direksiyon geribildirim dönme momentidir. Direksiyon geometrisi giriş olarak sürücü tarafından uygulanan direksiyon açısını sanal tekerleklere çıktı açıları iletmek için oluşturulmuş. Direksiyonda dönme momentinin geribeslemesinin amacı lastikde oluşturulan etkilerin (Kendi hızalama momenti, sürtünme momenti) direksiyona iletilmesidir. Diğer bir deyişle direksiyon sistemi modeli girdi olarak sürücü tarafından uygulanan direksiyon pozisyonunu alır ve çıkış olarak direksiyon dönme momentinin üretir. Bu modelleme sürüş simülatöründe direksiyon hissi geliştirmek için yararlı olabilir, ayrıca bir daha gerçekçi bir direksiyon sistemine ulaşmak için yardımcı olacaktır. Bu projede, hidrolik direksiyon destek sistemi raf ve pinyon sistemi dışında kullanılmaktadır. Hidrolik direksiyon yardım sistemi, sürücünün direksiyon kullanımındaki çabasını azaltılmasıyla sürücülere yardımcı olur. Elektrik motorlu direksiyon destek sisteminde bir kontrol ünitesi, bir sürücünün gerekli direksiyon desteğini hesaplar ve böylece bir DC motoru ile gereken desteği oluşturmaktadır. Aynı zamanda gelişmiş direksiyon modelinde teker açısı ve kaster açısının etkisi lastik güçleri üzerinde kabul edilmiştir. Geliştirilen modelde kendinden ayarlamalı dönme momenti üzerindeki teker açısı ve kaster açısının etkisi hesaplanmıştır. ABD Ulusal Otoyol Trafik Güvenliği İdaresi göre, 2002 yılında araç kazalarında ölümlerin %32’si doğru şeritte kalma başarısızlığı veya yoldan çıkma sonucu olduğu tesbit edilmiştir. Bu hesaba göre yaklaşık olarak her yıl 19000 ölüm, şerit pozisyonu korunarak önlenebilir. Araç emniyeti iki bölüme ayrılabilir: • Pasif güvenlik: Pasif güvenlik, bir kaza olduğunda araçdaki zararları azaltmak için yapılan araç tasarımını kapsar. Pasif güvenlik aracın şasi ve bedeninde, sürücü tarafından herhangi bir eylem veya müdahale olmayan zaman için geliştirir. Bir kaza meydana geldiğinde pasif güvenlik sistemi, örnek olarak hava yastıkları ve emniyet kemeri gibi yollar ile müdahale eder. • Aktif güvenlik: aktif güvenlik kazaları önlemek için araçın dengesini sağlar. Aktif güvenlik araç dengesini sürücüye tepki geliştirerek aracın kontrol edilmesini sağlar. Günümüzde otomotiv şirketleri şerit tutma yardım sistemi, hidrolik güç direksiyon yardım Sistemi, Elektrik destekli direksiyon sistemi, anti-blokaj Fren Sistemi, Elektronik denge programı yardımı gibi bazı aktif güvenlik sistemleri sunmaktadır. İstatistiklere göre, araçlarda %50 den fazla ölüme neden olan kazaların sebebi, ilgili sürücünün dikkat eksikliğinin neden olduğu istenmeyen şeritten çıkma vakarlarıdır. Yani Şerit takip yardımı aktif güvenlik sistemi olarak istenmeyen şeritten ayrılmayı azaltmak için yararlı olmaktadır. Şerit takip yardım sistemi ve stratejileri üç kısma ayrılabilir: tehlikeli durumu belirlemek için fonksiyonların geliştirilmesi, sürücü uyarı sistemi tasarımı ve sürücüye yardımcı olan müdahale kontrol stratejileridir. Virajlarda ilgili araç dinamiği teknolojisi 1980 lerin ortalarında Y.Shibahata tarafından yapılan bir araştırma vasıtası ile ilgi çekmeye başlamıştır. Mevcut modern çağın arabalarında bulunan kontrol teknolojileri: aktif ön direksiyon, elektronik denge kontrolü, şerit ayrılış uyarı ve önleme gibi sistemler dört tekerlek mekaniği ile basit şasi kontrolü üzerinde yola çıkarak geliştirilmiştir. 1998 yılından bu yana yapılan çeşitli çalışmalar elektronik denge kontrolü etkinliğinin, savrulma kazalarını %80 azaltabileceğini göstermiştir. Benzer şekilde, aktif direksiyon sistemi aracın sürüş özelliklerini geliştirmek ve sürüş konforunu artırmak için gelişmiştir. Son yıllarda, otomobil üreticileri ve araştırmacıları tarafından trafik güvenliğinin gelişilmesi ve araç kazalarında ölümleri azaltılması önemli bir araştırma konusu olmuştur. Yeni sensör teknolojileri (bunlar GPS, kameralar ve radar) araç kontrolü için uygulanan kavramların ötesinde sürücü destek sistemlerine yenilikler getirmiştir. Örneğin çarpışmaları azaltmak için tasarlanmış olan çarpışma tehlikesini tespit edildiğinde çalışan frenleme sistemleri. Bu projede de yeni sensör teknolojileri yardımıyla şerit takip yardımcısı yolun ortasına göre olan yan uzaklık ve şeritten sapma rotasına dayalı araca bir düzeltici kuvvet uygulanır. Bu sistemde, sürücü direksiyona bir tork sağlayarak müdahale edebilir ve sürücü komutu şerit takip yardımcısı komutuna eklenir. Direksiyondaki kuvvet geribeslemesi ile ilgili yapılan araştırmaların çoğu direksiyon geometrisi ve direksiyon sistemi momentlerinin tekerlek üzerinde neden olduğu mekanik oynak momentleri sürücüye iletilmesi üzerine odaklanmıştır. Bu projede kullanılan direksiyon kuvvet geribesleme modelinde, direksiyon sistemi geribesleme tork ve araçı şeritte tutma için kontrolör tarafından hesaplanan şerit tutmak yardım momenti birleştirilmiştir. Geliştirilen modeli sürüş simülatörü üzerinde uygulamak ve belirlenilen torku direksiyon üzerinde oluşturmak için, DC motor kullanılmıştır. Bu motorun hızını ve dönme yönünü kontrol etmek için, motor kontrolü kullanılmıştır. Proje sırasında motor kontrolör ve güç kaynaklarının, dc motor frenlemeye karşı güvenliğini artırmak için şönt regülatörleri tasarlanmıştır. Model doğrulama, modelin güvenilirliğini değerlendirmenin önemli bir parçasıdır. Modelin gerçekliğini değerlendirmek amacıyla, gelişmiş modelinin önemli sonuçları Volvo XC90 modelinin bazı ölçüm verileri ile karşılaştırılmıştır. Diğer taraftan, geliştirilen araç dinamik modeli ve şerit tutma yardım sistemini değerlendirmek için sürüş simülatörü 3 sürme aşamasında 15 kişi tarafından test edilmiştir. Bu bölümde yapılan testlerde geliştirilen araç dinamik modeli, önceki iki araç dinamik modelleri ile karşılaştırılır.

Title

DESIGN OF STEERING WHEEL FORCE FEEDBACK SYSTEM WITH FOCUS ON LANE KEEPING ASSISTANCE APPLIED IN DRIVING SIMULATOR

Abstract

DESIGN OF STEERING WHEEL FORCE FEEDBACK SYSTEM WITH FOCUS ON LANE KEEPING ASSISTANCE APPLIED IN DRIVING SIMULATOR SUMMARY Driving simulators are employed for some purposes such as: Training, Entertainment and research in the automotive field. In recent years, driving simulators are being widely used by automotive manufactures and researchers especially about Human in the Loop (HIL) experiments. Simulators help to the researchers to reduce prototyping time and cost. Simulators provide unlimited parameterization, more safety and enhanced repeatability. For this reason, driving simulators play an important role in study the state of vehicles and driver’s behavior in unstable conditions and maneuvers. In order to obtain the results close to the real driving, the driving simulation should be as close as possible to real world driving. Since increasing the reality of steering feel should be noticed to enhance the high fidelity of driving experience on simulator. The goal of this thesis is devided into two parts; The first part is developing the steering wheel feedback torque by adding effect of the kingpin and caster angles on tire forces and self-aligning torque.The second part is modeling the lane-keeping assistance torque regarding to lateral offset and heading error in closed loop control system. The calculated lane keeping assistance torque is added to the steering system feedback torque on driving simulator platforms. The aim of this model is to create a high fidelity of steering feel for driver and propose steering support systems that can assists the driver’s steering to keep the vehicle between road lanes in order to reach of promote safety. The model is developed in Matlab®/Simulink® with focused into the model is developed in Matlab®/Simulink® with focused into two areas: The first concerns to development of steering wheel feedback dynamics in order to provide the realistic steering wheel force feedback on driving simulator and the second is in related to test the efficiency rate of Lane-Keeping assistance torque Interface human in the loop. The model has been tested by different persons on the Chalmers simulator S2 , which is do not need of any driver model. Model validation is the important part of model s fidelity evaluation. .In order to evaluate the reality of model,the significant results of developed model has been compared with some measurement data from Volvo XC90 model.On the other hand to evaluate the developed vehicle dynamic model and lane keeping assistance system, the driving simulator has been tested by 15 persons in 3 rides.In this section the developed model is compared with two previous vehicle dynamic models.

Anahtar Kelime

Sürüş simülatörleri,ŞERİT TAKİP SİSTEMİ,DİREKSİYON ÜZERİNDE KUVVET GERİBESLEME SİSTEMİ,Volvo XC90 model

Bilim Kodu

609




Sıra No :14243
Üniversite

504111342

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Yrd. Doç. Dr. Serkan ŞİMŞEK

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2014

Tez Öğrencisi

Müzeyyen KARAMANOĞLU

Başlık

OLDUKÇA GENİŞ BANDLI DÜZLEMSEL MONOPOL ANTENLERİN TASARIMI

Özet

Yapılan tez çalışması kapsamında üç farklı UWB düzlemsel monopol anten tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tez çalışması kapsamında tasarımı yapılan bütün antenler IEEE konferansları olan ‘13th Edition of Mediterranean Microwave Symposium (MMS 2013)’ (13. Akdeniz Mikrodalga Sempozyumu) ve ‘ELECO’2013’ (8th International Conference on Electrical and Electronics Engineering)konferanslarında sunulmuştur. Bu antenlerin ikisi mikroşerit besleme yapısı ile bir taneside CPW-besleme yapısı ile tasarlanmıştır. Tasarımları gerçekleştirilen antenlerin hepsinde oldukça geniş bandlı ışıma karakteristiğinin elde edilebilmesi amacıyla bandgenişletme tekniklerinden; ışıyıcı yamada ters-U ve I şekline sahip yarıkların açılması, ışıyıcı yamanın ve toprak düzleminin birbirlerine yakın oldukları kenarlarından çeşitli şekillerde parçaların kesilmesi ve ışıyıcı yamanın bulunduğu dielektrik yüzeyinde bandgenişliği içinde ardışık rezonans frekansları oluşturabilen eşdüzlemsel parazitik ışıyıcı elemanların kullanılması yöntemleri uygulanmıştır. Tasarlanan bu antenlerin her biri için tasarım aşamaları detaylıca anlatılmış, parametrik çalışmaları yapılarak anten parametreleri optimize edilmiş ve antenlerin fabrikasyonları gerçekleştirilip gerekli ölçümler yapılmıştır.

Title

DESIGNS OF ULTRA WİDEBAND (UWB) PLANAR MONOPOLE ANTENNAS

Abstract

In this study, three different UWB planar monopole antennas were designed and presented at the IEEE’s conferences which are called the ‘13th Edition of Mediterranean Microwave Symposium (MMS 2013)’ andthe‘ELECO’2013’ (8thInternational Conference on Electrical and Electronics Engineering).One of them was designed with the CPW-fed and the others were designed with microstrip-fed line as a feeding structure. The broadband techniques were implemented to all of the designed antennas in order to obtain the bandwidth corresponding to theUWB frequency range. These techniques consisted of cutting the U/inverse-U shaped and I-shaped slots on the radiating patch, then cutting different shaped pieces of both the radiating patch and the ground plane where was thenear sides each other and using the coplanar parasitic structures with the radiating patch. Each design step was exhibited and simulated in detail by HFSS simulator for each of the presented antennas. Then the parametric studies were performed for optimization of all of the antenna’s parameters in this study. Finally all of the designed antennas where fabricated, measured and compared with simulation results and with the measurement results.

Anahtar Kelime

oldukça geniş bandlı sistemler, oldukça geniş bandlı düzlemsel antenler, oldukça geniş bandlı düzlemsel monopol antenler, Düzlemsel monopol anten tasarımları

Bilim Kodu

609




Sıra No :14283
Üniversite

504101405

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Biyomedikal Mühendisliği

Danışman Adı

MUSTAFA ERSEL KAMAŞAK

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2014

Tez Öğrencisi

İSMAİL YETER

Başlık

TIBBİ PERFÜZYON POMPASI TASARIMI

Özet

Yeter, İsmail. Minimal Noninvaziv Tıbbi Cihaz: Modüler Perfüzyon Pompası. Yüksek Lisans Tezi. İstanbul, 2014. Teknolojinin medikal alandaki yansımalarının, insan sağlığında yeri doldurulamaz bir halde olduğu aşikardır. Gelişen teknolojiyle birlikte otokontrollü sistemler; kesinlik, hassasiyet ve zaman gibi hayati önem taşıyan kriterlerde insana kıyasla daha fazla yer edinmişlerdir. İnsana bağlı faktörlerin kişiden kişiye, durumdan duruma değişiklik göstermesi sağlık sektöründe tahammül edilemeyecek hatalara yol açabilmektedir. Ayrıca ilacın doğru, kararlı ve tekrarlanabilir dozajlanması tedavi için olmazsa olmazlar arasındadır. Bu değerler dorultusunda içsel kontrolünü yaparak istenilen kararlılıkta ve tekrarlanabilir çıktılar verebilen sistemlerin gerekliliği günümüzde mecburi hale gelmiştir. Kontrollü ilaç salınımıda son zamanlarda önem kazanan, üzerine çalışmalar yapılan bir konudur. Perfüzyon ve infüzyon pompaları kontrollü ilaç salınımının temel öğelerindendir. Bu tip pompalar hastanelerin yoğun bakım ünitelerinde, servislerde, evde tedavide kullanılabilmekte hatta implant haline getirilebilmektedir. Kontrollü ilaç salınım pompalarının farklı tip ve özelliklerde birçok çeşidinin bulunmasıyla birlikte temel olarak bu pompalar medikal sıvının istenilen miktarda ve hızda hastaya aktarılması amacı ile kullanılmaktadır. Hedef; kullanımda olan kontorollü ilaç salınım cihazlarına alternatif oluşturarak tedavi süreçlerindeki eksikliğin giderilmesidir. Bu geliştirilen sistem ile sağlık personelinin yoğun stres altındaki çalışması hafifletilecek ve zaman tasarrufu sağlayacaktır. Bu tarz sistemlerin sağlık sektöründe kullanılması ile çalışma verimi arttırılmış olacaktır. Hastalar açısından bakıldığında ise maruz kalınan fiziki müdahalelerin azaltılması ile tedavi, idame ve toparlanma süreçlerinin hızlı ve etkili olması sağlanacaktır. Çalışmada; bağımsız çalışabilen ve merkezi sisteme veri aktarımı yapabilen bir mobil pompa sisteminin tasarımı ve prototipi gerçekleştirilmiştir. Sistem tek kontrol birimi ile farklı özelliklere sahip mekanik üniteleri kontrol edebilmektedir. Her bir modül kendi başına çalışabilmekte, dahili kontrol birimleri ile güvenli şartlar altında çalışmayı sürdürebilmektedir. Ayrıca, bu modüller yuvalarından kolayca ayrılabilmekte, seyahat durumunda bile çalışmasını idame ettirmektedir. Sistem tasarımında ARM tabanlı mikrodenetleyici, Grafik LCD ekran, step motor kontrol sistemi, dahili batarya, yatay mekanik aksam ve süreç izleme için sensörler-algılayıcılar kullanılmıştır. Yapılan bu çalışma ile hali hazırda kullanılan pompalara ek olarak otokontrol sistemi ile çalışma kalibrasyon testi yapılması sağlanmıştır. Bu sayede sağlık çalısanları ve hasta açısından güven duygusunu arttıracak, kullanımda kolaylık ve zaman tasarrufunu sağlayabilecek bir ürün ortaya konmuştur.

Title

MEDICAL PERFUSION PUMP

Abstract

In the past, the treatment of illness has been accomplished by administering drugs to the human body via various dosage forms, like pill. These traditional products are still commonly seen today. To achieve and maintain the drug concentration in the body within the therapeutic range required for a medication, it is often necessary to take this type of drug delivery system several times a day. A number of advancements have been made recently in the development of new techniques for drug delivery. These techniques are capable of regulating the rate of drug delivery, sustaining the duration of therapeutic action, and/or targeting the delivery of drug to a specific tissue. Drug delivery refers to approaches, formulations, technologies, and systems for transporting a pharmaceutical compound in the body as needed to safely achieve its desired therapeutic effect. These controlled drug delivery systems that could provide the following benefits:  Controlled administration of a therapeutic dose at a desirable rate of delivery,  Maintenance of drug concentration within an optimal therapeutic range,  Maximization of efficacy-dose relationship,  Reduction of adverse side effects,  Minimization of the needs for frequent dose intake,  Enhancement of patient compliance. An external infusion pumps is a medical device used to deliver fluids into a patient’s body in a controlled mannes. There are many different types of infusion pumps, which are used for a variety of purposes and in a variety of environments. Infusion pumps may be capable of delivering fluids in large or small amounts, and may be used to deliver nutrients or medications – such as insulin or other hormones, antibiotics, chemotherapy drugs, and pain relievers. A number of commonly used infusion pumps are designed for specialized purposes. These include: Enteral pump - A pump used to deliver liquid nutrients and medications to a patient’s digestive tract. Patient-controlled analgesia (PCA) pump - A pump used to deliver pain medication, which is equipped with a feature that allows patients to self-administer a controlled amount of medication, as needed. Insulin pump - A pump typically used to deliver insulin to patients with diabetes. Insulin pumps are frequently used in the home. Infusion pumps may be powered electrically or mechanically. Different pumps operate in different ways. For example: In a syringe pump, fluid is held in the reservoir of a syringe, and a moveable piston controls fluid delivery. In an elastomeric pump, fluid is held in a stretchable balloon reservoir, and pressure from the elastic walls of the balloon drives fluid delivery. In a peristaltic pump, a set of rollers pinches down on a length of flexible tubing, pushing fluid forward. In a multi-channel pump, fluids can be delivered from multiple reservoirs at multiple rates. A smart pump is equipped with safety features, such as user-alerts that activate when there is a risk of an adverse drug interaction, or when the user sets the pump s parameters outside of specified safety limits. In this thesis, the scientific concepts and technical principles behind the development of this new generation of intraveneous perfusion pump systems are outlined and discussed. The electronic part of the system consists of two different boards. The first PCB board is the control board. Control board consists of microcontroller, ADC circuits, buzzer, LCD display etc. In this thesis, STM32F105VCT6 microcontroller is selected for synchronising, programing, step motor driving, system controlling, data transfering and ADC reading. Since there is only 256 Kbyte Flash memory, we can it repeatedly tested to minimize using extra Eprom memory. 240x64 pixel Graphic LCD display is used to give information about infusion process. The second PCB is the power board. This board is designed to convert 220VAC to +12V, +5V and 3.3V DC. Converting process be done two types voltage regulator IC s. These voltage regulator IC s are smps circuit, 7805 and AMS1117-3.3 IC’s. +12V DC voltage is produced by SMPS type regulator. Also the board consist of a step motor driver IC (ULN2064B) and battery charger IC (MCP73844). In this project, a unipolar stepper is used. The software of the system is developed on Mikroelektronika MicroC for ARM IDE. The designs of the electronic circuits are designed on ALTIUM software (V. 10.391), and test of circuits are performed on Proteus ISIS software (V. 7.7). As a result In this study, intensive care units of hospitals in terms of health care workers and provide a great convenience and time savings as well as intervention in patients exposed to serve less of a physical product have been revealed.

Anahtar Kelime

perfüzyon pompası, şırınga pompası, infüzyon pompaları, intravenöz girişim, perfüzör

Bilim Kodu

6090100




Sıra No :14287
Üniversite

504081328

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. MELİH PAZARCI

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2014

Tez Öğrencisi

SEZER BAĞLAN

Başlık

JPEG XR BAŞARIMI

Özet

Bir görüntü sıkıştırma standardı olarak JPEG XR teknolojisi Microsoft un geliştirdiği HD Photo standardı üzerine bina edilmiş, bilinen ve kullanılan en yaygın görüntü sıkıştırma standardı olan JPEG den iki kat daha iyi sıkıştırma oranına sahip, bunun yanında sıkıştırma oranı JPEG e göre daha iyi olan JPEG-2000 den de işlem karmaşıklığı açısından daha az karmaşık olan ISO/IEC JPEG Standardı Komitesi tarafından organize edilmiş bir standarttır. Bu çalışmada JPEG ve JPEG XR standartları yapısal olarak incelenmiş, bu standartları oluşturan blokların sıkıştırılmış görüntüler üzerindeki etkileri nesnel ve görsel olarak ortaya konulmuştur. Karşılaştırmalar esnasında referans olması açısından JPEG-2000 standardı da kullanılacaktır. Bu çalışmada JPEG XR nin nesnel ve görsel olarak JPEG standardını geride bıraktığı görülmüştür. Bunun yanı sıra JPEG-2000 ile nesnel karşılaştırma sonucu görece yüksek sıkıştırma oranlarında benzer performans gösterdiği, görece düşük sıkıştırma oranlarında da JPEG-2000 den daha iyi performans sergilediği görülmüştür. JPEG-2000 ile görsel karşılaştırmada ise birbirlerine büyük üstünlükler sağlayamadıkları ve görsel performanslarının test görüntülerine göre değiştiği görülmüştür.

Title

JPEG XR PERFORMANCE

Abstract

As an image compression technology, JPEG XR is built on HD Photo standard developed by Microsoft and it is organized by ISO/IEC JPEG Standard Committee. JPEG XR has compression ratios almost two times better than JPEG standard which is a well-known and the most widely used image compression standard. Furthermore JPEG XR has less computational complexity compared to JPEG-2000 standard which has better compression ratios than JPEG standard. The structures of JPEG XR and JPEG standards are investigated in this study. Moreover, the objective and subjective effects of the blocks that make up these standards on the compressed images are revealed. In performance comparison stage, JPEG-2000 standard is also used as a reference. In this study it is exhibited that JPEG XR outperforms JPEG both in objective and subjective -visual- comparisons. On the other hand in the objective comparison of JPEG XR and JPEG-2000, it is revealed that in relatively high compression ratios JPEG XR and JPEG-2000 show similar performances, however in relatively low compression ratios JPEG XR has better performance than JPEG-2000. In subjective comparison of JPEG XR and JPEG-2000, it is obvious that they do not outperform each other distinctively and their visual performances depend on the used test images.

Anahtar Kelime

JPEG XR, JPEG, JPEG-2000, JPEG XR Kodlama, JPEG XR Başarımı, FCT, OT

Bilim Kodu

6090200




Sıra No :14476
Üniversite

504041411

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Biyomedikal Mühendisliği

Danışman Adı

Prof.Dr.Tayfun AKGÜL

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Nisan

Yıl

2014

Tez Öğrencisi

Aydın Uğur KORU

Başlık

SESÖTESİ UYGULAMALAR İÇİN YAPIMI KOLAY VE DÜŞÜK MALİYETLİ FANTOM TASARIMI

Özet

Sesötesi cihazlar ülkemizde teşhis amaçlı olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Sesötesi teşhis cihazlarının pozisyon doğrulama (kalibrasyon), mevcut sistemlerin sinyal ve gürültü oranlarının iyileştirilmesinde, kullanıcıların cihaz kullanımları öncesi pratik çalışmalarında ve uygulama esnasında alınan görüntülerin bilinirliği ve yorumlama kolaylığı sağlanması amacıyla fantomlara ihtiyaç duyulmaktadır. Sesötesi uygulamalarında insan dokularının özel karakteristiğini tasvir edebilecek test materyallerine fantom veya doku simülatörü denir. Literatürde çeşitli dokuların tasvir edilmesi amacıyla değişik materyaller kullanılarak fantomlar oluşturulmuştur. Özellikle yumuşak dokuların tasvir edilmesi amacıyla agar, jelatin, magnezyumsilikat, yağ jel, poliüretan, epoksi reçine, polivinil alkol (PVA), polisakkarit jelleri gibi materyaller ile oda sıcaklığında sertleşebilen silikonlar (RTV) kullanılanlardandır. Su temelli materyaller özellikle agar ve jelatin gibi hidrojel olarak adlandırılabilecek malzemeler iyi performans, herhangi bir zararlı kimyasal içermemeleri, kolay kullanım, uygulamada sağladıkları esneklik ve akustik özellikleriyle öne çıkabilmektedirler. Fantomların üretilmesinde en önemli kriterler simule edilmek istenilen dokuların akustik özelliklerine sahip olunmasının sağlanabilmesidir. Bunların başında dokudaki ses hızı, akustik empedansı, zayıflatma ve gerisaçılım katsayıları ile dokunun basınç altındaki değişime tepkisidir. Ticari olarak üretilen fantomlar birçok pazar ve belli başlı uygulamalar için üretilmiş olup kişiselleştirilememektedir. Birçok dokuyu ve organı temsili olarak oluşturan bu fantomların fiyatları yüksek değerlere ulaşabilmektedir. Bu sebeple uygulama yapılacak dokulara en yakın özellikte, kullanımı kolay ve maliyeti düşük fantomların üretilmesi önem taşımaktadır. Jelatin gibi materyaller ile oluşturulmuş fantom veya doku modellerinde yaşanan en temel sorunlar; mikrobiyolojik unsurların (bakteri ve mantarların) zaman içinde gelişmesi ve hassas yapıları nedeniyle fantomların fiziksel ve akustik özelliklerini kaybedebilmeleridir. Çalışmada yapımı kolay, herhangi bir zararlı kimyasal içermeyen hayvansal bir ürün olan jelatin kullanarak, maliyeti düşük sesötesi fantomlar oluşturarak ölçümler alındı. Ölçümlerin alınmasında darbe-yankı metodu ve A tipi tarama kullanılarak, fantomların içerisine yerleştirdiğimiz kitle ve kist tasvirlerinin konum, boyut gibi özelliklerinin tespit edilmesine çalışıldı. Fantomdaki ses hızının ölçümü ve bu hızın insan yumuşak dokularındaki hız değerine (≈1540 m/s) ulaştırılması için çalışma yapıldı. Ayrıca; doku içerisinde bulunması muhtemel saçıcı ve dağıtıcı tasvirlerini de katmak suretiyle ölçümlerimizin gerçekliği arttırılmaya çalışıldı.

Title

ULTRASOUND APPLICATIONS FOR EASY AND LOW COST PHANTOM DESIGN

Abstract

Medical imaging is one of the fastest developing areas in medicine. One of the major factors of this development is examining the tissues without physical intervention. The most frequently used technique in medical imaging is the use of ultrasonic systems due to its damage-free nature to tissues, easy to use, getting real time images, and non-radiation technique, which is relatively low cost comparing with other imaging methods. Ultrasound systems use sound waves to examine tissues. When sound waves meet different impedance inside the human body, they are scattered or backscattered where the same transducer collects the backscattered waves. When one transducer makes this process, is called A type scan. In practice instead of a single transducer an array of transducers are used whose outputs can be combined to produce two-dimensional images, which are called B scan. The B scan works as A type scan mode but plots the strength of the scattered or backscattered signals as changes in brightness. Strong reflections are brighter than the weaker reflections. While transducer is moving on human body, a two-dimensional image is built by these reflections. Today, mostly ultrasonic system imaging uses B type scan. Ultrasound phantom or tissue simulators are testing objects that illustrate or simulate the special characteristics of human tissues in ultrasonic applications. Hospitals, clinics and research centers use phantoms to calibrate and initial testing of their systems, additionally training of ultrasound technicians prior to the practical work. Optimizing signal to noise ratios of the existing systems and getting familiar before real applications are also necessary. In literature, various materials and many techniques have been proposed to produce phantoms. Specifically, for mimicking soft tissues agars, gelatin, magnesium silicate, oil gel, polyvinyl alcohol (PVA), polyester and epoxy resins, and room-temperature vulcanizing (RTV) silicone are frequently used. Water based substitutes, agars and gelatin based soft tissue substitutes (also called hydrogels) are the most widely used materials that have advantages of being easy to prepare, and easy to use. Moreover, well performance, containing no harmful chemicals, flexibility and acoustic properties come into prominence at usage. The ideal ultrasound phantom should have same acoustical properties as those simulated tissues. The most important characteristics are sound speed in tissue, acoustical impedance, attenuation, backscatter coefficient and nonlinearity parameter. The speed of sound in tissue typically determined by the time of flight measurements through a material of given thickness. Acoustic impedance can be calculated by speed of sound in tissue and measured density of material. The attenuation coefficient can be measured using through-transmission method, especially for low attenuation materials. Acoustic properties of soft tissue phantoms are highly dependent on preparation technique and handling. Mostly measurements of acoustic properties of tissues are taken in room temperature, however these will be highly dependent on tissue substitutes and temperature varies. The most important problem encountered in the use of such materials in phantoms is microbiological factors (i.e., bacteria and fungus) which may evolve over time due to the sensitivity nature of losing physical specifications and acoustical characteristics that change with time. Many commercially produced phantoms, which are used by a wide range of markets, are not customized but manufactured for particular applications. Customize designed phantoms are either expensive or cannot simply developed by the user. To overcome the above-mentioned disadvantages and to have the closest features to the tissues one may need to produce his/her own easily produced and low cost phantom. In this thesis; gelatin, which is an animal product that contains no harmful chemicals, has been used as low-cost, homemade ultrasonic phantoms. The pulse-echo measurements of A type scanning is preferred. Note that the pulse-echo method is the most frequently used and simply method. This method relies on sending sound waves from a transducer and getting echoes from the same one. Among various available 1 MHz surface type transducers in our laboratory, a transducer with the best frequency response has been chosen for experiments whose center frequency was at 870 kHz with a bandwidth of 485 kHz. Vegetable oil and vaseline are used as couplant. As these couplant materials cause defect during the tests, simply water is used also. For those, the selection criteria should be the same as the impedance value with applied tissues additional non-reacting chemical selection. In this study, the cartridge of silicon has been considered as the tissue mimicking phantom material, which can be easily found in the market. 200 bloom of beef gelatin is used in this study, which is low cost, contains no harmful chemical and can easily be found in vendors. To simulate a mass and a cyst in a tissue, an olive and a grape have been chosen respectively. Both of are considered in literature also. Moreover, water filled balloons may be used for depiction of cyst and fruit or vegetable pieces may be used for depiction of soft tissue mass also. The probable scatters within tissue are simulated (to strengthen the reliability of the measurements) by local dehumidifier silicagels. Existing laboratory tools such as an ultrasound pulse sender/receiver, a surface type transducer, an oscilloscope and by labview program controlled computer have been used as the experimental setup. Ultrasonic velocity measurements and position determination of foreign objects (such as money) are studied for our homemade produced phantom. Then, in another homemade produced phantom cyst depiction is formed and its location is determined. Similarly, mass simulated measurements have been performed. In order to achieve the same range of ultrasonic velocity (approx. 1540 m/s) in human soft tissues ethanol (70%) is added to the phantom. Ethanol addition to measurements shows an effect of rate increase. Another ethanol added gelatin mixture has been prepared for re-measurements to simulate scatters in the tissues by using silicagels, which are distributed as possible as homogenously whose radial dimensions are 2-4 mm. In fact, it is rather difficult to create a desired distribution of silicagels in the gelatin and ethanol liquid mixture homogenously. The silicagels that are added to create the noise in the phantom but did not. Silicagel’s radial dimensions are much bigger than sound wavelength, since backscattered waves amplitude are decreased; instead of silicagels, more highly reflective materials should be used is concluded. In this thesis, measurement of depth has achieved correctly for depicted materials in soft tissue phantoms, which are made by gelatin. Additionally, adding ethanol to gelatin mixture has increased the sound speed in the phantom to as approximate as real soft tissue values. Further study may be necessary to investigate the effect of increasing the concentration of ethanol mixture to phantoms to see the effect of sound speed.

Anahtar Kelime

ultrasonik dönüştürücü, ultrasonik hız, fantomlar, yumuşak doku, sesötesi, temas maddesi

Bilim Kodu

6120101




Sıra No :14479
Üniversite

504072205

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Devrim Yılmaz AKSIN

Tez Türü

Doktora

Ay

Nisan

Yıl

2014

Tez Öğrencisi

Pınar Başak BAŞYURT

Başlık

TAMAIYLA TÜMLEŞTİRİLMİŞ GERİLİM REFERANS DEVRELERİ

Özet

Gerilim referans devreleri, elektriksel sistemlerde diğer alt blokların çalışmaları için kararlı bir çalışma noktası üretmeleri sebebiyle veri dönüştürücüler (ADC - DAC), frekans sentezleyiciler, DC-DC ve AC-DC dönüştürücüler ve lineer regülatörler gibi pek çok elektriksel sistemin en temel yapı bloklarındandır. İdeal olarak, üretilen bu referans noktası, sıcaklık, üretim süreçleri, besleme gerilim degişimleri ve yükleme etkileri gibi çalışma koşullarından etkilenmemelidir. Bir referans devresinin doğruluğu bahsedilen çalışma koşullarının etkisiyle mutlak değerinden ne kadar saptığı olarak tanımlanır. Modern haberleşme sistemleri ve tüketici ürünlerindeki gelişmeler ile birlikte yüksek entegrasyon ve doğruluklu sistemlere olan talep artmıştır. Tümdevre sistemlerinde, alt blokların çalışma noktalarını belirlemesi nedeniyle özellikle referans devrelerinin performansları bütün sistemin performansının belirlenmesinde önemli rol oynamaktadır. Dolayısıyla yüksek performanslı sistemlere olan talep, bu performansların elde edilmesi için kullanılan düşük geometrili üretim teknolojilerine uygun, yani giderek azalan besleme gerilimleri ile çalışabilecek yüksek doğruluklu referans devrelerine olan talebi de arttırmıştır. Bu nedenle bu çalışmada gerilim referans devre topolojilerine odaklanılmıştır. Bu doğrultuda, öncelikle yüksek doğruluklu, düşük gürültülü gerilim refereans devre topolojileri üzerinde çalışılarak 0.35 um CMOS teknoljisinde farklı tasarımlar yapılmıştır. Bu aşamada temel hedef, yüksek dogrulukluk olarak belirenmiş ve yapılan tasarımlarda, üretim sonrası ayarlamalardan sonra sıcaklık katsayısı 3 ppm/C olabilecek devreler tasarlanmıştır. Ancak, 0.35 um CMOS üretim teknolojisi kullanılması ve kullanılan topolojiler dolayısıyla, devrelerin çalışabileceği minimum besleme gerilim seviyesi 1.8 V ile sınırlı kalmıştır. Devrelerin çektikleri akımlar ise 20-30 uA seviyesindedir. Bu tasarımlar sırasında (triple-well üretim teknlojileri için), önerilen blok gövde izolasyon stratejisi, tasarımı yapılan devrenin gövdesinin tümdevrenin geri kalan kısmından ters kutuplanmış bir jonksiyon diyodu sayesinde izole edilmesine dayanmaktadır ve devrenin gövde gürültüsünden etkilenmesini önemli ölçüde azaltmaktadır. Son olarak, çoğunlukla osilatör devrelerinde uygulanan anahtarlamalı kutuplama tekniği uygulanarak devrelerin düşük frekans gürültü performansının iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Çalışmanın geri kalan kısmında, düşük besleme gerilimleriyle çalışabilecek mikron-altı üretim teknolojilerine uygun gerilim referans devre topolojileri üzerine odaklanılmıştır. Bu doğrultuda, iki yeni düşük besleme gerilimli ve düşük güç tüketimli gerilim referans devre topolojisi önerilmiştir. Önerilen topolojiler, 0.18 um CMOS üretim teknolojisinde gerçeklenmiştir. Ölçüm sonuçları, tasarlanan gerilim refarans devrelerinin 0.65 V besleme gerilimi ile çalışabildiğini göstermiştir. Önerilen devre topolojileri ile 0-120 C sıcaklık aralığında, sıcaklık katsayısı 50 ppm/C olan 193 mV seviyesinde referans gerilimleri elde edilmiştir. Devrelerin güç tüketimleri sırasıyla 0.3 uW ve 0.4 uW iken kapladıkları alan 0.2 mm^2 ve 0.08 mm^2 dir. Sonuç olarak, önerilen devre topolojileri ile literatürde yer alan diğer 1V-altı referans devreleri ile karşılatrılabilir seviyede sıcaklık katsayısı olan referans gerilimleri çok daha düşük güç harcamasıyla elde edilmiştir.

Title

FULLY INTEGRATED VOLTAGE REFERENCE CIRCUITS

Abstract

Voltage references are one of the basic building blocks of many SoCs and mixed-signal ICs such as data converters, voltage regulators and operational amplifiers as they constitute a stable reference voltage for other sub-circuits to generate predictable and repeatable results. Ideally, this reference point should not change with external influences or operating conditions such as temperature, fabrication process variations, power supply variations and transient loading effects. Along with the rapid development of modern communication systems and consumer products, which constitutes the main market for semiconductor industry, the market demand for these System on Chip (SoC) or Mixed Signal ICs to have lower power consumption, higher accuracy and lower cost, and thus, higher integration. Since the performance of the whole system depends strongly to the performance of the reference circuit, this work is focused on fully integrated voltage reference architectures. With this motivation, firstly, different kinds of high precision low noise voltage reference circuits are designed in standard 0.35 um CMOS technology that we have more experience and knowledge of. The essential goal of these studies was high precision and temperature coefficient of the designed voltage reference circuits are on the order of 3 ppm/C with trimming after production. However, since 0.35 um CMOS technology is used in these designs and also due to the chosen topologies their minimum supply voltage can be down to 1.8 V and while current consumption is on the order of 20-30 uA. In the design of the this voltage reference block bulk isolation technique is proposed (for triple-well CMOS processes), in which system blocks are bulk isolated by a reverse biased junction diode from the rest of the die to drastically reduce substrate noise coupling. This is especially important if a very low power voltage reference is designed in a very noisy SoC. Moreover, the switched biasing technique, which is mostly applied to the oscillators, is also implemented to the designed BGR in order to improve the low noise performance of the circuit. The rest of the thesis is focused on new voltage reference topologies that are appropriate for sub-micron technologies operating with low supply voltages. With this motivation two new low voltage and low power voltage reference topologies are proposed. The proposed voltage reference topologies are implemented and fabricated in 0.18 um CMOS technology. Measurement results show that the proposed voltage reference circuits are working properly down to 0.65 V and achieve an output voltage of 193 mV with a temperature coefficient on the order of 50 ppm/C in the temperature range of 0-120 C. The total power consumption of the two designed voltage references are 0.3 uW and 0.4 uW at 27 C, while occupying the area of 0.2 mm^2 and 0.08 mm^2, respectively. As a result, the proposed voltage reference topologies generate a reference voltage with comparable level of temperature coefficient and quite low power consumption with respect to the other sub-1V voltage reference circuits reported in the literature.

Anahtar Kelime

gerilim referans devreleri, bandaralığı referansı, yüksek doğruluk, düşük güç, low voltage

Bilim Kodu

6090102




Sıra No :14488
Üniversite

504121321

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. İbrahim Akduman

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Mayıs

Yıl

2014

Tez Öğrencisi

melike erdoğan

Başlık

MİKRODALGALAR ARACILIĞIYLA BİYOLOJİK DOKULARIN BELİRLENMESİ

Özet

Bu tez çalışmasında, tibbı tanı kiti olarak tasarlanacak olan açık uçlu koaksiyel mikrodalga probun elektromanyetik modeli, çalışma prensibi ve malzemenin elektromanyetik özelliklerini bulmak ve sınıflandırma yapabilmek için kullanılan yöntemler anlatılmıştır. Sonrasında, bir takım örnek veriler üzerinde bu algortimaların kullanılıp kullanılamayacağı denenmiştir. Bu sonuçlar elde edilen hata oranlarına göre değerlendirilerek bir sonuca varılmıştır. Malzemenin elektromanyetik davranışı kendine özgü olan dielektrik geçirgenliği, manyetik geçirgenliği ve iletkenlik katsayısı ile modellenebilir. Bu katsayıların bulunması malzemeyi tanımlamak için yeterlidir. Manyetik olmayan malzemelerde (örneğin: canlı dokusu) dielektrik geçirgenliğin ve iletkenliğin bulunması modelleme için yeterlidir. Bundan dolayı, açık uçlu mikrodalga koaksiyel prop malzemenin bu özelliklerini bulmak için kullanılanılacaktır. İlk olarak, malzemelerin belirtilen özelliklerini bulmak için açık uçlu koaksiyel prob ile malzemenin yansıma katsayısı ölçülecektir. Bu ölçüm düzeneği; ölçülecek malzeme, prob, kablo ve VNA den oluşmaktadır. Böylece, bir mikrogalda devresi kurulur. VNA ile probun ucu arasındaki kullanılan malzemelerin oluşturacağı kayıbın etkisini azaltmak için kalibrasyon yapılmalıdır. Kalibrasyon işlemi sonunda ölçülen yansıma teriminden probun ucundaki yansıma katsayısına, hesaplamalarda kullanılacak olan, geçilmiş olur. Kalibrasyon sonucunda elde edilen yansıma katsayısından malzemenin admitansı bulunur. Admitans değeri ile malzemenin elektriksel katsayıları arasındaki ilişkiden istenen dielektrik geçirgenliğe ve iletkenlik katsayısına geçilir. Bu hesaplamalar açık uçlu mikrodalga koaksiyel probun admitans modeli kullanılarak yapılacaktır. Fakat, malzemenin admitansından dielektrik katsayılarına geçme problemi iyi tanımlanmamış bir problem olduğu için direk çözülememektedir. Çözüm için Gauss-Newton İteratif yöntemi kullanılacaktır. Gauss-Newton yöntemi ile karmaşık sayı olarak malzemenin dielektrik katsayısı bulunur. Bu karmaşık sayının gerçek kısmı dielektrik geçirgenlik, sanal kısmından ise iletkenlik katsayısına geçilir. Ayrıca, bu katsayılar ölçüm yapılan frekansa bağlı olarak değişmektedir. Ölçüm için kullanılmış VNA 500 MHz - 6 GHz arasında 500 MHz aralıklarla 12 noktada değer vermektedir. Dolayısıyla elde edilen verinin boyutu, ölçüm miktarı N olmak üzere, (N X 12) şeklinde olacaktır. Bu verinin boyutu çok büyük olduğu için öncelikle daha düşük boyutlara indirilecektir. Boyut düşürme işlemi için makine öğrenmesi yöntemlerinden biri olan temel bileşen çözümlemesi (PCA) yöntemi kullanılacaktır. Bu yöntem ile verinin boyutu iki boyuta indirililebilmiştir. Bunun için de veri matrisinin özdeğer ve özvektörleri kullanılacaktır. İki boyutlu yeni veriyi bir başka makine öğrenmesi algoritması olan SVM algoritmasına girilecektir. SVM uzman denetimine ihtiyaç duyan bir algoritmadır. Ölçülen veriler bir uzman kontrolünde bir kısmı pozitif, + , bir kısmı negatif, - , olarak etiketlenir ve sisteme öğretilir. Algoritmanın oluşturduğu ayrıma göre alınan diğer ölçümler üzerinde sınıflandırılma yapılacak ve hata oranlarına göre bir sonuç çıkarılacaktır. Cerrahpaşa Tıp Fakültesinde Prof. Dr. Tunaya Kalkan tarafından fare karaciğerleri üstünde yapılmış ölçümlerde tümörlü ve sağlıklı dokuların dielektrik geçirgenliği ve iletkenlik katsayıları bulunmuş ve bu veriler paylaşılmıştır. Bunlardan yararlanarak ölçüm değerleri arasında ayrım yapılabilecek bir fark bulunmaya çalışılmıştır. Sonuç olarak yapılan çalışmalar neticesinde, bu verilerin çoğunlukla ayrıldığı ve sınıflandırmaya uygun olduğu gözlenmiştir. Dolayısıyla, bu algoritmanın bunun gibi doku tespiti türündeki ileri çalışmalarda kullanılabileceği öngörülebilmektedir.

Title

THE DETERMINATION OF BIOLOGICAL TISSUES THROUGH MICROWAVE

Abstract

In this thesis study, an open-ended coaxial microwave probe is designed to use for medical diagnostic kit. Also, the electromagnetic model and working principle of the probe and the methods, which used to find the electromagnetic properties of the materials and to classify these data are explained clearly in this thesis study. Then, the application of these algorithms are tested on a set of sample data. It has been reached a conclusion through evaluation of results which obtained error rates and figures. Electromagnetic behavior of each materials are modelled by a unique relative permittivity, relative permeability and conductivity coefficients. If these coefficients will be found, it can be sufficient to define a material. Moreover, finding relative permittivity and conductivity is enough for modelling the non-magnetic materials (for example: organism tissue). Therefore, we will use an open-ended microwave coaxial probe to find the relative permittivity and conductivity of any tissues. Firstly, admittance of any material will be calculated from the open-ended coaxial probe measurements to achieve the relative permittivity and conductivity of it. Admittance value can be found from the measurement of the reflection coefficient at the end of the probe. However, we cannot obtain the value of reflection coefficient at the first step, due to the measurement setup, which contains probe, cable, connector and VNA (vector network analyzer). We have to do the calibration to get the requested reflection coefficients. This calibration procedure consist of the measurements of three different reflection coefficient at the probe port or dielectric coefficients known materials. The reflection coefficients known short and open circuit conditions are practical for two of them. Latter, one more measurement has been done with the water, which is known as the dielectric coefficients. It is suggested that the reflection coefficient of an unknown material is calculated in between the relationships of the three measurements’ known reflection coefficient and measured reflection terms. Thus, the calibration ended through finding the reflection coefficients. The admittance can also be gathered from these coefficients. The main problem is that the dielectric properties of the material is obtained by the admittance value. This problem is solved with using the admittance model of the open-ended coaxial probe. In this model, an equation give the admittance value depending on the relative permittivity and conductivity. However, finding these coefficients from the admittance is an ill posed problem. Due to this ill posed problem, it could not be solved directly. Therefore, the Gauss-Newton Iteration is chosen to apply to the admittance values and the relative permittivity and conductivity coefficients are obtained. Besides, these coefficients depend on the measurement frequencies. We use some sample data measured with working at 500 MHz - 6 GHz bandwidth VNA. Measurements also were taken at 12 points with 500 MHz range. The dimension of the data become (N x 12), including N is measurement number. The principal components analysis (PCA) method is primarily used to reduce the data size which is quite huge. PCA is not only one of machine learning algorithms, but also the most common feature extraction algorithm. In addition, it is an unsupervised method and it does not use the output information. This algorithm is used to find a mapping with the dimension of input data to the lower dimension, according to the data matrix’s eigenvalues and eigenvectors. In algorithm, initially it takes the variance of input dataset. After taking the covariance of data, the eigenvalues of new dataset is checking about values of them. Mostly, there is one or two eigenvalue(s) is more dominant than other eigenvalues. Dominant ones are called principal component, and these eigenvalues corresponds to the component of data matrix relevant with their eigenvectors. Therefore, we can define all data in these two vectors. Our multi-dimensional dataset, the dimension of it is (Nx12), is entered into PCA and on the same way we can gather the desired vectors. Although, in our problem, there is one dominant eigenvalue, it can be featured in two dimension, because of our complex dataset. First eigenvalue become dominant corresponding to the first component of data matrix is chosen. This data vector consists of complex numbers, so first dimension is real part of the vector, second dimension is imaginer part of it. Then, this new two dimensional data is entered into the Support Vector Machine (SVM) method to try to find out any differentiation related measurement results. SVM is also a kind of machine learning algorithms, unlike PCA it is a supervised method. This method is used for classification and regression analysis. In this algorithm, an expert labels all data independent from the value of data. Some of data is labelled as ‘x’, the other part labelled as ‘o’; also the algorithm is trained with this labelled data. The algorithm is trying to determine a divide line according to the distances between the chosen support vectors through both labelled ‘x’ and ‘o’ data. When the algorithm selects which data point is support vector, the kernel function has played an important role. After the line is determined, the values come from the new measurements are tested and classified by this system. Even though SVM can classify high-dimensional feature spaces, we do the classification just in two dimensions with the output of PCA. The main purpose of this thesis study is that finding a difference between the dielectric properties of healthy and malignant tissues. According to this, we have the relative permittivity and conductivity coefficients of tumor and healthy tissues of rats liver measurements data, which be taken by Prof. Dr. Tunaya Kalkan at Cerrahpasa Medical Faculty. Besides, there is two types of measurement setup. In the first one, before the tissues are measured with the probe, they are wetted by a liquid, named normal saline not to dry them. In a second one, also they are wetted by it, after that, they are wiped with the cotton. In this way, not only it prevents the tissues from getting dry, but also the dielectric properties of them are conserved. These two types of datasets are respectively entered into PCA and SVM algorithms. After that, all data is gathered in one and entered into these algorithms. The outputs of the SVM contain figures and error rates. The figures are evaluated for the visual examination. Otherwise, the error rates are numerical results to show the real performance of our proposal approach. In both first and second measurement setups, the data samples were taken from two groups rats. First group consisting of healthy rats is control group; second one is experimental group consist of unhealthy rats. The samples of control group are labelled as healthy data. Although they are obtained from the experimental group, not all samples have tumor node so, the experimental group’s samples involved two different data; one of them is labelled as tumor data, the other is normal tissue samples. Tumor and healthy tissues set are managed to train SVM algorithm. Separating line is determined with these sets. In addition, normal tissues taken from experimental group are used for testing the algorithm. In first measurement setup, the division between the tumor and healthy tissues taken with normal saline are found with 18,10% error rate. In second measurement setup, the difference of these data set is done with 8,10% error rate. Furthermore, the figures, which the visual results of these setups are, support these error rates. When comparing these results, the second setup is getting better and more stable results than the first one. Then, the experimental group’s normal samples test with SVM train set, just so these results have worse error rates about 70%. However, it must be remembered that these samples are obtained from the unhealthy rats; in this way, it is possible that these samples could be tumor tissue. Therefore, it is necessary that the data samples should be controlled with the pathology report. Thereafter, all of control group’s healthy data and experimental group’s tumor data of two measurement setups are gathered in two data sets. These steps, PCA and SVM are also applied to this data sets. The performance of this last division reach 84% percent. Normal samples are also tested with SVM result such that it is getting 72% error rate. Consequently, when we compare these results, these data sets are mostly separable and suitable for classification. So as, it is predictable that this algorithm work in this type of analysis can be used in tissue. Also, this results show that this new proposal approach can be applied on new data samples as a subject of a new study.

Anahtar Kelime

mikrodalga, prop, tümör

Bilim Kodu

0




Sıra No :14251
Üniversite

504041238

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Doç. Dr. Mürvet KIRCI

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2014

Tez Öğrencisi

Mehmet Fikri OTMAN

Başlık

CPN TOOLS PROGRAMI KULLANILARAK SMTP(BASİT POSTA AKTARIM PROTOKOLÜ)’NİN MODELLENMESİ

Özet

Eşzamanlı sistemlerin geliştirilmesindeki güçlük dikkate alındığı zaman sistemin uygulanabilir bir modelinin inşa edilmesinin ne kadar gerekli olduğu ortaya çıkmaktadır.Modelin kurulması ve simülasyonunun gözlemlenmesi genellikle söz konusu sistemin işleyişiyle ilgili yeni fikirler vermektedir.CPN (Renkli Petri Ağları) eşzamanlı sistemlerin modellerinin tasarlanması ve özelliklerinin incelenmesi için oluşturulan grafiksel bir dildir.Ayrık olayların modellenmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır.CPN Tools programı CPN modellerinin yapılandırılmasını ve incelenmesini sağlayan bilgisayar yazılımı olarak dikkat çekmektedir.Renkli Petri ağları (CPN) tipik uygulama alanları arasında haberleşme protokolleri,veri ağları,telekomünikasyon sistemleri sayılabilir.Bu tez çalışmasının birinci bölümünde Petri Ağ grafiği ve CPN ML ye kısaca değinilmiş ,basit bir örnek üzerinden tanımlamalar verilerek CPN Tools programına ilişkin çalışma mantığı açıklanmaya çalışılmıştır.Hedef ve CPN Tools’da kulanılan temel fonksiyonlardan söz edilmiştir.CPN Tools programının organizasyonu ve kullanılan araçlar anlatılmaya çalışılmıştır.CPN Tools programının temel bileşenleri olan yer,geçiş ve ok kavramları açıklanmıştır.CPN ML temelleri anlatılmaya çalışılmıştır.İnternete bağlanma olayının modellendiği diğer bir örnekte ise internete erişmek için eşzamanlı olarak IP alan bilgisayarlardan oluşan sistemin benzetimi gösterilmiştir. İnternet kullanımının vazgeçilmez bir gereklilik haline geldiği günümüzde internet üzerinden e-postaların alımı ve iletimi SMTP(Simple Mail Transport Protokol)(Basit Posta Aktarım Protokolu) kullanılarak gerçekleştirilmektedir.E-posta dağıtımı gönderici SMTP sunucusu ile alıcı SMTP sunucusu arasında komutlar ,yanıtlar ve posta bilgisinin aktarımı esasına dayanan bir SMTP işlemidir.Bir e-postanın göndericiden alıcıya ulaşmasının sağlanması sürecinde gönderici SMTP sistemi e-postayı internet ortamına göndermektedir.Alıcı SMTP sistemi ise e-postayı verilerin karşılıklı aktarıldığı bir iletim ortamından kabul ederek posta kullanıcı temsilcisine aktarmakta ya da posta kullanıcı temsilcisinin erişebileceği dosya sisteminde saklamaktadır.Tezin ikinci bölümünde SMTP protokolü anlatılmıştır.SMTP protokolünün temellerine değinilmiş ve SMTP protokolünün e-postaları farklı hostlar arasında iletmek amacıyla kullanılmakta olan yaygın bir mekanizma olduğu vurgulanmıştır.SMTP’nin çalışma modeli ele alınarak kısaca açıklanmıştır.Ayrıca SMTP protokolünün temel bileşenleri olan UA(Kullanıcı Ajanı) ve MTA(Posta Aktarım Ajanı) üzerinde durulmuştur.MIME(Multipurpose İnternet Mail Extentions) yapısı kısaca açıklanmıştır.E-posta erişim modları anlatılmıştır. Üçüncü bölümde SMTP protokolünün CPN Tools kullanılarak oluşturulan modelleri açıklanmıştır. Son Bölüm olan dördüncü bölümde hazırlanan çalışmanın sonuçları ve önerilere yer verilmiştir.

Title

MODELLİNG OF SMTP (SİMPLE MAİL TRANSFER PROTOCOL) BY USİNG CPN TOOLS PROGRAMME

Abstract

When we consider the difficulty in the development of concurrent systems, the necessity of building a practicable model emerges.Establishment of the model and observation of the simulation generally gives new ideas concerning the operation of the mentioned system.CPN(Coloured Petri Nets) is a graphical language which is built for the design of concurrent systems and analysis of their characteristics.İt is widely used in the modelling of discrete events.CPN tools programme attract attention as the computer software which provides construction and analysis of CPN models.Among typical implementation fields of Coloured Petri Nets(CPN) we can mention communication protocols,data nets,telecommunication systems.İn the first chapter of this thesis study it is dealed shortly Petri net graphic and CPN ML,on a simple example it is tried to explain the operation mentality of CPN Tools programme by giving declarations.It is talked about the objective and basic functions used in CPN Tools.It is tried to describe organization of CPN Tools programme and tools used in it.Place,transition and arc concepts which are basic components of CPN Tool programme are explained.Fundamentals of CPN ML are tried to describe.İn another example which models the event of connecting to the internet,it is demonstrated the simulation of system of computers that takes IP concurrently to reach the internet. Nowadays that usage of the internet became an indispensable necessity ,receiveing and transmission of e-mails via internet is realized by using SMTP(Simple Mail Transport Protocol).E-mail delivery is an SMTP operation which is based on the principle of commands ,replies and mail information transfer between sender SMTP server and receiver SMTP server.İn the process of an e-mail’s arrival from sender to receiver,sender SMTP system sends e-mail to the internet environment.Receiver SMTP system either transfers e-mail to mail user agent by accepting it from a transmission environment where data is mutally transfered or stored in the file system where mail user agent may reach.İn the second chapter of the thesis SMTP protocol is described.Fundamentals of SMTP protocol are dealed and it is emphasized that SMTP protocol is a widespread mechanism used for sending e-mails between different hosts.Operation model of SMTP is shortly explained.Additionally UA(User Agent) and MTA(Mail Transfer Agent) which are basic components of SMTP protocol are mentioned.MIME(Multipurpose İnternet Mail Extentions) structure is described briefly.E-mail access modes are explained. İn the third chapter SMTP protocol models produced by using CPN Tools,are explained. İn the fourth chapter which is the last chapter, results and suggestions are given.

Anahtar Kelime

CPN Tools, Renkli Petri Ağları, SMTP

Bilim Kodu

6090100




Sıra No :14173
Üniversite

504101230

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Doç. Dr. Müştak Erhan Yalçın

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2014

Tez Öğrencisi

Melike Atay

Başlık

ALANDA PROGRAMLANABİLİR KAPI DİZİLERİ ÜZERİNDE GERÇEK ZAMANLI İSKELET BULMA VE EL TAKİP UYGULAMASI

Özet

Günlük yaşamda trafik görüntüleme sistemlerinden medikal uygulamalara kadar çok geniş bir alanda görüntü işleme algoritmalarından yararlanılmaktadır. Bu sistemlerin temel fonksiyonları, hareketli nesnenin tespit edilmesi, tanınması ve takip edilmesi olarak listelenebilir. Literatürde, nesnenin iskeletini çıkararak ona ait özelliklerin belirlenmesi tanımlama ve takip uygulamalarının gerçekleştirilmesinde sıklıkla kullanılmaktadır. İskeletleştirme tekniği verinin gereksiz kısımlarını atarak nesneye ait özellikleri çok daha az bir veriyle tanımlar. Bu açıdan kaynak tüketimi ve hız açısından avantaj sağlayan bir ön –işleme adımıdır. Bu çalışmada ise, iskeletleştirme tekniği gerçek zamanlı çalışma gereksinimlerini sağlayacak şekilde FPGA üzerinde gerçeklenmiştir. Literatürde bulunan iskeletleştirme algoritmalarının büyük bir kısmı mükemmel iskelet tanımına yakın sonuçlar elde etmek için gerçek zamanlı çalışma gereksinimlerini sağlayamayacak kompleks matematiksel yöntemler kullanmaktadır. Bu nedenle gerçek zamanlı çalışma hızını yakalayabilecek ve FPGA’de gerçeklenmeye uygun bir algoritma seçilmiş ve algoritmaya elde edilen iskeletin performansını arttırıcı eklemeler yapılmıştır. Genişletilmiş algoritma, FPGA’de paralelleştirilerek gerçeklenmiş ve sistemin saniyede işlediği görüntü sayısı arttırılmıştır. Hem algoritma hem de donanım tasarımı literatürde bu tarz sistemlerin karşılaştırılmasında en çok kullanılan parametrelere göre değerlendirilerek algoritmik performansı ve gerçekleme performansı açısından karşılaştırılabilir bir çalışma hazırlanmıştır. Ayrıca, tasarlanan iskelet bulma sistemi uzaktan televizyon kontrolünü sağlayan bir el takip uygulamasında test edilmiştir.

Title

REAL TIME SKELETONIZATION ON FPGA WITH A HAND TRACKING APPLICATION

Abstract

People benefit from various systems based on image processing technology throughout their daily routine. Main functions of such systems include object detection, matching, tracking, etc. Skeletonization forms the backbone of many tracking and matching applications. Skeletonization converts most of the original foreground pixels to background pixels while preserving the skeletal residue on the binary image by eliminating the redundant part. Thus, the shape is represented with small amount of data and analysis of the shape requires less time and resource. In this study a real time skeletonization system is implemented on FPGA. The computational complexity of the skeletonization algorithms highly increases to reach a performance close to perfect skeleton. This complexity makes it impossible for the systems to cope with real time requirements. Thus, in this work an FPGA suitable algorithm is elected for the implementation and the algorithm is extended by adding new rules to improve the performace of the output skeletons. A fully parallelized architecture is proposed to implement the extended skeleton extraction algorithm on FPGA. Performance of the novel algorithm is evaluated according to the widely acknowledged performance measures for skeletonization research. Resource utilization and timing performance of the FPGA implementation are investigated for comparison with similar systems in literature. Also, the performance of the system is observed on a hand tracking application.

Anahtar Kelime

FPGA, iskeletleştirme, sayısal imge işleme, nesne izleme, nesne tanıma

Bilim Kodu

609




Sıra No :13683
Üniversite

504111224

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. Osman PALAMUTÇUOĞULLARI

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Zehra Gülru ÇAM

Başlık

GİRİŞ ÇIKIŞ UYUMLU, YÜKSEK DİNAMİK ARALIKLI, Si-Ge TRANZİSTORLU RF KARIŞTIRICI TASARIMI

Özet

Gilbert karıştırıcı yapısında dayanarak 0.25um SiGe teknolojisi ile üretilmiş tranzistorlar kullanılarak 2.15 GHz sıklığında çalışan bir etkin karıştırıcı devresi tasarlanmıştır. Girişindeki simetrik sürücü devresi birbirleriyle bağlantılı çalışan OB(ortak baz)‘lı ve OE(ortak emetör)‘lü devreler kullanılarak gerçekleştirilmiş ve OB’lı devreye gerilimden-seri kapasitif bölmeli edilgen ileri-besleme uygulanarak girişte geniş bantlı bir empedans uyumu sağlanmıştır. Karıştırıcının benzetimleri AWR yazılım ortamında yapılmıştır. Devrenin DC besleme gerilimi 5V olup, -2.5 dBm düzeyindeki yerel osilatör sürümü ile OIP3 değeri ve Dönüştürücü kazancı sırasıyla, 22.4 dBm 3 dB olarak bulunmuştur. Devrenin benzetim sonucu gürültü sayısı ise 11.75 dB’dir. Tezde önerilen karıştırıcı devresi, X Bandında çalışan bir alıcı dizgesinde ikinci karıştırıcı katı olarak kullanılmak üzere, Gc=3dB, OIP3≥20 dBm ve NF≤12 dB isterlerini karşılayacak şekilde tasarlanmıştır. Devre temel olarak Gilbert Karıştırıcı devresi olmakla birlikte, girişte herhangi bir balun devresi kullanılmamakta ve dengesiz-dengeli dönüştürücü (BALUN) işlevi, her ikisi de geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi katı olarak kullanılan OB ve OE devrelerinin birlikte etkileşimli olarak çalıştırılmasıyla gerçeklenmiştir. OE’lü devreden OB’lı devreye gerilimden-seri kapasitifbölmeli edilgen zıt ileri-besleme uygulanarak girişte geniş bantlı bir empedans uyumu sağlanmıştır. Ara-Sıklık (AS) katı ise, dengeliden-dengesize dönüşüm sağlayan ve çıkış empedansı RL=50Ω yüke uyumlu yüksek dinamikli kuvvetlendiriciden oluşmaktadır. Böylece, giriş ve çıkışta hiçbir edilgen balun devresi kullanılmadan karıştırıcı devresi tasarlanmıştır. Bunun sonucu olarak da, giriş ve çıkış katlarına yüksek empedans uyumu gereksinimi olan RS ve AS süzgeçleri dışarıdan doğrudan bağlanabilmektedir. Empedans uyumunu sağlamak amacıyla, kapasitif gerilim bölücülü gerilimden-seri ileri-besleme devresi kullanılmıştır. Bu türden ileri-beslemeli empedans uyum devresi herhangi bir ek gürültü katkısı sağlamadığı için, diğer geri besleme kullanan yöntemlere göre büyük üstünlük sağlamaktadır. Anahtarlayıcı tranzistorlarında kullanılan anahtarlama gerilimindeki ufak bir sapma, anahtarlama zamanını modüle ederek farksal akım dalga şeklinde bozukluğa neden olmaktadır. Bu nedenle devre elemanları, anahtarlayıcı tranzistorlar hızlı konum değişikliği yapacak şekilde seçilmişlerdir. Anahtarlayıcı tranzistorlarından çıkışa gelen kırpışım gürültüsü, tranzistor akımı ile doğrudan orantılıdır. Gilbert hücresi üzerinden gelen akım gürültüsünü azaltmak için, dirençlerin ve anahtarlama tranzistorlarının üzerinden geçen akım,Gilbert Hücresine bağlantı noktasına konan dirençler üzerinden DC akım katkılanarak azaltılmıştır.

Title

SIMULTANEOUSLY MATCHED SIGE TRANSISTOR RF MIXER DESIGN WITH HIGH DYNAMIC RANGE

Abstract

An active mixer which is operating at 2.15 GHz and based on the Gilbert Mixer topology is designed by using 200 GHz fT, 0.25 SiGe technology. Mixeris simulated with AWR software environment. The circuit exhibits an Output IP3 of 24.7 dBm and the conversion gain of 3 dB with the local oscillator power of -2.5 dBm. DC power supply voltage is5V. The noise figure of the circuit is simulated as 11.75 dB. Mixers are key components in both receivers and transmitters. Mixers translate signals from one frequency band to another. The output of the mixer consists of multiple images of the mixers input signal where each image is shifted up or down by multiples of the local oscillator (LO) frequency. The most important mixer output signals are usually the signals translated up and down by one LO frequency. The voltage conversion gain is the ratio of the root mean square voltages of the IF and RF signals. The power conversion gain is the ratio of the power delivered to the load and the available RF input power. The 3rd order intercept point (IP3) is the point where the third-order term as extrapolated from small-signal conditions crosses the extrapolated power of the fundamental. Basically mixers are classified as active and passive mixers. Although passive mixers have conversion gain less than one (lossy) and has noise figures bigger than active mixers, they present less intermodulation distortion (the bigger OIP3 values). An important advantage of passive mixers over their active counterparts is their much lower output flicker noise. However, the low gain of passive mixers makes the 1/f noise contribution of the subsequent stage critical. Additionally mixers are categorized as single-balanced and double-balanced topologies. Double-balanced topologies are more preferable than single-balanced mixers because of their isolation between ports, suppressing the unwanted signals and linearity specialities. One advantage of double-balanced mixers over their single-balanced counterparts stems from their rejection of amplitude noise in the LO waveform. The proposed mixer circuit is designed for to be used as the second mixer stage in a RF receiver IC. The performance requirements are specified as; 3 dB Conversion Gain, Output Third Order Intercept Point (OIP3) of minimum 20 dBm, and the noise figure of maximum 12dB. The mixer is consists of a modified Gilbert Cell topology where the input voltage –current converting stage is realized by using CB and CE stages which operate interactively to provide matching at the input. The IF output amplifying stage with reasonably high dynamic range is arranged as the combination of the inverting and non-inverting stages to provide the power doubling at the output. Gilbert Cell is the most common double balanced mixer switching topology which is used in various RFIC applications. It is quite convenient to obtain the high gain with high dynamic range and low power consumption by using this circuit. The modified version of this circuit which is presented in this work eliminates the use of any passive baluns at the both ports and provides very broadband impedance matching at the both ports. At the input stage, an active balun topology is used. The feed-forward connection from the CE to a CB stage with capacitive voltage divider is used for to provide impedance matching at the input. This technique provides highly broadband input matching with the additional advantages of good linearity and less noise-figure than the other techniques. For a certain RF input power, all element values and ratio of capacitors which is used as voltage divider are calculated. At the switching transistors, a small change on the switching voltage can modulate the switching time and creates distortion on the differential current waveform. Therefore, the circuit elements are selected as to provide the rapid tranition of the toggling transistors. The first significant part of the total noise figure is coming from the switching transistor. Second, the noise source is transistors at the gain stage and the third is the source resistors. Noise is measured using the noisefigure (NF) definition, which is a measure of how much noise the mixer adds to the signal relative to the noise that is already present at the input signal. The noise figure of 0 dB is ideal, meaning that the mixer adds no noise. The NF of 3 dB implies that the mixer adds an amount of noise equal to that alreadypresent in the signal. For a mixer alone, a NF of 10-12 dB is typical.There are there different frequency bands which must be considered during mixer NF analysis. Firstly, transistors and resistors at the circuit produce noise at intermediate frequency (IF). Some of these noise, for example IF noise produced by collector resistors occurs at the output. Secondly, noise produced at RF and the image frequency, mixes with local oscillator at the mixer and they seen at frequency IF at the output. Collector shot noise at the gain stage is an example for this type of noise. Lastly, noises produced by LO can be transmitted to the IF output. Noise power which is transmitted to the IF output is not constant through the LO period. At the higher LO values, the dominant noise comes from the gain stage transistors. It is an expected behavior because LO causes the differential pair transistors to switch between saturation and cut off regions. At both of two stages there is no gain at the transistors, they contribute very little noise. Also, gain through the input is maximum in these conditions. So a sharply switching high amplitude LO signal is needed to obtain a high signal-to-noise ratio. However, during finite fall and rise time, for square or sinusoidal local oscillator signal, local oscillator has zero crossings. During this time, switching transistors operate at active region. In this region, transistors act as amplifiers and noise produced at switching transistors and local oscillator, such as thermal noise due to base resistors and collector shot noises become dominant. Flicker-noise is one the critical issues in the direct conversion mixers. There are two major mechanisms that generate the flicker noise of the switching pair devices. The first one is the direct mechanism, due to the finite slope of the switching pair transitions. In order to decrease flicker noise in the direct mechanism, the size of the switching pairs needs to be increased, and large switching devices increase the parasitic capacitance of the switching pairs, resulting in the flicker noise indirectly translating to the output. The second mechanism that generates flicker-noise is the indirect mechanism, flicker-noise mainly depends on the tail capacitance (Cp) at the node between the LO switches and RF transconductance stage. In order to decrease the flicker-noise in CMOS active mixers, the bias current of the local oscillator (LO) switches should be small enough to lower the height of the noise pulses. The static current injection technique was proposed to reduce the bias current of the LO switches. However, the impedance of the LO switches as seen from the RF stage is increased as we reduce the bias current of the LO switches. In addition, RF leakage current flows through the injection circuit, which decreases conversion gain and also allows more RF current to be shunted by the tail capacitance (Cp) at the node between the LO switches and RF transconductance stage. The shot- noise coming to the output from the switching transistors, which is stated as (I_n^2 ) ̅=2qI_Cis proportional with the transistor collector current. However the noise coming to the output from the input stage, which is stated as (V_n^2 ) ̅=2kT/g_m =2kTV_T/I_C is inversely proportional with the collector current. To reduce the shot- noise coming from the Gilbert Cell, the currents which flow through the load resistors and switching transistors is decreased by injecting a current to the connection point of Gilbert Cell through resistors. In this way, collector current which flows through input transistors remains constant, and collector current which flows through switching transistors decreases. So, the collector currents become independent from each others. Noise figure is decreased by this current reduction technique. To obtain the same conversion gain, load resistors of the Gilbert Cell are increased with the current reduction ratio. Therefore,because of this increased resistor value, decreasing in the noise figure is not as high as prediction. All noise sources which are both thermal and shot at the circuit is determined and calculated. The noise components of interest lie in the RF range before downconversion and in the IF range after downconversion. Noise sources at the circuit are RF and IF noise coming from switching transistors, source noise, noise coming from active balun topology including thermal noise of resistors and the shot noise of transistors.Another shot noise mechanism in active mixers arises from the finite capacitance at tail node of Gilbert Cell. Noise voltage which is at emitter of switching transistor creates a noise current because of parasitic capacitor Cp. The source of noise voltage at this node is shot- noise at the switching transistors. This noise contains both RF and IF components. To estimate the input-referred noise voltage, for each source of noise, a conversion gain is determined to the IF output; the magnitude of each noise is multiplied by the corresponding gain and add up all of the resulting powers, thus the total noise at the IF output is obtained; the output noise is divided by the overall conversion gain of the mixer to refer it to the input. Noise figure is the ratio of this total noise power and noise power coming from the source. The terms in the total noise power statement is weighted bearing in mind that when all switching transistors are on, noise coming from amplifying stage is cancelled due to differential output. On the other hand, noise produced at switching transistors can be negligible when input stage and Gilbert Cell act as a cascade amplifier. So, the time when all switching transistors are on was calculated and noise figure equation is obtained. Lastly, different ratios of current reduction is tried and circuits simulated. Simulations shows that when the ratio of current reduction increases, the noise figure decreases. Input reflection coefficient has a decreasing behavior by decreasing the collector current. Output third order intercept point shows great rise with decreasing the collector current but operating point changes. Optimum values are obtained with %50 current reduction and -2.5dBm local oscillator power.

Anahtar Kelime

karıştırıcı, Si-Ge

Bilim Kodu

6090100




Sıra No :13473
Üniversite

504091425

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Biyomedikal Mühendisliği

Danışman Adı

Prof.Dr.İnci ÇİLESİZ

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Emre ÇANAYAZ

Başlık

TİP-1 DİYABET HASTALARI İÇİN BULANIK MANTIK TABANLI KONTROL EDİCİ KULLANARAK UYGUN İNSÜLİN DOZLARININ ÖNERİLMESİ

Özet

Bu çalışmada, Tip 1 diyabet hastaları için insülin dozları öneren ve kan şekeri düzeylerindeki değişikliklere uyum sağlayabilen kapalı döngü bir kontrol sistemi önerilmektedir. Diğer çalışmalardan farklı olarak, önerilen bu sistem, hastaya ait, ard arda alınmış üç kan şekeri ölçüm değerini karşılaştırarak, hastaya kan şekeri düzeyini normal sınırlarda tutmaya yardımcı olacak insülin dozlarını hesaplar. Önerilen bu sistem gönüllü gerçek bir Tip 1 diyabet hastası üzerinde de test edilmiştir. Böylelikle hastanın normal tedavisinde kullandığı insülin miktarları ile sistem tarafından önerilen insülin miktarları karşılaştırılmıştır. Buna ek olarak, sistem farklı kan şekeri profilleri üzerinde denenerek, değişime uyum sağladığı ve tutarlı sonuçlar ürettiği gözlemlenmiştir. Böyle bir kontrol sisteminin tasarımı için en yaygın yapay zekâ tekniklerinden olan Bulanık Mantık tekniği kullanılmıştır. Bu amaçla, tasarlanan kontrol sistemi FIS editörü kullanılarak, MATLAB programlama dili ortamında gerçekleştirilmiştir.

Title

PROPOSING ADAPTIVE INSULIN DOSAGE FOR TYPE 1 DIABETES BY FUZZY-BASED CONTROLLER

Abstract

Emre ÇANAYAZ This study presents an adaptive closed loop system that proposes insulin dosage to regulate the blood glucose level of Type 1 diabetes patients. Developed prototype system contains of two Mamdani–type fuzzy logic controllers, database files with patient information, response of the system is stored, and insulin on board module prevents the user from overlapping injections. One fuzzy controller adjusts the amount of insulin by producing a coefficient factor according to the age and body mass index of the patient, another one purposes insulin doses comparing the patient’s glucose readings. In this prototype, Centroid method, which is the most common method used in fuzzy logic systems, was used for defuzzyfication process. Unlike prior studies, our proposed system compares three arbitrary blood glucose readings and proposes an insulin dosage to regulate blood glucose level of the patient. The system was tested using blood glucose readings of a real type 1 diabetes patient. Additionally, a second type-1 diabetes mellitus patient was used to test the system stability and adaptive abilities. Moreover, generated insulin dosages were compared with the multiple daily injection treatment dosage to prove system’s reliability. Finally, MATLAB programming environment and fuzzy logic toolbox were used to design the system.

Anahtar Kelime

Bulanık mantık, Tip-1 diyabet, Sürekli deri altı insulin infüzyonu

Bilim Kodu

6090104




Sıra No :13485
Üniversite

504020102

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Doç.Dr. Neslihan Serap Şengör

Tez Türü

Doktora

Ay

Şubat

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Selin Metin

Başlık

EYLEM SEÇİMİNİN LİMBİK SİSTEME BAĞLI OLARAK DİNAMİK SİSTEM YAKLAŞIMI İLE MODELLENMESİ

Özet

Bu çalışmada duygusal davranışların karar verme süreçlerine etkisini doğrusal olmayan dinamik sistem yaklaşımıyla açıklayan modeller geliştirilmiştir. Geliştirilen modelleri sınamak için duygusal davranışların etkin olduğu bağımlılığın gelişmesi olgusu kullanılmıştır ve modelin nikotin bağımlığının oluşması sürecini doğru olarak betimleyebildiği gösterilmiştir. Bu modelde moleküler düzeyden sistem düzeyine kadar farklı yaklaşımları bütünleştiren bir yöntem kullanılmıştır. Geliştirilen bir diğer biyofiziksel gerçekçi beyin bölgeleri modelinde kullanılan iletkenlik tabanlı sinir hücresi modellerinden oluşan dinamik sistem ile sinir hücrelerinin sergilediği farklı ateşlenme tipleri gerçeklenebilmektedir. Sunulan hesaplamalı modellerden elde edilen sonuçlar literatürdeki örneklerle uyumludur ve farklı bağımlılık tiplerine de uygulanabilir oldukları görülmüştür.

Title

MODELLING ACTION SELECTION BASED ON LIMBIC SYSTEM BY DYNAMICAL SYSTEM APPROACH

Abstract

In this study models using non-linear dynamic system approach are developed to explain the effect of emotional behaviors on decision processes. In order to verify the designed models addiction development phenomenon, which is one of the processes where emotional behaviors are effective, is used and it is demonstrated that the model correctly simulates the nicotine addiction stages. In this model, molecular to systems level modelling approaches are integrated. In another biophysically plausible designed model conductance based neuron models are used in a dynamic system to realize different firing patterns of a neuron. The results obtained from these computational models are coherent with the peers from scientific literature and these models can be used to explain different types of addictive behaviors.

Anahtar Kelime

Hesaplamalı model, Eylem seçimi, Karşıt süreçler, Pekiştirmeli öğrenme, Bağımlılık modeli

Bilim Kodu

6090303




Sıra No :13503
Üniversite

504092304

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. Ümit AYGÖLÜ

Tez Türü

Doktora

Ay

Nisan

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Ertuğrul Başar

Başlık

ÇOK-GİRİŞLİ ÇOK-ÇIKIŞLI TELSİZ İLETİŞİM SİSTEMLERİ İÇİN GELİŞMİŞ UZAYSAL MODÜLASYON TEKNİKLERİ

Özet

Bu çalışmada ilk olarak uzaysal modülasyon (SM) ile uzay-zaman blok kodlama birleştirilerek uzay-zaman blok kodlamalı uzaysal modülasyon (STBC-SM) olarak adlandırılan yeni bir teknik önerilmiştir. Bu sistemde bilgi, ilişkin çok-girişli çok-çıkışlı (MIMO) sistemin antenlerinin değişik kombinasyonları üzerinden iletilen bir STBC matrisi ile taşınmaktadır. Bilgisayar benzetimleri sonucu STBC-SM yapısının klasik SM ye, uzaysal çoğullamaya ve Alamouti koduna göre oldukça iyi hata başarımı sağladığı gösterilmiştir. STBC-SM yapısının önerilmesinin ardından, bu yapıyı bir aşama daha ileriye taşıyarak, çeşitleme kazancının yanı sıra ek kodlama kazançları da elde etmek için SM ile kafes kodlamayı doğrudan birleştiren ve kafes kodlamalı uzaysal modülasyon (SM-TC) olarak adlandırılan optimum bir kafes kodlamalı SM sistemi önerilmiştir. Bilgi bitlerinin önce bir kafes kodlayıcıdan geçirilerek SM eşleyiciye uygulandığı bu MIMO iletim sisteminde kafes kodlamalı modülasyon tekniğinden esinlenerek kafes kodlayıcı ve SM eşleyici birlikte tasarlanmıştır. Bilgisayar benzetimleri ile önerilen sistemlerin uzay-zaman kafes kodlardan ve literatürde önceden önerilen kafes kodlamalı SM yapısından hem ilişkisiz hem de ilişkili kanallarda daha iyi hata başarımı sağladığı gösterilmiştir. Bu çalışmada üstün-dik kafes kodlamalı uzaysal modülasyon (SOTC-SM) olarak adlandırılan yeni bir kafes kod türü de önerilmiştir. Bu yapıda, STBC-SM matrislerine küme bölmeleme tekniği uygulanarak STBC-SM kafes kodlama ile birleştirilmiştir. Bilgisayar benzetimleri sonucu önerilen yapıların üstün-dik uzay-zaman kafes kodlardan ve SM-TC yapılarından daha iyi hata başarımı sağladıkları gösterilmiştir. Son olarak SM sisteminin hata başarımı kanal kestirim hataları altında incelenmiştir. Bu amaçla SM sistemin kusurlu kanal durum bilgisi için çiftsel hata olasılığı çıkarımları yapılmış, kanal kestirim hataları durumuna ilişkin kanal modeli verilmiş, ardından ortalama bit hata olasılığı hesaplanmıştır.

Title

ADVANCED SPATIAL MODULATION TECHNIQUES FORMULTIPLE-INPUT MULTIPLE-OUTPUT WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS

Abstract

In this study, by combining spatial modulation (SM) and space-time block coding, a novel technique called space-time block coded spatial modulation (STBC-SM) is proposed. In this scheme, the information is conveyed with an STBC matrix that is transmitted from combinations of the transmit antennas of the corresponding multiple-input multiple-output (MIMO) system. It is shown by computer simulations that the proposed scheme achieves better error performance than the classical SM, spatial multiplexing and Alamouti?s code. In order to obtain additional coding gains besides the diversity advantage of the proposed STBC-SM scheme, a new optimum trellis coded SM scheme called spatial modulation with trellis coding (SM-TC), which directly combines SM and trellis coding, is proposed. In this MIMO transmission scheme, information bits are applied to the SM mapper after trellis coding and similar to the conventional trellis coded modulation, the trellis encoder and the SM mapper are jointly designed. It is shown by computer simulations that the proposed scheme achieves better error performance than space-time trellis codes and the trellis coded SM scheme given in the literature under both uncorrelated and correlated channel conditions. In this study, a new trellis code named super-orthogonal trellis coded spatial modulation (SOTC-SM) is also proposed. In this scheme, using the principle of set partitioning for STBC-SM matrices, STBC-SM is combined with trellis coding. It is shown by computer simulations that the proposed scheme achieve better error performance than super-orthogonal space-time trellis codes and the SM-TC scheme. Finally, the error performance of SM is investigated under channel estimation errors. For this purpose, the pairwise error probability of SM is derived for imperfect channel knowledge, the corresponding channel model is given, and then the average bit error probability is calculated.

Anahtar Kelime

Telsiz iletişim, çok-girişli çok çıkışlı sistemler, uzaysal modülasyon

Bilim Kodu

6090207




Sıra No :13514
Üniversite

504091346

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. M. Ertuğrul Çelebi

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Mayıs

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Abdulkadir Özdamar

Başlık

SEÇMELİ SİMGE BAŞINA HIZ KONTROLÜ (S-PSRC) YÖNTEMİNİN DOĞRUSAL UZAY-ZAMAN KODLARI ÜZERİNDEKİ ETKİSİNİN İNCELENMESİ

Özet

Günümüz modern haberleşme sistemlerindeki en büyük sorunlardan birisi düşük işaret gürültü oranlarında (signal-to-noise ratio, SNR) çok yollu sönümleme etkilerinden dolayı hata başarımındaki azalmalardır. Bu durum güvenilir yani hata oranı düşük veri akışlarına olan ihtiyacı arttırmaktadır. Her yanlış gönderilen verinin tekrar gönderilmesi gerektiğinden, sistem kaynaklarının olumsuz şekilde kullanılması söz konusu olmaktadır. Bu israf sistemin genel performansını azaltmaktadır. Gün geçtikçe artan ağ tabanlı ya da internet tabanlı çoklu ortam uygulamalarının artmasıyla makul bir veri hızını, güvenilir bir şekilde sunan yöntemlere ihtiyaç artmıştır. Böyle bir sistem gereksinimi için yeni yöntemler geliştirilmesi bir zorunluluk haline gelmiştir. Özellikle bunu iç ve dış gürültü kaynaklarının etkilerini de düşünerek gerçeklemek telekomünikasyon teorisyenleri için bir meydan okumadır. Frekans tayfının ulusal ve uluslar arası paylaşımlarla sınırlandırıldığı şu anki durumda, hata başarımını arttırmak için çeşitleme, etkin bir haberleşme yöntemi olarak kullanılır. Hata başarımını arttırmak için oldukça etkili bir yöntem olan çeşitleme, uzayda, zamanda ya da frekansta olabilir. Bu çalışmada kullanılan zaman çeşitlemesinde, simgelerin kopyaları farklı zaman aralıklarında tekrar gönderilmiştir. Tek girişli tek çıkışlı (single-input single-output, SISO) sistemler yerine anten çeşitlemesi ile tek girişli çok çıkışlı (single-input multiple-output, SIMO), çok girişli tek çıkışlı (multiple-input single-output, MISO) ya da çok girişli çok çıkışlı sistemler (multiple-input multiple-output, MIMO) kullanmak da mümkündür. Anten çeşitlemesi hata oranının küçültmek için oldukça etkili bir yöntemdir. Birden fazla girişin ve/veya çıkışın olduğu haberleşme sistemleri, uzayda verici ile alıcı arasına yeni kanallar ekleyerek çok yollu sönümleme etkilerini azaltırlar. Bu kanallar daha az bozulmuş sinyallerin alınması olasılığını artırmada etkin rol oynarlar. Veri hızını arttırmak için bilinen en temel yöntem uzaysal çoğullamadır. Çeşitlemeden farklı olarak uzaysal çoğullamada, hata olasılığını düşürmek birincil hedef olarak düşünülmez. Kanal sığasını olabildiğince arttırmak uzaysal çoğullamanın için en önemli amacıdır. Çeşitleme ve çoğullama hedeflenen hata oranı veya elde edilebilecek bilgi kuramsal sığa limitlerine ulaşmak için kullanılabilir. Hata başarımını arttırmanın bir diğer yolu ise alıcı tarafından kanal bilgisini ya da vericiden veri iletimi için kullanılması istenen verici anten altkümesini göndermektir. Böylece işaret zayıflatması en fazla olan verici antenlere ait kanallar kullanılmayarak, gönderilen işaretler için daha iyi bir iletim yolu sağlayan verici anten/antenler seçilmiş olunur. Bu yönteme verici çeşitlemesi adı verilmektedir. Verici çeşitlemesi ile veri iletimi için güvenilir yol/yollar sağlanmış olunur. En çok kullanılan verici seçim algoritmaları norm tabanlı yöntem, ortak bilgiyi en yükselten yöntem, özdeğer (eigenvalue) tabanlı yöntem, kanal sığasını en çok arttıran yöntem, adım adım eleme yöntemi, genetik algoritma ile seçim ve hızlı seçim algoritmalarıdır. Anten seçimi için geri besleme verisi şarttır. Bunun için kanal öğrenimi yapılmaktadır. Kanal davranışına göre, kazanç matrisinin elemanları Gauss, Rayleigh, Nakagami, Weibull olasılık dağılımlarından birisi olabilir. Bir çerçeve her verici antenden ardışık zamanlarda gönderilen pilot simgeler ve gönderilmesi planlanan verinin toplamından oluşmaktadır. Son verici antenin pilot işaretini göndermesinden sonra seçilmiş verici anten/antenlerden verinin gönderilmesi işlemine başlanır. Kanal öğrenme süreci sistemin kod çözme karmaşıklığını arttırmaz çünkü gönderilmek istenen veri, kanal bilgileri edinildikten sonra gönderilmektedir. Doğrusal saçılım kodları (linear dispersion codes, LDC) her sayıda verici ve alıcı anten sayısı yapılandırmasıyla çalışan sabit hızlı bir kod planıdır. Doğrusal saçılmış iletim matrisi, simgeleri uzay ve zamanda saçılıma uğratan saçılım matrisleri ile belirlenmektedir. İyi tasarlanmış ve sığayı en iyi şekilde optimize eden doğrusal saçılım kodları, oldukça iyi bir hata başarımı sergilerler. Doğrusal saçılım kodları iletilen ve alınan işaretlerin karşılıklı bilgi miktarını en yükseltecek şekilde tasarlanmışlardır. Saçılım matrislerindeki doğrusallık, kod çözme karmaşıklığını azaltmaktadır. Tasarım kıstaslarında verildiği üzere bağımsızlık derecesinin arttırılması ile beraber karşılıklı bilgi miktarı en yükseltmek mümkün olmuştur. Doğrusal saçılım kodlarının kod çözme işleminde, alınan sinyaller gerçel ve sanal kısımlarına ayrılırlar. Daha sonra kanal kazancı matrisi ve saçılım matrislerinin bilinmesi ile oluşturulan eşdeğer kanal kazancı matrisi ile eşdeğer kanal kazancı matrisini bilen alıcı tarafından basitçe çözülebilirler. Kanal durumuna göre veri hızı uyarlaması için anten başına hız kontrolü (per-antenna rate control, PARC) yöntemi ortaya çıkmıştır. Bu yöntem geri besleme ile vericiye gönderilen kanal kalite göstergelerinden (channel quality indicators, CQI) yararlanarak modülasyon ve kodlama yapısı seçilmektedir. Böylece farklı işaret kümesi ve kodlama yapısıyla farklı veri hızları sağlanacaktır. Kanal zayıflatması fazla olduğu zaman 4-QAM gibi düşük işaret kümesine sahip modülasyon tipi daha iyi hata başarımı sağlayacaktır. İşaret kümesinin yüksek sayıda olduğu 128-QAM ve 256-QAM gibi modülasyon tipleri kanal koşullarını daha elverişli olduğu durumlarda kullanılabilmektedir. Buna göre uyarlanabilir sistemlerde, tek hızlı sistemlere göre hız değişimleri olmaktadır. Daha sonra verici anten seçimi tekniğinin PARC ile bütünleştirilmesi ile beraber seçmeli anten başına hız kontrolü (selective per-antenna rate control, S-PARC) ortaya çıkmıştır. Anten seçimi ile pahalı RF zincirlerinin sayısı sabit tutularak daha iyi hata başarımları elde edilmiştir. Bu çalışmada PARC ve S-PARC yöntemleri doğrusal saçılım kodlarında uygulanmak üzere simge başına hız kontrolü (per symbol rate control, PSRC) ve seçmeli simge başına hız kontrolü (selective per symbol rate control, S-PSRC) haline getirilmiştir. Daha sonra bu teknikler doğrusal saçılım kodları ile kullanılarak benzetimler ve karşılaştırmalar yapılmıştır. PARC ve S-PARC yöntemlerinin doğrusal uzay-zaman kodlarında kullanılamamasının nedeni farklı zamanlarda gönderilen aynı simgenin farklı modülasyon tipinden seçilememesinden dolayıdır. Önerilen yöntemlerdeki modülasyon seçimi ile gerçeklenen hız kontrolü her antenden farklı olmak yerine aynı simge için aynı işaret kümesinden olacak şekildedir. Yöntem öncelikli olarak alıcıdan gönderilen geri beslemeyi kullanarak iletimde kullanılacak verici antenleri belirler. Aynı zamanda geri besleme ile hedef hata başarımı için kanaldan en yüksek verimi alacak şekilde işaret kümesi seçimi yapılarak iletim hızı kontrolü sağlanır. Seçimde kullanılan gerekli modülasyon yapısı tablosunun edinimi hedeflenen %10 BLER için üretilmiştir. Bu çalışmada MISO ve MIMO haberleşme sistemi için LDC yapıları kullanılarak PSRC ve S-PSRC yöntemleri incelenmiştir. Araştırma, inceleme ve benzetimlerin ardından gerekli yorumlamalar yapılmıştır.

Title

A STUDY OF SELECTIVE PER-SYMBOL RATE CONTROL (S-PSRC) ON LINEAR SPACE-TIME CODES

Abstract

One of the most significant problems in the era of modern communication systems is due to the multi-path fading effects causing reduction in the bit error rate performance in low signal-to-noise ratio regimes. This problem increases the need for methods for reliable error-resilient data streams. Since error in transmission requires retransmitting, namely resending each of the data streams which have already sent before, it is simply wasting of the system resources unnecessarily. This waste affects the overall system performance in a negative manner, degrading the overall system performance. The demand for network-based or internet-based broadband multimedia applications is increasing all around the globe day by day. This crowded cloud environment also, leads to an absolute need for sky rocketed data rates in a reliable way. Revising methods to offer such system level requirements is a must and a challenge for telecommunication scientists considering the effects of internal and external noise. The current status of the national and international shared frequency distribution, limits the available frequency spectrum. Effective communication methods such as diversity are used to further improve bit error rate performance on the communication systems. As a very helpful procedure, diversity technique could be applied on space, time, or the frequency. Identical copy/copies of symbols are being sent in other time slots for time diversity in this study. Antenna diversity is a very well known effective technique using SIMO (single-input multiple-output), MISO (multiple-input single-output) or MIMO (multiple-input multiple-output) communication systems instead of a SISO (single-input single-output) communication system. Multi-path fading effects are reduced by introducing new channels between transmitter and receiver in space. Those channels are there to promote the probability of getting much less disturbed transmitted signals. The most common method to increase data rate is spatial multiplexing. In spatial multiplexing, as opposed to diversity, the bit error rate performance is not considered as the primary objective. Increasing channel capacity is all that matters for spatial multiplexing. Independent symbols are sent from each transmit antenna. Diversity and multiplexing can be designed to target either having the better bit error rate performance or the highest multiple-input multiple-output theoretical capacity limits. Another way to increase the error performance of the communication system is sending the channel information or a subset of the optimum transmit antenna/antennas selection preference to be used for data transmission by the transmitter. Thanks to this method, an avoidance mechanism is formed by not using the transmitter antennas displaying the maximum attenuation on the way to the receiver. This method is called transmit diversity. Selection of transmitting antennas leads to lesser attenuation on signaling level providing a reliable path for transmission. Among all others, norm based method, maximizing mutual information method, eigenvalue based method, maximizing channel capacity method, step-by-step elimination method, genetic algoritmic selection method and fast antenna selection algoritms are the most commonly used ones. To take advantage of these methods, channel learning is essentially and the most fundamentally needed. Communication channels are to be inspected very well while generating channel modeling. Channel modeling is extremely important especially on planning RF (radio frequency) based communication systems. The entries of channel gain matrix could be Gaussian, Rayleigh, Nakagami, Weibull distribution depending on the channel behaviour. A frame is a combination of pilot signals from each transmit antenna lagging by the actual data. When the last transmit antenna sends its related pilot symbol, channel learning is considered to be completed. As it can be easily understood, all this channel learning process never adds decoding complexity on receiver side owing to transmission of actual data after completely learning all channel gain elements between transmitter and receiver. Linear dispersion codes are considered to be single-rate codes which are able to work with any configuration of transmit and receive antennas. Linearly dispersed transmission matrix consists of symbols whose space-time spread is determined by the dispersion matrices. A well-designed linear dispersion code fits successfully to achieve a very good error performance over a wide range of signal-to-noise ratio. Linear dispersion codes are to be designed to optimize mutual information between received and transmitted signals. Linear structure reduces decoding complexity. As explained in design criterion, increased degree of freedom enables transmission matrices to reach maximum mutual information. In decoding process, received signals are decomposed into real and imaginary parts and they are decoded individually by using equivalent channel matrices that is known by the receiver’s decoder. To adapt the data rate for channel conditions, PARC (per-antenna rate control) is introduced using adaptive modulation and coding schemes by simply checking CQI (channel quality indicators) provided by the feedback mechanism. If channel attenuation levels are high, reduced constellation dimension such as 4-QAM displays such good bit error rate performance. On the other hand, high-level constellations such as 128-QAM and 256-QAM can be used when channel conditions are much more favorable. As a result of having adjustable data rate between codewords, an average data rate is considered in per-antenna rate controlled communication systems as opposed to single-rate communication systems. Thereafter, transmit antenna selection is integrated into the PARC systems. Integrated transmit antenna selection and PARC are then called S-PARC (selective per-antenna rate control). Thus, by fixing the number of required RF chains and at the same cost, much better error performance results are provided. In this study, feasibility of applying PARC and S-PARC on linear space-time codes is investigated and PARC and S-PARC are applied on linear dispersion codes as PSRC (per symbol rate control) and S-PSRC (selective per symbol rate control). That is due to the fact that symbols are dispersed across antennas having fixed constellation size. PSRC and S-PSRC enables the same symbol to be modulated by the same constellation size all over space-time code. Alternative methods are selecting the same constellation size for the same symbol in LDC. Antenna subset is selected using feedback information coming from receiver. After that, antenna subset is selected so that transmit antenna having the highest attenuation are eliminated. Feedback is also used to select constellation size for the same symbol to exploit channels between transmitter and receiver efficiently. MS table is generated for targeted 10% BLER for LDC schemes. PSRC and S-PSRC simulations are conducted using LDC on MISO and MIMO antenna schemes. Comparisons, interpretations on simulations are also given in this study.

Anahtar Kelime

parc, s-parc, uyarlanabilir veri hızı, verici anten seçimi, mimo, doğrusal saçılım kodları

Bilim Kodu

6090207




Sıra No :13571
Üniversite

504091394

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Tayfun AKGÜL

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Öner AYHAN

Başlık

YÜZ ÖZNİTELİK ÇIKARIMI İÇİN GELİŞTİRİLMİŞ AKTİF ŞEKİL MODELİ

Özet

Bu çalışmada yüz öznitelik çıkarımı için yaygın bir şekilde kullanılan Aktif Şekil Modeli (AŞM) yöntemi, üzerinde bir dizi değişikler yapılarak geliştirilmiştir. Daha iyi başlangıç şekilleri oluşturmak için göz bebek noktalarına dayalı bir algoritma önerilmiştir. Değişken ışıklandırma koşullarının AŞM performansı üzerindeki etkisini azaltmak için, imgeleri ışıklandırmadan arındırma yoluna gidilmiştir. Nirengi noktaları (bir şekli oluşturan noktalar) etrafındaki görünümü tanımlayan profiller klasik AŞM de 1-boyutludur. AŞM-tabanlı yaklaşımlardan biri olan Yığılmış Aktif Şekil Modeli (YAŞM) ise 2-boyutlu profiller kullanmaktadır. Fakat 2-boyutlu profiller işlem yükü ve algoritma hızı açısından dezavantajlıdırlar. Dolayısıyla, bu çalışmada çok-doğrultulu profiller kullanılmıştır. Yapılan bu geliştirmelere ilaveten, bazı AŞM parametre değerlerinin (profil boyu gibi) uygun seçimi için bir dizi sınama gerçekleştirilmiştir. Bahsedilen geliştirmelerle önerilen yeni AŞM nin performansını analiz etmek için iki farklı sınama yapılmıştır. İlk sınama, SCface veri setinden seçilen 120 tane homojen ışıklandırmış imgeyle yapılmıştır ve önerilen AŞM nin performansı Klasik AŞM ve YAŞM ile karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, önerilen AŞM nin Klasik AŞM ye göre daha başarılı ve YAŞM ile hemen hemen aynı başarıma sahip olduğunu göstermiştir. İkinci sınama ise değişken ışıklandırma koşullarının etkin olduğu, Yale B veri setinden seçilen 300 imge ile yapılmış ve önerilen AŞM nin performansı YAŞM ile karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, önerilen AŞM nin YAŞM a göre daha başarlı olduğunu göstermektedir.

Title

IMPROVED ACTIVE SHAPE MODEL FOR FACE FEATURE EXTRACTION

Abstract

In this study, some improvements are proposed on Active Shape Model (ASM) which is used for facial feature extraction. Performance of ASM is highly influenced by initialization and variable illumination conditions. To generate better initial shapes, an algorithm which is based on eye pupil locations is used and to overcome the problem of variable illumination conditions, images are neutralized or illumination effects on images are reduced. Multi-directional profiles are also used (Classical ASM uses 1-directional profiles and an ASM-based method Stacked ASM (STASM) uses 2-directional profiles). In addition to above mentioned improvements, a series of tests are made to obtain the values: profile width, image pyramid level, search step, total number of eigenvectors and coefficient to limit shape variations. To analyze the performance of proposed ASM, two different tests are made. Fitting results of proposed method are compared with the results of Classical ASM and Stacked ASM (STASM). The first test is made on 120 homogeneously illuminated, frontal face images chosen from SCface database. Results show that proposed method yields better performance than classical ASM and performs similarly as STASM. Images under variable illumination conditions are used in order to examine performance of proposed ASM when illumination conditions are enabled. For this, Extended Yale B face image database is preferred. Results of 300 images chosen from Extended Yale B database indicate that proposed ASM has better performance than STASM.

Anahtar Kelime

Aktif Şekil Modeli, Yüz öznitelik çıkarımı

Bilim Kodu

609




Sıra No :13589
Üniversite

504091267

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Doç. Dr. Müştak Erhan Yalçın

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Burak Gövem

Başlık

Klonlanamaz Fonksiyonlar ve Yardımcı Bilgiler Kullanılarak Patent Hakları Korunması, Özgün Algoritma ve Donanımın Güvenliğinin Sağlanması

Özet

Sahtecilik, günümüzde tekstilden eczacılık ve elektroniğe, gıda sektöründen marka isimlerine kadar endüstrinin hemen her alanında rastlanılan bir vaka haline gelmiştir. Bu durum şirketleri milyonlarca dolar zararlara uğratmakta ve birçok önemli markanın güvenilirliğini ve saygınlığını sarsmaktadır. Elektronik sektöründe sahtecilik olgusu daha vahim boyutlara ulaşmıştır. Sahte elektronik parça ve yongalara artık hayati önem taşıyan askeri, uzay elektroniği ve tıp elektroniği sektörlerinde bile rastlanmaktadır. Sahtecilik olaylarının bu boyutlara erişmesi sahte elektronik yongalarının tespit edilmesini sağlayacak ekonomik yöntem araştırmalarının hız kazanmasına yol açmaktadır. Elektronik yonga klonlama yöntemlerinden bazıları, istek fazlası üretim, kopyalama ve tersine mühendislik gibi yöntemlerdir. Günümüzde birçok elektronik tasarım ve üretim şirketleri tasarımlarını diğer üretim yapan şirketlere sipariş verebilmekte veya tasarımlarını IP olarak satabilmektedir. Bu türdeki pazar ve üretim gereksinimleri nedeniyle firmalar tasarımlarını paylaşmak durumunda kalmaktadır. Çalıntı tasarımlar bu şekilde ele geçirilebilmektedir. Elektronik tasarımların çalınmasını önlemeye yönelik olarak akla gelebilecek ilk yöntemlerden birisi tasarımların şifrelenerek saklanması olabilir. Şifreleme yöntemi bu tür bir probleme çözüm olabilir ancak şifreleme sistemlerinin anahtar yönetimi etraflıca düşünülmeli ve gizli şifreleme anahtarlarının çalınması riski de ortadan kaldırılmalıdır. Son yıllarda ortaya çıkan fiziksel klonlanamaz fonksiyonlar (PUF) teknolojisi şifreleme anahtarı yönetimi problemine çözüm sunabilmektedir. Üretildiği ortama özgü karakteristik özelliklere bağlı olan PUF verisinin kopyalanması önceden öngörülemeyen ortam parametrelerine bağlı olduğu için pratik olarak mümkün değildir. Elektronik yongalar üzerinde çalışan PUF devrelerinden elde edilen veriler de yongaların üretim süreçlerindeki engellenemeyen idealsizliklere bağlı olarak yongaya özgü klonlanamaz bilgiler olacaktır. PUF verisinin yonga üzerinde elde ediliyor olması şifreleme anahtarının taşınması sorununu da çözecektir. PUF verisi yongaya özgü üretim parametrelerine bağlı olduğu gibi çalışılan ortam değişkenlerine de bağlıdır. Devrenin çalıştığı ortamın sıcaklık, gerilim ve radyasyon miktarı gibi fiziksel şartlarındaki değişimler PUF verisinin değişmesine yol açabilmektedir. Bu nedenle PUF verisinin değişmeden tekrar tekrar elde edilebilmesi için ham PUF verisi üzerinde hata düzeltme işlemleri yapılmalıdır. Esnek tasarım imkanı sunmaları nedeniyle gün geçtikçe daha çok kullanım alanı bulan sahada programlanabilir kapı dizileri (FPGA) bu çalışmada da tercih edilmiştir. FPGA ların son yıllarda sahip oldukları özelliklerden birkaçı, otomatik yeniden yapılandırma ve kısmi yapılandırmadır (PR). Bu çalışmada PR özelliği, gerçeklenmek istenen güvenlik sisteminin otomatik olarak çalıştırılıp üretim süreçlerine uygun bir tasarım olması amacıyla kullanılmıştır. Literatürde bulunan PUF çeşitlerinden, FPGA ortamı için uygun bulunan halka osilatör (RO) tabanlı PUF bu çalışmada şifreleme algoritmasının anahtar verisini üretmek için kullanılmıştır. Şifreleme algoritması olarak, sıkça kullanılan bir standart haline gelmiş Gelişmiş Şifreleme Standardı (AES) tercih edilmiştir. Bu algoritmanın çalışma kipi olarak da paralelleştirmeye uygun olan ve kimlik doğrulama algoritması olarak da işlev gören Galois Sayaç Kipi (GCM) kullanılmıştır.

Title

Protection of Patent Rights, Maintenance of Original Algorithm and Hardware Security Using Physical Unclonable Functions and Helper Data

Abstract

Counterfeiting is encountered among almost every branch of industry, from pharmacy to electronics, from food to brand names. The increasing trend in counterfeiting damages many company economically and reduce their reliability and status. The current state in counterfeiting is more destructive nowadays. Counterfeit electronic components and chips can be found at even military and space electronics and medical electronics industry. These serious advance of counterfeiting accelerate the research in the field of detecting counterfeit products economically. Some methods of counterfeiting electronic chips are overproduction, cloning and reverse engineering. Todays, many fabless electronic design companies make their products to other companies or many of them sell their designs as electronic IPs to other electronic design companies. In such cases, companies can be obliged to share their designs with other companies. Counterfeit designs emerge in such a way. The basic solution against counterfeiting in electronics industry is ciphering electronic IP designs. However, key management is another problem that is to be handled and the risk of the key to be stolen must be eliminated. Physical Unclonable Functions (PUF) technology that has been developing in recent years can solve the key storage problem of cryptographic systems. PUF data depends on the static environment parameters that is unavoidable and non-deterministic. As a result, PUF data cannot be cloned practically. PUF circuits on chips rely on the non-ideal nature of process technology (doping differences etc.). Such as, mathematically equivalent timing delay paths on the chip, actually are not equivalent, have a slight difference. These slight differences can be gathered and result in a measurable delay. These delay differences are expected to vary for identical chips and then each chip has its own characteristic PUF data. Extracting PUF data on chip also solves the key transmission problem. In the literature, several PUF circuit types are available, for example Anderson, butterfly, arbiter and ring oscillator (RO) PUFs are well-known. RO-PUF is used in this work. RO-PUF is suitable for FPGA implementations. RO-PUF consists of RO pairs. One bit PUF output is the sign of the difference of the frequency of these two identical ROs. RO pairs must have identical path delays. So the difference is controlled with the characteristics of the chip. On the other hand, PUF circuits are affected by environmental conditions. For instance, voltage and temperature fluctuations, radiation can change PUF output result from measurement to measurement. This fact causes unreliable PUF outputs and this means cryptographic key cannot be extracted truly on every creation. The reliability problem have to be solved to get a consistent cryptographic key. Error correction codes can be used to stabilize fluctuating PUF data. These error correction codes are generally collect statistical data of PUF output, then raw PUF output is post-processed according to the calculation results of statistical data. In this manner, an error correction code called labeling technique is used in this work. Labeling technique needs to collect statistical data about PUF outputs for different environmental conditions and for different chips. According to statistical data, each PUF circuit is labeled with a binary number and PUF output is evaluated after measurement according to label. Also, this label does not reveal PUF output. FPGAs are ubiquitous for especially last decade thanks to their flexibility. In this work, FPGAs are used especially for their reconfigurability utilities. FPGAs are known as further behind the performance of ASIC designs. However depending on the developments in IC design and production technology FPGAs are closing the performance gaps between their ASIC rivals. FPGAs also have many new features in those days, partial reconfiguration is an example of these features. Partial reconfiguration (PR) utility is going to be a common standard for new generation FPGAs. Xilinx Virtex series and new 7 series FPGAs have this PR feature. PR enables exchanging hardware designs in the time domain. In dynamic partial reconfiguration (DPR), rest of the FPGA continues to work, when partial region is reconfiguring. As a result, area and power can be reduced dramatically with programming separately working designs partially. PR is necessary for this work to automate authentication process. In every power-up of FPGA, before loading actual design, authentication check design deciphers ciphered bitstream of the actual design and if it passes authentication check then deciphered bitstream is loaded on the FPGA otherwise authentication fails and deciphered data is erased, it is not loaded on the FPGA. In this work, Advanced Encryption Standard (AES) which is a common encryption standard is used as crypto algorithm. AES is used with Galois Counter Mode (GCM) of operation. GCM is a highly parallelable mode of operation which is very suitable for hardware implementations. GCM provides both message confidentiality and authenticity. FPGA bitstream is very sensitive to bit errors, even one bit error can destroy reconfiguration, and also FPGA can be damaged. Therefore, some kind of checksum algorithm have to be used to ensure the error-free bitstream. Authentication feature of GCM also fulfills the checksum task. Non-volatile memory is used to store bitstreams of the FPGA designs. A BPI PROM on Xilinx ML 505 board is used as non-volatile memory. PROM contains a full bitstream with authentication check design and a partial encrypted bitstream contains ciphered actual design. Full bitstream also called golden design contains a PROM reader module to get partial ciphered bitstream into FPGA. Partial bitstream is deciphered and also authentication check is calculated in parallel. Deciphered bitstream have to be stored in FPGA due to authentication check lasts till the end of deciphering process. At the end of the authentication check, deciphered bitstream is needed if it passes the authentication check for loading on the FPGA. FPGA has limited internal buffer. All partial bitstream cannot be stored on the FPGA. Therefore, partial bitstream is deciphered as constant size of blocks (2048 block for this application). Every block has its own authentication check and authentication tag stored on BPI PROM. If calculated tag in the FPGA matches the retrieved tag from PROM block passes authentication check and buffered bitstream is sent to reconfiguration controller module to load it through Internal Configuration Access Port (ICAP). Reconfiguration process is handled with ICAP primitive on FPGA. Reconfiguration process is controlled with user logic called reconfiguration controller module. Since functionality of the PR is important for this work, simple partial modules are used to test the designed system. Switches are used as input and leds are used for output of the PRMs. Input signals are given to EXOR or AND logic gates depending on a select input signal at one PRM, other PRM uses EXNOR or OR logic operations depending on the select input. Piezo audio transducer is also used in the static design to check the operability of the static modules during PR process. During reconfiguration piezo transducer continues playing beep and after a short PR process time output leds are driven by second PRM.

Anahtar Kelime

FPGA, fiziksel klonlanamaz fonksiyon, dinamik kısmi yeniden yapılandırma, AES-GCM

Bilim Kodu

0




Sıra No :13609
Üniversite

504101407

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Biyomedikal Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. Sedef KENT

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Mustafa İSTANBULLU

Başlık

YAPAY SİNİR AĞLARI VE DESTEK VEKTÖR MAKİNELERİ İLE KEMİK ERİMESİNİN TEŞHİSİ

Özet

Büyük bir hızla süren bilimsel ve teknolojik ilerlemeler tıp sektörüne de yansımış ve bunun sonucu olarak ileri teknoloji ürünü tıbbi cihazlar üretilmeye başlamıştır. Bu cihazlar, hastalıkların teşhisinde ve tedavi sürecinin yönetilmesi konusunda doktorlar tarafından yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Tıbbi görüntüleme sistemleri arasında yer alan ve vücuttan geçen X-ışınının ölçülmesi esasına dayanan bilgisayarlı tomografi cihazı; vücudun herhangi bir bölgesinin kesit görüntüsünü oluşturma kabiliyetine sahiptir. Yüksek konumsal çözünürlüğe ve doku kontrastına sahip olması sebebiyle doktorlar tarafından sıklıkla tercih edilen bir yöntem olmuştur. Bilgisayarlı tomografi cihazı, yapısı ve çalışma prensibi itibariyle kemikli dokuların incelenmesinde, yumuşak dokulara oranla daha başarılıdır. Dünya sağlık örgütünün yaptığı tanımlamaya göre kemik erimesi (aşırı kemik gözenekliliği), kemik mineral yoğunluğu azalmış ve mikromimarisi bozulmuş bir kemik hastalığıdır. Son yıllarda osteoporotik çatlama ve kırıklar toplum sağlığını tehdit eden en önemli problemlerden biri haline gelmiştir. 50 yaş ve üzerindeki kadınların menopoz sonrası dönemde bu sorunla karşılaşma oranları %30 seviyesinin üzerine çıkmaktadır. Kemik erimesi hastalığı için erken teşhis çok önemlidir. Eğer zamanında müdahale edilip tedavi aşamasına geçilmezse, hasta dokularda çatlaklara ve hatta kırıklara yol açmaktadır. Bu tez çalışmasında, bahsedilen sorunlardan esinlenerek, bilgisayarlı tomografi görüntüleri üzerinden örüntü tanıma yöntemi ile kemik erimesi olan hasta dokuların sağlıklı dokulardan ayırt edilmesi amaçlanmıştır. Çalışmanın ana yapısında dalgacık dönüşümünden faydalanılarak öznitelikler elde edilmiştir. Temel bileşen analizi yardımıyla öznitelik sayısı azaltılmış, örüntü tanımlayarak hasta olabilecek kemik dokusu ile sağlıklı kemik dokusunu sınıflandırabilmek için yapay sinir ağları ve destek vektör makineleri yöntemlerinden faydalanılmıştır. Sonuç olarak biyomedikal alanda yapılan çeşitli çalışmalarda sıkça kullanılan bu iki yöntemin başarısı karşılaştırılmış ve yapay sinir ağları ile yapılan sınıflandırmada %86 başarıyla erken dönem görüntülerine osteoporoz teşhisi konulabilmiştir. Destek vektör makineleri ile gerçekleştirilen sınıflandırmada ise doğruluk yüzdesi artırılarak %92.5 doğrulukta teşhis konulabilmektedir. Bu çalışmanın sonucunda alınmış olan başarılı sonuçlar kemik erimesi teşhisi için önemli bir katkı sağlamaktadır. 1. bölümde, çalışmanın amacı anlatılmış ve bu alanda yapılmış olan benzer çalışmalar incelenmiştir. 2. bölümde, tıpta kullanılan görüntüleme sistemlerinden kısaca bahsedilmiştir. Ayrıca bilgisayarlı tomografi sisteminin çalışma prensipleri detaylı olarak açıklanmış, kullanım alanları ve biyolojik etkilerine yer verilmiştir. 3. bölümde, kemik erimesi hastalığı üzerinde durulmuş, teşhiste kullanılan yöntemler ve konuyla ilgili bazı mühendislik problemleri detaylı olarak incelenmiştir. 4. bölüm tez çalışması kapsamında kullanılan yöntemlerin incelenmesinden oluşmuştur. Kullanılan veri setinden ve bazı ön işleme yöntemlerinden bahsedilmiş, dalgacık dönüşümü, temel bileşen analizi, yapay sinir ağları ve destek vektör makineleri detaylı olarak anlatılmıştır. 5. bölümde her iki yöntem kullanılarak elde edilmiş olan sonuçlar gösterilmiş ve son bölümde ise tüm sonuçlar yorumlanarak ilerde yapılması planlanan çalışmalardan bahsedilmiştir.

Title

DIAGNOSIS OF OSTEOPOROSIS USING ARTIFICIAL NEURAL NETWORKS AND SUPPORT VECTOR MACHINES

Abstract

Technology and science develop rapidly and reflect themselves also in medical sector. Advanced technological medical devices are being produced following this. These devices are used widely by doctors in the diagnostic phase and during the management of treatment period. Computerized tomography device ranked among the medical imaging systems and based on the assessment of X-rays passing through body, has the capability of generating cross-sectional image of a part of the body. Due to its high spatial resolution and tissue contrast, it has become a frequently-preferred method among doctors. Computerized tomography device due to the nature of its structure and functioning principles is more successful in examination of bone tissues than soft tissues. According to World Health Organization, osteoporosis has been defined as a disease characterized by low bone mass and microarchitectural alterations of bone tissue, leading to enhanced bone fragility and consequent increase in fracture risk. In recent years, osteoporotic fractures or breaks have become one of the leading problems that threaten the health of society. Postmenopausal osteoporosis rate exceed 30 percent among females at the age of 50 and above. Early diagnosis is very important in osteoporosis. For beginning osteoporosis, bone loss can be slowed or prevented. A diet rich in calcium and vitamin D, or dietary supplements thereof, reduce risk of osteopenia and osteoporosis and strength-building exercise stimulates bone formation. If it is not treated or put under treatment in time, it causes cracks and even fractures in tissues with the disease. The primary goal of the diagnostic procedures is to assess the degree of bone loss for a decision on possible treatment. Whereas calcium and vitamin D supplementation are widely recommended, the type and vigorousness of a possible exercise regimen strongly depends on the degree of bone deterioration. The use of drugs also depends on the diagnosis. In advanced stages of bone deterioration it is, therefore, crucial to establish the individual fracture risk. The most common method of assessing bone strength is to monitor loss of bone mass by bone mineral densitometry. However, bone mineral densitometry is not the only factor involved in bone fragility and, therefore, in the individual risk of fracture. Indeed, considerable overlap occurs between bone mineral density values in patients with and without fractures. Other factors that influence bone strength include the bone turnover rate, bone microarchitecture, bone mass distribution, microlesion accumulation, bone crystal quality, collagen fiber quality, the degree of mineralization, and trabecular microarchitecture. The focus of recent research has been three-pronged. On the treatment side, scientists are striving to understand the cellular mechanisms that determine the balance between bone-resorbing cells (osteoclasts) and bone-forming cells (osteoblasts), with the long-term goal to influence this balance in favor of bone formation. On the diagnostic side, researchers are striving to obtain information about the bone microarchitecture, because the combined measurement of bone density and microstructural parameters promise to improve the prediction of the fracture load and therefore the individual fracture risk. Finally, basic research efforts are aimed at understanding the complex biomechanical behavior of bone. In all three cases, imaging methods play a central role. There is wide agreement that the averaging nature of the density measurement does not take into account the microarchitectural deterioration, and imaging methods that provide a prediction of the load-bearing quality of the trabecular network are actively investigated. Studies have shown that X-ray projection images, computed tomography (CT) images, and magnetic resonance images (MRI) contain texture information that relates to the trabecular density and connectivity. In this study, it is aimed to distinguish between healthy tissues and diseased tissues with osteoporosis through pattern recognition method using computerized tomography images taken from Orleans Hospital. 39 women as controls aged 67.9±9.87 standard deviation and 41 osteoporotic fractures cases aged 74±10.81 standard deviation wewre enrolled in the study. All the patiens filled out an osteoporosis risk questionnaire that included: age, personal and familial history of fracture, tobacco (yes or no), alcohol (yes or no), menopausal status, use of hormonal replacement therapy. Images were obtained on calcaneus with a direct digital computerized tomography devie. The devices for the study were cross-calibrated. Focal distance was settled at 1.15 meters. X-ray parameters were 55kV and 20mAs for all patients. Scanning the heel permitted the selection of a similar measurement site (ROI) for each subject by using anatomical landmarks. These anatomical landmarks were localized by a physician, allowing a positioning of the region of interest 1.6x1.6 cm2. The technique consist in four stages procedure. First, a high pass special frequency filter is applied to keep the essential information of the texture. The second step is the quantization of the gray level texture from 256 to 16 gray levels. In the main structure of study, image features were obtained through employment of wavelet transform. Mean and variance values of horizontal, vertical and diagonal directions are defined as features. The number of features is decreased from 6 to 2 by employing principle component analysis for each image. In the last step different models of classification are applied and compared with each other. Artificial Neural Networks and Support Vector Machines methods are used to classify healthy bone tissues and possible diseased bone tissues by pattern recognition. For artificial neural network classification, multilayer perceptron as structure and feed forward backpropagation algorithm as training method is used. As a result, the success level of these two methods which are frequently employed in various studies in biomedical field, was compared. Diagnosis of osteoporosis under the classification done with artificial neural networks was realized with the success rate of % 86 in early period images. Support vector machines also proved % 92.5 success rate in correct diagnosis of the disease. The successful results obtained in this study, provide important contributions to the diagnosis of osteoporosis. In the first chapter, the purpose of the study is explained and the similar studies conducted in this field are presented. In the second chapter, imaging systems employed in medicine are briefly described and operation principles of computerized tomography system are explained in detail and also areas of its use and biological effects are included. In the third part, osteoporosis is given special attention. Some engineering problems concerning this issue and some other methods used in diagnosis are examined in detail. In the fourth chapter of the thesis, methods used in this dissertation are examined. Dataset and some pre-process methods together with Wavelet Transform, Principal Component Analysis, Artificial Neural Networks and Support Vector Machines are explained in detail. In the fifth section, all the results obtained through use of both methods are presented. And in the last part includes interpretation of all findings and explanation of planned future studies.

Anahtar Kelime

kemik erimesi, yapay sinir ağları, destek vektör makineleri, temel bileşen analizi, dalgacık dönüşümü

Bilim Kodu

0




Sıra No :13616
Üniversite

504101225

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Doç.Dr.Mürver KIRCI

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Ümit KAÇAR

Başlık

ARM TABANLI GÖMÜLÜ SİSTEMLERDE KULAK TANIMA SİSTEMİNİN GERÇEKLENMESİ

Özet

Günümüzde teknolojinin gelişmesi ile beraber biyometrik sistemler önem kazanmıştır. Şifre, pin gibi insanın unutabileceği ve çalınması kolay güvenlik sistemlerin yerini yavaş yavaş biyometrik sistemler almaya başlamıştır. Parmak, iris, avuç içi ve yüz gibi birçok biyometrik sistem üzerinde çalışmalar yapılmıştır. Özellikle son zamanlarda temassız biyometrik sistemlerin önemi daha fazla artmıştır. Temassız biyometrik sistem olan yüzün jest, mimik, makyaj vb. sebeplerden dolayı değişikliğe uğraması tanıma oranını azaltmaktadır. Bu sebeple başka bir temassız tanıma sistemi olan kulak tanıma sistemi ön plana çıkmaya başlamıştır. Kulağın yüze göre düşük uzaysal çözünürlüğe sahip olması, renk dağılımın daha düzenli olması, ışık değişimine göre daha az etkilenmesi, arka plan görüntüsünün belli olması ve jest, mimik, makyaj vb. sebeplerden dolayı değişikliğe uğramaması gibi üstünlükleri vardır. Kulak tanıma sistemleri için bilgisayar ortamında birçok algoritma geliştirilmiş ve başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Ancak gömülü sistemde gerçekleştirilen kulak tanıma sistemi çok azdır. Bu tez çalışmasında kulak tanıma sistemi, görüntü işleme için kullanılan diğer gömülü sistemlere göre daha küçük hafıza ve daha yavaş işlemci hızına sahip olan ARM tabanlı STM32 Cortex-M4 mikromedia kartı ile gerçekleştirilmiştir. Kartın avuç içine sığacak kadar küçük olması, kullanıcı için arayüz oluşturabilme özelliği, düşük güç tüketimi, dokunmatik ekrana sahip olması ve prototip bir yapıda olması ticari uygulamalar için de ideal bir durum sağlamıştır. Kulak tanıma sistemi için PCA ve DCVA olmak üzere iki yöntem kullanılmış ve birbirleri ile karşılaştırılmıştır. Bu yöntemlerin gömülü sistemlerde gerçeklenmesi için en önemli problem özdeğer ve özvektör çözümüdür. Bunun için de Jacobi ve QR olmak üzere iki algoritma kullanılmıştır. Jacobi algoritmasının QR algoritmasından daha hızlı ve doğru bir şekilde özdeğer ve özvektör problemini çözdüğü gösterilmiştir. Yöntemlerin karşılaştırılması önce Matlab programında yapılmış sonra diğerine göre daha iyi yöntem olan Jacobi algoritması kullanarak PCA ve DCVA uygulaması gömülü sistemde gerçekleştirilmiştir. Test sonuçlarında Matlab programı ile bulunan değerlere çok yakın değerler bulunmuştur. Böylece sistemin doğruluğu da gösterilmiştir. Ayrıca gömülü sistemde gerçekleştirilen kulak tanıma sistemi gerçek kulak görüntüsü ile test edilmiş ve sistemin başarılı sonuçlar verdiği görülmüştür.

Title

REALIZING OF EAR RECOGNITION SYSTEM WITH ARM BASED ON EMBEDDED SYSTEM

Abstract

Biometrics is an automated recognition of individuals based on their behavioral and biological characteristics. A biometric characteristic is a biological or behavioral property of an individual that can be measured and from which distinguishing, repeatable biometric features can be extracted for the purpose of automated recognition of individuals. Nowadays, biometric systems gained importance, together with the increasing technology. Biometrics systems are best alternative to old-fashioned systems which use passwords to verification, because it is possible to encounter the problems such as forgotten passwords or unauthenticated attempts. There has been numerous studies on biometric systems such as finger, palm print/vein, iris and face recognition. There are several advantages and disadvantages of each biometric system. It is one of the most important criteria in design of a biometrics system that our system should realise the difference of an authorised and unauthorised attempts in an optimal way. With the rapid advancement of the technology, production costs in electronic manufacture have fallen and it could be said that prices in sensors and other electronics equipments reached to an equilibrium level. However, the imaging equipments which are used in retina and iris recognition systems are still fairly expensive. On the other hand, systems which are based on face and ear recognition do not necessitate person’s contact with any kind of sensors, they are so called “contactless” and do not cause hesitation by users. For these reasons, face and ear biometrics are more preferable to other methods. Biometric accuracy of face recognition systems could be affected by the deformation by gesture, mimics or makeup. Ear recognition systems do not have these drawbacks. Looking into face and ear recognition systems, it is clear to see that ear recognition has a superiority in terms of spatial resolution, uniform color distribution, robust to luminance, constant and clear backgroud, and being nonsensitive to the factors such as gesture, mimics, and makeup. Ear biometric is one of the biometrics that changes the least. Ear images are not affected by emotional expression, illumination, aging, pose, and alike. Because of its static structure, easy collection of the data, and the small dimension of the ear image, The most important study on ear biometric field was made by Iannarelli in 1989. He conducted a comprehensive research using about 10,000 ears which are chosen arbitrarily. He concluded that ear has a distinctive shape in each person. In this research, he defined 12 different measurements to use ear in classification tasks. After that, Burge and Burger proposed that ear can be used as biometric feature. Burge and Burger realized that Iannarelli System is not suitable for machine vision applications. Because it is hard to align the image correctly and localize the first anatomical point. If the first point is not located correctly, the system fails and the measurements change. So, Iannarelli System is not suitable for realizing as an embedded system. There have been many algorithms which are applied to ear recognition tasks and evaluated in comparison with each other. However, these studies are restricted to computer applications and there exists only a few embedded implementations of an ear recognition system. In this work, we prefered ARM-based “STM32 Cortex-M4” micromedia card, even if it has scarse memory and slow processing speed in comparison with other commercial ARM-based boards which can be used for image processing purposes. The reasons why we used this card are that its size is comperatively small, it is easy to build interfaces for our application. Besides, low power consumption, touch screen, and its being in a prototype structure are other reasons which make this board preferable for our application. Two algorithms, Principal Component Analysis (PCA) and Discriminative Common Vectors Approach (DCVA), are used for ear recognition purposes, and the performance of these two algorithms are evaluated. PCA depends on eigenvector method designed to model linear variations in high dimensional data. PCA can be expressed as the oldest statistical tool to analyse the multivariable datasets and also to reduce dimension of dataset. One can also present the patterns of data like the way of their similarities or differences. DCVA is proposed to extract the common vectors of the classes in a training set by eliminating the differences of the samples in each class. A common vector for each individual class is obtained by removing all the features that are in the direction of the eigenvectors corresponding to the nonzero eigenvalues of the scatter matrix of its own class. The most important problem is finding eigenvalue and eigenvector to be able to realize these algorithms on embedded systems. In order to solve this problem, Jacobi and QR algorithms are used. Jacobi iteration method is thought to be the easiest algorithm to find the eigenpairs of a real symmetric matrix. In this algorithm, it is guaranteed that there will be a unique solution for all real symmetric matrices under the condition no zero element on the main diagonal of the matrix. The QR algorithm is one of the best known method to find the eigenpairs of a matrix. QR algorithm still maintains the throne of the solution of non-symmetric matrix. However, this situation can not be said for the symmetric matrix. QR algorithm is also dependent on the QR decomposition. Gram-Schmidt and modified Gram-Schmidt for QR decomposition, two methods have been proposed. The classical Gram Schmidt algorithm can be called as a projection and normalization method. Modified Gram Schmidt (variant of Schwarz-Rutishauser) is more stable than classical method, especially, when the matrix is ill-conditioned. It is proved that Jacobi algorithm is faster and more accurate than QR algorithm to solve the eigenvalue and eigenvector problem. The comparison of these methods fırst performed on Matlab, after that Jacobi algorithm which is better one is implemented on embedded systems by performing PCA and DVCA. The test results of embedded systems are very close the results of Matlab. Thus, the accuracy of the system is proved. In DCVA, Classical Gram-Schmidt method is proved to be numerically unstable again. However, the norm of error did not affect the recognition rate. As a result, ear recognition system is able to tolerate the numerical errors. In addition to that, the ear recognition system was tested with real ear images. uCAM-TTL camera module were used for this. The connection between the camera and micromedia card provided with UART communication. However, the actual image of the ear should be in a bright environment. Because the PCA and DCVA methods are sensitive to the dark environment. Besides, the ear of person should be properly directed to camera. Exposure shift could cause inaccuracy in our results. After tackling this undesirable issue, the recognition rate of our designed system is quite good.

Anahtar Kelime

Temel bileşenler analizi, Gömülü sistemler, Kulak Tanıma, Ayırt Edici Ortak Vektör Yaklaşımı, Jacobi Algoritması, QR Algoritması, ARM Tabanlı, STM32 Cortex-M4, PCA, DCVA

Bilim Kodu

6090100




Sıra No :13663
Üniversite

504101201

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

HULUSİ HAKAN KUNTMAN

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

ARDA GÜNEY

Başlık

ANALOG SİNYAL İŞLEME İÇİN YENİ ALTERNATİF ELEMANLARIN CMOS GERÇEKLEMESİ VE UYGULAMALARI

Özet

Elektronik devre tasarımının önemli ve vazgeçilmez bir yapı grubu olan analog tümdevre yapı bloklarının oluşturulmasında, yüksek performanslı çözümler üreten CMOS teknolojisi yaygın olarak kullanılmaktadır. Günümüzde, karışık (sayısal ve analog) sinyal işleyen sistemlerin iç içe çalışmasını sağlayan CMOS teknolojisi ekonomik açıdan da büyük faydalar sağlamaktadır. Son yıllarda, hızlı analog sinyal işleyebilen yeni aktif yapı blokları ile yapılan çalışmalar dikkat çekmektedir. Klasik aktif filtrelerin yanında modern haberleşme sistemlerinin giriş bloklarını oluşturan yüksek doğruluklu süzme, örnekleme ve tutma devreleri, osilatörler vb., bu çalışmaların temelini oluşturmaktadır. Analog işaret işleyen devrelerin tasarımında, akım modlu devre elemanları her geçen gün daha fazla ilgi uyandırmaktadır. Gerilim modlu devrelerle karşılaştırıldığında akım modlu devreler genellikle daha geniş band genişliğine ve daha iyi bir dinamik aralığa sahip olabilmektedir. Bu yüzden çok sayıda akım modlu devre önerilmekte ve gerilim modlu alternatiflerine göre üstün yanları gösterilmektedir. Son zamanlarda, analog işaret işleme için birçok sayıda akım modlu yeni alternatif aktif eleman tanıtılmıştır. Bu tezde üç değişik tip yeni alternatif aktif elemanın CMOS gerçeklemesi sunulmaktadır. Bunlar; z-kopyalı gerilim farkını alan tamponlanmış kuvvetlendirici (ZC-VDBA), z-kopyalı gerilim farkını alan geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (ZC-VDTA) ve z-kopyalı gerilim farkını alan akım taşıyıcı (ZC-VDCC)’dır. Bu yeni aktif elemanlardan ilk ikisi (ZC-VDBA ve ZC-VDTA) literatürde bulunan akım farkını alan tamponlanmış kuvvetlendirici (CDBA) ve akım farkını alan geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisine (CDTA) alternatif olarak, ZC-VDCC ise tamamen yeni bir eleman olarak önerilmiştir. Tezin giriş kısmından sonra yeni alternatif elemanların CMOS iç yapılarını oluşturan temel yapıtaşları ele alınmıştır. Bu yapılar sırasıyla, işlemsel geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (OTA), üçüncü kuşak akım taşıyıcı (CCIII), gerilim tamponu, çift çıkışlı ikinci kuşak akım taşıyıcı (DO-CCII) bloklarıdır. Tezin bu kısmında, temel yapı bloklarına ait bazı genel bilgi ve özellikleri, devre tanım bağıntıları ve CMOS iç yapılarından bahsedilmiştir. İlk olarak CMOS OTA yapıları incelenmiştir. OTA idealde sonsuz giriş ve çıkış empedansına sahip, gerilim kontrollü akım kaynağı özelliği gösteren bir devre elemanıdır. Bu kısımda simetrik OTA, kaskot OTA ve yeniden düzenlenen Arbel-Goldminz çıkış katı olmak üzere üç farklı OTA yapısı incelenmiştir. OTA yapıları yeni alternatif aktif elemanların giriş katlarında kullanılmıştır. Akım taşıyıcılar, akımın çok farklı empedans seviyelerindeki kapılar arasında taşındığı aktif devre elemanları olarak tanımlanabilir. Yeni alternatif aktif elemanların Z terminallerinden akan akımın sezilip, ekstra bir Z kopya (ZC) ucuna aktarılmasında Fabre tarafından önerilen CCIII kullanılmıştır. İki farklı CMOS CCIII yapısına ait matematiksel ifadeler ve temel karakteristikler incelenmiştir. Bu yapılardan ilki temel olarak translineer döngüden oluşan devre yapısıdır. İkinci olarak ise DO-CCII’nin eviren çıkışı Y terminaline kısa devre edilerek gerçeklenen yapıdır. ZC-VDBA’nın çıkış katını oluşturan gerilim tamponu yüksek empedanslı terminalden düşük empedanslı bir çıkış terminali elde edilirken kullanılmıştır. Temelde, farksal kuvvetlendirici ve kaynak izleyici bir geribesleme transistöründen oluşan CMOS yapı bu kısımda incelenmiştir. ZC-VDCC’nin çıkış katında kullanılan DO-CCII yapısı yine bu kısımda incelenmiştir. Bir sonraki aşama olarak, bu alternatif yeni aktif elemanlar baz alınarak oluşturulan tasarım uygulamaları sunulmuştur. İlk olarak ZC-VDBA tabanlı yeni bir akım modlu Kerwin-Huelsman-Newcomb (KHN) süzgeç yapısı önerilmiştir. Merkez frekansı 10 MHz ve kalite faktörü 0.707 olacak şekilde eleman değerleri seçilmiştir. Önerilen süzgeç yapısı, akım modlu giriş ve çıkış uçlarıyla birlikte alçak geçiren, band geçiren ve yüksek geçiren geçiş fonksiyonlarını eş zamanlı sağlamaktadır. Ayrıca süzgecin band geçiren ve alçak geçiren çıkışları ZC uçlarında elde edilmiş olup bağımsız bir yüke aktarılabilmektedir.Tasarlanan süzgeç, iki aktif eleman ve tüm devre tasarımı açısından önem arz eden topraklanmış iki kapasite içermektedir. Aktif ve pasif elemanların kalite faktörü ve açısal frekansa göre duyarlılıkları eşit ve genlik olarak 0.5’tir. Tezde ikinci uygulama olarak, üçüncü dereceden alçak geçiren eliptik süzgeç prototipi, bobin yerine kullanılan yüzen aktif endüktans benzetimi ile gerçeklenmiştir. Aktif endüktans benzetimi ZC-VDTA ve bir adet topraklanmış kapasite ile yapılmıştır. Alçak geçiren süzgecin kesim frekansı 5 MHz olacak şekilde eleman değerleri seçilmiştir. Aktif endüktans benzetimi ile yapılan süzgecin, bobinle kurulan devre ile örtüştüğü faz ve frekans yanıtlarında gözlenmiştir. Son uygulama örneği olarak, gerilim modlu tek-giriş çift-çıkışlı yeni süzgeç yapıları önerilmiştir. Önerilen iki süzgeç yapısı da ZC-VDCC ve dört adet pasif elemandan oluşmaktadır. Önerilen süzgeçlerin kalite faktörü ve açısal frekansları birbirlerini etkilemeden elektronik olarak kontrol edilebilmektedir. Önerilen süzgeç yapılarından ilki, 100 MHz merkez frekansına ve 0.5 kalite faktörüne sahip olacak şekilde eleman değerleri seçilmiş, ideal ve tasarlanan karakteristiklerin uyuştukları gözlenmiştir. Üç yeni alternatif aktif eleman için önerilen yeni uygulamaların benzetim sonuçları, bu yeni yapıların yüksek doğrulukla çalıştığını göstermektedir. Tezin son ve en önemli aşamalarından birisi de alternatif yeni elemanlar için serim ve serim sonrası benzetimleridir. Bütün serim aşamaları tasarım kütüphanesi(AMS HIT-Kit 4.01) tarafından sağlanan kurallara uygun şekilde gerçekleştirilmiştir. Elemanların serimleri yapılırken ilk olarak temel yapıtaşlarının tasarım kurallarına uygun bir şekilde serimleri gerçekleştirilmiş daha sonra bu bloklar uygun şekilde birleştirilmiştir. Serim sonrası benzetimler ve eleman davranışını modelleyen karakteristikler, parazitik direnç ve kapasiteleri çıkarılmış netlistler üzerinden yapılmıştır. Bu kısımda yeni alternatif aktif elemanlara ait temel karakteristiklerin şematik ve serim sonrası sonuçları aynı grafikte gösterilmiştir. Yeni alternatif elemanlara ait şematik ve serim sonrası performans parametrelerini içeren tablolar yine bu kısımda verilmiştir. Serim sonrası benzetim sonuçları incelendiğine kesim frekanslarının düştüğü gözlense de önerilen uygulamalar için gerekli frekans bandlarında elemanların hâlâ çalışabildiği görülmektedir. Tezin son kısmında yapılan tüm araştırmalar, devre tasarımı, serim çizimleri ve benzetim sonuçları kısaca incelenmiştir. Yeni alternatif aktif elemanlar, AMS 0.18 µm CMOS teknolojisinde tasarlanmıştır. Önerilen devrelerin performansları göstermek için Cadence Spectre benzetim programı kullanılmıştır. Benzetim sonuçları ile teorik sonuçların birbirlerine yakın olduğu gözlenmiştir. Yeni alternatif aktif elemanlar için önerilen CMOS yapıların devre tasarımcıları için yeni olanaklar sağlayabileceği düşünülmektedir.

Title

CMOS REALIZATION OF NEW ALTERNATIVE ACTIVE ELEMENTS FOR ANALOG SIGNAL PROCESSING AND THEIR APPLICATIONS

Abstract

In the recent times, various novel alternative active elements for analog signal processing are introduced. This thesis presents three different types of new alternative active elements which are z-copy voltage differencing buffered amplifier (ZC-VDBA), z-copy voltage differencing transconductance amplifier (ZC-VDTA) and z-copy voltage differencing current conveyor (ZC-VDCC). This thesis also focused on current and voltage mode design examples based on these new active elements. All of the above active elements were designed in AMS 0.18 µm CMOS process. First of all, some general information, features, circuit description and CMOS structure of fundamental building blocks such as operational transconductance amplifier (OTA), third generation current conveyor (CCIII), voltage buffer, dual-output second generation current conveyor (DO-CCII) were mentioned. These basic building blocks are then used for designing new alternative active elements. As the next phase, design applications based on the new alternative active elements are presented. A new current-mode KHN filter topology is proposed. The proposed filter simultaneously provides all the low-pass, band-pass and high-pass transfer function with the current input and outputs. Designed filter has low active and passive sensitivities, contains two active elements and two grounded capacitors which is important for integration. This thesis is also focused on replacement of inductor by active floating inductance simulator ones in a third-order elliptic filter prototype. A novel circuit configuration for the realization of the voltage mode single-input dual-outputs filters are also presented. As a last and important step in this thesis, layout and post-layout simulation phases are also done for the new alternative active elements. All layout design steps were done with respect to rule sets provided by the design kit. Post-layout simulations and main characteristics of these new active elements were obtained for full resistor and coupled capacitor extracted netlists. To demonstrate the performance of proposed circuits, Cadence Spectre simulator is used. Simulation results are found in close agreement with theoretical results. Employing these new alternative active elements for analog design and using CMOS technology for implementation the circuit designers can obtain new possibilites to solve their problems.

Anahtar Kelime

cmos analog tümdevre, khn filter, yüzen endüktans benzetimi

Bilim Kodu

609




Sıra No :13456
Üniversite

504101400

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Biyomedikal Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. Tamer Ölmez

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Vedat TAŞKIN

Başlık

KÜTLE SPEKTROMETRESİ VERİLERİNİN ANALİZİYLE PROSTAT ve YUMURTALIK KANSERLERİNİN BELİRLENMESİ

Özet

Kanser hastalıkları ölüm nedeni olarak kalp ve damar hastalıklarının hemen ardından gelmektedir. Kanser hastalıkları genellikle yaşlılık dönemlerinde görülse de bu hastalıkların her yaştan insanı etkilediği de bilinen bir gerçektir. Kanser tedavisi üzerinde yapılan çalışmalar son yıllarda oldukça artmıştır. Bunun yanında erken teşhis konulması tedavi olasılığını arttırmaktadır. Yumurtalık ve prostat kanseri gibi bazı kanser türlerinde belirtiler kuvvetli olmadığı için erken teşhis oldukça zordur. Bu zorluğun üstesinden gelmek için erken tanı yöntemleri üzerinde hala çalışılmaktadır. Proteomların kütle spektrometresi ile analiz edilmesi sonucu elde edilen verilerin erken tanı için kullanılabileceği görülmüştür. Biyoinformatiğin bu alt kolu son yıllarda oldukça popülerlik kazanmış ve bu alanda bir çok çalışmanın yapılmasını sağlamıştır. Geliştirilen yöntemler ile kütle spektrometresi verileri üzerinde tümörün varlığını gösteren biyobelirteçler aranmaktadır. Bu alanda yapılan çalışmalarda genellikle bulunan biyobelirteçler veri kümesine bağımlı olmaktadır. Dolayısıyla veri kümesinden bağımsız yöntemlerin geliştirilmesi önem kazanmaktadır. Bu yöntemlerin kanser teşhisinde daha faydalı olacağı aşikardır. Bu çalışmada da veri kümesi ve kanser türünden bağımsız olarak kanser teşhisi yapılmaya çalışılmıştır. Bu amaçla ve yöntemlerin geçerliliğini sınamak üzere farklı makine öğrenmesi ve örüntü tanıma yöntemleri iki ayrı veri kümesi üzerinde test edilerek karşılaştırılmıştır. Kanser teşhisi için kullanılan proteomik verileri yüksek boyutlu olup verilerin ilk haliyle kullanılması oldukça zordur. Yüksek boyutun getirdiği problemlerden kurtulamak ve öznitelik çıkarmak için literatürde kullanılan bir çok çalışma incelenerek kullanılan yöntemlerden başarılı olanlar bu çalışmada denendi. İlk olarak ön işleme işlemlerinin devamı olacak şekilde t-test kullanıldı ve istatistiksel olarak anlamsız veriler ayıklandı. Böylece veri boyutunun biraz daha azalması sağlandı. Öznitelik çıkarımı aşamasında literatürde daha önce de kullanılan dalgacık analizi ve istatistiksel hesaplamalar bu çalışmada kullanıldı. Bu yöntemler ile karşılaştırmak üzere ilk defa bu çalışmada önerilen birtakım istatistiksel hesaplamalar kullanıldı ve yüksek başarımlar elde edildi. Öznitelik çıkarım yöntemlerinden sonra öznitelik seçimi için literatürde kullanılan ve başarılı sonuçlar veren çekirdek kısmi en küçük kareler yöntemi kullanıldı. Özellikle öznitelik çıkarımı ve seçimi üzerinde durulan bu çalışmada farklı sınıflayıcılar kullanılarak öznitelik çıkarma yöntemleri karşılaştırıldı. Bu amaçla çekirdek kısmi en küçük kareler yöntemi ile farklı boyutlarda öznitelik alınarak k-en yakın komşuluk (kNN), destek vektör makineleri (DVM) ve lineer diskriminant analiz (LDA) ile sınıflandırıldı. Yapılan denemeler sonucu yumurtalık kanserinin belirlenmesinde en iyi sonuç %95,3 ile dalgacık dönüşümü ve LDA’nın birlikte kullanımı ile elde edildi. Prostat kanserinde, kullanılan veri kümesindeki farklılıktan dolayı ilk önce tümörun (malign veya benign) var olup olmadığı belirlenmeye çalışıldı. Bu kısımda en yüksek başarı %97,3 ile bu çalışmada önerilen istatistiksel öznitelik çıkarımı ve kNN ile elde edildi. Daha sonra da tümörlü örnekler malign veya benign olarak sınıflandırıldı. Bu kısımda da en yüksek başarım %88,9 ile önerilen istatistiksel öznitelik çıkarımı ve kNN ile elde edildi.

Title

PROSTATE AND OVARIAN CANCER IDENTIFICATION BY ANALYZING MASS SPECTROMETRY DATA

Abstract

Cells are the basic structural and functional units of the living organisms. All cells have the ability of proliferating under some control mechanism. When this control mechanism loses its function, cells start to divide and grow uncontrollably which leads the formation of tumors. Tumors can be categorized into two groups. The first group is called as benign tumors, which do not invade neighboring tissues and do not spread throughout the body. While the second group is called as malign tumors that can spread by the lymphatic system or bloodstream and thus can affect more distant parts of the body. These kinds of tumors are called as cancerous tumors. The early diagnosis of cancerous tumors has vital importance for a successful treatment process. For instance five year survival rate is 92.1% for stage-1 ovarian cancer, whereas this rate decrease until 11.6% for stage-5. As well as in some cancer types the symptoms cannot be strong (ovarian cancer, prostate etc. ), in case of that early diagnosis may not be possible. Generally, imaging systems are used for this purpose by performing an inner body scan, but the low specificity and sensitivity results of these methods are not still reliable enough to decide whether a cancerous tumor in its early stage exists or not. So, in most cases it is not possible to diagnose tumors, until they have already invaded surrounding tissues and metastasized throughout the body. This necessitates the need of different techniques for early diagnosis of cancer. In recent years different methods have concentrated upon early diagnosis. Searching tumors in sputum and bronchoscopy for breast cancer, endoscopy for gastric cancer, looking a substance in blood which is called CA-125 for ovarian cancer and PSA (prostate specific agent) for prostate cancer are some of these methods. However all of these methods cannot give a satisfactory result. Another method is analyzing proteomic patterns with mass spectrometry which can be used for many types of cancer. Furthermore this technique excels the mentioned methods with its high accuracy and easily applicability. Recently, mass spectrometry (MS) analysis of proteomics patterns has emerged as a new technology for the early diagnosis of cancer. In this method, a serum proteome (entire set of proteins in a serum sample) is first cleaved into small peptides, whose absolute masses are then measured by the mass spectrometer. These masses are then compared to the databases which are containing the known protein sequences. Thus, a mass spectrometry profile of the related sample is created. But note that, mass spectrometry in itself is not a diagnostic tool. In order to diagnose a disease, the obtained mass spectrometry profile must be analyzed by several computational methods. After an analysis, disease related biomarkers (proteins) are identified. Mass spectra, is a high dimensional data which consist of tens of thousands of m/z ratios and an intensity level for each m/z ratio. Currently, a low resolution SELDI-TOF MS (Surface Enhanced Laser Desorption/Ionization Time of Flight Mass Spectrometry) can measure up to 15500 data points that record data between 500 and 20000 m/z ratios. With a high resolution MS, the data points could be 400000. The high dimensionality of the MS data brings some difficulties for computational methods which are known as the “curse of dimensionality” and the “curse of data sparsity”. To address these problems before analyzing the MS data a dimensionality reduction stage should be performed. Three methods are used for this purpose: filtering, wrapper and embedded methods. Filtering methods use some statistical tests to evaluate features, such as the t-test, Wilcoxon test, Mann -Whitley test and Kolmogorov-Smirnov test. After applying one of these statistical tests to the data, a score is obtained for each point (feature). According to the obtained scores, statistically insignificant points are extracted from the data by setting a threshold value. One of the weaknesses of filtering methods is that, they consider all features individually and ignore the interactions between the features. Therefore, after a filtering process generally the obtained data will have highly correlated and thus redundant features, which will worsen the classification performance. Even though the filtering methods have the above mentioned disadvantage, they are still preferred as an initial dimension reduction step in many studies. In wrapper methods, dimension reduction process is integrated into the classification stage. In these methods, a subset of features are first selected with an algorithm and then classified with a classification method. According to the obtained classification error, the feature selection algorithm updates its parameters until the optimum subset of features is found. Since the dimensionality is high, usually a stochastic algorithm such as, genetic algorithm, particle swarm optimization and ant colony optimization is used for this purpose. The main disadvantage of this method is the computational load of the search algorithms. As in the wrapper methods, embedded methods also integrate the feature selection process with the classification stage. Moreover, their computational load is less, when compared to the wrapper methods. Therefore, they are sometimes preferred to the wrapper methods. Dimension reduction (feature selection and extraction) methods are not restricted to the above mentioned traditional methods for the MS data. Recently, wavelet analysis and statistical methods are used for this purpose. In the former one, the discrete wavelet transform (DWT) is applied to the MS data and approximation coefficients are obtained. Since the approximation coefficients represent the low frequency components, the obtained signal has a smoother form of the MS data with a low dimensionality. While in the latter one, the MS data is first divided into intervals and some statistical moments are then computed for the segments represented by these intervals. Both the wavelet analysis and interval based methods mentioned above, use filtering methods (such as t-test) as an initial dimension reduction step. In this study, a three stage dimension reduction strategy is proposed for prostate and ovarian cancer classification from the MS data. The initial stage consists of a filtering method (t-testing), while in the second stage four different methods, wavelet analysis, statistical method-1, statistical method-2 and statistical method-3 are used for comparison. First method, wavelet analysis is very effective tool for feature reduction process where it is commonly used in the literature for this aim. The second method, statistical method-1 is based on some statistical features which are used in the literature. The third and fourth methods, statistical method-2 and statistical method-3 are firstly used in this work in the view of feature extraction from proteomic patterns. The statistical method-2 is used before in literature for Electroencephalograpy (EEG) signals classification. The statistical method-3 is evolved version of statistical method-2 where a feature extraction method is changed with better one. In the last stage, a feature selection (transformation) method, kernel partial least square (KPLS) is used. KPLS is preferential method for feature selection due to its high speed and performance. KPLS is kernel based, iterative and supervised method so it can provide better performance and speed according to unsupervised methods, such as Principal Component Analysis (PCA). After the three stage dimension reduction process, the MS data are classified with k-nearest neighbor classifier (k-NN), support vector machines (SVM) and linear discriminant analysis (LDA). For the high-resolution ovarian cancer dataset, an accuracy of 95.3% is obtained with a combination of wavelet analysis and KPLS methods. The prostate cancer classification is handled in two phases. In the first phase, the low resolution prostate MS data are classified as normal and cancerous samples with an accuracy of %97.3. While in the second phase, the data are classified whether the samples are benign or malign with an accuracy of 88.9%. Here, the best results are obtained with a combination of statistical method-3 and KPLS.

Anahtar Kelime

sınıflama, çekirdek kısmi en küçük kareler, kütle spektrometresi, prostat kanseri, yumurtalık kanseri, dalgacık analizi, istatistiksel yöntemler

Bilim Kodu

6090100




Sıra No :13287
Üniversite

504101202

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. İ. Serdar Özoğuz

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Ayşen Başargan

Başlık

UYARLAMALI ÜSTEL TUT&ATEŞLE (AdExI&F) SİNİR HÜCRESİ MODELİNE YÖNELİK BİR SİNAPTİK BAĞLANTI VE DEVRE BENZETİMİ

Özet

Bu yüksek lisans tezinde, daha önce Hindmarsh-Rose sinir hücresi modeli için kullanılmış olan sinaptik bir bağlantı, uyarlamalı üstel tut&ateşle modeli için uyarıcı ve kısıtlayıcı bağlantı şeklinde uygulanmış, düzenli ve patlamalı ateşleme için aynı fazlı ve zıt fazlı davranışlar görülmüştür. Daha sonra, sinir hücresi ve sinaptik bağlantı modellerinin düşük güçlü ve akım modlu olacak şekilde devre benzetimleri yapılmış ve sayısal analizle uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. Hodgkin-Huxley sinir hücresi modeli gerçek sinir hücresini en iyi modelleyen, biyolojik olarak anlamlı ve ölçilebilir matematiksel bir sistemdir. Model dört eşitlik ve on parametreden oluşmaktadır. Bu nedenle Hodgkin-Huxley sinir hücresi modeli biyolojik olarak anlamlı olmasına rağmen, ifadesi karmaşık ve uygulaması maliyetlidir. Bu sorunu çözebilmek için literatürde son birkaç yılda hesaplaması basit, anlaşılması ve analizi kolay ayrıca gerçek sinir hücresi davranışlarını oluşturabilen Izhikevich sinir hücresi modeli, uyarlamalı üstel tut ve ateşle sinir hücresi modeli gibi modeller tanımlanmıştır. Uyarlamalı Üstel Tut&Ateşle (AdExI&F,2005) sinir hücresi modelinin parametreleri fizyolojik niceliklerle ilişkilendirilebilmekte, piramit tipi hücrelerin davranışlarını başarıyla kopyalayabilmekte ve piramit tipi hücrelerin biyofiziksel modeline uymaktadır. Bu modelin tercih edilmesinin en önemli nedeni, az parametre ile zengin ateşleme örüntüleri oluşturabilmeleridir. Canlıların ritmik hareketleri merkezi sinir düğümüne yerleşmiş ya da omuriliğe yerleşmiş merkezi örüntü üreteciyle (CPG) kontrol edilmektedir. CPG’ler ile hücrelerin periyodik davranışları arasında matematiksel bir ilişki tanımlanmıştır. Parmak tıklatma, el çırpma, alkışlama, dört ayak üzerinde hareket CPG’de üretilen örüntülere örnek olarak verilebilir. CPG’ler biyolojik nöronların lineer olmayan dinamik modellerine dayanan elektronik nöronlardan kurgulanabilmektedirler. Elektronik CPG tasarımlarında temel davranışlar olan kısıtlayıcı ve uyarıcı sinapsların her ikiside kullanılmaktadır. Hindmarsh-Rose sinir hücresi modeli için kullanılan sinaps modeli AdExI&F modeli için de kullanılmış, kısıtlayıcı ve uyarıcı bağlantı için düzenli ateşleme ve düzenli patlamalı ateşleme davranışları sayısal olarak analiz edilmiştir. Kısıtlayıcı bağlantı durumunda hem aynı fazlı davranış hem de zıt fazlı davranış elde edilebilmektedir. Bu durum faz farkı için başlangıç koşulları değiştirilerek elde edilmektedir. Uyarıcı bağlantı için ise sadece aynı fazlı eş zamanlı davranış görülmektedir. Bir sonraki aşamada ise, sinir hücresi modeline ve sinaps modeline karşılık gelen düşük güçlü, akım modlu devre benzetimi yapılmış, elde edilen sonuçların daha önceki model ile elde edilen sonuçlara göre daha başarılı olduğu gözlemlenmiştir.

Title

A SYNAPTIC COUPLING FOR THE ADAPTIVE EXPONENTIAL INTEGRATE AND FIRE (AdExI&F) NEURON MODEL WITH CIRCUIT SIMULATIONS

Abstract

In this M.Sc. thesis, by using adaptive exponential integrate and fire model and synaptic connection, which was used with Hindmarsh-Rose neuron model, is observed anti-phase and in-phase locking for excitatory and inhibitory coupling for tonic spiking firing pattern and regular bursting firing pattern. Later, circuit, which is with low power and current mode, simulation of these models is realized and simulation results are identical which are numerically observed. First of all, a neuron is a nerve cell that is the basic building block of the nervous system. A typical neuron possesses a cell body, often called the soma, dendrites, and an axon. The soma contains a neuron cell and nucleolus. Dendrites are thin structures that arise from the cell body, often extending for hundreds of micrometres and branching multiple times, giving rise to a complex dendritic tree . The dendrites are responsible for picking up information from neighboring neurons and transmitting this information to the cell body, also known as the soma. An axon also known as a nerve fibre; is a long, slender projection of a nerve cell, or neuron. The axon is the elongated fiber that extends from the cell body to the terminal endings and transmits the neural signal. From the soma, the information is passed on along the axon, another structure in the nerve cell, and the axon in turn transmits signals to the dendrites of neighboring neurons. A small gap at the end of a neuron is called synapse that allows information to pass from one neuron to the next. A neuron is an electrically excitable cell that processes and transmits information through electrical and chemical signals. A typical neuron receives inputs from more than 10.000 other neurons through the contacts on its dendritic tree called synapses. The inputs produce electrical transmembrane currents that change the membrane potential of the neuron. Synaptic currents produce changes, called postsynaptic potentials (PSPs). Small currents produce small PSPs, larger currents produce significant PSPs that can be amplified by the voltage-sensitive channels embedded in the neuronal membrane and lead to the generation of an action potential or spike, an abrupt and transient change of membrane voltage that propagates to other neurons via a long protrusion called an axon. In general, neurons do not fire on their own, they fire as a result of incoming spikes from other neurons. From the neuronal level we can go up to neuronal circuits, to cortical structures, to the whole brain, and finally to the behavior of the organism. The neurons split up two types. The first one of these neurons is described neurons as integrators with a threshold. Neurons sum incoming PSPs and compare the integrated PSP with a certain voltage value, called the firing threshold. If it is below the threshold, the neuron remains quiescent; when it is above the threshold, the neuron fires an all-or-none spike. Integrators neurons prefer high-frequency input. The higher the frequency of the input, the sooner they fire. The other types are called resonator neurons. Resonators prefer oscillatory input with the same frequency as that of damped oscillations. Increasing the frequency may delay or even terminate their response. It can be understood from this sample that neurons are mathematical systems. To understand how the brain works, it is needed to combine experimental studies of animal and human nervous systems with numerical simulation of large-scale brain models. As it is developed such large-scale brain models consisting of spiking neurons, it must be found compromises between two seemingly mutually exclusive requirements. The model for a single neuron must be firstly computationally simple, yet capable of producing rich firing patterns exhibited by real biological neurons. One of the most important models in computational neuroscience is the Hodgkin- Huxley model of the squid giant axon. Using pioneering experimental techniques of that time, Hodgkin and Huxley (1952) determined that the squid axon carries three major currents: voltage-gated persistent K+ current with four activation gates, voltage gated transient Na+ current with three activation gates and one inactivation gate, and Ohmic leak current which is carried mostly by Cl- ions. All living cells have an electrical voltage, or potential difference, between their inside and outside. Since the cell’s membrane is what separates the inside from the outside, this potential difference is referred to as the membrane potential. The resting potential refers to the potential across the membrane when the cell is at rest. A typical neuron has a resting potential of about -70mV and ions which enter and leave cell make neuron generate an action potential. An inward current corresponds to a positively charged ion, such as Na+, entering the cell. This raises the membrane potential; that is, it brings the membrane potential closer to zero. In this case, the cell is said to be depolarized. An outward current corresponds to a positively charged ion, such as K+, leaving the cell or a negatively charged ion, such as Cl-, entering the cell. In this case, the cell becomes hyperpolarized. There are two types of ion channels in the membrane, gated and non-gated. Non-gated channels are always open, whereas gated channels can open and close and the probability of opening often depends on the membrane potential; these are referred to as voltage-gated channels. Gated channels are typically selective for a single ion. Neurons at rest are permeable to Na+ and Cl- in addition to K+. Because of their concentration differences, Na+ and Cl- ions move into the cell and K+ ions move outward. The influx of Na+ ions tends to depolarize the cell, whereas the efflux of K+ and the influx of Cl- have the opposite effect. The resting potential of the cell is the potential at which there is a balance between these fluxes. It depends on the concentrations of the ions both inside and outside the cell, as well as the permeability of the cell membrane to each of the ions. At rest, many more K+ and Cl- channels than Na+ channels are open; hence, the cell’s resting potential is determined primarily by the K+ and Cl- Nernst potentials. For a cell to maintain a constant resting potential, the efflux of K+ ions must balance the influx of Na+ ions here Cl- ions are ignored. The basic mechanisms underlying action potentials are; the following. At rest, most of the Na+ channels are closed, so the membrane potential is determined primarily by the K+ Nernst potential. If the cell is depolarized above some threshold, then Na+ channels open and this further depolarizes the cell. This allows even more Na+ channels to open, allowing more Na+ ions to enter the cell and forcing the cell toward the Na+ Nernst potential. This is the upstroke of the action potential. The Na+ channel is transient, so even when they are depolarized, the Na+ channels eventually shut down. In the meantime, the depolarization opens K+ channels and K+ ions exit the cell. This hyperpolarizes the cell as the membrane potential moves toward the K+ equilibrium potential. Until the voltage-gated K+ channels close up again, the membrane is refractory. During this time, pumps exchange excess Na+ ions inside the cell with excess K+ ions outside the cell. Only a very small change in the concentration of Na+ ions is needed to generate an action potential. In general, scientists refer to all conductance-based models as being of the Hodgkin–Huxley-type. Such models are important not only because their parameters are biophysically meaningful and measurable, but also because they allow us to investigate questions related to synaptic integration, dendritic cable filtering, effects of dendritic morphology, the interplay between ionic currents, and other issues related to single cell dynamics. The model consists of four equations and tens of parameters, so although the model is biophysically meaningful, it is complicated and is extremely expensive to implement. In literature over the last few years, neuron models, which are computationally simple, easy to understand and analyze also capable of producing rich firing patterns exhibited by real biological neurons like Izhikevich neuron model and adaptive exponential integrate and fire neuron model, is described. The adaptive exponential integrate-and-fire model’s (AdExI&F,2005) parameters can be easily related to physiological quantities, and the model has been successfully fit to a biophysical model of a regular spiking pyramidal cell and to real recordings of pyramidal cells. The most important reason for preferring this model is possible to arise rich firing patterns with least parameters. Tonic spiking, adaptation, initial burst, regular bursting, delayed accelerating, delayed regular bursting, transient spiking and irregular spiking can be given as an example of how the different firing patterns arise with simple adaptive exponential integrate-and-fire model. The Adaptive Exponential Integrate-and-Fire model (AdEx) describes the evolution of the membrane potential when a current is injected. It consists of a system of two differential equations and four parameters. When the current drives the potential beyond the threshold voltage, the exponential term actuates a positive feedback which leads to the upswing of the action potential. The exponential is related to the quasi-instantaneous reaction of the activation variable of the sodium channel in a Hodgkin–Huxley-type neuron model. The upswing is stopped at a reset threshold. The downswing of the action potential is replaced by the reset condition. Rhythmic motions of animals are controlled by central pattern generators (CPGs) resident in central ganglia or the spinal cord. We will consider three examples: finger tapping, hand clapping, and quadrupedal locomotion. CPGs can be constructed from electronic neurons based on non-linear dynamical models of biological neurons. It can be seen to implement an electronic neuron circuit, the Hindmarsh-Rose neuron model is used. For AdExI&F neuron model, the same synapse model is used and for excitatory and inhibitory coupling, tonic spiking firing pattern and regular bursting firing pattern is numerically analyzed. In case of inhibitory coupling, in-phase and anti-phase locking occurs which can be achieved for different initial conditions of the phase difference. When the coupling is excitatory, the in-phase locked state can be seen only. The next step is that low power current mode circuit is simulated for neuron and synapse model and simulation results is more successful than the other neuron model’s simulation results which was analyzed before.

Anahtar Kelime

UYARLAMALI ÜSTEL TUT&ATEŞLE (AdExI&F) SİNİR HÜCRESİ MODELİ,Sinaps Modeli

Bilim Kodu

6090101




Sıra No :13715
Üniversite

504111334

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. D. İbrahim AKDUMAN

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Sinem AVCI

Başlık

YÜZEY EMPEDANSI YÖNTEMİ İLE DUVAR ARKASI CİSİM TESPİTİ

Özet

Bu çalışmada, duvar arkasına yerleştirilen objelerin tespit edilmesi ve yerlerinin belirlenmesi için yeni bir yöntem önerilmiştir. Bu yöntem için öncelikle kurulan bir deneysel düzenek yardımıyla, duvarın arkasına yerleştirilen objelerin yüzeyde oluşturduğu yüzey empedans verileri hesaplanmıştır. Yüzey empedansı, doğrudan standart empedans sınır koşulu ile hesaplanır. Empedans sınır koşulu için gerekli bilgiler ise yüzeydeki elektrik alan ve türevi bilgisidir. Bu bilgiler MoM (Method of Moments) ile hesaplanmıştır. İkinci adım olarak, referans bir obje tanımlanmış ve ölçüm çizgisi üzerinde belirli aralıklarla hareket eden bu objenin her bir konumu için analitik olarak yüzey empedans verileri hesaplanmıştır. Ele alınan yöntem, hesaplanan bu iki empedans bilgilerinin birbirleriyle iç çarpım yöntemini temel alan bir metotla çarpılmasına dayanır. Bu çarpım sonucunda elde edilen skaler değer iki empedans değerinin birbirine benzerliğinin bir ölçüsü olarak kabul edilmiş ve çarpım sonucunda elde edilen en büyük değer, deneysel hesaplamada duvar arkasına yerleştirilen objenin konumu göstermiştir. Bu şekilde duvar arkasına konumlandırılmış dielektrik özellikleri bilinmeyen cisimlerin konum bilgileri hesaplanmıştır.

Title

THROUGH-WALL-DETECTION OF OBJECTS BY SURFACE IMPEDANCE METHOD

Abstract

In this thesis study, a new approach is presented for detection and localization of objects hidden behind a wall. In the first step of this study, an experimental setup has been built, where objects are placed behind a wall, and surface impedance data has been evaluated for these objects. Surface impedance is directly acquired from impedance boundary conditions. The necessary information for the impedance boundary conditions are the electric field and the its normal derivative, on the surface. This information is calculated by MoM (Method of Moments). In the second step, a reference object has been selected and while moving the object along a measurement line with specific intervals, surface impedance data have been calculated analytically for each position of this object. The approach is based on the multiplication of these two impedance data by a method called inner product. The scalar result of the inner product is an indication of similarity of the two impedance values. This means that the largest result of the multiplications of the elements and the experimental surface impedance actually shows the location of the object. Hence, the information on the location of object, or objects, can be determined even if the dielectric properties of the objects are not known.

Anahtar Kelime

Elektromanyetik saçılma, Yüzey empedansı, Moment Metodu, Duvar Arkası Cisim Tespiti

Bilim Kodu

6090401




Sıra No :13658
Üniversite

504111234

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. Hakan KUNTMAN

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Ersin ALAYBEYOĞLU

Başlık

YENİ AKTİF DEVRE ELEMANLARIYLA ANALOG DEVRE TASARIMI

Özet

Hayatımızın her alanının vazgeçilmezi olan elektronik düzenlerin tasarımı temel olarak sayısal devre tasarımı ve analog devre tasarımı olarak iki grupta incelenir. Sayısal devrelerin kullanımı analog devrelere kıyasla gün geçtikçe daha da artmaktadır. İnsanın ve kainatın yaratılışı gereği analog işaret işleyen devre ve sistemler kaçınılmazdır. Bu kaçınılmazlığın sebebi evrende var olan tüm varlıkların ve insanın duyularının analog işaretleri algılayabilmeleridir. Bu da bize sayısal sistem ve devrelerin yaygınlığının artmasına rağmen analog işaret işlemenin ve analog işaret işleyen devre ve sistemlerin tasarlanmasının kaçınılmaz olduğunu göstermektedir. Analog işaret işleyen sistemler çalışma prensibi bakımından gerilim modlu veya akım modlu devreler olarak iki ana grupta incelenebilir. Gerilim modlu devrelerde giriş işareti ve çıkış işareti gerilimdir. Akım modlu devrelerde ise giriş işareti ve çıkış işareti akımdır. Akım modlu çalışma denilince devrede sadece akım bağıntılarının var olduğu akla gelmemelidir. Elbetteki akım modlu devrelerde gerilim, gerilim modlu devrelerde de ise akımdan söz edilebilir. Temel olarak akım modlu devrelerde işaret akım ile taşındığı için düşük empedanslı düğümler vardır. Düşük empedanaslı düğümler zaman sabitini küçülttüğü için işaret daha hızlı taşınabilmektedir. Temel olarak bu sebepden dolayı akım modlu devreler gerilim modlu devrelere kıyasla daha yüksek bir performans ile çalışmaktadır. Bu çalışmadaki tasarımlar akım modlu uygulamalar ile test edilmiştir. Transistorun keşfedilmesiyle elektronik devrelerin tasarlanması kolaylaşmış bir o kadar da elektronik devrelerin boyutu küçülmüştür. 2013 yılı itibariyle 20nm geçit uzunluğunda CMOS üretimi yapılabilmektedir. Ancak sayısal devre tasarımında kolaylıkla kullanılabilen küçük boyutlu tüm devre teknolojileri analog devre tasarımlarında yaygın olarak kullanılamamaktadır. Bunun temel sebebi düşük besleme gerilimleri ile çalışan küçük boyutlu MOS transistorlar ile tasarlanan analog işlem bloklarında besleme gerilimi bütün transistorların doymada çalışmasına olanak sağlamamasıdır. Oysa analog işaret işleyen devrelerde bütün transistorların doymada çalışması gerekmektedir. Bu sebeple mevcut analog işlem bloklarının yeniden düzenlenilerek küçük boyutlu teknolojilere uygun hale getirimesi gerekmektedir. Biz çalışmalarımızda 0.18µm AMS parametrelerinden yararlanarak benzetimlerimizi gerçekleştirdik. Çalışmada temel olarak yakın zamanda önerilmiş analog işlem blokları olan ZC-CDTA (Z kopyalı akım farkı alan geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi) ve ZC-CDBA (Z kopyalı akım farkı alan tamponlanmış kuvvetlendirici) ve ZC-CG-CDBA (Z kopyalı kazancı kontrol edilebilir akım farkı alan tamponlanmış kuvvetlendirici) elemanları için CMOS iç yapısı önerildi ve önerilen iç yapılar uygulama devreleri ile test edildi. ZC-CDTA, ZC-CDBA ve ZC-CG-CDBA aktif elemanları CDTA (akım farkı alan geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi) ve CDBA (akım farkı alan tamponlanmış kuvvetlendirici) yapılarından geliştirilmişlerdir ve CDTA ile CDBA’nın evrenselliğini artırmaktadırlar. Önerilen ZC-CDTA, ZC-CDBA ve ZC-CG-CDBA analog işlem bloklarının yapısını oluşturan CDU (farksal akım bloğu), CCIII (üçüncü nesil akım taşıyıcı), ECCII (elektronik olarak kontrol edilebilen ikinci nesil akım taşıyıcı), OTA (geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi) ve gerilim tamponunun başarımları CADENCE ortamında denemiş ve başarımları çalışmanın ikinci kısmında sunulmuştur. ZC-CDTA, ZC-CDBA ve ZC-CG-CDBA’nın giriş katı akım farkı alan blokdan oluşur. Bu kısımda iki farklı akım farkı alan CMOS iç yapı ve başarımları verildi. OTA yapısı olarak kullanılan yüzen akım kaynağı ZC-CDTA’nın çıkış katında, gerilim tamponu ZC-CDBA ve ZC-CG-CDBA’nın çıkış katında kullanıldı. ZC-CDTA, ZC-CDBA ve ZC-CG-CDBA analog işlem bloklarının yapısındaki Z kopyayı elde etmek için Alain Fabre tarafından önerilen CCIII (üçüncü nesil akım taşıyıcı) kullanılmıştır. ECCII ise akım kazancını kontrol etmek için kullanıldı. Üçüncü kısımda ise negatif ve pozitif geribeslemeden bahsedilmiştir. Pozitif ve negatif geri beslemenin giriş direncine etkisi incelenmiştir. İdealde giriş direnci sıfır olan bu elemanların giriş direnci pozitif geri besleme yardımıyla ideale yakın azaltıldı. Tasarlanan uygulama devrelerini daha küçük değerli dirençler ile gerçekleyerek daha az alan kaplayan tüm devre yapılarının tasarlanabilmesine olanak sağlanmış oldu. Bu kısımda ikinci kısımda verilen akım farkı alan bloklar ile pozitif geri besleme ile gerçeklenen CMOS yapıların başarımları kıyaslandı. Çalışmanın dördüncü bölümünde analog alt bloklar bir araya getirilerek ZC-CDTA, ZC-CDBA ve ZC-CG-CDBA analog işlem bloklarının yapısı oluşturulmuştur. Çalışmanın beşinci bölümde ZC-CDBA ve ZC-CDTA CMOS yapılarının serimi verişmiştir. Bu kısımda ZC-CDBA CMOS gerçeklemesinde Z akımını kopyalamak için üçüncü nesil akım taşıyıcı yerine klasik akım aynası kullanılmıştır. Çalışmanın son kısmında uygulama devreleri ile yeni analog işlem bloklarının başarımı test edimiştir. ZC-CDTA (Z kopyalı akım farkı alan geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi) ile iki tane ikinci derecede süzgeç yapısının ardarda bağlanılmasıyla dördüncü derece süzgeç yapısı elde edilmiştir. ZC-CDBA (Z kopyalı akım farkı alan tamponlanmış kuvvetlendirici) CMOS iç yapısı performansı ikinci derece KHN süzgeç yapısı ile test edilmiştir. Yine ZC-CDBA CMOS iç yapısı elektronik olarak kontrol edilebilen ikinci nesil akım taşıyıcı yardımıyla ZC-CG-CDBA (Z kopyalı kazancı kontrol edilebilir akım farkı alan tamponlanmış kuvvetlendirici) yapısına dönüştürülmüştür. ZC-CDBA için tasarlanan ikinci derece KHN süzgeç yapısı ZC-CG-CDBA ile tekrar gerçeklenmiştir. Bu şekilde kutuplama akımı ile kesim frekansı değişebilen frekans atik süzgeç yapısı elde edilmiştir. Aynı kısımda ZC-CG-CDBA ile elde edilen frekans atik süzgeç yapısının eksik yönleri değerlendirilmiştir. Son bir uygulama olarak ZC-CDTA ikinci derece süzgeç yapısı geri besleme kullanılarak frekans atik süzgeç yapısına dönüştürülmüştür. Alain Fabre ve ekibi tarafından önerilen gerilim modlu geri besleme yapısı akım modlu yapıya dönüştürülmüştür. Akım modlu olarak tasalanan kurgulanabilir süzgeç yapısı merkez frekansı ECCII yardımıyla akım ile kontrol edilebilmektedir. Tasarlanan frekans atik süzgeç yapılarının kavramsal radyo, şifreli haberleşme, geniş kapsamlı konumlandırma sistemleri gibi uygulama alanlarında kullanılabileceği öngörülmüştür. Tasarım kütüphanesi tarafından önerilen tüm testler ve benzetim setleri serim sırasında ve serim sonrası benzetimlerde uygulanmıştır. Önerilen yapıların analog tasarımcılar için alternatif oluşturacağı düşünülmektedir.

Title

ANALOG CIRCUIT DESIGN WITH NEW ACTIVE CIRCUIT COMPONENTS

Abstract

The design of electronics which are indispensable for every area of our lives, are mainly studied in two groups as analog circuit design, digital circuit design. The use of digital circuits compared to analog circuits is increasing day by day. Due to the creation of man and the universe, analog signal processing circuits and systems is inevitable. This is the reason inevitability of all beings in the universe and the human senses are analog signals. This inevitability shows us analog signal processing and analog signal processing circuits and systems are unavoidable despite the increase in the prevalence of digital systems and circuits. Analog signal processing systems can examine in two main groups as voltage-mode or current-mode circuits, in terms of operating principles. The voltage-mode circuits input signal and the output signal is voltage. The input signal and the output signal is current in current mode circuits. Current-mode circuits work with a better performance compared to voltage-mode circuits. Designs of this study have tested with current-mode applications. The design of electronic circuits facilitated with the discovery of the transistors. Nowadays, the sizes of electronic circuits are much smaller. CMOS 20nm gate length production can do as of 2013. However, the small size integrated circuit technologies that can be used to easily digital circuit design are not widely available in analog circuit design. The main reason for this; power supply which is designed analog processing blocks with small sized MOS transistors working with low supply voltages, not provide to run all the transistors in saturation mode. However, all of the analog signal processing circuit transistors must work in saturation mode. For this reason, the existing analog signal processing building blocks adapted to small size technologies. These work simulations performed with 0.18μm AMS parameters. In this work, the CMOS internal structure is proposed for ZC-CDTA (Z-Copy Current Differencing Transconductance Amplifier), ZC-CDBA (Z-Copy Current Differencing Buffered Amplifier) and ZC-CG-CDBA (Z-Copy Controlled Gain Current Differencing Buffered Amplifier) which recently recommended as analog building blocks. Input stage of the ZC-CDTA, ZC-CDBA and the ZC-CG-CDBA consist of current differencing unit. Different current differencing unit CMOS structures are used in the current study. Ideally, these elements of ZC-CDTA, ZC-CDBA and ZC-CG-CDBA input resistance were reduced with the help of positive feedback structure close to ideal. Designed application circuits by exploiting with a smaller value resistors allow the design of integrated circuit structures occupying less area. COA (current operational amplifier), CCIII (third generation current conveyor), ECCII (electronically controllable second generation current conveyor), OTA (operational transconductance amplifier) and voltage buffer which form the structure of proposed ZC-CDTA, ZC-CDBA and ZC-CG-CDBA analog building blocks performances tested in CADENCE and the performances of this sub-circuits was presented in the first chapter of the current study. In the second chapter of the thesis, negative and positive feedbacks were discussed. The effect of positive and negative feedback to the input resistance were also examined. The structure of the ZC-CDTA, ZC-CDBA and ZC-CG-CDBA are proposed by putting together the analog sub-circuits in the third chapter of the current study. The CCIII (third generation current conveyor) recommended by Alain Fabre was used to obtain Z copy which being in the structure of ZC-CDTA, ZC-CDBA and ZC-CG-CDBA.

Anahtar Kelime

analog devre tasarımı

Bilim Kodu

6090101




Sıra No :13409
Üniversite

504062206

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. Fuat Anday

Tez Türü

Doktora

Ay

Şubat

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Fethi Gür

Başlık

AKTİF-URC DEVRE SENTEZİNDE YENİ OLANAKLAR

Özet

Bu tezde, direnç ve kapasite elemanları yerine URC elemanlarının kullanıldığı aktif-URC devrelerinin sentezi problemi incelenerek yeni devreler ve sentez yöntemleri önerilmiştir. Salt transistörlü süzgeç devreleri çoğunlukla, ince film teknolojisiyle üretilmiş URC elemanı bulunduran aktif-URC süzgeç devrelerinde, ince film URC yerine MOS URC eşdeğerinin kullanılmasıyla elde edilmektedir. Ancak, URC elemanı hiperbolik fonksiyonlarla tanımlandığından aktif-URC süzgeç devrelerinde ele alınan sentez yöntemleri klasik devre sentezi yöntemlerinden farklılık göstermektedir. Bu nedenle yeni süzgeç devrelerinin yanında yeni sentez yöntemlerine ve yaklaşımlara ihtiyaç duyulmaktadır. Bu amaçla ilk olarak, ele alınan salt transistörlü bir süzgeç devresinden yeni bir süzgeç fonksiyonunun nasıl elde edilebileceği gösterilmiştir. Bu yolla salt transistörlü yeni iki süzgeç devresi önerilmiştir. Önerilen yüksek ve alçak geçiren süzgeç devrelerinin SPICE programı ile benzetimi yapılarak başarımı gösterilmiştir. Bunun yanında, aktif-URC devre sentezinde klasik devre sentezi yöntemlerini de kullanma olanağı sağlayan çeşitli eşdeğer devreler incelenerek, iki eş URCli yeni bir geçiş kapasitesi ve integral alıcı önerilmiştir. Eş URClerin eşleşme problemini ortadan kaldırmak için tek URCli kayıplı yeni bir integral alıcı önerilmiştir. Ayrıca bu tek URCli kayıplı yeni integral alıcı devreden kayıpsız bir integral alıcı devrenin nasıl elde edilebileceği de gösterilmiştir. Buna ek olarak, URC tabanlı integral alıcılar, devre parametreleri açısından incelenerek yeni bir NEÇ-URC tabanlı kayıplı integral alıcı devre önerilmiş ve benzetimi yapılmıştır. Son olarak, URC elemanının, tanım bağıntısı farklı bir bakışla ele alınarak, kesirli dereceden kapasite olarak kesirli dereceden süzgeç devrelerinin sentezinde kullanılabileceği SPICE programında benzetimi yapılarak görülmüş ve böylece URC elemanının farklı bir yolla da değerlendirilebileceği gösterilmiştir.

Title

NEW POSSIBILITIES IN ACTIVE-URC NETWORK SYNTHESIS

Abstract

In this thesis, the problem of synthesis of active-URC networks that uses uniformly distributed RC line (URC), instead of resistor and capacitor, is investigated. Transistor only filters are generally obtained from active-URC filters using MOS URCs instead of thin-film URCs. However, the synthesis methods of active-URC filter differ from the synthesis methods of active-RC filter because of the hyperbolic functions in the circuit definition of the URC. So new synthesis methods and approaches, as well as new filter topologies, are needed. To this end, firstly it is shown that new filter functions are possible to be derived from existing transistor only filters. By this way, two new transistor only filters are proposed. Circuit simulations are performed with SPICE program to exhibit the performance of the proposed low pass and high pass filters. Also commensurate URCs based a new transcapacitor and integrator is proposed by investigating some useful equivalent circuits which utilize possibility of using classical network synthesis methods in active-URC networks. Moreover, a new single URC lossy integrator is proposed to avoid the mismatch problem of commansurate URCs. In addition to this, it is shown that a way of obtaining a lossless integrator from the proposed lossy one is possible. Additionally, from another point of view URC based integrators are considered by means of network parameters and a new Negative Impedance Converter-URC based lossy integrator is proposed and simulated. Finally, evaluating the circuit definition of URC by another point of view as a new approach, a possible usage of URC as a fractional capacitor in fractional filter applications is demonstrated.

Anahtar Kelime

Aktif-URC devre devre sentezi, Düzgün dağılmış RC hattı(URC), Salt transistörlü süzgeç tasarımı, Geçiş kapasitesi, Kesirli dereceden kapasite, Kesirli dereceden süzgeç, İnce film URC, MOS URC

Bilim Kodu

6090301




Sıra No :13400
Üniversite

504101342

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

İsa YILDIRIM

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Şubat

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

GökhanGÜNAY

Başlık

FOSFORESANS IġILDAMA GÖRÜNTÜLEME TEKNĠĞĠ KULLANILARAK ELDE EDİLEN RETİNA DAMARLARININ OKSİJEN TANSİYONUNUN DÜZENLİLEŞTİRİLMİŞ EN KÜÇÜK KARELER KESTİRİMİNİN KAPALI FORM ÇÖZÜMÜ VE PERFORMANS ANALİZİ

Özet

Vücudumuzdaki her dokuda olduğu gibi göz yapımızdaki ışığa hassas ve böylece en önemli doku olan retinanında normal fonksiyonlarını yerine getirmesinde düzenli oksijenlenmenin çok önemli bir yeri vardır. Retina dokusundaki oksijenlenmenin düzensizliği ise göz tansiyonu ve diyabetik retinopati benzeri zararlı sonuçlara ve hatta görme kaybına sebep olabilecek çeşitli hastalıkların işareti olabilir. Bu sebeple, her hangi bir göz muayenesinde, söz konusu dokunun oksijenlenme miktarının ölçülmeside gözde var olan veya olabilecek hastalıkların teşhisinde ve tedavisinde muayenenin kalitesine katkı sağlayacaktır. Tabi ki, her ölçümde olduğu gibi, retinal dokunun oksijen tansiyonu ölçümündede ölçümün kalitesi ise son derece önemlidir. Retinal damarlarda oksijenlenme miktarı ya da oksijen tansiyonunun ölçümünde fMRI ve spektral görüntüleme gibi bazı teknikler kullanılabilsede bunlar arasında öne çıkan metod ise fosforesans ışıldaması görüntüleme metodudur. Bu metotda, fosforesant bir ortamın ışığa karşı tepkisinin ortamda bulunan glikoz ve oksijen gibi etken maddelerin yoğunluğuna göre değişmesinden faydalanılmıştır. Canlı dokularda fosforesant ortamın oluşturulması ve ölçümün yapılabilmesi için vücuda palladium-porphyrin türevi etken maddesi oksijen olan fosforesant bir karışım vücuda zerk edilir. Uygun ortamın sağlanabilmesi için belirli bir süre beklenerek, maddenin vücuttaki difüzyonu sağlanır ve ardından ölçüm işlemi başlar. Ölçüm işleminde, belirli bir dalga boyuna sahip bir ışık hüzmesi göz retinasına uygun bir biçimde doğrultulur ve oksijene karşı fosforesans özellik kazanmış olan dokunun ışıga karşı tepkilerinin gözlemi yapılır. Elde edilen bu gözlem bilgileri işlenerek oksijenlenme miktarının ölçümü yapılmış olur. Her ölçümde olduğu gibi fosforesans ışıldaması metoduyla yapılan oksijen tansiyonunun ölçümündede ortamdaki gürültüden kaynaklanan istenmeyen bozulmalar oluşur. Bu gürültünün etkilerini bastırmak ve bozulmaları düzeltebilmek için ise ölçümlerde elde edilen gözlemlerin daha itinalı bir şekilde ele alınarak işlenmesi gerekmektedir. Geleneksel olarak, retinal damarlardaki oksijen tansiyonu ölçümünde en temel kestirim yöntemi olan en küçük kareler (EKK) metodu kullanılır. Bu metodda, sistem parametreleri, gözlem bilgileri vede bunlar arasındaki bağıntıları kullanarak elde edilen bir karesel tutar veya hata fonksiyonu tanımlanır. Bu tutar/ hata fonksiyonunda, sistem parametrelerinin gözlem bilgileri karşısında fonksiyonunu minimum yapan noktaları aranır ve bulunan sonuç ise ölçüm kestiriminde kullanılacak işlenmiş veridir. EKK kestirim methodunda kestirim sadece gözlem verilerine dayanılarak yapılır ve bilindiği gibi bu gözlemler ise ortamdaki gürültü tarafından bozulur ve buda ölçümün kalitesini bozar. Bir çok kestirim parametresi kendisiyle ilişkili bir ön bilgi kümesine sahiptir. Fakat, EKK kestirim methodunda sadece gürültü tarafından bozulmuş gözlem bilgisi kullanıldığı için, bu ön bilgi kümesinden faydalanılmaz. Buda EKK kestirimin gürültü tarafından istenmeyen boyutlarda etkilenmesine yol açar. Gürültünün gücü arttıkça sistemin ölçüm kalitesi şiddetli bir biçimde azalır. Ölçümün varyansı ortam gürültüsünün gücü ile doğrudan ilişkili ve onun değerleriyle belirlendiği için, artan ortam gürültüsü gücü ölçüm varyansınıda artırır. Ölçümün varyansı sistemin ölçümünün kalitesinin belirleyici ana unsurudur ve yüksek varyans değerleri ise sistemin ölçümünün kalitesini ve güvenirliğini azaltır. EKK metodunun yukarda açıklanan olumsuz taraflarını azaltmada, düzenlileştirilmiş en küçük kareler (DEKK) metodu etkin bir çözüm sunar. Bu metodun gerçeklenmesi için elimizde yukarda bahsini ettiğimiz ön bilgi kümesinin mevcud olması gerekir. DEKK kestirim metodundada tıpkı EKK metodunda olduğu gibi bir tutar/hata fonsiyonu vardır. Bu tutar fonksiyonu ise gözlem bilgilerini taşıyan EKK tutar/hata fonksiyonu ve dolaylı yada doğrudan eldeki ön bilgi kümesiyle ilişkili olan bir ek fonksiyon veya fonksiyon grubu bulundurur. Bu fonksiyonların adları ise literatürde sırasıyla; gözlem güvenirlik terimi ve düzenlileştirme terimi olarak anılır. Bahsedildiği gibi, DEKK tutar/hata fonksiyonunun gözlem güvenirlik terimi gözlem bilgisini, düzenlileştirme terimi ise eldeki ön bilgi kümesinden elde edilen matematiksel ifadeleri ihtiva eder ve uygun katsayılarla bunlar arasındaki ağırlık oranı belirlenir. Bu ağırlık oranı ise genellikle ortam gürültüsünün gücüne göre bellirlenir; eğer gürültü gücü yüksek ise kestirim ağırlığı düzenlileştirme terimi’ ne verilir. Bunun sebebi ise; artan ortam gürültüsü gücü, gözlem bilgisinin kalitesini azaltır ve bu bilgiyi ağırlıklı kullanmak ise kestirim hatasında artışa sebep olur. Ortam gürültüsü gücünün az olduğu durumlarda ise tam tersi bir durum söz konusudur; ağırlık gözlem güvenirlik terimi’ ne verilir, çünkü gözlem gürültü tarafından az miktarda etkilenir ve bu sebeple gözlem bilgisi güvenilirdir. Ayrıca kestirimde gürültü tarafından bozulmuş gözlem bilgisinin kullanımı sınırlandığı için kestirim varyansında gözle görülür bir düşüş olur. Bu ise ölçümün güvenirliğine ve kalitesine çok büyük katkı sağlar. DEKK kestirim metodu, retinal damarlardaki oksijenlenme miktarının ölçümünde geçen bir kaç yıl içinde yerini bulmuştur ve DEKK kestirim metodu yardımıyla, ilerleyen aşamalarda gösterileceği gibi, etkin sonuçlar elde edilmiştir. Bilindiği gibi, bir çok parametre değerleri canlı olan aynı doku yapısında bir noktadan yakın olan bir diğer noktaya büyük fark göstermez ve belirli bir dereceye kadar, etraftaki değerlerin ortalamasına eşittir. Örneğin, eğer yapıda bir anomali yok ise, herhangi bir doku yapısı içindeki iki yakın noktada ihtiva edilen madde yoğunluğu göz ardı edilecek bir farkla eşittir. Bu durum retinal doku ve dokudaki damarlar tarafından içerilen oksijen miktarı içinde geçerlidir. Yani kısacası diyebiliriz ki; oksijenlenme miktarı yakın noktalar arasında büyük değişim göstermez ve bir nebzeye kadar çevresindeki değerlerin ortalamasına eşittir. DEKK kestirim methodunun tutar/hata fonksiyonu oluşturulurken, retinal doku ve damarlarının bu fizyolojik yapısının bilgisi gözden geçirilir ve tutar/hata fonksiyonunun düzenlileştirme terimi bu bilgiye dayanılarak oluşturulur. Anlatılan bu üstün taraflarını bir tarafta tutarsak, geçmiş çalışmalarda DEKK tutar/hata fonksiyonunun kompleks bir yapıda olması sebebiyle, çözümler gradyan azaltımına dayanan iteratif yaklaşımlarla elde edilebiliyordu. Iteratif yaklaşımlarda, DEKK tutar/hata fonksiyonunda aktif rol oynayan değişkenlerin kestirim başarımı üzerindeki etkileri doğrudan incelenemez. Bu değişkenlerin kestirim başarımı üzerindeki etkilerinin incelenmesi önemlidir çünkü etkilerin titiz bir şekilde ele alınmasıyla ilgili değişkenlerin tercih edilebilir aralıkları bulunabilir. Böylece değişkenlerin verilen aralıklarda tutularak kestirimin yapılması ile daha iyi sonuçlar edilebilir. Örneğin, yukarda bahsi geçen düzenlileştirme terimine verilen ağırlığın başarım üzerine etkisi incelenerek, tercih edilebilir ağırlık değeri aralığı elde edilebilir ve kestirimin bulunan aralıkta yapılması ile daha kaliteli sonuçlar elde edilebilir. Bu tezde retinal damarlarda oksijenlenme miktarının DEKK metoduyla ölçümünün kapalı form çözümü sunulmuştur. Kapalı form çözüm kullanılarak, DEKK kestiriminde etkili olan değişkenlerin kestirim başarımı üzerindeki etkileri analitik olarak incelenmiştir. Elde edilen sonuçlardan yararlanılarak kestirimde kullanılan değişkenlerin tercih edilebilir aralıkları verilmiş, DEEK ve EKK kestirimlerinin başarım karşılaştırması yapılmış ve bütün sonuçlar sunulmuştur.

Title

CLOSED FORM SOLUTION AND PERFORMANCE ANALYSES FOR REGULARIZED LEAST SQUARES ESTIMATION OF RETINAL VASCULAR OXYGEN TENSION USING PHOSPHORESCENCE LIFETIME IMAGING

Abstract

Regular oxygenation of retinal tissue is vital to continue its normal activities. Abnormalities in retinal tissue oxygenation potentially serve as a sign of some devastating eye diseases such as glaucoma, age related macular degeneration. Therefore, accurate estimation of retinal oxygen tension is desired for early diagnosis of eye diseases and for preventing possible vision loses. Estimation of oxygen tension inside the retinal vessels is obtained using the phosphorescence life time imaging model. In this model, a phenomenon is exploited that response of a phosphorescent substance to light changes according to variation of its stimulant such as glucose, oxygen so forth. In this regard, a phosphorescent compound affected by oxygen is injected into body in order to form an appropriate media for imaging the retinal oxygenation. After forming the phosphorescent media, a light beam is directed towards eye retina and reactions of retina to the light beam are measured. Following that, the data acquired from measurements are processed and estimation of oxygen tension inside the retinal and choroidal vessels is obtained. As in almost every estimation, noise is inescapable and it causes undesirable distortions and artifacts. Therefore, improved estimates are needed in order to suppress such undesirable effects of the noise. Traditionally, the least squares (LS) estimation method was used for measuring oxygen tension inside the retinal vessels. The LS estimation method is computationally efficient, but it produces high variance and artificial peaks in the estimates. Therefore gives values outside of the physiological range. This can be attributed to not to be using a suitable prior model for the data. When the LS estimation is used, occurrence of such shortcomings is unavoidable and improved estimation methods are needed therefore. To overcome these shortcomings and utilize knowledge of the prior distribution of the parameters, regularization of the LS estimation constitutes an effective solution. In the regularized least squares (RLS) estimation method, the physiology of retinal tissue in which oxygen tension of a retinal vessel does not vary rapidly in a small neighborhood was used. This physiological information was exploited by assuming that mean value of a pixel value in an oxygen tension map of retinal blood vessel is equal to weighted mean of oxygen tension values of its neighboring pixels. The RLS estimation method was shown to be much better than the conventional LS estimation in many senses such as robustness to the presence of noise and generating much less variance and smoother oxygen tension maps. However, to realize the RLS estimation, a gradient-based iterative procedure was used and a closed form solution for the RLS cost function was not provided. In the absence of a closed form solution, bias and variance performance analyses of the estimation cannot be done effectively and require Monte Carlo simulations which give approximate results. In the RLS estimation, there are some system pre-set variables, such as the number of phosphorescence intensity images and regularization variables, such as regularization coefficient. These variables have different effects on the performance of the RLS estimation. Analyses of these variables’ effect on the performance are significant because preferable ranges of these variables can be given by their examination in order to enhance the estimation. When a closed form solution is not provided, analyses of these variables’ effects on the performance are rather difficult and approximate. In this dissertation, we develop a closed form solution for the RLS estimation of oxygen tension inside the retinal vessels. Using the closed form solution, the performance analyses of the RLS estimator are done analytically without the need of Monte Carlo simulations as opposed to the iterative approach. We also show the effects of several regularization and system pre-set variables so as to find preferable ranges for these variables.

Anahtar Kelime

Retina damarlarında oksijen tansiyonu, Düzenlileştirilmiş En Küçük Kareler Metodu, Kestirim, Başarım Analizi

Bilim Kodu

609




Sıra No :13377
Üniversite

504941052

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Yrd. Doç. Dr. Güneş Karabulut Kurt

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Şubat

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Okan Cengaver

Başlık

MOBİL VERİ ŞEBEKELERİ İÇİN KULLANICI DENEYİM ÖNGÖRÜSÜ

Özet

Bu çalışmada mobil veri şebekeleri için kullanıcıların yaşadıkları deneyim kalitesini ölçmek adına farklı bir metod önerilmektedir. Literatürde önerilen yöntemler ağırlıklı olarak kullanıcıların deneyimlerine ilişkin görüşlerinin anketler düzenlenerek alınması veya mobil cihazlara yerleştirilen akıllı yazılımlar ile deneyimlerin ölçülmesi şeklindedir. Bu sebeple yapılan çalışmalar örnek küme üzerinden deneyimin bütüne aitmiş gibi konumlandırılması esasına dayanmaktadır. Bu çalışmada bahsedilen yöntemlerden farklı olarak mobil şebekede bulunan sistemsel istatistiklerin kullanılması ve radyo şebekesinin deneyime etkisini hesaplayan bir modelin önerilmesiyle farklı bir hesaplama yöntemi önerilmektedir. Bu sayede sadece belli bir örnek küme değil, servisi deneyimleyen tüm kullanıcılar için bir sonuç elde etmek mümkün olmaktadır. Bu amaçla IoE kısaltması adı altında mobil veri servisleri kullanımlarında deneyimin başarısı ölçülebilir ve hesaplanabilir bir parametre ile ifade edilmiştir.

Title

INDICATOR OF EXPERINCE FOR MOBILE DATA NETWORKS

Abstract

In this study, introducing a new way of quality of experience calculation methodology is aimed. A new parameter, indicator of experience (IoE) has been introduced, which is a combination of quantised throughput and acceptability of the user for mobile internet service. Most QoE calculations use mobile client or user perception researches. Differently, network level statistics and radio network modeling is used to calculate IoE. This new approach is then compared with mobile client measurements in order to prove the usability of the approach.

Anahtar Kelime

Mobil veri, Radyo şebekesi, IoE,Kullanıcı deneyimi

Bilim Kodu

6090200




Sıra No :13372
Üniversite

504101404

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Biyomedikal Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. Sedef KENT PINAR

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

İpek TOKER

Başlık

BULANIK KÜMELEME ALGORİTMALARI KULLANILARAK BEYİN MR GÖRÜNTÜLERİNDEN MS LEZYONLARININ AYRIŞTIRILMASI

Özet

Bu çalışmada, manyetik rezonans görüntüleme tekniği ile elde edilmiş beyin görüntülerinden Multipl Skleroz hastalığı sebebiyle oluşan lezyonların kümeleme algoritmaları kullanılarak ayrıştırılması amaçlanmıştır. Bu amaçla, bulanık c-ortalamalar algoritması ile bu algoritmaya farklı bir yaklaşımın uyarlanmasıyla geliştirilmiş olan tip-2 bulanık c-ortalamalar yöntemi BrainWeb veritabanından alınmış yapay MR görüntüleri üzerinde test edilmiştir. Ayrıca, bulanık c-ortalamalar algoritmasının başlangıç değerlerine bağlılığını azaltmak için parçacık sürü optimizasyonu algoritmasından faydalanılmıştır. Bölütleme aşamasında öznitelik olarak T1 ve T2 ağırlıklı yapay MR görüntülerinin gri seviye değerleri kullanılmıştır. Kullanılan algoritmalar için önemli parametrelerin değerleri yapılan denemeler sonucunda belirlenmiştir. Algoritmalara ait kodlar MATLAB kullanılarak yazılmıştır. Bölütleme sonuçları, söz konusu veri tabanından alınan hedef görüntülere göre değerlendirilmiş ve tip-2 bulanık c-ortalamalar yaklaşımının üstünlüğü gösterilmiştir.

Title

SEGMENTATION OF MS LESIONS IN BRAIN MAGNETIC RESONANCE IMAGES USING FUZZY CLUSTERING ALGORITHMS

Abstract

In this study, segmentation of Multiple Sclerosis (MS) lesions in brain magnetic resonance images using clustering algorithms is intended. For this purpose, fuzzy c-means algorithm and type-II fuzzy c-means algorithm which is developed applying a new approach on fuzzy c-means algorithm, are tested using synthetic MRI images. The images are taken from BrainWeb database. In addition, particle swarm optimization algorithm is used to reduce sensitivity of fuzzy c-means algorithm to initial values. In segmentation process, grey level intensities of T1-weighted and T2-weighted MR images are used as features. The values of parameters which are effective on the performance of algorithms are determined using experimental results. Codes of algorithms are implemented using MATLAB. The clustering results are compared with the target image which is presented by BrainWeb database and superiority of type-II fuzzy c-means algorithm for this problem is proven.

Anahtar Kelime

Manyetik rezonans, bölütleme, bulanık c-ortalamalar, tip-2 bulanık c-ortalamalar, parçacık sürü optimizasyonu

Bilim Kodu

0




Sıra No :13325
Üniversite

504091238

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. Hakan Kuntman

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Emrah Armağan

Başlık

28 nm PROSESİNDE ÖRNEK İKİNCİ KUŞAK AKIM KONTROLLÜ AKIM TAŞIYICI YAPILARI TASARIMI VE UYGULAMALARI

Özet

Bu çalışmada, gerilim modlu devrelere kıyasla sahip oldukları üstün yanlarından yararlanılarak akım modlu devrelerden ikinci kuşak akım kontrollü akım taşıyıcı yapılarının tasarımı ve örnek devrelerin uygulamalarının 28nm CMOS prosesinde gerçeklemeleri yapılmıştır. Çalışmaya öncelikle karmaşıklaşan haberleşme ihtiyacının meydana getirdiği sorunlar incelenerek başlanmıştır. Yeni standartlara uygun ve haberleşme alanında var olan problemlere çözüm öneren yapıların incelemesi yapılmış ve önerilecek devre yapısının sağlaması gereken özellikler belirlenmiştir. Hedeflenen özelliklerin belirlenmesinin ardından tasarımı yapılacak akım kontrollü akım taşıyıcı yapıları teorik incelemeleri ile verilmiş ve karakteristik özellikleri gözlenmiştir. Daha sonra tasarımı yapılan devre yapılarının uygulamaları olarak frekans atik filtre yapısı ile çok modlu filtre yapısı gerçeklenmiş ve benzetim sonuçları gözlenmiştir. Son olarak elde edilen yapıların serim çizimleri gerçeklenmiş ve sonuçlara etkileri gözlenmiştir. Tasarımı yapılan devreler 28nm prosesinde gerçeklenen ve önerilen aktif filtreler olması açısından önemlidir.

Title

DESIGN EXAMPLES FOR SECOND GENERATION CURRENT CONTROLLED CURRENT CONVEYORS AND THEIR APPLICATIONS IN 28nm PROCESS

Abstract

In this study, due to their advantages over voltage mode circuits, a current mode circuit second generation current controlled current conveyors design and their applications in 28nm CMOS process realized. Initial effort was put on the investigation of current problems in communication environment and standards. With repect to literature studies and investigations, specification of the circuit to be designed defined to provide alternative sollutions. Following to this, theoretic investigations of the circuits are investigated and their characteristics are examined with the simulations. After the design of current mode circuits, frequency agile filter implementation and multi response filter implementations are selected as the application part of this study. Filter structures are realized and their characteristics observed. As the last step of this work, layout and post layout phases are executed and effects of these steps are obtained. The designed circuits and their filter applications are important since they are the first implementations in 28nm CMOS process and they provide alternative solutions to multi mode, multi response communication standards.

Anahtar Kelime

CCCII, Frekans Atik, 28nm, CMOS, Akım, Filtre

Bilim Kodu

6090100




Sıra No :13723
Üniversite

504101331

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Yrd. Doç. Dr. Serkan ŞİMŞEK

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Zeynep BERKSOY

Başlık

SIW DALGA KILAVUZLARININ ANALİZİ VE TASARIM UYGULAMALARI

Özet

SIW (Substrate Integrated Waveguide) dalga kılavuzları, gittikçe artan yaygınlığa sahip bir araştırma alanı olup; uygulama alanı gün geçtikçe genişlemektedir. Bu bağlamda yapılan tasarımlar çeşitlenmekte, istenen amaçlara uygun olacak şekilde yeni tasarımlar ortaya çıkmaktadır. Çalışma kapsamında dalga kılavuzları ve özel olarak dikdörtgen dalga kılavuzları ile saçılma parametrelerine yer verilmiştir. Seçilen probleme uygun olarak, dikdörtgen dalga kılavuzlarını ve SIW dalga kılavuzlarını analiz etmek üzere kullanılan İletim Hattı Modeli, Modal Açılım Tekniği ve yaygın kullanılan bir mikrodalga benzetim programı olan HFSS (High Frequency Structure Simulator) ile analiz konusu detaylı olarak anlatılmıştır. SIW dalga kılavuzları odaklı araştırma yapılmış ve araştırma sonuçları ortaya konulmuştur. Çalışmada anlatılan analiz teknikleri kullanılarak farklı geometri ve özelliklerdeki dikdörtgen dalga kılavuzları analiz edilmiş, bu tekniklerden elde edilen sonuçların tutarlılığı teyit edilmiştir. İncelenen analiz tekniklerinin farklı problem geometrileri için avantaj durumlarına yer verilmiştir. Dikdörtgen dalga kılavuzları seçilen teknikler ile analiz edildikten sonra, literatürden seçilen bir SIW dalga kılavuzu HFSS ile analiz edilmiş, sonuçlar doğrulanmıştır. Son olarak Modal Açılım Tekniği kullanılarak dikdörtgen dalga kılavuzu ve SIW dalga kılavuzu için band durduran filtreler tasarlanmış, filtrelerin HFSS analizleri yapılarak elde edilen sonuçlar doğrulanmıştır.

Title

ANALYSIS AND DESIGN APPLICATIONS OF SUBSTRATE INTEGRATED WAVEGUIDES

Abstract

Substrate integrated waveguides (SIWs) have many research areas and with increasing popularity their applications expand rapidly. In this context, design applications of SIWs diversify and new designs providing the needs come out. In this work, waveguides, especially rectangular waveguides, and scattering parameters are mentioned. In order to analyze the rectangular waveguides and also SIWs, Transmission Line Method, Modal Expansion Method and analysis with HFSS (High Frequency Structure Simulator), which is a well-known microwaves simulation program, are chosen and expressed in detail. A research focused on the SIWs are completed and presented thoroughly. By using the selected analysis techniques, rectangular waveguides with different geometries and specifications are analyzed and the results are checked and commented. The advantages of the analysis techniques for different cases are indicated. An SIW chosen from the literature is modelled and analyzed with HFSS and the results are verified. Finally, by using the Modal Expansion Method, bandstop filters for both a rectangular waveguide and an SIW are designed. These filters are analyzed with HFSS and the results are compared and confirmed.

Anahtar Kelime

SIW, SIW Dalga Kılavuzları, Dikdörtgen Dalga Kılavuzu Analizi, SIW Analizi

Bilim Kodu

609




Sıra No :13288
Üniversite

504101401

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Biyomedikal Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. İbrahim AKDUMAN

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Ahmet Hakan TUNÇAY

Başlık

T1-AĞIRLIKLI 3-BOYUTLU MRI DATASI KULLANILARAK GERÇEKÇİ MİKRODALGA GÖĞÜS MODELLERİ ÜRETİLMESİ

Özet

Son yıllarda, meme kanserinin erken teşhisi konusunda mikrodalga görüntüleme alanında yapılan çalışmalar popülerlik kazanmıştır. Bu bağlamda, insan memesinin elektromanyetik sayısal modelleri bu konuda çalışan araştırmacılara, hızlı deneysel analizler yaparak yeni teknolojilerin fizibilitesinin artırılması ve böylece daha iyi görüntüleme tekniklerinin ve aygıtlarının geliştirilmesi konularında yardımcı olmaktadır. Literatürde özel olarak sayısal mikrodalga meme modellerini konu alan bu ilk çalışmada arzu edilen türde bir model üretilebilmesi için 3 ana adım içeren bir yöntem öne sürülmüştür. Bu yöntemin alt adımları kısaca: MRI verisindeki gürültünün homomorfik filtreleme ile giderilmesi, dokuların Gauss Karışım Modeli (GMM) ile segmentasyonu ve elektromanyetik özelliklerin parçalı-doğrusal eşleme fonksiyonları ile eşlenmesi olarak tarif edilebilir. Bu çalışmada, mikrodalga meme görüntülemesi çalışmalarında kullanılmak üzere değişik şekil, ebat ve radyografik yoğunluklarda 3-boyutlu sayısal mikrodalga meme modelleri üretilmesi için etkin ve kendi kendine işleyebilen bir yöntem sunulmuştur. Memenin heterojen yapısının mekânsal bilgisi, memelerinde bir anomaliye rastlanmayan değişik hastaların yüz üstü pozisyonda alınmış T1-ağırlıklı 3-boyutlu MRI verileri kullanılarak elde edilmiştir. Dokulara ait her bir sınıf ile elektromanyetik özellikler arasında tekdüze parçalı kübik Hermitte interpolasyon yöntemi kullanılarak doğrusal olmayan bir ilişki kurulmuştur. İlgili meme dokularının elektromanyetik özellikleri Debye and Cole-Cole dağılım modelleri üzerinden tercih edilen çalışma frekansına göre belirlenmiş, böylece MRI verisindeki her bir voksel değeri uygun bağıl geçirgenlik ve iletkenlik değerleri ile eşlenmiştir. Bağıl geçirgenlik ve iletkenlik dağılımlarına dönüştürülen MRI kesitleri, doğrusal interpolasyon ile 3-boyutlu ve gerçekçi bir yapıya dönüştürülmüştür.

Title

MICROWAVE BREAST MODELS THROUGH T1-WEIGHTED 3-D MRI DATA

Abstract

Recent years, early detection of breast cancer in the field of electromagnetic imaging has gained high popularity. In this context, computational electromagnetic models of the human breast are used to help researchers develope better techniques and instruments for imaging, increasing the feasibility of new technologies, and doing fast experimental analysis. In this study, an effective and automated methodology for realistic numerical 3-D breast phantom development of different shapes, size and radiographic density in order to be used for different electromagnetic simulation models in microwave breast imaging research is presented. The spatial information of heterogeneity of the breast structure is collected from T1-weighted MRI slices of different patients’ in prone position with normal breast tissue (not malignant or abnormal). Each voxel in MRI data was mapped to the appropriate dielectric properties using several steps. First, bias field appears on each slice in MRI data was estimated and eliminated. After filtering of all slices, voxels belong to adipose and glandular tissues were classified into four categories. Then those tissue categories were related to electromagnetic properties of relative permittivity and conductivity by monotone piecewise polynomial cubic Hermite interpolation. Electromagnetic properties of the breast tissue are expanded to desired frequency using Debye dispersion models. Each voxel intensity value is nonlinearly mapped to the appropriate electromagnetic properties of the corresponding breast tissue. Later, the resultant slices of permittivity and conductivity are linearly interpolated to form a proper 3-D breast structure.

Anahtar Kelime

Mikro dalga meme modelleri, Mikrodalga meme tomografisi

Bilim Kodu

6090208




Sıra No :13354
Üniversite

504052304

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. Bilge Günsel

Tez Türü

Doktora

Ay

Ocak

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Serap Kırbız

Başlık

ALTUZAY ÖĞRENME İLE ALGISAL SES KAYNAK AYRIŞTIRMA

Özet

Bu tez çalışmasında, tek bir gözlem işaretinden karışımı oluşturan ses kaynaklarını ayrıştırmak için bir çerçeve sağlayan Negatif Olmayan Matris Ayrıştırma (NOMA) ve Negatif Olmayan Tensör Ayrıştırma (NOTA) yöntemleri kullanılarak, altuzay öğrenmeye dayalı modeller önerilmektedir. Çalışmada öncelikle, polifonik müzik karışımlarından müzik aletlerini ayrıştırmak amacıyla önerilen, algısal olarak ağırlıklandırılmış Negatif Olmayan Çarpan 2-B Ters Evrişimi ve algısal olarak ağırlıklandırılmış Öbeklenmiş NOMA yöntemleri sunulmaktadır. Polifonik müzik işaretlerinin ayrıştırılmasında NOMA-tabanlı yöntemlerde karşılaşılan permütasyon problemi, altuzay gösteriminin ötelenme-ile-değişmezlik özelliği kullanılarak aynı müzik aleti tarafından çalınan notaların öbeklenmesi ile çözülmektedir. Tez kapsamında geliştirilen bir diğer yaklaşımda, konuşma ve müzik işaretlerini ayrıştırmak için, uyarlamalı çözünürlüğe dayalı bir kaynak ayrıştırma yöntemi önerilmektedir. Ayrıştırma, NOTA kullanılarak gerçekleştirilmiş olup, farklı çözünürlüklerde ayrıştırılmış kaynaklar büyükçe enerji sıkıştırma ilkesi yöntemine dayalı olarak uyarlamalı bir şekilde birleştirilmektedir. Son olarak, kaynaklar hakkında önsel bilginin problemin çözümünde kullanılmasına olanak sağlayan Bayesci bir kaynak ayrıştırma yöntemi incelenmektedir. Literatürde kullanılan ölçütler kullanılarak yapılan başarım analizi sonuçları, önerilen altuzay öğrenmeye dayalı ses kaynak ayrıştırma yöntemlerinin, tek kanaldan ses ayrıştırma probleminde sistem başarımını ve ayrıştırılan seslerin algısal kalitesini arttırdığı göstermektedir.

Title

PERCEPTUAL AUDIO SOURCE SEPARATION BY SUBSPACE LEARNING

Abstract

In this thesis, we propose models that provide a framework to separate audio signals from single observation based on subspace learning with Non-negative Matrix Factorization (NMF) and Non-negative Tensor Factorization (NTF). First, we introduce the perceptually weighted Non-negative Matrix Factor 2-D Deconvolution and the perceptually weighted Clustered NMF methods to separate musical instruments in polyphonic music mixtures. Permutation problem encountered in NMF-based separation of polyphonic music mixtures is eliminated by clustering the notes belonging to the same instrument based on shift-invariance property of subspace representations. In order to improve the separation quality we propose an NTF based method where each layer of the tensor represents the single channel mixture at a different time-frequency resolution. The separated sources obtained at various resolutions are then fused adaptively based on the maximal energy compaction principle. It is also evaluated whether Bayesian approach which opens up a way to incorporate prior information available about the sources into the separation scheme, improves the separation quality. Based on the comparisons performed with the existing methods, it is concluded that incorporation of the perceptual human auditory system model into the source separation increases the perceptual quality of the separated sources.

Anahtar Kelime

Ses kaynak ayrıştırma, altuzay öğrenme, algısal maskeleme, algısal kalite.

Bilim Kodu

6090208




Sıra No :13285
Üniversite

504101316

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. Hakan Ali ÇIRPAN

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Mehmet ÖZGÖR

Başlık

ULTRA GENİŞ BANT KANAL KESTİRİMİ İÇİN BAYES SIKIŞTIRILMIŞ ALGILAMA YAKLAŞIMI

Özet

Ultra geniş bant dürtü radyosu, kablosuz haberleşme için yeni gelişen bir teknolojidir. Amerika Birleşik Devletleri’nde haberleşme alanında düzenleyici kuruluş olan Federal Haberleşme Komisyonu (FCC) tarafından ultra geniş bant teknolojisiyle ilgili düzenlemeler yapıldıktan sonra öncelikle IEEE 802.15.3 standardı görev grubu, ultra geniş bant dürtü radyolarıyla yüksek hızlı kablosuz kişisel alan ağı uygulamaları için yeni bir fiziksel katman yapısı oluşturulması amacıyla 802.15.3a çalışma grubunu kurmuştur. Ultra geniş bant veri iletiminde iletim uzaklığındaki artış, veri hızında düşüşe neden olur. Bu doğrultuda IEEE 802.15.4 standardı görev grubu, ultra geniş bant dürtü radyolarıyla düşük hızlı fakat iletim uzaklığı daha büyük olan kablosuz kişisel alan ağı uygulamaları için yeni bir fiziksel katman yapısı oluşturulması amacıyla 802.15.4a çalışma grubunu kurmuştur. Bu çalışma grubu, özellikle ortalama bir veri hızı fakat düşük güç tüketimi, karmaşıklık ve maliyet gerektiren sensör ağı uygulamaları gibi uygulamalar üzerinde çalışmalarını yoğunlaştırmıştır. Bu çalışmada IEEE 802.15.4a bünyesindeki çeşitli ultra geniş bant kanal modellerinin kestirimi üzerine odaklanılmıştır. Düşük iletim gücü, düşük maliyetli basit yapı, düz sönümlemeye karşı bağışıklık ve çokyollu bileşenleri iyi bir zaman çözünürlüğüyle ayrı ayrı çözme yeteneği gibi ayırt edici özelliklere sahip olması dolayısıyla ultra geniş bant dürtü radyoları, konumlama, uzaklık belirleme ve düşük veri hızlı uygulamalar için belirlenen kablosuz kişisel alan ağı IEEE 802.15.4a standardının fiziksel katman yapısı olarak seçilmiştir. Ultra geniş bant dürtü radyolarının gerçekleştiriminde karşılaşılan temel zorluklardan biri de kanal kestirimidir. Kanal karakteristikleri hakkında doğru bir bilgiye sahip olmak, haberleşme açısından etkin bir veri iletimi gerçekleştirmek ve sistem performansını artırmak için oldukça önemlidir. Bu nedenle kanal dürtü yanıtı hakkında bilgi edinmek için kanal kestirimi gereklidir. Ultra geniş bant dürtü radyolarının bantgenişliğinin çok fazla olması dolayısıyla, kanal kestiriminde klasik en büyük olabilirlik kestirimcisinin kullanılmasının başlıca dezavantajı, hassas bir kanal kestirimi için Nyquist kriterine göre alıcıdaki örnekleme işleminde çok yüksek örnekleme oranlarına, bir başka ifadeyle çok yüksek hızlı analog-sayısal dönüştürücülere ihtiyaç duyulmasıdır. Bu durum alıcıda devre karmaşıklığının ve maliyetin artmasına neden olur. Yüksek örnekleme oranı gerektiren bu ultra geniş bant kanal kestirimi probleminin üstesinden gelmek için sıkıştırılmış algılama kullanılabilir. Sıkıştırılmış algılama yöntemi, Nyquist oranından önemli ölçüde daha düşük bir örnekleme oranıyla seyrek sinyallerin geri elde edilmesini mümkün kılmaktadır. Seyrek sinyal ifadesi en basit anlamda, bir çok bileşeni sıfır veya sıfıra yakın olan bir başka ifadeyle çok az bileşeni sıfırdan farklı olan sinyaller için kullanılan bir ifadedir. Alıcıda ard arda alınan ultra geniş bant sinyaller kayda değer bir zaman gecikmesiyle alıcıya ulaştığı ve alıcıda ayrı ayrı çözülebildiği için ultra geniş bant çokyollu kanallar için seyrek yapıya sahip olma varsayımı yaygın kabul görmüştür. Ultra geniş bant kanalların bu özelliği nedeniyle sıkıştırılmış algılama yöntemi, yüksek örnekleme oranı probleminin üstesinden gelmek için ultra geniş bant kanal kestiriminde kullanılabilir. Böylece sıkıştırılmış algılama ile alıcının yüksek maliyeti, karmaşıklığı ve güç tüketimi azaltılarak daha basit yapıda bir alıcı, ultra geniş bant sistemde kullanılabilir. Sıkıştırılmış algılama literatüründe, aynı zamanda basis pursuit (BP) olarak da bilinen ℓ1-norm enküçültme ve matching pursuit (MP) olmak üzere seyrek sinyal geri elde ediniminde kullanılan 2 temel algoritma vardır. Literatürde aynı zamanda bu algoritmaların basis pursuit de-noising (BPDN), orthogonal matching pursuit (OMP), stagewise orthogonal matching pursuit (StOMP) ve compressive sampling matching pursuit (CoSaMP) gibi çeşitli türevleri de bulunmaktadır. Son yıllarda Bayes yapının sıkıştırılmış algılama teorisine uygulanmasıyla birlikte, Bayes tabanlı çeşitli sıkıştırılmış algılama algoritmaları, sıkıştırılmış algılama literatürünün bir parçası olmaya başlamıştır. Bu tezde kullanılacak olan Bayes sıkıştırılmış algılama algoritması da bunlardan biridir. Sıkıştırılmış algılamanın bu çeşitli gerçekleştimlerinin arasında Bayes yapının katkısı, ilgili sinyalin istatistiksel özellikleri de göz önünde bulundurulduğundan sinyal geri elde ediniminin iyileştirilmesi açısından önemli bir potansiyel göstermiştir. Bu doğrultuda, Bayes sıkıştırılmış algılama yaklaşımının seyrek ultra geniş bant kanalların kestirimine uygulanması bu çalışma ile gerçekleştirilmiştir. Bu tezde gerçeğe uygun çeşitli ultra geniş bant kanal modelleri için Bayes sıkıştırılmış algılamanın kanal kestirim performansı incelenmiştir. Özellikle Bayes sıkıştırılmış algılama modelini doğrudan etkilediği için analiz açısından önemli olan (i) standartlaştırılmış IEEE 802.15.4a kanal modellerinin seyrek yapılarının, (ii) işaret-gürültü oranı seviyelerinin ve (iii) ölçüm sayısının çeşitli senaryolar için Bayes sıkıştırılmış algılama kanal kestirim performansı üzerindeki etkileri araştırılmış ve bu sonuçlar seyrek sinyal kestirimi için yaygın olarak kullanılan ℓ1-norm enküçültme tabanlı kestirim sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Sıkıştırılmış algılama tabanlı ultra geniş bant kanal kestiriminde önemli rol oynayan ultra geniş bant kanalların seyrek yapıya sahip olma varsayımı, kanal ortamları incelenerek doğrulanmalıdır. Bu nedenle tezde, çeşitli kanal ortamlarını modelleyerek oluşturulmuş ve ultra geniş bant araştırma çalışmalarında yaygın olarak kullanılan IEEE 802.15.4a standardı bünyesindeki kanal modeli-1, kanal modeli-2, kanal modeli-5 ve kanal modeli-8 olmak üzere 4 farklı kanal modeli göz önünde bulundurulmuştur. Kısaca bu kanal modellerinin belirgin karakteristikleri özetlenecek olursa: Kanal modeli-1, alıcı verici arasında doğrudan görüşün (LOS) olduğu konut içi ortamı temsil eden ve IEEE 802.15.4a standardı bünyesindeki en seyrek yapıya sahip olan kanal modelidir. Kanal modeli-2, alıcı verici arasında doğrudan görüşün olmadığı (NLOS) konut içi ortamı temsil eden kanal modelidir. Kanal modeli-2 de kanal modeli-1 gibi seyrek yapıya sahiptir fakat kanal modeli-1’e kıyasla daha fazla çokyollu bileşene sahiptir. Kanal modeli-1 ve kanal modeli-2’nin temsil ettikleri ortam, kısa mesafedeki güvenlik ve ölçüm sensörlerinin bulunduğu ev ağları için oldukça önemlidir. Kanal modeli-5, alıcı verici arasında doğrudan görüşün olduğu kapalı olmayan (açık alan) ortamı temsil eden kanal modelidir. Kanal modeli-1 ve kanal modeli-2’ye gore oldukça düşük seyrekliğe sahiptir. Bu kanal modelinde çokyollu bileşenler genellikle birkaç küme halindedir. Kanal modeli-8, alıcı verici arasında doğrudan görüşün olmadığı endüstriyel ortamı temsil eden kanal modelidir. Ortam birçok metal yansıtıcılarla dolu geniş fabrika holleri tarafından karakterize edilir. Böylesi bir ortam çok yoğun şekilde çokyollu bileşenlerin oluşmasına neden olur. Bu sebeple kanal modeli-8, seyrek kanal modeli olarak tanımlanamaz. Dolayısıyla bu 4 kanal modeli içinde en az seyrek yapıya sahip kanal modelidir. Kestirim problemleri analizinde, olabilecek en iyi kestirimci hata performansını belirlemek, performans analizi için önemlidir. Performans alt sınırları da bu en iyi kestirimcinin hata performansını gösterdiği için gerçeklenen kestirimcinin hata performansının değerlendirilmesi açısından önemli bir değerlendirme ölçütüdür. Cramér-Rao alt sınırı yanlı olmayan (unbiased) kestirimciler için yaygın olarak kullanılan bir performans sınırıdır. Gerçekte Cramér-Rao alt sınırı, yanlı olmayan kestirimcilerin toplam varyansı üzerindeki bir alt sınırdır. Bununla birlikte yanlı olmayan kestirimciler için ortalama karesel hata varyansa eşit olduğu için, Cramér-Rao alt sınırı aynı zamanda kestirim hatası üzerindeki bir alt sınırdır. Ancak, bu çalışmada ultra geniş bant kanal kestirimi için önerilen Bayes sıkıştırılmış algılama kestirimcisi, Bayes bir kestirimci olmasının yanı sıra aynı zamanda yanlı (biased) bir kestirimcidir. Dolayısıyla kestirim hatası üzerinde değerlendirme ölçütü olarak bir performans alt sınırı belirlemek, Bayes sıkıştırılmış algılama kestirimcisinin performans analizi açısından önemlidir. Literatürde var olan sonsal (Posterior) Cramér-Rao alt sınırı veya Bayes Cramér-Rao alt sınırı, yanlı olmayan Bayes kestirimcilerin kestirim hatası değil de varyansları üzerindeki bir alt sınırdır. Cramér-Rao alt sınırına ek olarak sonsal Cramér-Rao alt sınırı için Bayes yapıdan dolayı kestirilecek parametre vektörüne ilişkin önsel (prior) olasılık dağılımı da göz önünde bulundurulur. Bu nedenle, bu çalışmada doğrusal yanlılık vektörlerine sahip yanlı Bayes kestirimciler için parameter vektörüne ilişkin önsel olasılık dağılımına ek olarak yanlılık terimi de göz önünde bulundurularak ortalama karesel hata üzerinde bir alt sınır sağlanmış ve bu ortalama karesel hata alt sınırı, gerçeklenen Bayes sıkıştırılmış algılama kestirimcisinin kanal kestirim performansıyla karşılaştırılmıştır. Dahası Bayes sıkıştırılmış algılama ve ℓ1-norm enküçültme yöntemlerinin işlemsel verimliliği büyük-O notasyonundan faydalanılarak işlem sürelerine göre incelenmiştir. Çalışma sonucunda, Bayes sıkıştırılmış algılamanın yüksek işaret-gürültü oranı seviyelerinde yeterli sayıda ölçüm ve seyrek kanal modelleri (kanal modeli-1 ve kanal modeli-2) için ℓ1-norm enküçültme yöntemine kıyasla üstün bir performans sergilediği görülmüştür. Ayrıca ℓ1-norm enküçültme yöntemiyle karşılaştırıldığında, Bayes sıkıştırılmış algılama yönteminin işlemsel olarak daha verimli olduğu sonucu çıkarılmıştır. Bu tezin sonuçları göz önünde bulundurulduğunda, farklı sistem gerçekleştirim durumları için Bayes sıkıştırılmış algılama yöntemi veya ℓ1-norm enküçültme yöntemi diğerinin yerine tercih edilebilir.

Title

BAYESIAN COMPRESSIVE SENSING APPROACH FOR ULTRA-WIDEBAND CHANNEL ESTİMATION

Abstract

Ultra-Wideband (UWB) impulse radio (IR) is an emerging technology for wireless communications. Owing to distinguishing properties such as having low transmit power, low-cost simple structure, immunity to flat fading and capability of resolving multipath components individually with good time resolution, UWB-IRs have been selected as the physical layer structure of Wireless Personal Area Network (WPAN) standard IEEE 802.15.4a for location and ranging, and low data rate applications. In the implementation of UWB-IRs, one of the main challenges is the channel estimation. Due to ultra-wide bandwidth of UWB-IRs, the main disadvantage of implementing the conventional maximum likelihood (ML) channel estimator is that very high sampling rates, i.e., very high speed analog-to-digital (A/D) converters are required for precise channel estimation. Reconstruction of sparse signals with a sampling rate significantly lower than Nyquist rate is possible with compressive sensing (CS). Due to the sparse structure of UWB channels, compressive sensing can be used for UWB channel estimation in order to overcome the high-rate sampling problem. Among various implementations of CS, the inclusion of Bayesian framework has shown potential to improve signal recovery as statistical information related to signal parameters is considered. Accordingly, the application of Bayesian CS (BCS) approach to the estimation of sparse UWB channels is considered in this study. In this thesis, the channel estimation performance of BCS is studied for various UWB channel models and noise conditions. Specifically, the effects of (i) sparse structure of standardized IEEE 802.15.4a channel models, (ii) signal-to-noise ratio (SNR) regions, and (iii) number of measurements on the BCS channel estimation performance are investigated, and they are compared to the results of ℓ1-norm minimization based estimation, which is widely used for sparse channel estimation. Furthermore, a lower bound on mean-square error (MSE) is provided for the biased BCS estimator and it is compared with the MSE performance of implemented BCS estimator. Moreover, the computation efficiencies of BCS and ℓ1-norm minimization are investigated in terms of computation time by making use of the big-O notation. The study shows that BCS exhibits superior performance at higher SNR regions for adequate number of measurements and sparser channel models (e.g., CM-1 and CM-2). Furthermore, BCS is found to be computationally more efficient compared to ℓ1-norm minimization. Based on the results of this thesis, the BCS method or the ℓ1-norm minimization method can be preferred over the other one for different system implementation conditions.

Anahtar Kelime

Bayes sıkıştırılmış algılama, IEEE 802.15.4a kanal modelleri, ℓ1-norm enküçültme, ortalama karesel hata alt sınırı, ultra geniş bant kanal kestirimi, yanlı Bayes kestirim

Bilim Kodu

6090207




Sıra No :13233
Üniversite

504081348

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Doç Dr. Mesut Kartal

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Atakan Arslan

Başlık

ISO 18000-3, ISO 18000-7 STANDARTLARINA UYGUN RFID SİSTEMLERİNİN PERFORMANS ANALİZİ VE İYİLEŞTİRİLMESİ

Özet

Bu Yüksek Lisans Tezi iki ana kısımdan oluşmaktadır. Birinci kısım, ISO 18000-3 ve ISO 18000-7 standartlarına uygun pasif ve aktif RFID sistemlerinin performans değerlendirmesini içermektedir. İkinci kısım ise, 18000-7 standardına uygun RFID sistemlerinin çoklu antenlerle başarım iyileştirilmesini içermektedir. Bu kısım ayrıca değişik sınırlı geri besleme metotlarının çoklu antenlerle birlikte etiket ve okuyucu tarafındaki detaylı karşılaştırmalarını da kapsamaktadır. Radyo frekans tanımlama (RFID) teknolojisi, kablosuz haberleşme alanında oldukça popüler olmaya başlamış ve birçok uygulama alanında yaygın bir şekilde dağılmıştır: temassız kredi kartları, e-pasaport, bilet sistemleri, giriş-çıkış kontrolleri, oyunlar, sağlık, ilaç, doküman ve basın yönetimi... Bu teknoloji, radyo dalgaları yardımıyla herhangi bir nesne ya da canlıyı tanımlama veya takip etmeyi kablosuz olarak sağlamaktadır. RFID sistemleri, kullandıkları frekans bantlarına göre üç gruba ayrılırlar: Düşük frekans (LF, 30-300 KHz), Yüksek Frekans (HF 3-30MHz) ve ultra yüksek frekans (UHF,300MHz-3GHz) / Mikrodalga (>3 GHz). RFID etiketleri ve okuyucuları birbirleriyle havadan haberleşirler. Haberleşme kanalının güvensiz olması ve hafif-siklet etiketlerin sınırlı kapasiteleri güvenlik ve mahremiyet açıklarına neden olur. Bir saldırgan etiketi taklit edebilir, izleyebilir, dinleyebilir veya DoS saldırısında bulunabilir. Bu açıklıklara ek olarak, bir etiket, bir düşman tarafından yaşam döngüsü boyunca farkedilememelidir. Eğer bir saldırgan bir etiketi tanıdıysa, artık onu kolayca takip de edebilir. Bu durumda, iki saldırı söz konusudur: (i) Bir saldırgan etiketin bütün geçmiş konuşmalarını deşifre edebilir veya (ii) gelecek konuşmalarında onu takip edebilir. Bu saldırılar sırasıyla geri dönük takip edilebilme ve ileriye dönük takip edilebilme atağı olarak adlandırılmaktadır. Litaratürde güvenlik ve mahremiyet sorunlarına çözüm olacak açık-anahtar şifreleme çözümleri bulunmaktadır, fakat bu çözümlerin hiçbir tanesi, sınırlı kapasiteleri nedeniyle birçok uygulamada kullanılan hafif-siklet etiketler için uygun bir çözüm değildir. Bu yüzden, saldırganların sınırlı kapasitedeki etiketleri kandırmasını engellemek için çok sayıda hafi-siklet asıllama prokolleri önerilmiştir. Önemi artan güvenlik ve mahremiyet konuları genellikle yakın alan haberleşmelerinde kullanılan (kablosuz akıllı kartlar) HF RFID sistemleriyle ilgilidir. çünkü bu sistemler, birçok RFID uygulamalarında (e-pasaport, akıllı nüfus kartı, kredi kartları vb.) güvenlik ve mahremiyet gerektiren kişisel bilgileri saklamaktadır. Birçok araştırmacı, standartlara uygun olacak şekilde güvenlik ve mahremiyet problemlerine farklı protokol tasarımlarıyla çözümler sunmuşlardır. Bu protokollerin güvenlik ve mahremiyet konularındaki analizleri oldukça önemli olmasına rağmen, onların gerçek hayattaki verimlilikleri ise önem arz eden başka bir konudur. Maalesef, her bir yeni protokol tasarımının fiziksel olarak test edilebilmesi maliyet, zaman ve pratik uygulama açısından oldukça zordur. Protokollerin performansları, HF RFID uygulamalarının kalitesini etkilemektedir. Bu yüzden, farklı protokolleri değerlendirmek için birçok simülasyon ortamları geliştirilmiştir. Bunlardan hiçbiri kablosuz kanal etkisini göz önüne alacak şekilde protokollerin başarı sınırlarını göstermemiştir. Bu motivasyonla biz, bu tez çalışmasında PETRA simülasyon ortamına AWGN ve Rayleigh sönümlemeli kanal modellerini ekleyerek iyileştirmede bulunduk. Bu kanallarda haberleşen ISO/IEC 18000-3 standardına uygun olan RFID sistemlerindeki protokollerin performans sınırlarını gösterdik. Bu amaca yönelik olarak, güvenli ve mahrem bir kimlik tanıma protokolünü, yeni geliştirdiğimiz simülasyon ortamına uyguladık ve pasif RFID sistemlerin gerçek hayatta kullanılmadan önceki performans değerlendirmesini gözlemledik. Biz RFID protkollerinin en iyi başarıyı AWGN kanalı altında sergilediğini gösterdik. Bu başarım göstergesi bize aslında protokolün başarım üst sınırını vermektedir çünkü AWGN kanal kablosuz haberleşme ortamları içerisinde ideal kanal olarak kabul edilmektedir. Ayrıca, kablosuz kanalın etilerini göstermek için Petra simülasyon ortamının sonuçlarını ekledik. Bunun aynı sıra, Rayleigh sönümlemeli kanalda başarım sonuçlarını elde ettik. Bu sonuçlar ise bize RFID protokollerin başarım alt sınırını vermektedir çünkü Rayleigh sönümlemeli kanalın bozucu etikeleri AWGN kanalına göre daha çoktur ve en kötü kanal yapılarında birisidir. AWGN kanalında çerçeve hata oranı sinyal gürültü oranına göre üstsel olarak azalırken, Rayleigh sönümlemeli kanalda linear olarak azaldığı simülasyonlarla gösterilmiştir. RFID etiketleri aynı zamanda enerji kaynaklarına göre üç gruba ayrılır: pasif, yarı-pasif ve aktif etiketler. Pasif RFID etiketlerin kendi enerji kaynakları yoktur. Bunun yerine bu etiketler, okuyucudan yayınlanan enerjiyi kullanırlar. Yarı-pasif ve aktif etiketlerde ise kendilerine ait bir enerji kaynakları vardır. Aktif etiketlerle yarı-pasif etiketlerin farkı ise yarı-pasif etiketlerin ilk konuşmayı başlatmaması ve okuyucudan gelen sorgu ile konuşabilmesidir. Kendi enerji kaynağını, okuyucudan gelen sorgu ile kullanmaya başlar. Aktif RFID etiketleri ise okuyucu ile kendi konuşma başlatabildiği gibi ondan gelen sorgu ile de konuşmaya başlayabilir. Aktif RFID etiketleri, birçok uygulamada sahip oldukları görünürlük, güvenlik, kaliteli ve uzak mesafeli haberleşme kabiliyetleri açısından tercih edilebilmektedir. Bir aktif RFID etiketi, içerisindeki veriyi iç enerji kaynağı yardımıyla oldukça uzak mesafelere iletilebilir. Ancak batarya süresi, etiketin aktif parçaları sebebiyle azalmaktadır. Böylece bu, haberleşme mesafesiyle enerji tüketimi arasında kayıp-kazanç dengesine dönüşmektedir (yani mesafe artarken, enerji tüketiminde artma veya tam tersi). Bununla birlikte iletim mesafesinin artması, girişim problemlerine de neden olabilir çünkü bir okuyucunun okuma ortamında olabilecek etiketler ve/veya okuyucular haberleşmede zorluklara zemin hazırlayabilir. ISO/IEC 18000-7 bir aktif RFID standardıdır. Bu standardın etiketleri 433 MHz frekansında çalışmaktadır. Biz fark ettik ki, bu standartta uyan aktif bir RFID etiketi, Rayleigh sönümlemeli kanalda tatmin edici bir haberleşme gerçekleştirebilmesi için oldukça fazla enerji tüketmektedir. Bu tezde ikinci olarak biz, ISO/IEC 18000-7 standardındaki aktif RFID sistemlerinin haberleşme kalitesi ve enerji verimliliği açısından performanslarını iyileştirdik. Simülasyon sonuçlarımız göstermiştir ki, gerek etiket gerekse hem etiket hem de okuyucu tarafındaki çoklu anten tasarımları, sınırlı geri besleme tekniklerinin kullanılmasıyla çerçeve hata oranlarını düşürmüş ve enerji kaynağının yaşam süresini arttırmıştır.

Title

ON PERFORMANCE EVALUATION AND ENHANCEMENT OF RFID SYSTEMS COMPLYING WITH ISO 18000 3, ISO 18000-7 STANDARDS

Abstract

This M.Sc. thesis is mainly two folds: First part includes the performance evaluation of passive and active RFID systems complying with ISO 18000-3 and ISO 18000-7 standards respectively. Second part shows the performance improvement of active RFID systems with multiple antennas in ISO 18000-7 standard. It also includes a detailed comparison of different limited feedback schemes for multiple antennas at tag side and both tag-reader side. Radio Frequency IDentification (RFID) has become very popular in wireless technologies and pervasively deployed in many applications area, such as contactless credit cards, e-passports, ticketing systems, access control, gaming, healthcare, pharmaceuticals, document and media management. This technology provides wireless communication with an object or someone to automatically identify or track by using radio waves. RFID systems can be grouped into three basic ranges by their using operating frequency: Low frequency (LF, 30-300 KHz), high fequency (HF 3-30MHz) and ultra high frequency (300MHz-3GHz) / microwave (>3 GHz). RFID tags and readers communicate with each other over air interface. This insecure channel and the limited capabilities of RFID tags cause security and privacy vulnerabilities. An adversary may do tag impersonating, tracking, eavesdropping, and denial of service (DoS) attack. Besides the vulnerabilities, a tag might be distinguishable in its life-span by an attacker. If it is once recognized by an adversary, it will be easily able to be traceable. At that situation, there might be two attacks. (i) An attacker might track the previous interactions of the tag or (ii) he may track the future ones. These two attacks are called backward traceability and forward traceability, respectively. There are public-key cryptography solutions in literature but none of them are convenient for the low-cost tags used in lots of applications because of their limitations. It needs to find much light-weight approaches. Therefore, many light-weight authentication protocols are proposed to have a win against the adversaries that deceive the capacity-restricted tags. A growing security and privacy concerns are most commonly related with high frequency (HF) RFID devices, using near field communication (NFC), such as contactless smart cards (CSC), because they are used to store secure and private personal information in many RFID applications: e-passport, govern ID, credit cards etc. Many researches offer different protocol designs to overcome the security and privacy problems for the standards. Although, their security and privacy analysis are quite important, their effectiveness is also another vital point for real world RFID applications/systems. Unfortunately, it is a troublesome to physically test every new protocol desings because of cost, time and it is also impractical. The performance of the protocols affects the quality of HF RFID applications. Therefore, many simulation environments have been improved to evaluate the performance of these kinds of protocols. However, none of them shows the success bounds of the protocols by considering wireless channel effect. Motivated by this need, in this thesis, firstly, we improve the PETRA simulation environment by adding two channel models, AWGN channel, Rayleigh fading channel and show the performance bounds of an RFID authentication protocol in these channels for ISO/IEC 18000-3 standard. For this purpose, we implement a secure authentication protocol in our new simulation environment to understand the effect of the wireless channel in a real life scenario. This work may guide the protocol designers to test their protocols and observe the performance of passive RFID systems before using them on real systems. We show that RFID protocols perform best performance in AWGN channel. This performance gives us the upper bound performance because the AWGN channel is an ideal case in wireless communication environment. We added the results of Petra simulation environment to evaluate the wireless channel effect. On the other hand, the performance of RFID protocols in Rayleigh fading channels gives the lower bound of the performance. The effects of the Rayleigh fading channel are extremely severe when it is compared to the AWGN channel. The FER curve is inversely linear proportional with the SNR for Rayleigh fading while it is exponentially decreasing for AWGN channel. RFID tags can also be categorized in three groups by using energy source such as passive, semi-passive and active (battery assisted) tags. Passive RFID tags do not have own internal energy source. Instead, they use the radio energy transmitted by the reader. Semi-passive and active RFID tags have their own energy source. The difference between them is that semi-passive tags do not talk first and they are powered up by the reader’s request. The energy source is used after the request. Active tags might talk to RFID reader first or answer its first request. Active RFID tags are preferred in many applications for their advantages: Visibility, security, quality and high distance communication. An active tag can transmit its data at great range by using its internal source. However, the battery life is decreased by the active parts of the tag. Hence, it causes a trade-off between communication distance and power consumption. In addition to this, the increased transmission distance might also cause interference problem because a large number of tags or multi-reader multi-tag environment within the range of a reader grounds communication difficulties. ISO/IEC 18000-7 is an active RFID standard that their tags operatea at 433 MHz. We realize that a tag consumes too much energy source to perform a satisfactory communication compliance with the standard in Rayleigh fading channel. In this thesis, secondly, we aim to ameliorate an active RFID system performance from the perspective of better communication and energy efficiency. Our simulation results show that multiple-antenna designs at tag side and tag-reader side using limited feedback schemes significantly decreases the frame error rates and increases the battery lifetime.

Anahtar Kelime

RFID, Protokol, MIMO

Bilim Kodu

6090200




Sıra No :13222
Üniversite

504091392

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Biyomedikal Mühendisliği

Danışman Adı

Doç.Dr. Mesut KARTAL

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Emine SEFER

Başlık

UYDU ALICILARI İÇİN YENİ BİR TAŞIYICI FREKANS DÜZELTME YÖNTEMİ

Özet

Bu çalışmada, uydu alıcısına ulaşan işarette meydana gelmiş taşıyıcı frekans kaymalarının düzeltilmesi için veri yardımlı bir frekans kayması kestiricisi ve ileri beslemeli frekans düzeltme döngüsü kullanılarak yeni bir taşıyıcı frekans düzeltme yöntemi elde edilmiştir. İleri beslemeli döngü metodunun kullanılması taşıyıcı frekans düzeltme yönteminin daha basit ve edinim zamanının daha kısa olmasını sağlamıştır. Tez kapsamında önerilen algoritmaların performansları ideal olmayan koşullarda (frekans kayması ve AWGN) QPSK işareti için değerlendirilmiştir. Oluşturulan taşıyıcı frekans düzeltme yöntemi MATLAB simülasyon programında test edilmiştir. Önerilen frekans kestiricisinin mevcut kestiricilere göre daha geniş kestirim aralığına sahip olduğu ve Kay kestiricisinden daha düşük gürültü eşik değerine sahip olduğu gözlenmiştir. Bunun yanında M&M kestiricisinden daha düşük karmaşıklık seviyesine sahip olduğu görülmüştür. Önerilen taşıyıcı frekans düzeltme yönteminin sembol hızının %10’una kadar olan frekans kaymlarını düzelttiği görülmüştür. Düşük SNR’larda ise sembol hızının %4’üne kadar olan kaymaları düzelttiği gözlenmiştir. Sonuç olarak önerilen taşıyıcı frekans düzeltme yönteminin PSK modülasyonun kullanıldığı sistemlerde uygulanabilir olduğu gösterilmiştir.

Title

A NEW CARRIER FREQUENCY RECOVERY METHOD FOR SATELLITE RECEIVERS

Abstract

In this study, a new carrier frequency recovery method that using a data aided carrier frequency estimator and feed-forward frequency recovery loop for the correction of carrier frequency offsets in received signal is obtained. Due to the use of feed-forward loop technique, the frequency recovery method is more simple and has shorter acquisition time. In this thesis, the non-ideal conditions, performance of the proposed algorithms (frequency shift and AWGN) evaluated for QPSK signal. The generated carrier frequency recovery method has been tested in MATLAB simulation program.The proposed estimator was observed that has a wide estimation range according to the present estimators and lower noise threshold according to Kay estimator.is low that have a wider range of estimation. In addition, it was found to have a lower level of complexity than M & M estimator. In this thesis, the proposed carrier frequency recovery method was observed that correct frequency offsets up to 10% of the sampling rate. At lower SNRs, the proposed method was observed that correct frequency offsets up to 4% of the sampling rate. As a result, the proposed carrier frequency recovery method was shown to be applicable to systems with PSK modulation.

Anahtar Kelime

Taşıyıcı frekans düzeltme, Senkronizasyon, Demodülatör, Taşıyıcı frekans kayması kestiricisi

Bilim Kodu

609




Sıra No :13199
Üniversite

504091264

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Türker Küyel

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Gürer Özbek

Başlık

HABERLEŞME S/A DÖNÜŞTÜRÜCÜLERİ İÇİN SAYISAL ARA DEĞERLEME VE MODÜLASYON SİSTEMİ TASARIMI

Özet

İşaret işlemenin sayısal ortamda yapılmasının daha avantajlı olması, işaret zincirlerine A/S ve S/A dönüştürücüleri eklemiştir. Veri haberleşmesi ve işlenmesi alanlarında önemli yer tutan S/A dönüştürücülerin bazı haberleşme uygulamaları için yüksek çözünürlükte ve yüksek hızda olmaları beklenmektedir. Yüksek hızlı S/A dönüştürücüler, baz istasyonlarından sayısal televizyon yayın sistemlerine kadar pek çok alanda kullanılmaktadır. Bu sistemlerde kullanılan S/A dönüştürücülerle beraber çeşitli sayısal işaret işleme işlemleri de yapılmaktadır. Bunlara örnek olarak ara değerleme, modülasyon, kanal dengeleme gibi işlemler verilebilir. Sayısal işaret işleme bloklarının S/A dönüştürücü ile aynı kırmık içerisinde üretilmesi, günümüzde endüstrinin yöneldiği bir yaklaşımdır. Ara değerleme işleminin kırmık içerisinde yapılması, kırmık içerisine daha düşük hızlarda veri alınmasını sağlar. Bu sayede kırmık girişlerinde LVDS ve CML gibi karmaşık ve yüksek güç tüketimli yapılar kullanılmasına gerek kalmaz. Ayrıca gerek kırmık içi, gerekse de PCB üzerindeki veri yolları daha esnek şekilde tasarlanabilir. Bu çalışmada, yüksek hızlı haberleşme sistemlerindeki S/A dönüştürücü kırmıklarında kullanılan bir sayısal ara değerleme ve modülasyon sisteminin tasarım süreci işlenmiştir. Çalışma kapsamında, endüstride kullanılan S/A dönüştürücü kırmıklarının sayısal ara değerleme ve modülasyon işlevleri katalog bilgileri üzerinden incelenmiştir. Ara değerleme ve modülasyon sisteminin tasarımında yarım bant FIR süzgeçleri kullanılmıştır. Bu sayede, aynı seçicilik için gereken katsayı adedi yarıya düşerken sistemin büyük bir bölümü çıkıştaki hızın yarısı ile çalıştırılabilmektedir. Bu özellik sayesinde hem güç tüketimi azaltılmakta, hem de daha yüksek çalışma frekanslarına sahip sistemler üretilebilmektedir. Elde edilen bilgiler ışığında tipik bir ara değerleme ve modülasyon sistemi tasarlanmıştır. Tasarım sürecinde ilk olarak MATLAB yardımıyla parametreler elde edilmiştir. Sistemin oluşturulan MATLAB modelinde 3 süzgeç yer almaktadır. Bu süzgeçlerin giriş çözünürlükleri 16-bit olarak seçilmiştir. Süzgeçler sırasıyla 15, 12 ve 13 bitlik 14, 6 ve 4 katsayı içermektedir. Yapılan benzetimlerde süzgeçlerin 88, 88 ve 86 dB SFDR’a sahip oldukları görülmüştür. Süzgeçler birlikte kullanıldığında yapılan benzetimlerde ise 85 dB SFDR elde edilmiştir. Ayrıca, gerçeklenen 16 karmaşık modülasyon durumu ile giriş işaret bandının çıkışta farklı frekanslara ötelenmesi sağlanmıştır. Bu durumlar, spektrumda işaretin ötelenemeyeceği bir bölge kalmayacak şekilde seçilmiştir. Modülasyon durumlarının tamamında 8x ara değerleme yapılmaktadır. Süzgeçlerin performansı anlaşıldıktan sonra LFoundry 0.15 μm CMOS teknolojisi kullanılarak sentez ve PAR işlemleri yapılmıştır. PAR sonrası yapılan benzetimlerle sistemin doğru çalıştığı kontrol edilmiştir. SFDR performansı 85 dB olan böyle bir sistem, ancak kendisinden daha kötü performansa sahip bir S/A dönüştürücü ile çalıştığında anlamlı olmaktadır. Teknolojinin gelişimi ve pazarın istekleri ile birlikte daha yüksek performanslı S/A dönüştürücülerin üretilmesi yoluna gidilmektedir. Bu da daha yüksek SFDR performanslı ara değerleme ve modülasyon sistemlerine ihtiyaç duyulacağı anlamına gelmektedir. SFDR’ı 90 dB olan böyle bir S/A dönüştürücü ile çalışabilecek sayısal sistemin performansının da en az 95 dB olması gerektiği açıktır. Gelecekte daha yüksek SFDR performanslı sistemlere ihtiyaç duyulacağından, çalışmanın sonraki kısımlarında 90 dB SFDR gibi daha yüksek performanslı bir S/A dönüştürücü ile beraber çalışabilecek bir tasarım yapılmıştır. Bu tasarım için gereken parametreler MATLAB’in fdatool aracı ile elde edilmiştir. 16 bitlik giriş ve çıkışlara sahip bu tasarım için MATLAB ve Verilog modelleri oluşturulmuştur. Ayrıca, çalışma durumları zenginleştirilerek seçilebilir 41 ara değerleme ve modülasyon durumu gerçeklenmiştir. Bu yeni durumlara örnek olarak 8x, 4x ve 2x ara değerleme, her bir ara değerleme durumuna karşı gelen modülasyon durumları verilebilir. Bir önceki tasarımda olduğu gibi bu tasarımda da giriş işareti, çıkışta istenen banda ötelenebilmektedir. Yine 3 süzgecin bulunduğu sistemde süzgeçler sırasıyla 18, 16 ve 16 bitlik 16, 6 ve 6 adet katsayı içermektedirler. Süzgeçlerin ölçülen SFDR değerleri 98.3, 99.7 ve 99.7 dB’dir. Ayrıca ilgilenilen geçirme bandında (Nyquist bandının %80’i) zayıflamanın 0 dB olduğu görülmüştür. Süzgeçlerin geçirme bandı dalgalılıkları da önemsenmeyecek derecede düşük ölçülmüştür. Süzgeçlerin SNR değerleri ise sırasıyla 95.4, 94.6 ve 94.6 dB olarak hesaplanmıştır. Tasarımın TSMC 0.18 μm CMOS teknolojisi ile sentezi ve PAR’ı yapılmıştır. PAR sonrası yapılan benzetimlerde 99 dB SFDR elde edilmiştir. Bu benzetimlerde ayrıca süzgeçlerin grup gecikmelerine de bakılmış, sırasıyla 18, 10 ve 12 saat işareti oldukları görülmüştür. Tasarımın kapladığı alan 1.2mm x 3mm olup 1.2GHz’lik saat işareti ile çalışabilmektedir. Bu hızla ortalama 1.826W güç harcamaktadır. Çalışma kapsamında ayrıca normalde tümdevre için yapılan tasarımın donanım testleri de yapılmıştır. Bu donanım testlerinde tasarımı anlatılan sayısal ara değerleme ve modülasyon biriminin yanısıra bir haberleşme S/A dönüştürücüsü kırmığında bulunan sayısal arayüz, bellek döngüsü, saat işareti bölücüsü gibi çevresel birimlerin de bulunduğu komple bir sayısal sistem kullanılmıştır. Donanım testleri için sayısal sistem, Xilinx Virtex 5 FPGA’sına gömülmüştür. FPGA’nın sürülmesi Agilent 16822A sayısal veri üreteci ile yapılmış, çıkışları da Agilent 16802A lojik analizörü ile kaydedilmiştir. Testlerin güvenilir şekilde yapılabilmesi için benzetim ile sayısal veri üreteci girişlerinin tamamen aynı olmasını sağlayacak bir test metodu kullanılmıştır. Ayrıca benzetim sonuçları ile donanım testleri sonuçlarının aynılığını gösterebilmek için C diliyle yazılmış bir karşılaştırma programı kullanılmıştır. Program, benzetim ve donanım testi çıktılarını okuyabilmekte ve her bir andaki çıkışları tek tek karşılaştırabilmektedir. Bir farklılık olması durumunda hangi anda ve hangi çıkışlarda hata olduğunu söylemek de yine programın görevleri arasındandır. Tezde son olarak, tasarlanan sayısal sistem, tasarımı devam eden yüksek performanslı bir S/A dönüştürücü ile beraber çalıştırılmıştır. Bunun için Cadence’ın AMS simülatörü kullanılmıştır. Bu simülatör; Verilog diliyle tanımlanmış sayısal bir sistemin, analog olarak tasarlanmış bir S/A dönüştürücüyle beraber çalıştırılmasını desteklemektedir. Benzetimde, lojik 0 ve 1 olarak verilen sayısal işaretlerin analoğa dönüştürülmesi ve tersi işlemlerinin gerçekleştirilmesi için, üretim teknolojisi ile uyumlu bir bağlantı kuralları dosyası kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlarda, sayısal sistemin, S/A dönüştürücü performansını kötüleştirici yönde etkilemediği gözlenmiştir. Çalışmanın bütününde işlenen süreç, yüksek hızlı S/A dönüştürücüler için sayısal işaret işleme sistemi tasarımı konusunda kaynak olarak kullanılabilecek zenginlikte anlatılmıştır. Çalışmanın, yüksek hızlı sayısal FIR süzgeçlerin kullanıldığı diğer uygulamalar için de yararlı olacağı düşünülmektedir.

Title

DIGITAL INTERPOLATION AND MODULATION SYSTEM DESIGN FOR COMMUNICATION DACS

Abstract

High speed digital to analog converters (DACs) are used in applications such as cellular base stations or digital TV broadcasting. In such systems, various digital signal processing blocks are also needed. Interpolation, modulation and channel equalization can be given as examples of such digital functionality. Implementing digital signal processing blocks with the DAC on the same die has certain advantages. On chip oversampling and digital interpolation filtering allows receiving digital data at lower rates. Power hungry high-speed interfaces like low voltage differential signaling (LVDS) or current mode logic (CML) are no longer needed. Furthermore, trace count on the PCB can be reduced. In this work, design and verification of a digital interpolation and modulation block used in high-speed communication DACs is explained in detail. Interpolation and modulation features of the DACs used in the industry are examined based on their datasheet specifications. For the design of the interpolation and modulation system, half-band finite impulse response (FIR) filter topology is used. The number of filter coefficients can be reduced and operational speed can be higher for the same performance level with respect to a conventional FIR filter. Based on specifications in existing DAC datasheets, an interpolation and modulation system is designed with 85 dB spurious free dynamic range (SFDR) performance. Then, the design is implemented with LFoundry 0.15 μm CMOS technology. Functionality is tested with post-place-and-route (PAR) simulations. Such digital systems with 85 dB SFDR are used with existing DAC designs because the DAC, not the digital filter limits the SFDR performance. Power is traded-off with SFDR in digital filter designs. As market demands DACs with higher SFDR performance, interpolation and modulation blocks with higher SFDR must support next generation DACs with better SFDR. To support a 90 dB DAC, it is necessary for the digital filter to have 96 dB or better SFDR. A new interpolation and modulation block, which can support a DAC with 90 dB SFDR is designed. Filter coefficients are calculated with MATLAB’s fdatool. 16-bit design is modeled in MATLAB and in Verilog. The design has a user selectable interpolation from 2x to 8x and 41 operation modes in total, including Hilbert transformers. With these interpolation and modulation modes, input signal can be pushed to any band in the output spectrum without distortion. Simulations show that the new block has 99 dB SFDR and no significant ripple or attenuation in the %80 of the Nyquist band and the signal to noise ratio (SNR) is 93.4 dB over full Nyquist band. New design is synthesized and PAR’ed with TSMC 0.18 μm CMOS technology, since the LFoundry Fab. has moved from Germany to France with uncertain future. Area of the TSMC design is 1.2 mm x 3 mm and the clock speed is 1.2 GHz. The design consumes 1.826 W at 1.2 GHz for two channels. Several digital additions like a serial peripheral interface (SPI) block, a control block, a RAMDAC and a clock divider block are included in the design. Thus, the whole digital sub-section of a communication DAC is completed. For verification, the system is embedded to a Virtex 5 field programmable gate array (FPGA). Data is driven by a pattern generator and captured by a logic analyzer. A test methodology that matches the simulation inputs to pattern generator inputs is applied. A program written in C language then compares the outputs of the simulation to logic analyzer capture data. The bit error rate is found to be zero. Finally, the complete digital system is mixed mode co-simulated with a DAC taken from a different work. Simulations are done with Cadence AMS simulator which supports analog and digital co-simulation. It is shown that the effect of the digital system on SFDR is insignificant with respect to the effects of the DAC, especially with high output frequencies.

Anahtar Kelime

Filtreler, Modelleme, Devre tasarımı, Matlab

Bilim Kodu

6090102




Sıra No :14491
Üniversite

504072206

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. H. Hakan KUNTMAN

Tez Türü

Doktora

Ay

Mayıs

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Şuayb Çağrı YENER

Başlık

MEMRİSTÖRÜN ANALOG DEVRE TASARIMINA KATACAĞI YENİ OLANAKLAR

Özet

Bu doktora tez çalışmasında dördüncü temel devre elemanı olarak öne sürülen memristörün analog devre uygulamaları kapsamında memristör temelli filtreler, zamanlayıcılar, kaotik devreler, Duffing osilatörleri ile CMOS temelli memristör gerçeklemeleri üzerine analiz, tasarım ve benzetimler gerçekleştirilmiştir. Memristörün doyma durumunun, kutuplama yönünün filtre davranışına etkisi ve katacağı olanaklar incelenmiştir. Memristör temelli filtrelerde ortaya çıkan harmonik bozulma incelenmiş, memristörün klasik dirençli yapıya oranla devreye getirdiği ilave bozulmaları azaltmak için yöntemler önerilmiştir. İlk incelemeler, dinamik modeller temel alınarak numerik benzetimler yoluyla yapılmıştır. Memristör temelli filtrelerin doğrusal olmayan yapıları ve analitik olarak çözülemez bağıntıları için Maclaurin açılımı ve perturbasyon teorisi kullanılarak yaklaşık analitik modeller ortaya konmuştur. Memristör temelli band-geçiren filtre ile bir EEG işareti filtreleme uygulaması sunulmuştur. Memristör temelli bir zamanlayıcı uygulaması gerçekleştirilmiştir. Memristörün doğrusal sürüklenme hızı temelli modeli kullanılarak ters paralel bağlı iki memristör ile kübik memristör modeli elde edilebildiği Maclaurin açılımı ile gösterilmiştir. Oluşturulan ters paralel bağlı yapı ile Chua devresinde kaotik dinamiğin elde edildiği gösterilmiştir. Memristör temelli Duffing osilatörü gerçeklemesi üzerine iki tasarım sunulmuştur. Kübik tanımlı akı kontrollü memristör bağıntısından yola çıkılarak yük kontrollü kübik tanım bağıntısı elde edilmiştir. Memristörün CMOS gerçeklemesine ilişkin tasarımlar sunulmuştur. İlk yapı DDCC temelli CMOS bloklarla oluşturulmuştur. Bu yapı aynı zamanda tümüyle CMOS yapıda bir kaotik devre oluşturacak şekilde tasarlanmış, bu kaotik devre ile memristör temelli kaotik haberleşme uygulaması gerçekleştirilmiştir. İkinci yapı DTMOS temelli çok düşük gerilimli ve güç tüketimli işlemsel kuvvetlendirici ve çarpıcı yapıları temelli oluşturulmuştur. Elde edilen sonuçlar ve gerçekleştirilen tüm benzetimler ile sunulan analizlerin; tasarımların ve metodolojinin doğruluğu ve başarımı ortaya konmuştur.

Title

NEW OPPORTUNITIES IN ANALOG CIRCUIT DESIGN PROVIDED BY MEMRISTOR

Abstract

In the dissertation, analog applications of the fourth fundamental circuit element memristor; analog filters, timers, chaotic circuits, Duffing oscillators with memristors and CMOS schemes for memristors are analyzed, designed and simulated. Some properties of the memristor on filters, such as memristive switching and the polarity of memristor on filter waveforms and total harmonic distortion are examined by using various models of memristor. Some of these filters are unsolvable analytically and to solve them Maclaurin expansion and perturbation theory have been used for the first time. It is shown that the filter components such as gain and quality factor can be adjusted using the memristor. Memristor-based band-pass filter is used for processing real EEG data. A memristor-based timer circuit is proposed. Two anti-parallel connected titanium dioxide memristors are used to implement almost cubic charge-flux characteristic by using Maclaurin expansion and they have been used in the Chua’s circuit to demonstrate their application in a chaos circuit. Two kind of memristor-based Duffing oscillator topologies are designed. Cubic polynomial assumption for charge controlled memristor is also obtained by using flux controlled definition. CMOS based implementations for memristor are presented. Implementation for memristor and chaotic behavior are obtained by using fully CMOS DDCC based circuit. Based on this design, a secure communication application is presented. An ultra low-voltage ultra low-power DTMOS-based design for memristor is proposed. The design is composed of ultra low-voltage, ultra low-power operational amplifier and multiplier. Results obtained and SPICE simulations performed verify accuracy and performance of the design and methodology.

Anahtar Kelime

Memristör, Analog Devreler, Analog Filtreler, CMOS Tasarım, Kaotik Devreler, Duffing Osilatörü

Bilim Kodu

609




Sıra No :13292
Üniversite

504091243

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Yrd.Doç.Dr. Türker KÜYEL

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Fatih SADIÇ

Başlık

PIPELINE ADC TASARIMI

Özet

Baz istasyonlarına pek çok kullanıcıdan gelen geniş bantlı işaret, boru hattı tipi (pipeline) analog sayısal dönüştürücüler (ADC) vasıtası ile sayısala çevrilir. Bu çalışmada, 12 bit çözünürlükte ve 20 Mhz örnekleme frakansındaki bir pipeline ADC’nin şematik tasarımı ve benzetimleri yapılmıştır. Transistör bazında tasarıma geçilmeden önce, mimarinin modellemesi yapılmış ve daha sonra bu modeller benzetim ortamına da taşınmıştır. Benzetim ortamındaki modellerin hatasız çalıştığı gözlendikten sonra transistör temelli tasarıma geçilmiştir. Tasarımda, standart bir 0.18µ CMOS prosesin 3.3V gerilime dayanıklı transistörleri ve BSIM 3.3 modelleri kullanılmıştır. Analog devrelerin ve sayısal kapıların şema tasarımlarının ve birarada (mix-mode) benzetimlerinin yapılabilmesi için, LTSPICE-IV ücretsiz yazılımı kullanılmıştır. Tasarım, davranışsal mantık kapıları içermesi haricinde, transistör seviyesinde ve tam farksal olarak yapılmıştır. Besleme gerilimi 3.3 volt, giriş işareti tepeden tepeye farksal 0.8 volt, ve ortak mod ise 1.6 volt olarak seçilmiştir. Tasarım 395 mW güç harcar ve 21 MHz giriş işareti için, 84 dB dallarından arındırılmış hareketli aralık (spurious free dynamic range, SFDR) başarımına sahiptir. Toplam güç harcamasının azaltılabilmesi için, boru hattı katlarının, kat numarası arttıkça daha az güç harcayan bloklardan oluşmasına dikkat edilmiştir. SFDR başarımını arttırmak için ise, önyükleyicili anahtar (bootstrapped switch) mimarisi kullanılmıştır. Teorik hesaplar sonucunda 71.3 dB işaret gürültü oranı (SNR) beklenmektedir. Bu gürültü, kuantalama gürültüsünün az bir miktar üzerindedir. Gürültünün düşük seviyede tutulabilmesi için işlemsel kuvvetlendirici gürültüsünün ve kT/C gürültüsünün azaltılmasına özen gösterilmiştir. Giriş band genişliği 200 MHz mertebesinde olup, alt örnekleme (undersampling) uygulamalarına müsaittir. Örnekleme hızı, tam başarımda 20 MHz olup, başarımın bir miktar düşmesi göze alınırsa 40 MHz mertebesine kadar çıkabilir. İdeal benzeşme durumunda, +/- 0.25 en az önemde ikilik rakam (least significant bit, LSB) tümlevsel doğrusallık hatası (Integral Nonlinearity Error, INL) elde edilmiş, ve transfer fonksiyonunun doğruluğu tüm entegre için INL ölçümü ile gösterilmiştir. Boru hattı tipi ADC’nin SFDR benzetimi, LTSPICE-IV ortamında, davranışsal modeller kullanılarak dakikalar mertebesinde tamamlanmaktadır. Tasarımın 128 sayısal çıkıştan oluşan transistör temelli SFDR benzetimleri ise, i5 işlemcili 2.5 GHz hızında bir dizüstü bilgisayarda 16 saat mertebesinde tamamlanmaktadır. Akşamdan benzetim koşturup sabah sonuçları almak mümkündür. Kod sayısı düşürülerek süre kısaltılabilir. Boru hattı analog sayısal dönüştürücüsü gibi karmaşık bir analog entegre devrenin, ücretsiz bir yazılım ortamı ve dizüstü bilgisayar kullanarak “evde” tasarlanabileceğini göstermesi açısından, bu çalışma elektronik eğitiminde ve geleceğin genç analog tasarım meraklılarının yetiştirilmesinde ek önem taşımaktadır.

Title

PIPELINE ADC DESIGN

Abstract

Multi-user, wideband signals that arrive to cellular base station receivers are converted to digital using pipeline analog to digital converters (ADCs). In this work, schematic design and circuit simulations of a 12 bit 20 MHz pipeline ADC is presented. A Matlab model of the ADC is first constructed, followed by a behavioral SPICE model. After flawless operation is observed from both models, transistor level schematic design begins. In the schematic design, 3.3V capable transistors of a 0.18µ CMOS process are used with BSIM 3.3 Mosfet models. To do the schematic design and mixed-mode simulation of the analog circuits with digital gates, a freeware electronic design automation (EDA) environment, LTSPICE-IV is used. Apart from behavioral logic gates which are used to speed up the simulations, the design is fully differential at transistor level. The supply voltage is 3.3 volts, and the input signal amplitude is 0.8 volt peak-to-peak differential around a 1.6 volt common mode. The simulations show 84 dB spurious free dynamic range for a 21 MHz input signal, with 395 mW power consumption at 20 Msps. The power consumption of the logic blocks are not included in 395 mW, but their actual contribution to power consumption should be insignificant. To reduce power consumption, scaling of the stages, which includes the interstage sampling capacitors and sample and hold amplifiers, is used. To increase the SFDR at higher input frequencies, bootstrapped input switches at the sample and hold are used. As a result of amplifier noise simulations and kT/C calculations, 71.3 dB signal to noise ratio is expected. The analog input bandwidth is around 200 MHz and the design is suitable for undersampling applications. Assuming perfect matching, the integral nonlinearity error is measured as +/- 0.25 LSBs, and the integrity of the transfer function is proven using linearity simulations. The SFDR simulations of the pipeline ADC’s behavioral LTSPICE model are completed within a few minutes. Using fully accurate (slowest) simulator settings, transistor level SFDR simulations using 128 ADC output codes take approximately 15 hours on a low end laptop computer using a 2.5 Ghz Intel i5 processor with 6 Giga bytes of RAM. While we demonstrate that full chip 128 code SFDR simulations can be completed overnight, we would like to point out that less number of codes can be used to get SFDR results quicker. This work shows that a complicated mixed signal design such as a pipline ADC can be done “at home” using today’s personal computers and freeware EDA tools. In this sense, this work has additional value in electronic design education and in motivating young analog IC design enthusiasts of the future. Digital signal processing applications are widely used in our life. Especially, digital signal porcessing takes a very important place in communication systems and it can be said that there is no alternative to using digital signal processing in digital communications. Digital signal processing can be described as, converting analog signal to digital domain, analyzing the digital outputs using a digital signal processor and converting the digital results back to analog domain. Analog signals are transformed to digital data with analog to digital converters. Opposite transformation is realized by digital to analog converters. High performance applications need high performance converters. It can be said that the performance of certain applications can be determined only by the performance of converters. Although the performance of digital signal processors is adequate, converter technology is playing catch-up. Two types of converte performance criteria are defined in literature. One is static performance and the other is dynamic performance. In addition to these criteria, a figure of merit is used to indicate the performance of converter per unit power consumed. The first goal of many studies is to get more effective number of bits and conversions per second with less power. Static performance parameters are used to define DC errors of the converter. Main purpose of these parameters is to determine the difference between actual output with the ideal output. These parameters provide boundary information about offset, gain, differential nonlinearity (DNL), integral nonlinearity (INL) and missing codes errors. DC errors also effect AC performance. For instance, DC nonlinearity can cause harmonic distortion at the output. Missing codes can cause discontinuities at the output. Dynamic performance parameters are used to define AC errors of converter. These errors are defined for different frequency spans and values. AC characteristics are usually frequency related.These parameters are very important for certain applications . For example, bandwidth requirement of a DSL modem is different from the bandwidth requirement of a base station. AC characteristics of converters become increasingly important in communication applications such modulation, demodulation etc. Signal to noise ratio (SNR), total harmonic distortion (THD), spurious free dynamic range (SFDR) and analog input bandwidth (BW) are among important dynamic performance parameters. The most important parameters for an ADC are sample rate and bit resolution. These parameters differ among several architectures. For example, if more accuracy and resolution are needed, SAR and Delta Sigma architectures are used. But they have a handicap. They can’t reach high sample rates. If high sample rates are desired, comparator based Flash ADCs are used. Although flash converters are fast, their accuracy is limited to 5 to 8 bits. So, newarchitectures are needed to simultaneously optimize speed and accuracy. The pipelined ADC architecture is a good architecture in terms of speed and accuracy. If the start up delay (the elapsed time till pipeline fills) is ignored, the speed of the pipeline ADC is the same as a flash ADC. . In addition, bit resolution of a pipeline ADC is higher than a flash ADC and is adequate for many applications. A basic pipeline converter consists of an input sample and hold stage, a pipeline core, and a digital error correction block. The input signal is sampled by the input sample and hold stage and the result is transferred to the pipeline core. This core consists of serial connected sub converter blocks, where each block can resolve certain number of bits. Fundamental operation is based on long division. The data which is resolved at the first stage is reproduced and subtracted from the input signal of the block. Finally the remainder of the subtracted signal is multiplied by two and transferred to next block. If these operations are considered mathematically, it is a binary division. Multipliying by two is the same as digit shifting in the division operation. Also remaining signal is called residue. So, each block resolves the signal, makes a coarse division, subtracts the resolved signal from the input signal, and transfers the residue to next block for finer divisions. A notable innovation in pipeline ADC architecture is the insensitivity to comparator offset errors using a technique called digital error correction. This algorithm is based on Redundant Signed Digit presentation. The data produced from unit blocks have to be time aligned. There is a delay between stages because of the analog pipeline. Conversions of unit blocks are similarly aligned with digital delay elements. Digital error correction operation becomes a simple summing operation at the end of the time alignment.The SFDR performance of the design is determined by the performance of input sample and hold amplifier. Noise level, input bandwith, SFDR and most of DC errors are mostly determined by this stage. So input sample and hold stage has to be designed to have low noise, fast settling, and high accuracy Most of sample and hold stage AC errors are caused by the input sampling switch nonlinearity. It is known that resistance of mos switch depends on gate-source voltage. When switch gate node is tied to a supply and the source node is tied to the input, resistance of switch depends on input voltage. This causes input dependent RC time constants, which result in nonlinear behavior for high frequency inputs. To overcome this limitation, bootstrapped switches are used at the input. Bootstrapping provides constant gate-source voltage and resistance of switches becomes independent of the input signal. Another important issue is the performance of amplifiers. Settling accuracy of the amplifiers limit the effective number of bits of the ADC and the settling time of the amplifier limit the sampling rate of the ADC. The amplifiers should settle well within half the clock period and settling accuracy must be within a fraction of an LSB. Thanks to the digital error correction algorithm, comparator offsets are not a limitation. If an error occurs, it is corrected by following stages. Clocking scheme is as important as block performance. Rise and fall times have to be as short as possible to improve speed and to reduce jitter. To eliminate possible charge injection and other common mode effects, a fully differential architecture is used. Bottom plate sampling is used in the input stage to help reduce charge injection from input switches. Power consumption is one of the important performance parameters of ADCs. Today, most electronic devices are powered by low voltage sources, especially batteries. . To consume less power, stage scaling is applied, assensivity to accuracy is divided in progressive blocks. For example, the error of the third stage will effect the output by one-fourth of the effect of the first stage . So the consecutive stages don’t have to be as precise as the previous blocks. Power consumption of all stages are reduced using this method.

Anahtar Kelime

pipeline analog sayısal çevirici, örnekle tut, spice, cmos

Bilim Kodu

6090102




Sıra No :14122
Üniversite

504091352

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Işın ERER

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Eylül

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Ayşe AKDOĞAN

Başlık

YERE NÜFUZ EDEN RADARLARDA LIFTING TEMELLİ DALGACIK DÖNÜŞÜMÜ İLE KARGAŞA BASTIRMA

Özet

Yere nüfuz eden radar, yer altı ya da duvar arkasına gönderilen elektromanyetik dalgaların yayılım, yansıma ve saçılma prensibine dayanarak görüntüleme sağlayan bir cihazdır. Tez çalışmasında kullanılan veri; belirli özelliklere sahip cisimlerin gömülü olduğu arazinin, yere nüfuz eden radar ile taranması sonucu elde edilen radargramdır. Tez çalışmasında gömülü cisimlerin tespiti ve yer kestirimi için çeşitli sinyal işleme teknikleri uygulanmış olup; daha iyi ve daha hızlı kestirim sağlayan Lifting Temelli Dalgacık Dönüşümü önerilmiştir. Radargrama kargaşa bastırma teknikleri kapsamında; ortalama ve medyan çıkarma, tekil değer ayrışımı, temel bileşen analizi, bağımsız bileşen analizi, ayrık dalgacık dönüşümü, dalgacık paket dönüşümü ve durağan dalgacık dönüşümü uygulanmış olup, hedef tespiti ve yer kestirimi açısından en iyi sonuç durağan dalgacık dönüşümü ile elde edilmiştir. Önerilen Lifting Temelli Dalgacık Dönüşümü ile durağan dalgacık dönüşümüne göre daha iyi ve daha hızlı hedef tespiti ve yer kestirimi sağlanmıştır

Title

LIFTING WAVELET TRANSFORM BASED CLUTTER SUPPRESSION TECHNIC FOR GROUND PENETRATING RADAR

Abstract

Ground Penetrating Radar (GPR) is a geophysical method that uses radar pulses to image the subsurface. This nondestructive method uses elecctromagnetic radiation in the microwave band of the radio spectrum and detects the reflected signals from subsurface structures. In this thesis, different kinds of the radargrams are obtained according to different scenarios, which are composed of different buried object types. Obtained radargrams are composed of clutter and target signal. Therefore, different signal processing techniques are applied to radagrams to suppress the clutter Some of these signal-processing techniques can be exemplified as mean and median substraction, singular value decomposition, principal component analysis, independent component analysis, discrete wavelet transform, wavelet packet transform and stationary wavelet transform and the best clutter suppression process is achieved by. stationary wavelet transform. Because of huge computing load, new method is searched to obtain both efficient clutter suppression and short computing time. So, more efficient clutter suppression and short computing time is obtained using Lifting Wavelet Transform (LWT).

Anahtar Kelime

Yere nüfuz eden radar, Dalgacık Dönüşümü, Lifting Dalgacık Dönüşümü, Kargaşa bastırma

Bilim Kodu

609




Sıra No :14325
Üniversite

504111409

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Biyomedikal Mühendisliği

Danışman Adı

Yrd. Doç. Dr. İsa Yıldırım

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Aralık

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Soner Kotan

Başlık

İKİNCİ KALP SESİ ÇİFTLEŞMESİNİN ANLIK FREKANS İZLENMESİ YÖNTEMİYLE KESTİRİMİNDE FARKLI ZAMAN-FREKANS DÖNÜŞÜMÜ YÖNTEMLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI

Özet

Bu çalışmada, farklı zaman-frekans analizi yöntemleri, ikinci kalp sesi çiftleşmesinin anlık frekans izlenmesi yöntemiyle yapılan kestiriminde karşılaştırılmıştır. İkinci kalp sesi çiftleşmesinin uzunluğu, çeşitli kalp hastalıkları hakkında doktorlara önemli ipuçları vermektedir. Çiftleşme kestirimi için geçmişte yapılmış çalışmalarda en fazla kullanılan üç zaman frekans analizi yöntemi olan kısa zamanlı Fourier dönüşümü, Wigner-Ville dönüşümü ve dalgacık dönüşümü karşılaştırılmıştır. Çalışmada yapay ve gerçek kalp sesleri kullanılmıştır. Karşılaştırma sonucunda, en yüksek doğruluğa sahip kestirimlerin, Wigner-Ville dönüşümü kullanılarak yapılan kestirimler olduğu sonucuna varılmıştır.

Title

COMPARISON OF DIFFERENT TIME-FREQUENCY ANALYSIS METHODS IN ESTIMATING S2 SPLIT BY TRACKING THE INSTANTANEOUS FREQUENCY

Abstract

In this work, different time-frequency analysis methods are compared in estimating the second heart sound split. Length of the second heart sound split gives doctors important clues about the certain heart disases. Three time-frequency analysis methods which are used mostly in estimating the split in the past are compared: short time Fourier transform, Wigner-Ville distrubution and continous wavelet transform. Simulated and real heart sound signals are used to estimate the split. It can be concluded that the estimations which made by using Wigner-Ville distrubution has a high accuracy.

Anahtar Kelime

İkinci kalp sesi çiftleşmesi, Anlık frekans, Zaman-frekans analizi

Bilim Kodu

0




Sıra No :13312
Üniversite

504091235

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği

Danışman Adı

Metin Hüner

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Şubat

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Cem TUNÇ

Başlık

SES ÖTESİ TEMİZLİK CİHAZI ÖLÇÜMLERİ VE SONUÇLARI ANALİZİ

Özet

Bütün canlıların gereksinim duyduğu su, hava ve toprak endüstrinin gelişmesine paralel olarak çeşitli sentetik maddeler ve diğer toksit atıklarla kirletilmiş ve Dünya’nın birçok yöresi yaşanmaz duruma getirilmiştir. Çevreyi koruyucu önlemler almadan gelişi güzel sanayileşen ülkelerde denetimsizlik, düzensiz kentleşme, hızla artan nüfus ya da toplumun eğitimsizliğinden kaynaklanan sorumsuzluk sonucu, sağlıklı yaşamamız için vazgeçilmez bir gereksinim olan doğa çok kötü bir şekilde kirletilmiştir. Son dönemlerde temizlikte kullanılan deterjanların doğaya, dolayısıyla insan sağlığına olan zararları merak ve endişeyle tartışılmaktadır. İhmaller ve sorumsuzluklar sonucu olan çevre kirlenmesi sorunu bugünün insanlarının torunlarına bırakacağı en kötü miras olacaktır. Temizlik endüstrisinde su temelli ve petrol temelli temizleyiciler yerine doğaya dost alternatif temizleme teknikleri geliştirilmeye çalışılmıştır. Daha geliştirme aşamasında olan bu tekniklerin sentetik temizleyicilere göre temizleme oranları çok düşüktür. Doğaya dost teknoloji olması açısından geliştirilmesi gereken bir yöntemdir ve gelişime açıktır. Endüstride yeni üretilen veya kullanılmakta olan pek çok cihaz, aparat ve makine parçaları, yüzey kalitelerini arttırmak amacıyla bir takım temizleme işlemlerine tabi tutulurlar. Geleneksel parça temizleme metodları olarak kumlamayı, benzin-talaş karışımını, sıcak yağlamayı ve spreyle yıkamayı sayabiliriz. Çeşitli ve sürekli gelişen teknolojiler, minyatür parça üretimindeki hızlı gelişmeler hassas ve kritik temizlik ihtiyacını doğurmuştur. Tek tabaka halindeki kirlilik, yüzeyin ıslaklık kabiliyetini, adezyonunu, optik ve elektrik özelliklerini değiştirebilir. Ayrıca 1-2µm büyüklüğündeki parçacıklar, korozyon izleri ve iyonlar optik, tıbbi cihaz, uzay, eczacılık, takım-kaplama, disk sürücüleri, yarı iletkenler ve otomotiv endüstrisi gibi dallarda, imalat mühendislerinin günlük ilgi alanları arasına girmiştir. Bu yüzden pek çok firma kendi temizlik standartını bile oluşturmaya başlamıştır[1]. Teknolojinin ilerlemesi hassas, kritik ve doğaya saygılı temizleme yöntemlerine yönelinmesine yol açmaktadır. Yeni temizlik yöntemlerinin geliştirilmesinde mikrodenetleyicilerin gelişmesinin payı büyüktür ve bu sayede ses ötesi temizlemenin temelleri atılmıştır. Ses Ötesi temizleme ilk defa RCA (Radio Corporation of America) adlı firmanın araştırma laboratuvarında bulunmuştur. Freon gazı kullanarak soğutma işlemi yaparken 300kHz’de çalışan bir kristalin etrafında dalga hareketinin ortaya çıktığı tesadüfen fark edildi. Fark edilen bu ilginç dalga hareketinin uzun süre bir temizleme metodu olduğu anlaşılamadı. Bugün endüstride 18kHz hala rutin olarak kullanılmaktadır[2]. Bu çalışmada, ultrasonik temizleme etkinliğinin frekans ve sıcaklık parametrelerine göre değişiminin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda ultrasonik temizleme cihazı ile 3’er dakikalik testler yapılmıştır. Testler sırasında aluminyum folyo, temizleme kazanına dik bir şekilde daldırılmıştır. Tasarlanan sistem temizleme kazanındaki sıcaklık, sıvı yüksekliği, temizlenen malzeme gibi parametrelerden dolayı temizleme verimliliğindeki azalma sorunlarına karşı çeşitli frekanslardaki tarama teknikleri ile deneyler yapılmıştır. Dar bir frekans aralığında tarama özelliği kullanılarak daha homojen bir temizleme örüntüsü elde edildiği yapılan deneyler ile gözlemlenmiş olup sonuçları tezde yer almaktadır. Deneylerde kullanılan ses ötesi temizleme makinesinin çalışabilme aralığı 37-42kHz frekans aralığıdır. Kazan su sıcaklığı 20-80°C arasına herhangi bir sıcaklık değerine ayarlanabilmektedir. Sistemde otomatik çalışma modu, manuel çalışma modu, ve anahtarlamalı çalışma modu olmak üzere üç çalışma modu bulunmaktadır. Manuel çalışma modunda 37-42kHz frekans aralığında ayarlanan bir frekansta ultrasonik dönüştürücü sürülmektedir. Otomatik çalışma modunda ise kullanıcının ayarladığı frekans, merkez frekansı olarak seçilerek 2kHz’lik bant genişliğinde frekans tarama tekniği kullanılmıştır. Anahtarlamalı çalışma modu, prensip olarak manuel çalışma moduna benzemektedir. Manuel çalışma moduna ek olarak susma süresi parametresi anahtarlamalı çalışma modunda kullanılmaktadır. Susma süresi 1 sn, 2 sn, 3 sn, 4 sn olarak istenilen şekilde seçilebilmektedir. Seçilen değere göre ultrasonik üreteç, ultrasonik sinyali seçilen saniye kadar üretir ve sonra seçilen saniye kadar susar. Bu işlem sistemin çalışma süresi boyunca ultrasonik sinyalin üretilmesi ve durdurulması şeklinde devam eder. Ses ötesi temizleme cihazı 1-5 dakika arasında değişen çalışma sürelerine ayarlanıp çalıştırılabilmektedir. Cihaz çalışır durumda iken kalan süre saniye bazında LCD ekranda gösterilmektedir[3]. Ses ötesi temizleme sistemleri çelikten yapılmış bir kazan, bu kazanın altına özel bir yapıştırıcı ile yapıştırılmış bir veya birden fazla ses ötesi dönüştürücü, ses ötesi üreteç ve temizleme sıvısından oluşmaktadır. Ses ötesi sinyal üreteçleri yüksek frekanslı sinyalleri (20-120kHz) üretirler. Temizleme kazanının altına yapıştırılmış olan ses ötesi dönüştürücüler bu sinyaller ile sürüldüklerinde temizleme kazanındaki sıvıda alçak ve yüksek basınç bölgeleri meydana getiren ses ötesi dalgalar üretirler. Bu basınç dalgaları, temizleme sıvısı içinde mikroskobik milyonlarca kabarcık oluşturur. Bu kabarcıklar alçak basınçta genişleyerek büyürken yüksek basınçta büzülerek şiddetli bir şekilde patlarlar. Bu olaya ses ötesi kavitasyon adı verilir ve ses ötesi temizleme sistemlerinin çalışma prensibini oluşturur[3]. Bu çalışmada, ses ötesi temizleme etkinliğinin frekans ve sıcaklık parametrelerine göre değişiminin incelenmesi amaçlanmıştır ve temizleme etkinliğinin yüzey temizliğinde kullanımı ve öneminden bahsedilmiştir. Deneyler kazan sıvısının 20°C-70°C sıcaklık aralığında ve 37-42 kHz frekans aralığında yapılmıştır. Deneylerin sonuçları MATLAB görüntü işleme teknikleri ile hesaplanmıştır ve bu hesaplamalar analizde kullanılmıştır. Deney sonuçları analiz edebilmek adına folyoda oluşan deliklerin x ve y koordinatlarındaki ağırlık merkezleri, cismin alanları cinsinden standart sapmaları, folyoda oluşan deliklerin ortalama alanları ve toplam alanları MATLAB görüntü işleme metodları kullanılarak bulunmuştur. Deliklerin belirtilen parametreleri hesaplanırken, taratılan folyonun görüntüsü orjinal resmi 8 bitlik ifade edilecek resme dönüştürülmüştür. 8 bitlik görüntüde renkler 0(siyah)’dan 255(beyaz)’e kadar gri tondaki renklerle ifade edilmektedir. Delikler ile folyoyu birbirinden ayrılabilmek için eşik değer olarak 200 seçilmiştir. Renk değeri 200 den büyük olan pikselleri beyaz olarak(1), değeri 200’ den küçük pikseller siyaha(0) dönüştürülmüştür, bu sayede de temizleme kalitesinin analizi için gerekli matematiksel büyüklükler hesaplanması için ilk adım atılmıştır. Daha sonra işlem adımlarında kullanılacak görüntüyü gürültülerden kurtarmak için ise birtakım işlemler yapılmıştır. Alanları hesaplanacak görüntülerin içinde oluşan gürültülerden kurtarmak için resmi 2 bitlik hale çevirme işleminin tam tersi uygulanmıştır. Yani 200 den küçük piksel değerleri beyaza çevrilip diğerleri siyaha çevrilmiştir. Bu durumda hesaplanan beyaz bölgelerden bir adet olmalıydı fakat deliklerin içinde bulunan gürültülerden dolayı birden fazla beyaz alan oluşmuştur. En büyük alan haricindeki beyaz alanları delik olacak şekilde değerleri yenilenmiştir. Gürültülerden temizlenmiş alan artık hesaplamalarda kullanacağımız deliklere dönüşmüştür. Bu işlemden sonra deliklerin hepsinin alanları, deliklerin orta merkezlerinin x ve y koordinatları hesaplanmıştır. Hesaplanan bu parametreler ile folyo üzerindeki delikleri ortak ağırlık merkezleri, deliklerin toplam alanları, delik alanları cinsinden standart sapmaları, delik ağırlık merkezinin x ve y koordinatları hesaplanmıştır. Bütün hesaplanan parametrelerin sonuçlarına göre değişen sıcaklık ve değişen frekanslardaki en iyi temizleme yöntemi bulunmaya çalışılmıştır. En iyi temizleme yöntemini ise deliklerin homojenliği ve folyo üzerinde oluşan toplam alanın büyüklüğüne göre karar verilmiştir. Bu çalışmayla tasarlanmış olan ses ötesi temizleme cihazının hangi sıcaklık ve frekanslarda etkin bir şekilde çalıştığı bilgisine ulaşılmıştır. Sıcaklık ve frekans değişimlerinin incelenmesi ses ötesi temizleme cihazının hangi yönlerde ilerlenmesini gösterecek bir çalışmadır.

Title

MEASUREMENTS AND ANALYSIS OF RESULTS OF CLEANING DEVICE

Abstract

Water, air and soil which are all creatures’ living environments are polluted parallel to the development of industry with various synthetic materials and other toxic wastes. Many regions became uninhabitable because of environmental problems. Especially in developing countries where weak control of measures for environmental protection, irregular urbanization, rapidly growing population or irresponsibility of uneducated community are commun issues, nature is greatly polluted. In recent years damages of detergents, to both the environment and to human health, are discussed in concern. As a result of negligence and irresponsibilities the environment pollution problem will be the worst inherit being left to descandants. In cleaning industry instead of water-based and oil-based cleaners, environment-friendly alternative cleaning techniques are tried to develop. This techniques which are still under development, cleaning rates are very low with respect of synthetic cleaners. Because of being an environment-friendly technology, It needs to be developed. In order to increase the quality of the surface of many new devices, apparatus and machine parts which are produced or used in industry, are subject to a number cleaning operations. Being parts of traditional methods of cleaning blast, petrol sawdust mix, hot lubrication and spray-washing can be counted. Various and ever-evolving technologies, rapid developments in the production of miniature parts have led to the need for critical and sensitive cleaning. Pollution in the form of a single layer can change its wetting ability of surface, adhesion, optical and electrical properties. In addition, the size of 1-2μm particles, traces of corrosion and ions entered to manufacturing engineers’ daily related fields such as the automotive industry, optical, medical device, aerospace, pharmacy, team-coating, disk drives, semiconductors. Even so, many companies started to establish their own standards of cleanliness[1]. The advancement of technology is a guidance to sensitive, critical and nature-friendly cleaning methods. Development of microcontroller has a great aid in development of new cleaning methods. Ultrasonic cleaning firstly was founded in RCA(Radio Corporation of America) firm s research laboratories. During a freon gas using cooling process at 300kHz wave movements were noticed around a crystalline by chance. This observed interesting wave action could not be understood for a long time to be a cleaning method. Today 18 kHz is still routinely used in industry[2]. In this study the ultrasonic cleaning efficiency’s dependence on frequency and temperature is investigated. In this context,3-minutes tests were carried out with ultrasonic cleaning device. During test aluminium foils were vertically immersed into the cleaning tank. In order to eliminate the dependence of the cleaning efficiency on the liquid height and the shape of the cleaned object the transducer is driven with a changing frequency. Using a narrow frequency range around the resonance frequency , a more homogeneous cleaning pattern is obtained. Working range of ultrasonic cleaning machine used in the experiments is 37-42KHz. Boiler water temperature can be adjusted between 20-80 °C. There are three operating modes; automatic operation mode, manual operation mode, and switched operating mode. In manual operation mode the frequency is set in the frequency range of 37-42KHz. In automatic operation mode, with the frequency set by user is chosen as central frequency at 2 kHz bandwidth , frequency scanning technique was used. Switched operation mode, in principle, is similar to manual operation mode. In addition to manual operation mode, in switching operating mode time of silence parameter is used. Silent time can be selected as 1 sec, 2 sec, 3 sec or 4 sec. According to the selected value , ultrasonic generator generates the ultrasonic signal for selected seconds and then stops for the selected seconds. This process continues in the form of producting and stopping of ultrasonic signal during the cleaning process. The duration of the cleaning time can be set between 1-5 minutes. While the device is running the remaining time is shown on the LCD screen in seconds[3]. Ultrasonic cleaning systems are generally consist of a steel boiler, one or more ultrasonic transducer glued with a special adhesive to the bottom of this boiler, an ultrasonic generator and cleaning fluid. Each of these units of engineering issues need to be addressed as an issue. Ultrasonic signal generators produce high frequency signals (20-120 kHz). Ultrasonic converters which is glued to the bottom of the cleaning boiler when is driven with these signals, generate ultrasonic waves which give rise low and high pressure zones on fluid of cleaning boiler . These pressure waves, Create millions of microscopic bubbles within the cleaning fluid. This bubbles at low pressure expand while at high pressure they violently implode. This phenomenon is known as ultrasonic cavitation and makes up the principle of ultrasonic cleaning systems. Ultrasonic cleaning method is reliable, fast and material-friendly. For this purpose, Type of dirt is not important; it can be such as sawdust or dust, and also may be such as a machining chips or emulsion / oil waste, separation compound or fingerprint in form of film. Ultrasound has cleaner effect in a liquid bath, at the same time need for chemicals in general is less and cleaning processes are noticeably reduced. Therefore, ultrasonic cleaning is a preferred method of including many branches, particularly the automotive and automotive supplier industry, machine and plant construction, fittings and sanitary fittings industry, optics, precision mechanics works, watch industry, electroplating, electronics, micro technology, photovoltaic, semiconductor industry, care, and maintenance work. In this study, the effectiveness of the ultrasonic cleaning was investigated according to changes of the parameters such as frequency, temperature and mentioned the importance and the efficiency of the surface cleaning. Studies were made with boiler fluid at range between 20°C-70°C temperature and 37-42 KHz frequency. Examination of the results of experiments was done in MATLAB. It was seen that sweeping the frequency between 37 – 42 KHz, more homogeneous cleaning pattern is obtained in foil tests. Scans were analysied using image processing techniques. Foil test is a practical method of showing the power and washing profile in the ultrasonic boiler approximately. Foil is immersed in an ultrasonic boiler horizontally or vertically. It is seen that the foil is worn away as a result of bursts of cavitation. Degree or homogeneity of these abrasions on the foil provides information about the quality of washing of the boiler. As a result of the foil tests, the best cleaning efficiency of the system (the internal dimensions of boiler 150x135x150 mm3 , the boiler water volume 2.5 liters) was obtained when the operating frequency was 38 kHz and water temperature was 60°C. In ultrasonic washing machine prototype which is developed in the project, frequency, operating mode, operating time and temperature of the boiler can be adjusted manually. It can manually work on the value of a selected frequency range between 37 – 42 KHz[1]. In order to be able to analyze the experimental results x and y coordinates of center of gravity of the holes in foil , standard deviations of the fields in the object, average areas of holes occuring on foil have been calculated using MATLAB image processing methods. To calculate specified parameters of the holes, image of scanned foil is converted to a 8-bit image. 8-bit image has gray-tone colors ,value is from 0 (black) to 256 (white). To distinguish the holes and the foil from each other, 200 was chosen as the threshold value. The color value that is larger than 200, pixels is transformed into white (1), the value that is smaller than 200 is transformed into black (0), whereby the necessary mathematical quantities are calculated for the analysis of the quality of cleaning. Actions have been taken to save the image to be used in the steps of the process from noise. In images where noise may be present reverse process of converting two-bit is applied. So pixel values smaller than 200 have been transformed into white, others have been transformed into black. In this case, the calculated white areas should be one piece, but due to noise in the holes more than one white space had been occured. The code is written to ensure that there is no other white dot or region other than the biggest white area. The area cleaned from noise is now transformed into the holes be used in calculations. After this operation, for all areas of the holes, x and y coordinates of medium centers of the holes are calculated. Wıth these parameters , the holes on foil, common gravity center , the total areas of the holes, the standard deviations of hole areas, x and y coordinates of the gravity center were calculated. According to the results of all calculated parameters, the best cleaning is found by changing temperature and frequency. The best method of cleaning decided on according to homogeneity of the holes and the size of the total area on the foil. In this study the effective running of the ultrasonic device is achievied.

Anahtar Kelime

ultrasonik,ultrasonik temizleme, matlab

Bilim Kodu

0




Sıra No :13726
Üniversite

504101216

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Doç.Dr.Mürvet KIRCI

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Murat KUŞ

Başlık

TEMEL BİLEŞEN ANALİZİ VE FISHER DOĞRUSAL AYIRICILAR YÖNTEMLERİ İLE KULAK BİYOMETRİSİ

Özet

Bu teze konu olan çalışmada, kulak biyometrisi kullanarak herhangi bir bilgisayara ya da bir platforma bağlı olmadan çalışabilen bir tanıma sistemi tasarlanmıştır. Tasarımda temel alınan tanıma algoritma ve yöntemleri, Temel Bileşen Analizi ve Fisher Doğrusal Ayırıcılar Yöntemi’dir. Sistem gerçeklenmesinde kullanılan malzemelerden ilki, MikroElektronika firmasına ait, ARM teknolojisi tabanlı, STM32 M4 mikro kontrolör kartıdır ve cortex M4 teknolojisiyle donatılmıştır. Kullanılan kamera elemanı ise, 4D Systems firması tarafından üretilen μCAM Serial JPEG Camera Module’dür. Kamera, bir çok çözünürlük ve formatı desteklemesinin yanısıra, mikro denetleyici kartının işleyebileceği özellikte resimler de sağlayabilmektedir. Bilgisayar ortamında yapılan denemeler neticesinde elde edilen sonuçlar, sistemin gerçeklenmesine ışık tutmuş, kulak biyometrisinin de tanıma sistemlerinde kullanılabileceğini göstermiştir. Gerçekleme sonunda elde edilen sonuçlar da, bilgisayardan bağımsız bir tanıma sistemi için yeterli doğruluklar vermiş, bilgisayar ortamında elde edilen tanıma oranlarına paralel sonuçlar elde edilmiştir.

Title

EAR BIOMETRICS WITH PRINCIPAL COMPONENT ANALYSIS AND FISHER S LINEAR DISCRIMINANT ANALYSIS

Abstract

In this thesis, a fully embedded recognition system is designed independent from a regular PC or a platform and also without an operation system such as Lınux, Windows, etc. There are lots of algorithms which can be used for a recognition system but in this work, Principal Component Analysis (PCA) and Fisher’s Linear Discriminant Analysis (FLDA) are used. Realization of the system is done with 2 main elements. First of them is a microcontroller circuit card which is produced by MikroElektronika company. The microcontroller is called STM 32 M4. The second element of this system is called as μCAM Serial JPEG Camera Module and is produced by 4D Systems company. It can provide many kinds of pictures with different resolutions, but the one which is used in this work is 80x60 raw images. The results on computer leads the implementation of this system. It shows that ear biometric can be used in human recognition. And the results of the implemented system provides the recognition rates well enough for a recognition system and the rates are similar with the computer experiments.

Anahtar Kelime

temel, bileşen, analizi, fisher, doğrusal, ayırıcılar, yöntemi, kulak, biyometri, gömülü, sistem

Bilim Kodu

609




Sıra No :14172
Üniversite

504072201

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. Serdar Özoğuz

Tez Türü

Doktora

Ay

Eylül

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Ahmet Şamil Demirkol

Başlık

AĞ DİNAMİĞİNE SAHİP DÜŞÜK GÜÇLÜ VE KOMPAKT VLSI SİNİR HÜCRELERİ

Özet

Bu tez çalşmasında, üç adet düşük güçlü ve kompakt, biyolojik zaman ölçeğinde çalışabilen VLSI nöron ve iki adet sinaps tasarlanmıştır. Her bir nöron bir matematiksel modele dayanmaktadır. Bunlar, Izhikevich (Izh), Uyarlamalı Üstel Tut ve Ateşle (AdEx) and Hodgkin-Huxley (HH) nöron modelleridir. Düşük güç ve kompaktlık için, tüm nöron ve sinaplar logaritmik tanım bölgesinde eşikaltı bölgede çalışan akım modlu devreler kullanılarak gerçeklenmiştir. Değeri fA ve pA olan akım kaynaklarını gerçeklemek için, salt transistörlü, geniş sıcaklık aralığına sahip, düşük sıcaklık katsayılı, pA mertebeli bir akım referans devresi tasarlanmıştır. Değeri fA olan akım kaynakları basitleştirlmiş bir akım dağıtıcısı kullanılarak elde edilmiştir. Böylece, 50fA değerinde bir akım kaynağının makul bir sıcaklık aralığında üretilebileceği gösterilmiştir. AdEx modelindeki üstel terimi gerçekleebilmek için, akım modlu ve geniş aralıklı bir üst alma devresi tasarlanmıştır. Bu amaçl geleneksel Taylor yaklaşımı yerine Pade yaklaşıklığı kullanılmıştır. Sonuç olarak, hatası tipik durumda 0.2 dB ve en kötü durumda 0.5 dB olan, 43.4 dB değerinde çıkış aralığına sahip bir üst alma devresi tasarlanmıştır. Doğrusal ve zamana bağlı dinamiklere sahip iki benzer sinapsdevresi tasarlanmıştır. İki AdEx ve üç Izh nöronu kendi aralarında birbirine bağlanarak senkronizasyon davranışlarını incelemek üzere bir ağ oluşturulmuştur. Nöronlar beklenen ağ dinamiklerini başarılya sergilemişlerdir.

Title

LOW POWER AND COMPACT VLSI NEURONS WITH NETWORK DYNAMICS

Abstract

In this thesis, three low power and compact VLSI neurons operating at biological timescale and two synaptic circuits are designed. Each neuron circuit realizes a mathematical neuron model. The models utilized are namely Izhikevich (Izh), Adaptive Exponential Integrate and Fire (AdEx) and Hodgkin-Huxley (HH) neuron model. Due to low power and compactness strategy, all the neurons and synapses are designed with log domain circuits operating in subthreshold region with a current mode approach. To implement pA and fA current sources, a CMOS only, wide temperature range, low temperature coefficient, pA level current reference circuit is designed. The fA level current sources are obtained using a simplified current splitter circuit. It is shown that a 50fA DC current source within a reasonable temperature range can be generated. In order to realize the exponential term in AdEx model, a wide range current mode exponential circuit is designed. For this purpose, Pade approximation method is exploited rather than the traditional Taylor approximation. As a result, an output range of 43.4 dB is obtained with 0.2 dB error for nominal case and0.5dB error for the worst case. Two similar synaptic circuits, both of which operate linearly with temporal dynamics, are designed. Two AdEx and three Izh neurons are coupled among each other to investigate the synchronization activity of the network. The neurons exhibit the expected network dynamics successfully.

Anahtar Kelime

VLSI Nöron, Düşük Güçlü, Nöromorfik, Senkronizasyon

Bilim Kodu

6090102




Sıra No :14167
Üniversite

504062208

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Prof.Dr. Hakan Kuntman, Yrd.Doç.Dr. Metin Yazgı

Tez Türü

Doktora

Ay

Temmuz

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Mustafa Saygıner

Başlık

GENİŞ BANDTLI VERİMLİ GÜÇ KUVVETLENDİRİCİLERİN TASARIMI

Özet

Bu çalışmada, geniş bantlı güç kuvvetlendiricilerin tasarımına yönelik yeni ve basit yaklaşımlarda bulunulmuştur. Tez kapsamında önerilen ve 0.35µm SiGe HBT, 0.25µm GaAs PHEMT ve ayrık GaN HEMT teknolojilerini kullanan dört ayrı kuvvetlendirici tümdevresi üretilerek test edilmiş ve ayrıca ayrık bir tasarımın başarımı benzetim ortamında gösterilmiştir. İlk olarak, klasik dağılmış parametreli kuvvetlendirici yapısında transistör sayısının bire indirgendiği ve giriş hattının korunup kayıplı bir şekilde kullanıldığı çekirdek bir hücre elde edilmiştir. Bu hücrenin çıkış hattı SiGe tasarımlarda klasik yük doğrusuna uydurularak ve çıkış sonlandırma empedansı kaldırılarak kullanılmıştır. Transistörde seri-seri geribeslemesi uygulanarak da bant genişliği bir dekatın üstüne çıkarılmıştır. Aynı hücreyi kullanan kaskat bir yapı da, çıkış katının paralellendiği bir durumda yeniden oluşturulmuş ve aynı bant aralığında gücün arttırılabildiği gösterilmiştir. Çalışmaların ikinci kısmında ise, yük taraması yöntemine dayalı grafik tabanlı bir empedans uydurma tekniği GaAs MMIC teknolojisinde gerçekleştirilen bir güç kuvvetlendiricisinde kullanılmıştır. Ardından, gene aynı teknolojide kaskat bir tasarım, büyük işaret büyüklüklerini kullanacak şekilde sistematik bir yöntemle önerilerek, tasarımın başarısı üretilen tümdevrede gösterilmiştir. Ayrıca, MMIC devrelerde kullanılmak üzere geniş bantlı bir RFC de tek ucu kısa devre edilmiş iletim hattı kullanılarak önerilmiştir. Son kısımda ise, ayrık GaN HEMT transistörün kılıf kökenli parazitiklerini karşılayan basit bir yapı, çıkıştaki empedans uydurma problemini görece düşük-Q değerli bir uydurma problemine indirgemiştir. Tasarıma ilişkin benzetim sonuçları, literatürde önerilen diğer devrelerle karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Sonuç olarak bu çalışmada, geniş bantlı güç kuvvetlendirici tasarımında kullanılacak şekilde; basitleştirilmiş topolojik yaklaşımları ve eleman sayısı azaltılmış çıkış katlarını sistemli ve kolay tasarlayan, iyileştirmeler ve yöntemler önerilmiştir. Bu yöntemlerdeki başarı, karmaşık ve zorlu tasarım süreci gerektiren diğer yaklaşımların ulaştığı sonuçlarla kıyaslanır mertebededir.

Title

DESIGN OF EFFICIENT WIDEBAND POWER AMPLIFIERS

Abstract

In this study, some simple design techniques and approaches are proposed to design efficient wideband power amplifiers. Four different IC designs are fabricated in 0.35µm SiGe HBT and 0.25µm GaAs PHEMT technologies and GaN HEMT design is simulated in discrete package to show performance of the designs. Firstly, the number of devices in the classical distributed amplifier is reduced to only a single transistor where the input artificial-line is conserved and modified as lossy. This core design removes the terminating impedance at the output and uses load-line technique to implement output line elements in SiGe technology. By this way, the output power and the efficiency are improved. Series-series feedback is applied to transistor, which widens the frequency up to a decade bandwidth. Another amplifier is also designed as the cascaded version of the proposed core, where the input driver core feeds two another identical cores, which are in parallel configuration and their outputs are combined together to increase the output power by twofold. In the second phase of study, by switching to GaAs PHEMT, a new load-pull based graphical technique is proposed to design simple networks, which fulfil matching purpose over wideband. Additionally, a cascaded version of the GaAs design is proposed as the new design strategy, which offers a complete systematic to design both driver and power stages. In the last phase of the work, a systematic technique based on a susceptance minimizing concept is presented. By this way, a simplified output design could be obtained to relax computer aided optimizations. To sum up, this thesis study proposes some design techniques and modifications, which simplifies both the design procedures and circuit complexities. In this respect, output power and the efficiency is improved with the help of simple and reduced number of matching elements, in which both substrate and parasitic loss effects are compensated.

Anahtar Kelime

Güç yükseltici, Analog tümleşik devreler, Yüksek frekans, Radyofrekans, Mikrodalga frekans, Güç Kuvvetlendiricileri, Geniş Bantlı Güç Kuvvetlendiricileri

Bilim Kodu

6090102




Sıra No :14166
Üniversite

504002251

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. Bilge Günsel

Tez Türü

Doktora

Ay

Aralık

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Mehmet Cenk Sezgin

Başlık

ALGISAL ÖZNİTELİKLER KULLANARAK SESTEN OTOMATİK DUYGU DURUM TANIMA

Özet

Konuşmacıların kısa ve orta vadeli duygu hallerinin otomatik kestirimi, hızla gelişmekte olan insan-bilgisayar kullanıcı arayüzü tasarımında ele alınan zorlu bir problemdir. Tez kapsamında, konuşma verisindeki kısa ve orta vadeli duygu hallerini kapsayan duygu ve uykululuk durumlarını sezme problemi araştırılmıştır. Bu probleme yönelik olarak farklı ortamlarda kaydedilen konuşma verisinden otomatik duygu sınıflandırma gerçeklemede kullanılabilecek yeni ses öznitelikleri önerilmektedir. Bu öznitelikler telefon hattı üzerinden iletilen sesin algısal kalitesini ölçmeyi amaçlayan ITU BS.1387 standardını temel almaktadır. Sınıflandırıcı çıkışında bulunan değerler geliştirilen özel bir oylama algoritması kullanılarak karara dönüştürülmektedir. Konuşmacıların orta vadeli duygu durumlarından olan uykululuk halini sezebilmek amacıyla, algısal öznitelikleri kullanan iki sınıflı bir sınıflandırıcı tasarlanmıştır. Mevcutlardan farklı olarak önerilen öznitelikler frekans, zaman maskeleme ve algısal seslilik modelleri kullanarak sesin spektral ve zamansal içeriğini başarıyla modelleyebilmektedir. Önerilen öznitelikler ile uykulu ve uyanık durumlar arasındaki farkı sezmek için öznitelik-öbekleme tekniği kullanılarak uykululuk durumlarındaki istatistiksel sapmaları modelleyen bir sözcük-öğrenme gerçeklenmiştir. Önerdiğimiz çözüm literatürdeki çalışmalarla (Munich Open-Source Emotion and Affect Recognition Toolkit, Hidden Markov Toolkit, and Generalized Discriminant Analysis) kıyaslandığında, EMO-DB veritabanında %7-16 aralığında ve VAM veritabanı için %7-11 oranında performans iyileşme gözlenmiştir. Diğer yandan SLC veritabanındaki sonuçlara göre de, uyku durumu sezmede mevcut referanslara göre %20 iyileşme sağlanmıştır. Sınıflandırıcı olarak Destek Vektör Makinası, Gauss Karışım Modelleri ve Öğrenimli Vektör Nicemleme kullanıldığında, önerilen öznitelikler ile literatürdeki sınıflandırma başarımının üzerine çıkıldığı ve aynı zamanda hesaplama karmaşıklığının azaldığı gösterilmektedir.

Title

AUTOMATIC AUDIO EMOTION DETECTION BASED ON PERCEPTUAL FEATURES

Abstract

Automatic detection of short term and medium term speaker states is a challenging problem in the design of recently developed human-computer-interaction systems. In the context of the thesis, we deal with audio emotion detection and sleepiness detection from speech that constitutes short term and medium term speaker states, respectively. We introduce a new set of acoustic features for automatic emotion classification from audio. The features are based on the perceptual quality metrics that are given in perceptual evaluation of audio quality known as ITU BS.1387 recommendation. A soft-majority voting decision rule that strengthens the conventional majority voting is proposed to assess the classifier outputs. In order to efficiently detect the medium term speaker states, we propose a two-class classification scheme with the perceptual features for sleepiness detection. Unlike the conventional methods that rely on the linguistic content of speech, we work with prosodic features extracted by psychoacoustic masking in spectral and temporal domain. Compared to the state-of-the-art systems including Munich Open-Source Emotion and Affect Recognition Toolkit, Hidden Markov Toolkit, and Generalized Discriminant Analysis, it is shown that the emotion recognition rates are improved between 7-16% for EMO-DB and 7-11% in VAM for ‘all’ and ‘valence’ categories. Recall rates reported based on Karolinska Sleepiness Scale (KSS) for Support Vector Machine (SVM) and Learning Vector Quantization (LVQ) classifiers show that the developed system enables monitoring sleepiness efficiently with a lower complexity compared to the reported benchmarking results for Sleepy Language Corpus (SLC).

Anahtar Kelime

Duygu durum kestirimi, uyku durumu sınıflandırma, algısal ses öznitelikleri, frekans maskeleme, insan-bilgisayar etkileşimi, algısal seslilik

Bilim Kodu

6090401




Sıra No :14140
Üniversite

504101223

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Müştak Erhan Yalçın

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Selman Ergünay

Başlık

DOĞADAN ESİNLENEN KOKU VE İKİLİ GÖRÜYE DAYALI GERÇEK ZAMANLI BİR GÖMÜLÜ SİSTEM TASARIMI

Özet

Günümüzde mühendislik problemlerine yönelik çalışmalarda doğadan esinlenen çözümlere eğilim sıklıkla karşımıza çıkmaktadır. Bu eğilim doğadaki canlıların merkezi ve çevresel sinir sistemini yaşamlarındaki karmaşık olaylara karşı yüksek başarımlı olarak kullanabilmelerinden kaynaklanır. Canlıların karar mekanizmalarındaki bu başarısı günümüz teknolojilerinin hem hız hem de doğruluk bazında yakalayamadığı boyutlarda olabilir. Doğadaki bu başarılı örnekler sebebiyle canlıları incelemek ve taklit etmek daha iyi mühendislik sistemlerinin geliştirilmesine katkı sağlayabilir. Bu fikirden yola çıkarak yapılan tez çalışmasında ilk olarak koku bilgisini hızlı algılama ve sınıflandırma özelliğine sahip canlıların veriyi değerlendirmede kullandıkları biyolojik sinir ağı yapısından esinlenen Hücresel Yapay Sinir Ağı tabanlı bir sistem tasarımı yapılması, bunun yanı sıra canlıların koku kaynağını bulmada gösterdiği davranışların incelenerek doğadan esinlenen yönlendirme algoritmaları üzerine tartışılması amaçlanmıştır. Bunun için ilk etapta Hücresel Yapay Sinir Ağı ve Hibrit İşlemci Topluluğu konularına ilişkin teorik bilgi verilmiş, daha sonra canlıların koku karşısında gösterdikleri davranışlar incelenerek mühendislik uygulamalarında bu davranışlardan esinlenen yöntemlerden bahsedilmiştir. Ardından bu kapsamda gerçeklenen algoritmalar ele alınmıştır. Tez kapsamında incelenen diğer konu insandaki \textit{stereopsis} olayından esinlen ikili görü yöntemidir. Stereopsis iki gözden gelen görüntülerin değerlendirilerek görülen sahneye ait uzaklık ve derinlik bilgisinin algılanması olayıdır. Buna göre iki gözden alınan dış dünyaya dair görüntüler arasındaki farklılıktan derinlik bilgisi çıkarılabilir. Farklı iki kamera görüntüsü ya da hareket halindeki tek kamera görütüsü ile görüntülenen sahnenin üç boyut bilgisinin çıkarılması bu kapsamda mümkündür. Bu projede ikili kamera ile derinlik bilgisinin gerçek zamanlı olarak elde edilmesi ele alınmıştır. Son olarak doğadan esinlenen koku algoritmaları ile ikili görü algoritmalarının birlikte gerçeklenebileceği, farklı donanım ve yazılım uygulamalarına elverişli esnek bir gömülü sistem geliştirme ortamı sunmak bu tezin amacı dahilindedir. Bu kapsamda FPGA tabanlı bir sistem önerilmiş ve sistemi oluşturan algoritmaların yazılım-donanım gerçeklemeleri incelenmiştir.

Title

A BIO-INSPIRED REAL TIME EMBEDDED SYSTEM DESIGN BASED ON OLFACTION AND STEREO VISION

Abstract

The tendency to bio-inspired solutions to current engineering problems is frequently encountered in the literature. This is basically issued from the fact that the living beings are able to use with high performance their central and peripheral neural system in case of complex events they face to. This performance can be far from the capabilities of today s technology in terms of the achieved speed and accuracy. It can be said that there are two basic factors providing this capability to the living beings. The first factor is that the living beings strengthen their information baseline related to the environment by fusing the data coming from multiple body sensors. An example of this is the target assessment of animals by using their visual sense and olfaction together. In fact, the real-time evaluation of two or more senses in living beings is noteworthy and is crucial to be applied in engineering problems. The second factor is the parallel processing of the data coming to sensors thanks to the neural network structure. This property leads to the ability of giving reaction/decision very quickly even though the neurons are working at very low frequency. The current technology can reach quite high performance if this parallel processing procedure in the living beings can be properly implemented. The development of algorithms integrating such properties of living beings is important in terms of providing real-time and low-cost solutions to robotic , bio-medical, etc. applications. Accordingly, this project focus on a system design which produces decisions by fusing and processing in parallel visual senses and scents. The proposed system presents a solution to the problem of target assessment of robotic applications by processing in parallel the data coming from stereo or binocular vision and olfaction. Before the design, the odor-detection based on the behavior of olfactory neurons to odors and the depth-detection 3D-grasp of the environment based on stereo vision are examined in detail and the algorithm is developed accordingly. The implementation of the algorithm both in software and hardware platforms is also a part of the project scope. Although new methods and technologies enables more accurate and faster sensors in odor perception, artificial olfaction systems are far beyond to biological systems. Accomplishment behind the biological systems lie not only performance of biological sensors, but also pre-processing the sensed signal with unique neural networks and behaviour caused by instinct of the living being. For example it is seen that insects use antennal lobe, and mammals use olfactive bulb as pre-processor for odor data. These biological neural network structures enables feature extraction, additionally simplifies and speeds up identification which will be performed by central processing unit. Speed and accuracy performance of biological odor systems is notable and many engineering systems are inspired from them. In the odor part of this thesis, firstly biological neural structures for odor processing is given. Cellular neural network is one of the techniques that is inspired from biological neural structures, and which combines cellular automata and neural networks. But its network structure connects identical cells unlike in nature. For instance, it is known that neural network structure in retina contains two different kind of neurons which acts inhibitor and excitator. In this thesis Wilson-Cowan neural network model which models retina-like networks examined and a new network model that benefits superior features of CNN and Wilson-Cowan model is introduced. Additionally, an application of this network for odor processing is realized and hardware-software design of implementation on FPGA is given. Another consideration about bio-inspired odor processing is behavior of animals which interact with odor. In nature, because odor data is very important for surviving for most animals, their ways to find the odor source is interesting and can include some inspiring methods for robot navigation. In this thesis, olfaction based behaviours of some living beings are examined, and their algorithmic expressions are given. Software development of these algorithms are considered within embedded system design methodology. In addition to the examination and the evaluation of the olfaction system, the evaluation of the information coming from the visual sense is also another issue that this thesis focused on. The 3D-grasp of the environment can be provided by the stereo vision, which is inspired by the event of stereopsis in the human beings . In fact, when two views from different positions of the same scene is available, the third dimension, i.e., the depth can be estimated by the epipolar geometry. Accordingly, one can reconstruct the 3D correspondence of a 2D point by considering its coordinates in each of the scene images. There are, however, two basic issues of the stereo vision systems that need to be solved in order to use epipolar geometry in finding the depth of the scene. The first problem is the correspondence problem and the other one is the reconstruction problem. The correspondence problem is defined as the problem of the finding the matched points in the stereo images. This problem is treated in two different aspects: what points should be matched to each other and which similarity measure should be used to be able to match the points accurately. In the literature, the first aspect leads to different algorithms as they either handle all the pixels or some subset of the all pixels on to find their match. The methods trying to match all the pixels in the image is called as dense methods whereas the others that consider some interest points to match is named as sparse methods. The choice of the methods is dependent of the application where the number of the matched points may influence the performance. The second aspect of the correspondence problem is to determine a robust similarity measure that would find the best matching pixels in the dual images. The determination of the similarity measure is critical since the precision in the matched points in the stereo images has a significant influence on the accuracy of 3D reconstruction of the scene. As for the second problem of the stereo vision, i.e. reconstruction problem, one seeks for a solution based on the epipolar geometry which is determined by the intrinsic and extrinsic camera parameters. Accordingly, there appear three different cases for each of which the reconstruction problem is considered differently: the case where the intrinsic and extrinsic parameters are known, the case where only intrinsic parameters are known, the case where none of the parameters are known. In the first case, a simple triangulation method properly solves the problem whereas the two latter cases needs to more complex approaches in order to find the correct solution. In this thesis, the dense approach is preferred for the correspondence problem because all 3D reconstruction is sought for all the pixels of the scene. Accordingly, the block template matching is used. The sum of absolute differences (SAD) is chosen as a similarity measure. Assuming all the extrinsic and extrinsic camera parameters are known, the third dimension of the scene objects are exracted via the triangulation method. Those steps are implemented in MATLAB and the algorithm is tested via simulations. To sum up, the main goal of this thesis to build up a bio-inspired real-time embedded system which is based on olfaction and stereo vision. To reach this goal, some bio-inspired structures and algorithms are examined, and a new network model for odor processing is introduced. At the implementation side of this work it is aimed to obtain a flexible hardware-software development platform which enables to design FPGA based embedded systems which use the Hybrid Processor Population for odor processing and depth map estimation hardware for visual perception of environment.

Anahtar Kelime

fpga, koku, ikili, görü, sayısal, gömülü

Bilim Kodu

609




Sıra No :14125
Üniversite

504111213

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Hasan Bülent YAĞCI

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ekim

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Okan Emre ÖZEN

Başlık

GÜVENLİ BİR UHF RFID PROTOKOLÜNÜN FPGA ÜZERİNDE TASARIMI VE GERÇEKLENMESİ

Özet

Tezin ilk aşamasında, yeni okuyucu ve etiket yapılarının geliştirilmesinin ardından güvenli bir UHF RFID sisteminin FPGA üzerinde tasarımı yapılmış ve gerçeklenmiştir. Haberleşme mesafesini geniş ve güvenlik seviyesini yüksek tutmak amacıyla sistem tasarımında aktif etiket yapısı kullanılmıştır. Avrupa UHF RFID standartları göz önüne alınarak merkez frekansı 868MHz olarak belirlenmiştir. Düşük güç tüketimi ve ayarlanabilir çalışma noktası özelliklerine bağlı olarak Okuyucu ve etiket yapılarının alıcı verici katlarında RFM22B modülleri kullanılmıştır. Işlem kapasitesinin yüksek tutulması amacıyla mikroişlemci katında FPGA kitleri kullanılmıştır. Haberleşme protokolünde 2 yönlü doğrulama yapan bir protokol tercih edilmiştir. Iletilen verinin sifrelenmesi Tiny Encryption Algorithm ile gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak 64 bit veri ile kimlik doğrulama işlemi gerçekleştiren bir RFID sistemi başarıyla gerçeklenmiştir. Tezin ikinci aşamasında okuyucuya karşı yeniden oynatma atakları yapılmıştır. Bu ataklar ile asıl etiketin yerine geçilerek okuyucunun gerçek etiket ile haberleştiğine inandırılması amaçlanmıştır. Bu amaçla, daha önceden tasarlanan okuyucu ve etiket yapılarına benzer bir atak birimi tasarlanmış ve öncelikli olarak okuyucu-etiket arasındaki haberleşme 1000 defa dinlenmiştir. Dinleme sonucu elde edilen verilen bilgisayar ortamında saklanmıştır. Sonrasında, asıl etiketin aktif olmadığı durumda, atak birimi okuyucudan gelen veriyi daha önceden kaydedilen veriyle karşılaştırmış ve eşleşme olduğu takdirde bahsedilen okuyucu verisine cevap olan etiket verisini okuyucuya geri göndermiştir. Sonuç olarak tasarlanan RFID sisteminin yeniden oynatma ataklarına karşı güvenilirliği arttırılmıştır.

Title

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A SECURE UHF RFID PROTOCOL ON FPGA

Abstract

Design and implementation of a secure UHF RFID system was accomplished in first phase of the thesis, by proposing new reader and transponder hardware. Active tag architecture was preferred in system design to keep the communication range long and security level high. 868 MHz center frequency is selected for system operation considering European UHF band RFID regulations defined by European Telecommunication Standards Institute (ETSI). RFM22B transceiver modules were decided on and used for RF front-end stages of reader and tag taking into low power consumption and flexible operating features. FPGA boards formed up microcontroller part of designed reader and tag to keep the computational power substantially high. A communication protocol with two way authentication mechanism was used between receiver and transmitter devices. Tiny Encryption Algorithm was preferred in the design to secure the transmitted data. As a result, a secure RFID system with 64 byte authentication procedure was implemented. In second part, attack studies were held on designed system. The aim of the attacks were to impersonate the original tag with an attack device and convince the reader that original tag is in range of communication. To accomplish replay attacks, an attack device similar to the reader and tag architecture, was designed and prepared for operation. Firstly, reader and tag data was listened by attack device and sent to a personal computer for storage over serial communication link. Later on, stored data is replayed back to the reader when the original tag was out of communication range.

Anahtar Kelime

RFID, UHF, Tekrar, Atak, Güvenli, Protokol, Tasarımı

Bilim Kodu

6090100




Sıra No :14121
Üniversite

504091416

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Biyomedikal Mühendisliği

Danışman Adı

İsa YILDIRIM

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Aralık

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Nur ŞENER

Başlık

TOMOSENTEZ GÖRÜNTÜLEMEDE SİDDON ALGORİTMASI KULLANILARAK ART ve SART YÖNTEMLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI

Özet

Bu çalışmada, tomosentez görüntülemede sınırlı açı problemine çözüm sağlamak için cebirsel ve eş zamanlı cebirsel geri çatım teknikleri uygulanmış olup, elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Tomosentez uygulamalarında görüntünün yeniden elde edilmesi geri çatım teknikleri ile sağlanmaktadır. Dijital meme tomosentezi, tümörlü lezyonların sınırlarının belirlenmesi, yoğun meme dokusu olan kadınlarda meme kanseri tespiti konusunda kendini ispatlamıştır. Tez çalışmam üç bölümden oluşmaktadır. İlk aşamada radyolojik yolun hesaplanması için Siddon algoritması kullanılmıştır. İkinci aşamada iteratif cebirsel geri çatım teknikleri uygulanmlıştır. Son olarak geri çatım algoritması sonuçları kıyaslanmıştır. Sonuçları karşılaştırmak için metrik olarak RMSE, CNR ve MSSIM parametreleri seçilmiştir. Ayrıca iterasyon sayıları ve süreleri, geri çatım tekniklerinin performanslarını kıyaslamak açısından önemli bir kriter sayılmıştır. Siddon algoritmasının ve cebirsel geri çatım tekniklerinin hesaplanması için Matlab ortamı kullanılmıştır. Grafiksel ve numerik sonuçlar elde edilmiştir. Görüntünün geri çatımı için yeniden elde etme tekniklerinde literatürde test görüntüsü olarak kullanılan Shepp Logan fantomu seçilmiştir.

Title

COMPARISON of ART and SART METHODS USING SIDDON ALGORITHM ın TOMOSYNTHESIS IMAGING

Abstract

In this study comparison is made between two reconstruction algorithms in tomosynthesis imaging for providing a solution limited angle problem. Algebraic and simultaneous algebraic reconstruction algorithms are used for reconstructed images. Digital breast tomosynthesis has proven itself about detecting the margins of tumor lesions and diagnosing breast cancer with women has dense breast tissue. Dissertation consists of three parts. First step is the calculation of radiological path by using Siddon algorithm. In second step, reconstruction techniques are adapted to my analysis. When calculating the reconstruction algorithms, a flow chart is followed. RMSE, CNR and MSSIM parameters are used as metrics for comparing the results. And also iteration numbers and time are important criteria in terms of evaluating the performance of reconstruction algorithms. Matlab platform is used for coding the Siddon algorithm. Graphical and numeric values are obtained from implementation of the algorithms. Shepp Logan phantom which used as a standard test image in reconstruction techniques is selected for the original image in this study.

Anahtar Kelime

Tomosentez, ART,SART, Siddon Algoritması, meme kanseri

Bilim Kodu

609




Sıra No :14111
Üniversite

504101324

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Mesut Kartal

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ekim

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Şakir Balta

Başlık

İKİNCİ NESİL SAYISAL VİDEO YAYINI (DVB-S2) İLERİ HATA KODLAMA BİRİMİ TASARIMI VE GERÇEKLEMESİ

Özet

Tez çalışması, uydu haberleşme sistemleri aracılığıyla yapılan sayısal video yayınlarının alıcı tarafında kulanılan ileri hata düzeltme birimi tasarımı ve gerçeklemesini kapsamaktadır. Bu kapsamda Avrupa Telekominikasyon Standardı Enstitüsü (ETSI) tarafından İkinci Nesil Sayısal Video Yayını (DVB-S2) için belirtilen standartlar göz önüne alınmıştır. Alıcı tarafı DVB-S2 ileri hata kod çözücü birimi standartlar incelenerek ve daha önceki çalışmalar dikkate alınarak tasarlanmış ve VHDL kodları yazılarak donanımsal olarak gerçeklenmiş MODELSIM yardımıyla benzetimleri yapılmış ve MATLAB yardımıyla da doğrulanmıştır. DVB-S2 gibi yüksek hız ve büyük uzunluktaki veriler için yüksek başarım sağlayan ve hızlı, esnek bir yapı üzerinde durularak oldukça kullanışlı ve karmaşıklıktan uzak bir tasarım gerçekleştirilmiştir. Literatürde geçen bir çok farklı yaklaşım incelenmiş ve en uygun modellerde karar kılınarak mümkün olduğunca hızlı olması için gerekli paralelleştirmeler yapılmıştır. DVB-S2 standartlarında uydu sistemleri dijital video yayını için kullanılacak ileri hata düzeltme birimi, daha hızlı ve daha yüksek hata düzeltme performansı sağlamak amacıyla ardışıl kodlama tekniğini içermektedir. Bu kodlama türü, klasik kodlama türlerinin seri bir şekilde ard arda bağlanması ve bir kodlama türünden çıkan verinin diğeri için girdi kabul edilmesiyle oluşturulmaktadır. DVB-S2 için ardışıl kodlama yapısı iç kodlama ve dış kodlama birimlerinden oluşmaktadır. Dış kod olarak BCH(Bose-Chaudri-Hocquenghem) kodu iç kod olarak LDPC (Low Density Parity Check) kodu kullanılmıştır. BCH kod çözücüsü tasarımında hızlı aynı zamanda kapladığı alan açısından da az ve esnek bir yapı oluşturulmuştur. Dışarıdan set edilebilen parametrelerle değişik veri uzunluklarına uyumlu bir tasarım yapılmıştır. Hata belirteci(syndrome) hesaplamada paralel GF çarpıcıları kullanılırak hızlı olması sağlanmıştır. Anahtar eşitlik çözücüde gecikmenin ve kritik yol beklemesinin(Critical path delay) en az olması için RiBM (Reformulated inverse-free Berlekamp-Massey) algoritması kullanılmıştır. Fifo büyüklükleri dışarıdan set edilebilecek şekilde esnek yapılmıştır. LDPC kod çözücü yapısında hızlı haberleşme sistemleri için ideal olan belief propagation yöntemi seçilmiş literatürden farklı olarak karmaşıklığı ve kapladığı alanı azaltmak amacıyla min-sum algoritması kullanılmıştır. Tekrar hız açısından verimli olması amacıyla düzenli H matrisi güvenilir bir kaynaktan kenar tablosu alınarak oluşturulmuştur. İterasyon sayısı, mod kodu, veri uzunlukları dışarıdan girilebilecek şekilde yapılarak hertürlü(yer ya da hız) kısıt için optimum ayarlanabilecek bir tasarım oluşturulmuştur. Gerek hız gerek yer açısından bit ve kontrol noktaları RAM leri 360 bitlik gruplara ayrılarak kısmi paralel bir yapı oluşturulmuştur. Hesaplanan LLR değerlerinden sadece 2 si tutularak literatürdekilere göre yerden kazanç sağlanmıştır. Yumuşak karar LDPC kodu kullanılarak yerden tasarruf sağlanmış kodlama performansı artırılmıştır. Sentez sonucunda BCH kod çözücü algoritması kullanılan Virtex-6 (XC6VLX240T – 1FFG1156) FPGA de %13 kadar yer kaplamaktadır ve minimum periodu 4.345 ns olmak üzere maksimum frekansı 230 MHz dir. LDPC kod çözücüsünün kapladığı alan ise %45 ve minimum periodu 4.49 ns olmak üzere maksimum frekansı 222 MHz seviyedindedir. Elde edilen sonuçlar düşünüldüğünde gerekleri (100MHz frekansında) hem kapladığı alan hem de hız açısından gerekleri fazlasıyla yerine getiren bir tasarım yapılmış olduğu görülmektedir. Herbir modül işlevsel bir şekilde tasarlanmıştır ve başka amaçlarda da kullanılabilecek çok esnek bir yapı oluşturulmuştur. Tasarım her yönüyle incelenmiş, benzetimi ve sentezi yapılmıştır. Hem LDPC hem de BCH blokları FPGA gerçeklemesi yapılarak DVB-S2 ileri hata düzeltme birimi tasarımı tamamlanmıştır.

Title

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF FORWARD ERROR CORRECTION UNIT FOR SECOND GENERATION DIGITAL VIDEO BROADCASTING (DVB-S2)

Abstract

The need for reliability and efficiency of digital communication systems in recent years has been growing rapidly. This is because the need for long-distance communication and data processors increase in speed is needed to increase the communication speed. Traditional techniques of modulation and audio communication is generally low data rate and high probability of error. To ensure reliable communications in noisy environments, low power consuming error correction codes are used. Adding that extra bit of data transmitted error-correcting codes to detect and fix the error resulting from the buyer provides a degree of correction of the well. These codes can increase the reliability of the communication receiver to increase the rate of correct detection. In this context, there are various error correction codes. On each of the areas of application of these codes also provide useful and high-performance. The ideal error correcting codes for communication systems are still being investigated by researchers. As it provides the gain of each area covered by error correcting code, complexity, such as energy efficiency brings constraint. This thesis, the digital video broadcasting via satellite communication systems at the receiving end, and in the implementation of the driven unit design includes forward error correction. In this context, the The European Telecommunications Standards Institute (ETSI) by the Second Generation Digital Video Broadcasting (DVB-S2) were taken into account to the specified standards. DVB-S2 standard for many different applications designed to be a flexible communication protocol. DVB-S2, MPEG-2 and MPEG-4 (Moving Pictures Expert Group) video standards and compatible high-definition broadcast service (HDTV) support. DVB-S2 supports single or multi-pack or a continuous flow of data. It includes powerful forward error correction (FEC) based on BCH and LDPC coding. Limits based on the mode of transmission is almost Shannon (Quasi-Error Free) signal to noise ratio provides an improvement of about 0.7 dB up to 1 dB(AWGN channel). Many types include point sequence (QPSK, 8PSK, 16APSK, 32APSK). Depending on the nature channel adaptive coding and modulation with channel coding provides error protection (ACM). Receiver DVB-S2 forward error decoder side, and previous studies have examined taking into consideration the standards of the unit is designed and implemented in donanım, ModelSim VHDL code written with the help of MATLAB with the help of simulations made and confirmed. High-speed and large-length data, such as DVB-S2 provides a high performance and fast, flexible structure, with emphasis on the design was quite convenient and uncomplicated. In the literature, many different approaches are examined and the decision-making them the most appropriate models parallelism is required to be made as quickly as possible. Digital video broadcasting standard DVB-S2 satellite systems used for forward error correction unit, in order to provide faster performance and higher error correction coding technique involves sequential. This type of coding, coding types of classical repeatedly in a series connection and the other is the data input to the adoption of an encoding type is created. As part of the sequential coding BCH(Bose-Chaudri-Hocquenghem) code is used for outer code and LDPC(Low Density Parity Check) code is used for inner code for DVB-S2 system. BCH decoder design fast and flexible at the same time a structure has been established in terms of the area covered. Compatible with different data length can be set from outside the design parameters were made. BCH coding is done to protect the data packet errors that may occur. It is quite systematic and after the encoding of the data BCH coding bits of information is encoded and added. BCH error correction coding is applied for t = 12 bit error correction for all short-frame (short-frame) (N = 16,200), 7 of 11 different code types with normal frame (standard frame) (N = 64,800). The remaining four types of code in the normal frame t = 10 or t = 8-bit BCH error correction coding is applied. t = 12-bit error correction code has 192 parity bits(12x16), t = 10-bit error correction code has 160 parity bits(10x16), and t = 8 bit parity error correction code produces 128 parity bits(8x16). Error indication (syndrome) have been quick calculation using parallel GF multipliers. Key equality and critical path delay to expect solvent to be at least RiBM (Reformulated inverse-free Berlekamp-Massey) algorithm is used. FIFO sizes were flexible enough to be set from the outside. LDPC decoder structure of the belief propagation method that is ideal for high-speed communication systems, as opposed to the complexity of the selected literature and min-sum algorithm is used in order to reduce the footprint. LDPC can be fully expressed by parity-check matrix or by matrix code generator. DVB-S2 standard describes a method for encoding data therefore matrix is effectively described. Encoding and decoding operations are performed in a special way so no need to store the parity-check matrix or the manufacturer matrix. This standard method is defined as standardized matrix . This standardized matrices H is the so-called parameter specifies the encoding step of classified and matrices for all DVB-S2, this value is equal to 360. Again regularly in order to be efficient in terms of speed table on the edge of the H matrix formed from a trusted source. In this algorithm, the parity bits and the probability (likelihood) values, like a message comes back and forth between VN and CN s. The first possibility is the quality of the values and symbols from the channel with the constellation points between the Euclidean distances are calculated. Post the log-likelihood ratios provide a simple arithmetic is passed to the form. Other connected to the CN s been set to zero according to the indications on the basis of parity equations and VN hostels expected parity bits are connected to the CN determines. The parity bits are expected to go along with all the VN s as LLR values. VN keeps parity bits of these values and use them to update the LLR values, and the cycle begins again. In this way, the equations of parity bits that are compatible with the right message corrected the bits with other corrupted bits. VN depends on each one of these two LLR value of RAM, and each one holds the sum of the total coming from CN and VN contains messages from the collectors to create, combine and output messages and input and output messages that keeps the registers. Each CN depends on the RAM and one big iteration, and each of the smaller of the two LLR value of the input message with the location of input messages with the sign of the pair holds bits. VN messages will go to any of the LLR value is generated by reading . Shift values to be used in the mixing module, the control module and the CN s read and write addresses for reads from ROM . To move a message to VN , these values are used directly from the CN . In order to deliver the message to the CN VN in either direction in order to ensure the flow of data values in the scroll function is disabled. At the same time the control module delays may occur during all these operations are waste. Number of iterations, mode code, making all kinds of data to be entered from the outside lengths (location or speed) created a design constraint that can be set for the optimum. In terms of both speed and in the s-bit and 360-bit RAM divided into groups partial checkpoints created a parallel structure. LLR is calculated according to the values from just 2 percent gain in the literature have been kept. Using soft decision LDPC code encoding to save space provided increased performance. In this study, different from the literature data for different lengths of 21 pieces of the DVB-S2 standard, the analysis and hardware implementation of the BCH error correction codes and LDPC codes are made. High-speed and large-length data, such as DVB-S2 provides a high performance and fast, flexible structure, with emphasis on the design which was quite convenient and uncomplicated. In the literature, many different approaches are examined and the most appropriate models are choosen and parallelised is to make the system quickly as possible. Examined all aspects of the design, simulation and synthesis is done. BCH and LDPC blocks as well as DVB-S2 forward error correction unit has been completed by FPGA design implementation.

Anahtar Kelime

DVB, DVB-S2, ITU, BCH, LDPC, BP, LLR, GF, FEC, VHDL, FPGA, MODELSIM, KES, ESA

Bilim Kodu

0




Sıra No :14107
Üniversite

504101409

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Biyomedikal Mühendisliği

Danışman Adı

Assoc. Prof. Dr. Neslihan Serap SENGÖR

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Eylül

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Sadeem Nabeel Saleem Kbah

Başlık

NEOKORTIKAL PIRAMID NÖRONLARIN MODELLEMESI VE GRUP DAVRANISLARI

Özet

Serebral korteks bir diğer deyişle beyin kabuğu, canlılar içinde primatlarda en gelişmiş bölgedir. Gri madde olarak da adlandırılır ve beynin her iki yarım küresinde bir örtü şeklindedir. Düşünme, algı, dil gibi üst düzey bilişsel süreçlerden sorumludur. Duyusal verileri algılama ve anlamlandırma, karar verme, öğrenme gibi bilişsel süreçlerin oluşmasında korteksin farklı kısımları rol alır. Korteksin yapısı ve sorumlu olduğu işlevlerin oluşmasını inceleyerek nörolojik düzensizlikler ve rahatsızlıklar hakkında daha fazla bilgi sahibi olabiliriz. Bilişsel süreçlerin oluşmasında etkili olan korteksin davranışlarına ilişkin yapılan çalışmalar, özellikle beyin dinamiğini anlamaya yönelik olan çalışmalar, genellikle süreçlerin oluşumu sırasında gözlemlenen işaretlerin toplanması ve sınıflandırılmasına yönelik olmuştur. Süreçlerin nasıl ve neden oluştuğuna ilişkin öneriler, yaklaşımlar ancak son yıllarda, özellikle beynin süreçler esnasında görüntülenmesine ilişkin geliştirilen araçlar sayesinde mümkün olmaya başlanmıştır. Özellikle, EEG işaretlerine ilişkin çok sayıda veri toplanmasına rağmen, hala daha bu işaretlerin oluşmasında yer alan mekanizmalar bilinmemektedir. Bu mekanizmalara ilişkin önerilen yaklaşımları analiz etmek ve irdelemek için hesaplamalı modeller önemli bir araçtır. Önerilen hesaplamalı modeller, farklı seviyelerdeki oluşumları içermektedir. Tek hücre davranışından, hücrelerin oluşturduğu grupların davranışlarına kadar değişen bu seviyelerdeki incelemeler sinirbiliminin ilgi alanı içindedir. Modelleme ve benzetim aracılığıyla da sinirbilimdeki çalışmalara katkı sağlanmasına özellikle son yıllarda önem verilmektedir. Dinamik sistemlerin analizine ilişkin geliştirilen matematiksel yöntemler benzetim araçlarının geliştirilmesinde etkili olmuştur. Benzetim içinde farklı seviyelerde etkili çeşitli araçlar geliştirilmiştir. Tek hücre modellemesinde etkili olan NEURON, hücre gruplarının davranışlarını incelemekte çokca kullanılan NEST ve BRIAN, dinamik sistem açısından detaylı çalışmalar yapılmasına yardımcı olan XPPAUT bu araçlardan ilk akla gelenlerdir. Bu tez çalışmasında da bu araçlardan Phyton tabanlı bir yazılım olan BRIAN?dan yararlanılmıştır. Tez çalışmasında, korteksdeki farklı sinir hücresi tiplerinden en yoğun olarak bulunan piramid ve stellate yapısındaki hücreler ele alınmıştır. Öncelikle bu hücrelerin, davranışları sinirbilim literatüründe mevcut çok sayıdaki kaynaktan yararlanılarak incelenmiş ve bu davranışlar, Izhikevich tarzı sinir hücresi modeli ile BRIAN ortamında yeniden elde edilmiştir. Izhikevich hücre modelini ile piramid ve stellate tipi hücrelerin farklı davranışlarını elde etmek için modele ilişkin parametreler değiştirilmiştir. Böylece iki diferansiyel denklem ve bir yenileme (reset) koşulu ile ifade edilen Izhikevich hücre modeli ile, normal vuru, patlama tarzı vuru, hızlı ateşleme gibi sinir hücresi dinamiğine ilişkin değişik davranışlar elde edilmiştir. Tez çalışmasında piramid ve stellate tarzı hücrelerin davranışları elde edildikten sonra, bu hücrelerin birbirleri ile bağlantıları ele alınmış, ve hücre gruplarının davranışları özellikle senkronizasyon gözönüne alınarak incelenmiştir. Hücre grupları oluşturulurken uyarıcı ve baskılayıcı hücre grupları farklı davranışlar gösteren hücreler ile modellenmiş ve bu iki tür hücre grubundaki hücre sayısı oransal olarak insan ve fare beynindeki oranlar gözetilerek belirlenmiştir. Biyolojik gerçekliğe uygun, böylece oluşturulan farklı modeller ile uyarıcı ve baskılayıcı hücre gruplarının bağlantı yoğunluğu ve ağırlıklarının senkronizasyona etkisi ele alınan senkronizasyon ölçütü çercevesinde incelenmiştir. Bu incelemeler için BRIAN ortamında hazırlanan yazılımlar kullanılmıştır. Tezin ilk bölümünde tezde ele alınan yaklaşım genel olarak anlatılmış, ikinci bölümünde korteks hakkında hem yapısal hemde işlevsel anlamda detaylı bilgi verilmitir. Bu bölümün sonunda korteksde çok sayıda bulunan piramid hücre yapısının farklı davranışları Izhikevich Hücre modeli ile elde edilmiştir. Böylece bir sonraki bölünde oluşturulacak gruplarda kullanılacak hücre davranışlarına ilişkin model parametreleri belirlenmiştir. Üçüncü bölümde Izhikevich hücre modellerinden yararlanarak hücre grupları oluşturulmuş bu hücre gruplarının BRIAN ortamında nasıl oluşturulduğuna dair detaylı bilgi verilmiştir. Elde edilen modellerden yararlanarak senkronizasyonu etkilediği düşünülen bağlantı ağırlıkları ve bağlantı yoğunluğunun etkisi incelenmiştir. Son bölümde elde edilen benztim sonuçları tartışılmıştır. Beyindeki bölgelerde gözlemlenen senkronizasyon özellikle EEG işaretleri bağlamında çokca ele alınmıştır. Senkronizasyon, kimi zaman bir ödevin yerine getirilmesinde farklı bölgeler arasındaki iletişimi belirtse de kimi zaman da Parkinson, Alzheimer hastalıklarında olduğu gibi nörolojik defermasyonun bir ölçütü olmaktadır. Sinir hücre gruplarının birlikte davrandığının bir ölçütü olan senkronizasyona ilişkin olarak literatürde çoğunlukla deneysel sonuçlar verilmektedir. Ancak senkronizasyonun arkasındaki nedenleri anlayabilmek için son yıllarda hesaplamalı modellerden de yararlanılmaya başlanmıştır. Bu tez çalışması da bu çerçevede değerlendirilebilinir. BRIAN ortamında hazırlanan yazılımlar ile elde edilen sonuçlarda hücreler arasındaki ağırlığın artması ile senkronizasyonun da artığı, bağlantı yoğunluğunun da benzer bir özellik gösterdiği gözlemlenmiştir. Bu sonuçlar hem raster diyagramları hem de senkronizasyon ölçütünün bağlantı ağırlıkları ve yoğunlukları ile değişimini gösteren diyagramlar ile verilmiştir. Raster diyagramları zaman içinde senkronizasyondaki değişimi gözönüne koyarken, senkronizasyon ölçütündeki değişimleri gösteren diyagramlar daha genel ve bütünlükçü olarak elde edilen sonuçları özetlemektedir. Uyarıcı ve bastırıcı gruplardaki sonuçlar diyagramlarda ayrı ayrı verildiğinden ağırlıkların ve bağlantı yoğunluklarının bu iki grup üzerindeki etkisi farklı hücre yapıları ve oranlar içinverilen grafiklerden gözlenebilir. Benzetim sonuçları elde edilirken, hem her iki grup arasında hem de gruplar içindeki bağlantı topolojisi sadece her hücre her hücre ile bağlanır yapısı çerçevesinde ele alınmıştır. Bu ağ yapısının tercih edilmesi, literatürde bu konuda fazla çalışma olmadığından en olası ağ yapısı olarak bu yapı akla yakın geldiğindendir. Hücreler arasındaki bağlantı dinamiği ise BRIAN ortamında kullanılan en basit dinamik model olarak ele alınmış, özel bir yapı denenmemiştir. Tezde elde edilen sonuçlar daha farklı bağlantı dinamikleri, ve farklı ağ yapıları gözönüne alınarak geliştirilebilir. Özellikle korteksin farklı bölgeleri daha dikkatle modellenerek, ölçüm sonuçlarının derlendiği süreçlere ilişkin hesaplamalı modeller geliştirlebilir. Bu tez çalışması ile BRIAN ortamında böylesi çalışmaların yapılmasının mümkün olabileceği görülmüştür. Izhikevich sinir hücresi modelinden farklı modellerde sınanabilir, ancak tezde de geniş şekilde açıklandığı gibi büyük boyutlu bir modelleme için fizyolojik açıdan daha gerçekçi olan Hodgkin-Huxley hücre modelini kullanmak uygun değildir. Izhikevich sinir hücresi gibi daha basit ancak farklı dinamikleri gösteren hücre modelleri kullanılabilir. Fazla sayıda hücrenin bir araya gelerek oluşturduğu grupların davranışlarını incelemek için uygun bir ortam yaratan, farklı hücre modelleri ve bağlantı dinamiklerinin incelenmesini sağlayan BRIAN ortamı, bilişsel süreçlerin oluşmasındaki mekanizmaları açıklamaya yönelik çalışmaların yapılmasına olanak sağlamaktadır. Bu tür yazılımlardan yararlanarak, bir deney ortamı oluşturmak ve bilişsel süreçler sırasında beyinde oluşan mekanizmalara ilişkin farklı varsayımları sınamak mümkündür. Bu çalışmada sadece korkeks ile ilgilenilmiş ve özellikle gözlemlenen EEG işaretlerinin açıklamasına ilişkin bir model geliştirilip geliştirilemiyeceğine ilişkin basit sınamalar yapılmıştır. Elbette sadece korteks değil beyinde bilişsel süreçlere katkıda bulunan diğer yapılarda ele alınarak modeller geliştirilebilinir. Böylece süreçlere ilişkin daha kapsamlı modeller elde edilmiş olduğu gibi bu modeller aracılığı ile yaşlanan dünyamızda hem ekonomik hem de insani nedenlerden dolayı bir sorun olan Parkinson Alzheimer hastalıkları gibi nörodejeneratif hastalıkların erken teşhisi ve tedavisi içinde yöntemler geliştirilebilinir.

Title

MODELLING THE NEOCORTICAL PYRAMIDAL NEURONS AND THEIR GROUP BEHAVIOUR

Abstract

The cerebral cortex is the outer covering of grey matter over the hemispheres. It is composed of two hemispheres and considered as the most advanced part of the brain as it is responsible of many functions including sensory functions as interpreting sensory incomes, cognitive functions as thinking, analyzing and understanding language. Understanding language is considered as the most complex and difficult job along cognitive functions. By studying cortex we can learn more about brain dysfunctions during mental disorders and neurological diseases. These kind of studies can be done only by modeling and simulation. Brain simulation is necessary for many reasons, one of them is that real system does not exist and it is costly or impossible to build and experiment with prototypes. The other advantages of brain modeling is to trace the connections between individual neurons in animal models. Such improvements can be applied and further studied by classifying into two groups: 1-To do a hard-wired connection schemes and 2-To create a structure-learning algorithms inspired by animal learning. In this thesis we made a simple model for the cerebral cortex of human and rat. We did this by taking in our considerations the number and type of the composing cells avialable in the cerebral cortices of both human and rat. We also considered the spiking properties of the neurons in the cortex. So, our work can be classified under the neurocomputational theories, which states that in the produced model, both the behavior and biological restrictions must be emphasized. In order to be sure that expected accuracy of simulation is consistent with needed requirements and get the right results we used Izhikevich model as the neuron model. We preferred it over the other available models, since it seems to be more suitable as it is, and ? Easer to be programmed and computed. ? More realistic since it can create more spiking types similar to that presented by biological cells. Basing on this we made the model of the single Pyramidal Neuron and then study the behavior of group of neurons when connected to each other in a way similar to the real connections in the original cortical tissue. In our modeling we used the new coded BRIAN simulator which had been coded over PYTHON by group of postdoctoral researchers. We preferred it since it saves the time of processors, easy to learn and use, highly flexible and easily extensible. It is also specialized in simulating neural network spiking compared to other normal programs like MATLAB, and can simulate both single neuron and large connected network of neurons which is also a property compared to other neural simulating programs like NEURON. We also studied the synchronization and the factors affecting the existence of synchronization between two group of neurons. The importance of measuring the synchronization is that it indicates the degree of coherence between neuron groups that are interactive with each other. Synchronization have a role in the well-timing of coordination and communication between different cortical neurons while cortical tasks are realized, specially in determining the amount of neurons being engaged in cognitive processes. %Our work can be taken under the the computational neuroscience theories which assumes that the model is %taken as similar as possible to the biological %concepts and give a good amount of behavior simulation. We also created a neural groups to model different biological cortical spikes and studied the effect of %neural connections inside the cortex. %After that we studied the long term neuronal groups phase-synchronization. %Neuronal synchronization can be defined as a correlated appearance in time of two or more events associated with various aspects of neuronal activity. The strength %of synchronization is functionally related to perceptual accuracy and behavioral efficiency. Specify the area of the brain that are working together, the ability of %prediction of the long term behavior of the neuron groups, it gives us an indication of the mental disorders and diseases. %We could see that the interaction between neurons inside groups are getting effected by the value of the weights of connections and by the occurred synchronization %between groups. Finally, we can conclude that increasing the weight of connection will increase the connection between neurons, the synchronization also increases to some extend, in a nonlinear relationship. Increasing the sparseness also increase the connection which in turn increase the synchronization between the neuron groups The synchronization affected by other factors like type of spiking, during simulation we noticed RS and FS types of spiking shows higher values of synchronization compared to other types of spiking with the same values of weight and sparseness. Obviously in large scale networks, the synchrony needs a high number of connections between neurons and to overtake some threshold value, which is controlled by the changing of the weights of connection and the sparseness.

Anahtar Kelime

computational neuroscience, modelling, cortex

Bilim Kodu

0




Sıra No :14103
Üniversite

504062201

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Prof.Dr. H.Hakan Kuntman

Tez Türü

Doktora

Ay

Eylül

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Atilla Uygur

Başlık

DTMOS KULLANAN DÜŞÜK GERİLİMLİ ANALOG DEVRE TASARIMINDA YENİ OLANAKLAR

Özet

Bu çalışmada DTMOS yaklaşımı çok düşük besleme gerilimlerinde çalışan çok düşük güç tüketimli devrelere başarıyla uygulanmıştır. Tasarlanan devreler arasında OTA, OP-AMP, CCII gibi analog aktif yapı blokları, çarpma devresi, sadece-MOS yapılar gibi devreler bulunmaktadır. Tasarlanan devreler SPICE benzetimleri ile doğrulanmıştır. İleri yönde gövde kutuplamaya bağlı olarak DTMOS transistorun yapısından kaynaklanan, efektif olarak düşük eşik gerilimli çalışma özelliği nedeniyle, çok düşük güç tüketimli ve çok düşük gerilimli devrelerde DTMOS yaklaşımının geçerli bir alternatif olduğu bu çalışmayla gösterilmiştir. DTMOS yaklaşımının geniş bir alanda çeşitlilik gösteren analog devre yapılarında çok düşük besleme gerilimlerinde bile kabul edilebilir bir performansla kullanılabileceği bulunmuştur.

Title

NEW POSSIBILITIES IN LOW-VOLTAGE ANALOG CIRCUIT DESIGN USING DTMOS TRANSISTORS

Abstract

In this study, DTMOS approach to the design of ultra low-voltage and ultra low-power analog circuits, has been successfully applied to the circuits ranging from EEG filtering circuits, speech processing filters in hearing aids, multipliers, analog active building blocks: OTA, OP-AMP, CCII to MOS-only circuits. The proposed circuits are verified with SPICE simulations. It is found that in designing ultra low-voltage, ultra low-power analog circuits, DTMOS approach is a viable alternative due to its inherent characteristic of effective low threshold voltage behaviour under forward body bias. This approach can be applied to several analog application subjects with acceptable performance under even ultra low supply voltages.

Anahtar Kelime

Analog Devreler, DTMOS, Düşük Güç Tüketimi

Bilim Kodu

0




Sıra No :14099
Üniversite

504111318

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. Selçuk PAKER

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Eylül

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Hasan İŞEL

Başlık

FMCW RADAR İÇİN SAYISAL İŞARET İŞLEME ALGORİTMASI TASARIMI

Özet

Radar teknolojisi yaygın bir kullanım alanına sahiptir. Tarihsel gelişim sürecine askeri uygulamalarla başlanan radar, daha sonra kendine sivil kullanım alanlarında yer bulmuştur. 1922 ile 2. Dünya Savaşı arası yıllarda büyük bir gelişim gösteren radar, meteoroloji alanında kendine yer bulamamıştır. Amerikan ordusunda görev yapmış olan David Atlas, savaş yılları sırasında radarların yağmur gibi yağış olaylarının alıcıda gürültü olarak ortaya çıktığını farketmiştir. Savaş sırasındaki tecrübesinden çıkan fikir ile savaş sonrası ilk meteoroloji radar uygulaması David Atlas tarafından gerçekleştirilmiştir. Meteoroloji radarları, özellikle bu tezin konusu olan yağmur olayını inceleyen sistemler insan hayatı için büyük fayda sağlamaktadır. Uzun vadede bölgelere ait yağış rejimlerinin istatistiğini belirleyerek, bölgenin tarım, temiz su, enerji planlamalarını gerçekleştirmek ve sel gibi doğal afetlerin önüne geçmek için kullanılabilmektedir. Ayrıca uydu haberleşme sisteminde, ışınım yolunu meteoroloji radarlarını kullanarak yağış sırasında anlık işaret gücünü ayarlayarak uydulardaki enerji tasarrufu sağlanabilmektedir. Meteoroloji radar üzerine benzetimi, çıktı olarak I (in-phase) ve Q (quadrature) verilerini kullanarak çeşitli yağış durumlarında ve radar özelliklerinde meteoroloji radar işareti ve hassasiyetinin nasıl bir davranış gösterdiğini incelemeye imkan sağlamaktadır. Meteoroloji radar uygulamalarında hedeften dönen radar işareti hedefin, ki meteoroloji radarlarında hedef bir hacim içerisinde rastgele dağılmış çok sayıda elemandan oluşmaktadır, yansıtıcılığını, hızını ve hız dağılımını tahmin etmek için kullanılır. Bu değişkenleri belirleyebilmek için literatürde bir çok matematiksel ilişkiler üretilmiştir. Matematiksel denklemleri oluştururken bir çok araştırmacı Dünya?nın farklı bölgelerinde çalışmalar yaparak katsayıları o yerin yağış özelliklerine göre belirlemiştir. Bu ilişkilerden biri yansıtıcılık faktörü ile yağış miktarı arasındadır. Bir çok deneysel, istatistiksel çalışma da hacim içerisindeki yağmur damlalarının yarıçaplarının dağılımını belirleyen matematiksel ilişkiyi çıkarmak için gerçekleştirilmiştir. Yağmur damlasının yarıçap dağılımını kullanarak kesin yağış miktarı, yansıtıcılık faktörü ve damlaların düşüş hızı gibi bilgileri çıkartılabilmektedir. Tezin öncellikli amacı, bir avrupa birliği projesi olan MARG (yüksek çözünürlüklü, düşük bütçeli ve kısa erimli yağış radar sistemi) için ön görü oluşturabilmektir. Bu projede amaç frekans modülasyonlu sürekli dalga işareti kullanarak yağış sırasında geri dönen işaretin gücünü ve dolayısıyla hedefin yansıtma miktarını ölçmektir. Günümüzde meteoroloji radarları genel olarak darbe radarlarıdır. Frekans modülasyonlu sürekli dalga radarlarının en büyük avantajı üretiminin ucuz ve basit olmasıdır çünkü az enerji harcamaktadır. Bu çalışmasında 5.6 GHz operasyon frekansında fmcw kullanarak yağmur olayını inceleyen benzetim ortamı oluşturulmuştur. Benzetim ortamı öncelikle bütün istikamet ve irtifa açılarında tarama olanağı sağlamaktadır. Hesaplama süresini kısaltmak amacıyla yağmur olayının gerçekleşeceği ortam anten ışıma örüntüsünü referans alarak oluşturulmuştur. İstikamet ve irtifa açıları değiştikçe ortam da değişime göre konum almaktadır. Gözlem kübü ve antenin yarı güç ışıma açısını kullanarak oluşturulan ışıma örüntü alanı berlirledikten sonra yağmur damlaları Marshall-Palmer yağmur damlası yarı çapı dağılımı denklemine göre oluşturulmuştur. Doğada küçük boyutta yağmur damlaları (0.35mm ? 1mm) daha fazla bulunurken büyük damlalar (1mm-5mm) daha az bulunmakta ve 5mm ? ~8mm arası çapa sahip olan damlalar ise düşüş sırasında parçalanarak daha küçük damlalar oluşturmaktadırlar. Bu davranışa göre yağmur damlaları oluşturulurken küçük damlaların sayısı fazla tutulmuştur. 0.5mm ile 1mm arası damlalar 0.08 çözünürlük ile 1mm ile 5mm arası damlalar 0.3 çözünürlük ile ve son olarak 5mm ile 8mm arası damlarlar 0.8 çözünürlük ile üretilmiştir. Yağmur damlalarının yarıçaplardaki sayısı exponansiyel bir ifade olan Marshall-Palmer denklemi kullanarak belirlenmiştir. Yağmur damlaları belirlendikten sonra, gözlem kübü içerisinde rastgele yerleştirilmiş ve elde olan kartezyen koordinatları küresel koordinata çevirerek bir matrise kaydedilmiştir. Daha sonra radar kesit alanını (RCS) her yağmur damlası için hesaplanmıştır. Çalışma frekansı ile hedefin boyutları karşılaştırıldığında geri saçılım Rayleigh dağılımı içerisinde kalmakta ve uygun denklem kullanarak RCS değeri hesaplanmış ve koordinat bilgisini içeren matrise kaydedilmiştir. Bir sonraki adımda anten ışıma alanına giren yağmur damlaları belirlenmiş ve bir matriste çap, koordinat ve RCS değerleri kaydedilmiştir. Bu veriler kullanarak I ve Q değerleri hesaplanmış ve I+jQ değerleri bir matrise kaydedilmiştir. Daha sonra algoritma yeniden konumlandırma işlevini kullanarak yerçekimi ve rüzgar etkisiyle oluşan konum değiştirme gerçekleştirilmiş yeniden anten ışıma alanına giren yağmur damlaları belirlenip aynı işlemler tekrarlanmıştır. Modülasyon tipi olarak testere dişi tercih edilmiştir. Testere dişi bir birini izleyen frekans zaman değişimindeki rampalardan oluşmaktadır. Periyodik olarak bir birini izleyen rampa dizileri ise bazı problemler yaratmaktadır. FMCW radar tekniğinde gelen dalga zaman ve frekans değişkeninde ötelenmektedir hedefin hareketine konumuna bağlı olarak. Gelen dalga ötelenmiş bir şekilde gelerek, alınan işaret ile çarpılarak fark frekansı elde edilir. Rampa geçişleri sırasında bir önceki rampanın gönderdiği dalgaların bir kısmı bir sonraki rampa başladıktan sonra radara ulaşmaktadır. Bu durumda ise ilk rampadan çıkanlar karıştırıcıda bir sonraki rampada olan gönderilen işaret ile çarpılmaktadır. Bu durum ise istenmeyen negatif ikinci bir fark frekansı oluşturmaktadır. Bu problemi gidermek için iki çeşit yöntem denenmiştir. Bu çalışmada üç farklı modulasyon tipi kullanılmıştır, bunlardan ikisi ise istenmeyen negatif ikinci fark frekansını elemenmesi için kullanılmıştır. Üçüncü tip modulasyon testere dişidir. Birinci tip modulasyon, rampa başlangıcından sonra gönderilen dalganın en uzak noktadaki hedefe ulaşıp, radar dönmesi arasında geçen süre kadar zaman geçtikten sonra örnek almaya başlanılmasıdır. Bu sayede her hedeften alınan örnek sayısının eşit tutulması ve istenmeyen negatif ikinci fark frekansından kurtulunmasıdır. İkinci tip modulasyonda ise bir sonraki rampa, dalganın en uzak hedefe varıp geri dönmesi kadar geçen süre sonra başlatılmasıdır. Birinci tip modulasyonda periyodik rampalar normal çalışırken sadece örnek alınma zamanları ayarlanmış olup, ikinci tipte ise rampalar arası bekleme süreleri konmuştur. Modulasyon tiplerinin etkilerini gözlemlemek için yakından uzağa olmak üzere aynı hıza sahip dört adet hedef kullanılmıştır. Birinci ve ikinci tip modulasyonlar istenmeyen ikinci fark frekansı problemini gidermiş ve birinci tipte ise 2D FFT genlikler üzerinde de gelişme gözlenmiştir. İşlemin gerçekleştirildiği gözlem alanı ve modulasyon tipi kullanıcı tarafından belirlenebilmektedir. Kullanıcı menzili ve anten yarı güç örüntü açısı dahilinde bir açı belirleyerek gözlem alanı ayarlanır. Kullanıcının belirlediği alana ek olarak bir marjin program tarafından eklenmektedir. Bu marjin yağmur damlalarının anten ışıma alanına girmesi ve çıkması için alan sağlamaktadır. Zaman içerisinde yağmur damlaları belirlenen gözlem küpünde rüzgar ve yer çekimi sebebiyle oluşan hızları ile orantılı olarak konum değiştirmektedirler. Anten ışıma alanına giren yağmur damlalarından geri dönen işaretler ise işlenmektedir. Yapılan çalışmada modülasyon tiplerindeki değişimin etkileri gözlemlenmiştir. Üçüncü tip modülasyonda rampalar arası geçişlerde istenmeyen ikinci fark frekansı oluşmaktadır. Bu ise menzil ? Doppler grafiğinde gürültülere yani yan lobların yüksek değerlerde çıkmasına neden olmaktadır. İkinci ve üçüncü tip modülasyonlarda frekans ? zaman rampasındaki değişiklerle ikinci fark frekansının oluştuğu zamanlar yok edilmiş ve etkileri grafiklerde gözlemlenmiştir. Modülasyon etkilerinin yanı sıra algoritmanın hedefleri ve Doppler hızları kestirimi de incelenmiştir. İlk olarak on adet hedef kullanılarak menzil ölçümü yapılmıştır. Grafik ve tablo üzerinde sonuçlar derlenmiştir. Gerçek konum değerleri ve işaret işleme sürecindeki sonuçlar tabloda karşılaştırılmıştır. Sonuçlarda ise band genişliğine bağlı olan çözünürlük etkisi de görülebilmektedir. Aynı işlem Doppler hızı kestirimi için de gerçekleştirilmiştir. Doppler işlemi sonuçları da tabloda derlenmiş ve karşılaştırmalar yapılmıştır. Rampa sayısına bağlı olan çözünürlük etkisi de sonuçlarda görülebilmektedir. Bir sonraki işlemde bilgisayar kabiliyeti de gözetilerek beş yüz adet hedef kullanılarak bir yağmur olayının grafiklere nasıl yansıdığı menzil ? Doppler grafiği ile gösterilmiştir. Hedef sayısındaki artış sonuçlara gürültü tarzı bir etki oluşturduğu gösterilmiştir.

Title

DEVELOPMENT OF A (DOPPLER-PRESERVING) DIGITAL SIGNAL PROCESSING ALGORITHM FOR A FMCW RADAR

Abstract

Radar Technologies have wide range of application areas; especially for the defence industry, radar engineering has an essential position, on the other hand there are quite a lot of applications in daily life such as weather estimations and predictions, volcano activities, measurements on sky and oceans etc. Rain radar measurements are used in water management, flood forecasting and energy planning of cities or countries. In this thesis, by developing a digital signal processing algorithm for rain form of precipitation using Frequency Modulated Continues Waves (FMCW) radar, it is aimed to observe precipitation behaviour and calculate returned signal strength of volume target, range and velocity of randomly distributed drops. Additionally, this study is a foresight for MARG - ?Development of a high resolution, low cost, short range precipitation radar system? EU project. In the designed algorithm, firstly target volume is created by considering calculation time and enabling drops to fall in antenna beam resolution volume in time. Using Marshal-Palmer drop size distribution, rain drops were created and located randomly in the volume. Then rain drops which are located in the antenna beam resolution volume were chosen and radar cross section values were calculated considering Rayleigh scattering region. Because, in the MARG project, operating frequency is determined as 5.6 GHz, and when frequency and target?s size are compared, which is ten times smaller than wavelength, target falls into Rayleigh scattering region. Terminal velocity of drops were calculated by Atlas et al.`s equations which give relation drops diameter and terminal velocity. Antenna half power beam degree was decided as 2º but antenna and the other parameters like rain rate can be determined and changed according to radar features. By using position vector of rain drops in the antenna beam resolution and velocity, phases were determined and also by considering RCS, distance, pulse width, frequency and other related parameters, I (phase) and Q (quadrature) component of received signal were calculated. These components can be used to investigate reflectivity, velocity of targets and velocity spread. First and second Fast Fourier Transform (FFT) was implemented for range and velocity information. All processes were carried out using Matlab. Designed algorithm allows scanning all elevation and azimuth. FMCW saw tooth modulation (in 3 types) is used 5.6 GHz central frequency and frequency deviation is ± 1.5 MHz. Algorithm allows that investigation area is defined by user in range, elevation and azimuth and box which has margin for letting drop enters and exits from antenna radiation area in addition to specified area. Three kind of modulation are used in the Thesis. In first type, it is being taken samples on received signal by waiting for a while which is two way travel duration between radar and target at maximum range. In other words, while radar is working, receiver starts to take samples after wave turned back from farthest target. This method helps to take same amount of samples from each drop in the all range interval (Figure 5.1). Modulation type two is eliminates also second beat frequency by waiting for a while, which is two way travel duration between radar and target at maximum range, before ramps starts. When type 2 is compared with type 1, only difference is that waiting for a while before taking samples (meanwhile transmitter process) in type 1 and in type two receiver stops working until last transmitted frequency turns back from farthest target before starting next ramp. Type 3 is unset saw tooth modulation.

Anahtar Kelime

FMCW, FMCW radar, meteoroloji radarı, yağmur, benzetim

Bilim Kodu

609




Sıra No :14085
Üniversite

504071221

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Doç. Dr. Müştak Erhan Yalçın

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Eylül

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Servet AYOK

Başlık

FPGA ÜZERİNDE MAC/IP/UDP PROTOKOLÜNÜN GERÇEKLENMESİ

Özet

Ethernet günümüz sayısal dünyasının en önemli haberleşme metodlarından birisidir. IP ve UDP/TCP ile birlikte internet dünyasının temel yapı taşıdır. Genellikle yazılımsal olarak gerçeklenseler de donanımsal örnekleri vardır. Bu tezde, ethernet arayüzü bulunan cihazlar ile FPGA nın haberleşmesi amacıyla ethernet MAC, IP ve UDP katmanlarını içeren uygulama geliştirilmiştir.

Title

IMPLEMENTATION OF MAC/IP/UDP PROTOCOL ON FPGA

Abstract

Ethernet is one of the most important communication methods in digital world. With IP and UDP/TCP, ethernet is the building block of internet world. Although it is implemented in software, there are hardware implementations too. In this thesis, a ethernet MAC, IP and UDP application is developed to enable FPGA to communicate with devices with ethernet interface.

Anahtar Kelime

FPGA, Ethernet, IP, UDP, ARP, ağ

Bilim Kodu

6090100




Sıra No :13874
Üniversite

504111333

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Doç. Dr. Mesut Kartal

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Temmuz

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

SEYYİD MUHAMMED DİLEK

Başlık

DVB-S ALICISI İÇİN İLERİ HATA DÜZELTME BİRİMİ GERÇEKLEMESİ

Özet

Tez çalışması, uydu haberleşme sistemleri aracılığıyla yapılan sayısal video çoğul ortam yayınlarının alıcı tarafında kulanılan ileri hata düzeltme birimi tasarımı ve gerçeklemesini kapsamaktadır. Bu kapsamda Sayısal Video Yayını organizasyonu tarafından belirtilen standartlar göz önüne alınmıştır. Tasarlanan kod çözme birimleri ve ters-serpiştirme işlemi standartlarda belirtilen parametrik değerler dikkate alınarak benzetimleri MATLAB ve Maple yardımı ile yapılmış olup VHDL kullanılarak başarılı bir şekilde donanımsal olarak gerçeklenmiştir. Sayısal Video Yayını tarafından belirtilen standartlarda uydu sistemleri çoğul ortam iletimi için kullanılacak ileri hata düzeltme birimi, ardışıl kodlama tekniğini içermektedir. Ardışıl kodlama daha yüksek hata düzeltme performansı sağlamak amacını taşımaktadır. Bu kodlama türü, klasik kodlama türlerinin seri bir şekilde bağlanması ve aralarında bir serpiştirme işleminin kullanılması ile gerçeklenmektedir. Ardışıl kodlama; iç kodlama, dış kodlama ve serpiştirme işlemlerinden oluşmaktadır. Ardışıl kodlamada kullanılacak ve standartlarda belirtilen dış kodlama türü kısaltılmış Reed-Solomon kodlama türüdür. Tez kapsamında, Reed-Solomon kod çözme algoritması tasarlanmış ve donanımsal olarak gerçeklenmiştir. Reed-Solomon kod çözme algoritmasında en çok kullanılan aritmetik birim olan sonlu alan çarpma işlemi, parametrelere göre özelleşme olmadığı için ve hız faktörü göz önüne alındığında hücresel dizi sonlu alan çarpma işlemi seçilmiştir. Bunun yanında dış kod çözme işleminin en önemli birimi olan anahtar eşitlik çözme birimi, tezin amacına uygun olarak tersi alınmayan tekrardan formüle edilmiş Berlekamp-Massey algoritması seçilmiştir. Ters-serpiştirme işlemi, katlamalı ters-serpiştirme işlemidir. Bu işlem standartlar tarafından belirtilen parametrelere uygun olarak tasarlanmıştır. Gelen verilerin RAM’de sıralanması için adres üretici devresi ve blok RAM’i içeren iki birimden oluşmaktadır. İç kodlama, katlamalı kodlama olarak belirtilmiştir. Katlamalı kodlama türüne karşılık düşen kod çözme algoritması Viterbi algoritmasıdır. Tezin amacına uygun olarak 3-bitlik yumuşak kararlı bir Viterbi algoritması tasarlanmıştır. Viterbi algoritmasında en önemli birim olan kazanan hafıza birimi için kayıtçı değişim algoritması tasarlanmış ve başarılı bir şekilde donanımsal olarak gerçeklenmiştir. Bunun yanında Viterbi algoritmasında kullanılan topla-karşılaştır ve seç birimi tanımlanan parametrelere uygun olarak paralel bir yapıda oluşturulmuş ve gerçeklenmiştir.

Title

IMPLEMENTATION OF FORWARD ERROR CORRECTION UNIT FOR DVB-S RECEIVER

Abstract

Significant progresses have been made in the satellite communication area; nevertheless, the solution of one point to multi point multimedia application for digital video broadcasting over large coverage area is one of the most significant progresses for home-entertainment industry. The developing of multimedia technology and digital communication system accompanies with some standards. Meanwhile, these standards are adapted to satellite communication. Digital Video Broadcasting (DVB) Project is an industry-led consortium which prepares the standard for multimedia communication. One of the standardization processes is prepared for multimedia communication by satellite called Digital Video Broadcasting-Satellite (DVB-S). A satellite communication system has three main parts; they are receiver, transmitter, and satellite. The transmitter part of satellite communication includes source coding, cryptography, channel coding, modulation, and up-conversion units. Firstly, source coding compresses the information symbol due to fact that it reduces the space of storage or transmission capacity. To secure the information symbols the cryptography is used in a communication system. Especially there is a noisy channel between communication nodes. At this point, the channel coding technique is used to find errors and sometimes correct it. Nonetheless the channel coding techniques adds the redundancy symbol to the frame. Modulation transforms the information from one domain to another domain. Up-conversion units raise the baseband frequency to the radio frequency and intermediate frequency. The receiver side of satellite communication has the reverse processes of the transmitter side. The satellite has an important mission in this system; the mission includes reflection, regeneration, and transmission. DVB-S standard specifies modulation, channel coding, and source coding characteristic for physical link and framing. Quadrature phase shift keying (QPSK) modulation was specified for digital transmission, and also eight phase shift keying (8PSK) instead of QPSK was specified to increase the data rate. Additionally, source coding technique is Moving Picture Expert Group Second edition (MPEG-2) transport stream, which has 188 byte frame length. The frame structure of source coding includes 1 synchronization byte and 187 information byte. In DVB-S, channel coding technique was specified concatenated channel coding technique, includes inner coding, interleaving, and outer coding. It is concatenated block coding with convolutional coding. Inner channel coding is shortened Reed-Solomon coding technique, which has 188 bytes to the input and generates 204 coded bytes. It has 16 parity bytes. The interleaving process is convolutional interleaving technique which improves the performance and prevents the burst errors. Outer channel coding is convolutional coding, which has one bit input and two bits output. Due to the aim of communication system which is transmission of error-free information as far as possible, the necessity of channel coding appears. Information symbols are sent from source to the destination within a channel. Communication channel can be a wire or a wireless path. Both of channel system includes noise. Channel coding technique is two types; one of them is automatic repeat-request (ARQ). ARQ can just detect the error and make destination to send the error message to the source to repeat sending message again, especially it is used in wired channels. Another one of channel coding technique is forward error correction (FEC) technique. FEC both can detect the error and correct it as far as possible. In a satellite communication system, in spite of using ARQ, FEC technique is preferred. Detection of error in FEC unit can be done because of redundancy symbols. The redundancy symbols add to the frame by channel encoding technique. Then channel decoding can correct the error with the aid of redundancy symbols. FEC technique has three main type; block coding, convolutional coding and concatenated coding. Block coding technique is the first channel coding technique in literature called hamming coding after Shannon capacity theory. Block coding add the redundancy symbols to the information symbols according to specified algorithm. Convolutional coding is different from block coding technique, it has delay units and then the information symbols get XOR process. The format of information symbols changes due to the XOR process. Concatenated coding has a different type of design; block coding concatenates with block coding, block coding concatenates with convolutional coding, and convolutional coding concatenates with convolutional coding (turbo coding). In DVB-S standard, second type of concatenated coding is preferred. This dissertation contains design and implementation of forward error correction unit for receiver part of digital multimedia broadcasting regarding to satellite communication systems. Within this scope, the standards specified by Digital Video Broadcasting organization are reviewed. Simulation of designed decoder units and de-interleaving process in MATLAB and Maple are made according to specified parametric values of standards. Hardware implementation of these units is doing successfully by VHDL. Inner coding, Reed-Solomon (RS) coding, is simulated, and made hardware implementation. Reed-Solomon coding is a non-binary cyclic coding. RS codes add 2t redundancy symbols to information symbols and can correct t error values. RS decoding includes four main units; these are syndrome calculation unit, key equation solver unit, Chien search algorithm, and Forney algorithm. Syndrome calculation unit is designed parallel structure to achieve high throughput, this unit gets the input codewords as a polynomial coefficients. It generates 2t syndromes and transmits to the key equation solver (KES) block. The main component of the RS decoder is KES block, it solves syndrome and generates locater polynomial and evaluator polynomial. Locater polynomial contains information about the error values location. Evaluator polynomial contains information about the values of errors. KES block can implementation with different algorithm; Berlekamp-Massey, Euclidean, etc… According to the aim of dissertation, reformulated inverse-free Berlekamp-Massey (RiBM) algorithm by Sarwate is preferred. Matching the algorithm with RiBM algorithm, it has design simplicity and high throughput. Chien search and Forney algorithms designed parallel structure. At the end of RS decoding, input codewords delays in finite input finite output unit and then found values and codeword make XOR process. The most crucial arithmetic process in RS decoding is finite field multiplication, cellular array multiplication is chosen for the aim of dissertation. This chose made the multiplication process in one clock cycle. In concatenated channel coding technique, interleaving process is used. Convolutional interleaving is specified by standard for DVB-S. Convolutional de-interleaving is simulated and made hardware implementation. Outer coding, convolutional channel coding, is simulated and made hardware implementation. In receiver side of communication system, the Viterbi algorithm can decode the convolutional coded information symbols. Viterbi algorithm has high error correction performance. Viterbi decoding algorithm can be design in hard decision technique and soft decision technique. Due to high performance of soft decision technique, the soft decision (SD) Viterbi decoding algorithm is preferred for this dissertation. SD Viterbi decoding has three main blocks; branch metric calculation unit, add-compare-select unit, and survivor memory unit. Branch metric calculation unit has 3-bit soft decision values, and sends the metric to other block, ACS. ACS unit has a fully parallel butterfly structure, and path metric memory. Most important block of Viterbi decoding algorithm is survivor memory unit. Survivor memory unit can be implementation by two general algorithms and their variations. These algorithms are trace-back algorithm and register-exchange algorithm. When comparing register exchange (REA) algorithm with trace-back algorithm, REA has high throughput, but takes much area and consumes high power because of fully parallel structure of REA.

Anahtar Kelime

DVB-S, Reed-Solomon Kod Çözme, Yumuşak kararlı Viterbi Algoritması, Katlamalı Ters-Serpiştirme

Bilim Kodu

6090205




Sıra No :13786
Üniversite

504101311

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

YRD. DOÇ. DR. SERKAN ŞİMŞEK

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

FATİH AKIN BAYRAKTAR

Başlık

PERİYODİK OLARAK YÜKLÜ DİKDÖRTGEN DALGA KILAVUZLARINDA BLOCH EMPEDANSI VE UYGULAMALARI

Özet

Bu çalışma kapsamında periyodik yapıların düzgün dikdörtgen dalga kılavuzlarında göstermiş olduğu birtakım özellikler incelenmiştir. Çalışmanın tamamında literatürde sıklıkla tercih edilen standart WR-90 dikdörtgen dalga kılavuzu kullanılmıştır. İlk etapta çalışmaya ön hazırlık olması amacıyla dikdörtgen dalga kılavuzlarında elektromanyetik dalgaların göstermiş olduğu özellikler işlenmiştir. Elektrik ve manyetik alan ile kesim frekansı ifadeleri çıkartılmıştır. Daha sonra ise çalışmanın tamamında sıklıkla kullanılan S parametreleri hakkında bilgi verilmiştir. Muhtelif durumlar için hesaplama yöntemleri üzerinde durulmuştur ve bununla ilintili olarak İletim Hattı Modeli incelenmiştir. Bir sonraki aşamada ise periyodik yapılar ve özellikleri irdelenmiştir. Buna bağlı olarak periyodik yapıların karakteristik empedansı (Bloch empedansı) incelenmiştir. Durdurma bantlarının tespitinde daha önce kullanılan yöntemlerin yanı sıra Bloch empedansının sahip olduğu birtakım özellikler kullanılarak elde edilen sonuçların doğruluğu gösterilmiştir. Böylece birim hücre tasarımı yapılırken Bloch empedansından da istifade edilebileceği anlaşılmış olmaktadır. Çalışma kapsamında ele alınan bir diğer husus da kaskat yapılara ait verilerin doğruluğunu sınamak adına MATLAB üzerinde yapılan teorik analizlerin HFSS yardımıyla elde edilen simülasyon sonuçlarıyla tutarlılık arz ettiğini ortaya koymak oldu. Böylece bulunan sonuçların doğruluğunu teyit etmek adına kuvvetli bir kıstasa sahip olunmuştur. Çalışmanın son kısmında ise süreksizliğe sahip yapılar ele alınmıştır. İlk incelenen homojen yapılardan farklı olarak S parametrelerinin tespitinde İletim Hattı Modeli’nin yetersiz kalmasından ötürü alternatif bir yöntem olan Modal Açılım Tekniği kullanılmıştır. Sonrasında ise benzer yaklaşımlarla bulunan sonuçlar verilmiştir.

Title

BLOCH IMPEDANCE OF PERIODICALLY LOADED RECTANGULAR WAVEGUIDE AND ITS APPLICATIONS

Abstract

This study can be divided two main phase: The investigation about the subject and the analysis results of the subject. First phase includes the research on rectangular waveguides, scattering parameters, some analysis techniques, periodic structures and Bloch impedance. Second part contains the analysis, results, comparisons of results and comments. In the first phase of the study, waveguides, their types and periodic structures are expressed. After that, scattering parameters and their specifications, Transmission Line Technique and scattering parameters of the cascaded structures are dealt with. In the second phase of the study, the problem geometries and their solution results are revealed. The problem which is examined in this respect is about a periodic structure used by WR-90 traditional rectangular waveguide. A certain discontinuous and homogenous unit cell which has a material whose dielectric constant and dimensions are known is selected from literature. Stop band regions of the selected model are found by using dispersion diagram. Also, same results are obtained with the Bloch impedance approach. To analyze periodic structures having H plane discontinuities, Transmission Line Model is not sufficient. Therefore, Modal Expansion Method is preferred. At the end of the study, whole results are compared and validated.

Anahtar Kelime

Bloch,Karakteristik Empedans, Periyodik Yapı, Dalga Kılavuzu

Bilim Kodu

609




Sıra No :13749
Üniversite

504091359

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

MESUT KARTAL

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

EROL KARACA

Başlık

DAİRESEL POLARİZASYONDA ÇALIŞAN L ŞEKLİNDE ÇEVRİLMİŞ ŞERİTLERE SAHİP EŞ DÜZLEMSEL DALGA KILAVUZU BESLEMELİ KARE SLOT ANTEN TASARIMI

Özet

Bu çalışmada, eş düzlemsel dalga kılavuzu tipi beslemeye sahip dairesel polarizasyonda çalışan kare slot anten tasarımı anlatılmaktadır. Önerilen anten,3 adet çevrilmiş L şeklinde şeritleri içermektedir. Tasarımda FR4 dielektrik malzeme üzerine tek metalik tabaka kullanılmaktadır. Uygulama-1 yapısındaki anten 40x40x0.8 mm3 , uygulama-2 yapısındaki anten ise 40x40x1mm3 boyutlara sahiptir. Tasarımda empedans bant genişliğinin ve 3 dB eksenel oran bant genişliğinin arttırılması iki temel amaçtır.

Title

CIRCULARLY POLARIZED CPW-FED SQUARE SLOT ANTENNA DESIGN WITH INVERTED L SHAPED STRIPS

Abstract

In this study, circularly polarized square slot antenna design having coplanar waveguide feed type is explained. The designed anten has 3 Inverted L shaped strips. In the design, a single metallic layer is used on top of the FR4 dielectric layer. The antenna in application-1 has 40x40x0.8 mm3, the antenna in application-2 has 40x40x1mm3 dimensions. The two main purposes in the design are increasing the impedance matching bandwith and the axial ratio bandwidth.

Anahtar Kelime

Kare Slot Anten Tasarımı, Dairesel Polarizasyon, Eksenel Oran

Bilim Kodu

609




Sıra No :14075
Üniversite

504952002

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

PROF. DR. HAKAN KUNTMAN, PROF. DR. BEKİR SIDDIK BİNBOĞA YARMAN

Tez Türü

Doktora

Ay

Temmuz

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

RAMAZAN KÖPRÜ

Başlık

GENİŞBAND MİKRODALGA YÜKSELTEÇLERİN TASARIMI İÇİN YARI-ANALİTİK BİR YÖNTEM

Özet

Bu çalışmada, Normalleştirilmiş Kazanç Fonksiyonu (NGF: Normalized Gain Function) olarak adlandırılan yeni bir yöntem kullanılarak genişband mikrodalga yükselteç tasarımı yapılmaktadır. NGF yöntemi, literatürde çok iyi tanınan SRFT (Simplified Real Frequency Technique) yarı-analitik nümerik yöntemi ile birleştirilerek kullanılmakta, yükselteç giriş/çıkış empedans uyum devre fonksiyonları ve devreleri elde edilmektedir. Türeve-dayalı optimizasyon algoritmaları yerine fminsearch arama algoritması kullanılarak yakınsaması daima garanti edilebilir ve gerçeklenebilir empedans fonksiyonları elde edilebilmektedir. fminsearch optimizasyonuna dayalı NGF yöntemi ile SGA (Sloping Gain Amplifier) tasarımı yapılmaktadır. Tezde, bu türden bir eğik kazançlı genişband SGA yükselteç önerilmesinin nedeni SGA türü yükseltecin aynı bandda çalışan düz kazançlı genişband FGA (flat gain amplifier) yükselteç ile karşılaştırıldığında; gerek a) ortalama verimliliğinin daha yüksek, gerekse b) ?hiçbir geribesleme devresi kullanmaksızın? düşük giriş/çıkış/iç yansıma katsayılarına sahip olmasıdır. Bunun aksine, bir FGA?nın giriş ve çıkış yansıma katsayısı değerlerinin düşük elde edilebilmesi; ancak ve ancak kullanılan aktif elemana bir geribesleme uygulanması ile mümkündür. Tezde; SGA türü yükseltecin geniş bir çalışma bandında eğik bir kazanç şekline sahip olmasının, bu tür yükseltecin ?hiçbir geribeslemeye ihtiyaç duymaksızın? daha yüksek ortalama verim ve düşük giriş/çıkış/iç yansımalarına sahip bir yükselteç olarak kullanılabileceği gösterilmektedir. Ayrıca, SGA türü yükselteçlerin özellikle X bandı gibi çok yüksek frekanslarda FGA türü yükselteçlere göre daha verimli oldukları hesaplanmıştır. Bu anlamda, günümüzde halen çok sayıda dar bandlı PA (Power Amplifier) kullanmak zorunda olan tüm taşınabilir kablosuz ekipmanların (örneğin 0.8-5.2 GHz aralığında çalışan çok standardlı çok modlu cep telefonları) sadece bir adet genişbandlı SGA türü bir mikrodalga yükselteçle donatılması, esnek SDR (Yazılım Radyo, Software Defined Radio) teknolojilerine uygunluk açısından büyük önem arzetmektedir. SGA yükselteçleri geleneksel negatif geribeslemeli ve dengeli yükselteçlere göre tasarımı daha kolay, daha ucuz, daha hafif devreleri olanaklı kılmaktadır. Giriş/çıkış yansımalarını azaltmak üzere LRA (Least Reflection Approach) ve BRA (Balanced Reflection Approach) yaklaşımları önerilmekte ve kullanılmaktadır. Ayrıca, SGA türü yükseltecin genlik ve faz cevabına uygun olarak SDR birimi üzerinde Genlik ve Faz Sayısal Ön-Düzeltme Birimi (AP-DPD: Amplitude and Phase Predistortion Unit) önerilmektedir.

Title

A SEMI-ANALYTIC METHOD TO DESIGN WIDEBAND MICROWAVE AMPLIFIERS

Abstract

In this work, wideband microwave amplifier designs are done using a novel methodology we call as ?NGF (Normalized Gain Function)?. NGF method is used in combination with SRFT (Simplified Real Frequency Technique) semi-analytic method, which is a very well-known numerical solver in the literature, and eventually impedance functions and corresponding circuits of input/output matching networks are obtained. Rather than using gradient-based optimization algorithms, search algorithms such as fminsearch are used to obtain optimizations which are always convergent and gives realizable immitance functions. With fminsearch-based NGF, SGA (Sloping Gain Amplifier) design can be done. The thesis proposes such a wideband SGA kind amplifier design because of its a) higher average efficiency compared to a wideband FGA (flat gain amplifier) operating in the same band and b) low input/output/internal reflectances without using any feedback network. On the contrary, it is well-known that an FGA could have low input/output reflectances if and only if it is constructed with an active device around which a feedback network is placed. In the thesis, it has been shown that having of sloping gain shape along a wide frequency band of operation makes an SGA more efficient and low (input/output) reflective without using any feedback. Calculations have showed that SGA has higher efficiency than FGA especially at very high frequencies such as X band. It is rather important to realize the output stage of a traditional mobile phone with only one such a wideband SGA instead of using a large number of narrow band amplifiers. Such wideband single SGA output topology is also very suitable to the flexible SDR (Software Defined Radio) technologies. SGA design approach allows us to obtain easier, cheaper, lighter mobile equipment than negative amplifier and balanced amplifier approaches. Furthermore, novel LRA (Least Reflection Approach) and BRA (Balanced Reflection Approach) are proposed to reduce the input/output reflections. Moreover, a unit, AP-DPD (Amplitude and Phase Predistortion), is proposed to be placed into the SDR in accordance with the amplitude and phase response of the SGA.

Anahtar Kelime

NGF, SRFT, fminsearch, empedans uyumlaştırma, geniş band mikrodalga yükselteç, nümerik optimizasyon, SGA, FGA, taşınabilir kablosuz ekipmanlar, LRA, BRA, Sayısal Ön-Düzeltme, Yazılım Radyo, Reflection, VSWR.

Bilim Kodu

6090401




Sıra No :13746
Üniversite

504111208

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Öğr. Gör. Dr. H. Bülent YAĞCI

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Mehmet DUMAN

Başlık

KÜÇÜK BOYUTTA UYDULAR İÇİN UHF BANDINDA ÇALIŞAN RF GÜÇ KUVVETLENDİRİCİ TASARIMI VE GERÇEKLENMESİ

Özet

Küçük boyutta uydular için üretilen güç kuvvetlendiricilerinde kullanılması şart olan standart bir merkez frekans değeri belirlenmiştir. Bu tezde, belirlenen standart değer olan 435.250 MHz merkez frekanslı olarak çalışan ve bant genişliği yaklaşık olarak 7 MHz olan radyo frekansı güç kuvvetlendiricisi tasarımı yapılmıştır. Üretilen güç kuvvetlendiricisinin teorik olarak hesaplanan kazanç değeri 23 dB ve çıkış güç değeri 0.6 Watt değerindedir. Üretilecek olan devrenin bütün çizimleri ve bilgisayar ortamındaki simulasyonları Microwave Office AWR programı ile yapılmıştır. Bu tez beş bölümden oluşmaktadır. Bölüm bir, tez hakkında kısa bilgiler veren ve tez konusunun neden seçildiğini belirten ön bilgilerden oluşmaktadır. Bu bölüm içinde genel olarak teze giriş yapılmıştır. Kendi içinde dört alt başlığa ayrılan ikinci bölüm, radyo frekansı güç kuvvetlendircilerinin temellerini konu almaktadır. Bu bölümdeki alt başlıklardan ilkinde kazanç, çıkış gücü, verimlilik, doğrusallık, kararlılık, bozulmalar vs. hakkında literatür bilgileri verilmiştir. Ayrıca tez için oluşturulan grafik ve devre şematikleri bu alt başlıkta yer almıştır. İkinci bölümün bir diğer alt başlığında S parametrelerine geniş bir giriş yapılmış ve S parametrelerinin çeşitleri ile voltaj durağan dalga oranı hakkında bilgiler verilmiştir. Üçüncü alt başlıkta güç kuvvetlendirici sınıfları üzerinde durulmuş ve doğrusal olarak çalışan A sınıfı, B sınıfı, AB sınıfı ve C sınıfı detaylı olarak incelenmiştir. Tez için oluşturulan güç kuvvetlendiricisi A sınıfı olduğu için bu sınıf derinlemesine incelenmiştir. İkinci bölümün son alt başlığında güç kuvvetlendiricisi tasarım temelleri aktarılmıştır. Tezin üçüncü bölümünde bilgisayar ortamında Microwave Office AWR programıyla yapılan deneylere ve gerçek ortamda baskı devrenin spectrum analizörü, osiloskop vb. ölçüm aletleri ile yapılan deneylerine yer verilmiştir. Bilgisayar ortamında ve gerçek ortamda yapılan deneyler iki ayrı alt başlık altında yer almaktadır. Her bir ölçüm detaylı olarak tezde anlatılmıştır. Tez için üretilen güç kuvvetlendiricisi devresinde kullanılan malzemelere ve devrenin ölçüm aşaması için gerekli olan cihazlara da bu bölüm içinde iki ayrı alt başlık verilmiştir. Bu alt başlıklarda malzemeler ve cihazlar tanıtılmıştır. Dördüncü bölümde bilgisayar ortamında ve gerçek ortamda yapılan deneylerin sonuçları karşılaştırılmış ve elde edilen bulgular hakkında yorumlar yapılmıştır. Tezin bütün bölümlerinde olmakla birlikte özellikle dördüncü bölümde önemli karşılaştırmalar yapılmış ve bu karşılaştırmalar tablolar halinde aktarılmıştır. Bu bölümde ayrıca; güç kuvvetlendiriciler konusu üzerine daha önceden yapılan bazı yüksek lisans tez çalışmaları hakkında bilgiler verilmiştir. Üzerinde çalışılan tezin daha önceden yapılan tezler ile karşılaştırılması yapılmış ve aralarındaki farklar özetle anlatılmıştır. Son bölüm olan beşinci bölümde, üzerinde çalışılan tezin neden seçildiği anlatılmış ve literatürde neden önemli olduğuna dair bilgiler verilmiştir. Küçük boyutta uydular için neden kullanıldığı tekrarlanmış ve tezin önemli sonuçları üzerinde tekrar durulmuştur. Ayrıca bu tezden sonra, tezin devamı için doktora aşamasında yapılabilecek çalışmalar aktarılmıştır. Son bölümden sonra, ayrı olarak, tezin bölümlerinde anlatılmayan bazı bilgiler ek kısmında aktarılmıştır. Tezin yazım aşamasında elde edilen bütün sonuçlar detaylı olarak paylaşılmış ve devre şematikleri, grafikler özenle teze eklenmiştir. Teze başlama aşamasında literatür çalışmaları iyi bir şekilde araştırılmış ve yüksek lisans tezleri, radyo frekansı güç kuvvetlendirici kitapları, IEEE yayınları, makaleler, bildiriler ve lisans tezleri detaylıca incelenmiştir. Daha sonra tez çalışmasının RFMD’nin üretmiş olduğu SGA9289z güç kuvvetlendiricisi ile yapılması danışman ve tez öğrencisi tarafından uygun görülmüştür. Transistor için tasarımı yapılacak olan kutuplama devresi, A sınıfı güç kuvvetlendirici devresinin çalışma prensibine uygun olarak dizayn edilmiştir. Kutuplama devresinde kullanılan direnç değerlerine analitik hesaplamalara göre ve transistorun veri sayfasından elde edilen bilgilere göre karar verilmiştir. Transistorun çalıştığı gerilim değerleri ve kutuplama akımı da veri sayfasındaki bilgiler esas alınarak oluşturulmuştur. Kutuplama devresinin tasarımından sonra devrenin giriş kısmına ve çıkış kısmına istenilen bant genişliği, kazanç değeri ve S parametrelerini verecek giriş ve çıkış devreleri eklenmiştir. Empedans uyumuna dikkat edilerek giriş ve çıkış devreleri güncellenmiş ve bilgisayar ortamında yapılan simulasyonlara devam edilmiştir. Empedans uyumunun gerçekleştirilmesi sırasında Microwave Office AWR programının iFilter özelliğinin yanı sıra; S11, S12, S21 ve S22 değerlerinin standart bir güç kuvvetlendirici devrede olması gereken değerleri de dikkate alınmıştır. Kararlılık analizlerine ve voltaj durağan dalga oranına göre güç kuvvetlendiricisinin çalışmasına en uygun görülen devre şematiği oluşturulmuştur. Elde edilen devre şemasının baskı devre işlemine geçmesi için bakır plaka üzerine yerleşim planının çıkarılması gerekmektedir. Microwave Office AWR programı ile baskı devre yerleşim planı çıkartılmıştır. Bu aşamada devrenin boyutunun yeterince küçük olmasına özen gösterilmiştir. Devrede kullanılacak olan bütün elemanların SMD eleman olması istenmiştir. Bu sayede devrenin olabildiğince küçük olması sağlanmıştır. Devredeki 24mm uzunluğundaki hat gibi bazı hatların uzun olmasından dolayı bu hatlar kıvrılmış bir şekilde baskı devreye çizilmiştir. MWO AWR programının bu özelliği sayesinde devrenin boyutu önemli ölçüde küçülmüştür. Sonuç olarak bilgisayar programında baskı devreye hazır hale getirilen devrenin boyutu 2,5cm en ve 3,3cm boy oranındadır. Üretilen baskı devrede kullanılan elemanların özellikleri hakkında ve baskı devrenin karakteristik özellikleri hakkında detaylı bilgilere tezde yer verilmiştir. Devredeki toprak bağlantılarının yeterince çok olması radyo frekansı güç kuvvetlendirici devreleri için gerekli bir durumdur. Bu durumun sağlanması için devrenin üst yüzeyinde toprak için yeterince büyük bir alan ayrılmıştır. Devrenin alt kısmı tamamen toprak olarak basılmıştır. Üst yüzeydeki toprak bağlantılarını alt yüzeydeki toprağa bağlamak için devrenin birçok yerinde hole olarak adlandırdığımız delikler açılmıştır. Bu sayede devrenin toprak bağlantısı istenilen ölçütlere ulaşmış olacaktır. Bilgisayar ortamında üretilen baskı devre gerçek ortamda üretilmiş ve devredeki kapasite, indüktans, direnç ve transistorlar devreye lehimlenmiştir. Son olarak devrenin giriş ve çıkışına SMA konnektörler lehimlenmiş ve devre gerçek ortamda deney ölçümlerine hazır hale getirilmiştir. Bilgisayar ortamında çizilen devre ve gerçek ortamda bakır levha üzerine basılan devre resimlerine tezde yer verilmiştir. Üretilen baskı devrenin kazanç değeri, S parametreleri, çıkış gücü ve verimi sinyal jeneratörü, osiloskop ve spectrum analizörü vb. ölçüm aletleri sayesinde ölçülmüş ve gerçek ortamda yapılan deney ile bilgisayar ortamında yapılan deneyler karşılaştırılmıştır. Sonuçlar ve karşılaştırmalar tezde başlıklar halinde detaylı olarak incelenmiştir. Sonuç olarak, küçük boyutta uydular için kullanılmaya elverişli bir radyo frekansı güç kuvvetlendirici devresi tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir.

Title

UHF RF POWER AMPLIFIER DESIGN AND IMPLEMENTATION FOR SMALL SATELLITES

Abstract

In this thesis, the radio frequency power amplifier which can be used for small satellites is designed. The RF power amplifier has 23 dB gain and 0.6 Watt output power theoretically. It is designed in Microwave Office AWR (Applied Wave Research) program. The power amplifier center frequency is 435.250 MHz which is the standard frequency of small satellites. The bandwidth is about 7 MHz and the gain is flat around the center frequency. In the thesis, there are five chapters and the chapter one covers an introduction part which gives preliminary information about the thesis. The second chapter tells about the power amplifier basics which are given with four subtitles. One of the subtitles includes gain, output power, efficiency, linearity, stability, distortion, etc. The other subtitle gives information about S parameters and S parameters specifications. Later, the classes of power amplifiers and amplifier design fundamentals are given in the other subtitles. In the third chapter, the experiments are written in detail. The materials and the equipment are also given in this chapter. Experiments which are done in Microwave Office AWR program and in the real world are given in the third chapter too. The forth chapter shows the results and discussion about the experiments done in program and in real. There are also comparisons in this chapter. Finally, the last chapter which has conclusion part is given. As a start point of this work, the literature was researched very deeply among the M.Sc. theses, RF power amplifier books, IEEE publications, the articles and B.Sc. theses which were analyzed well. Later, it was decided that the power amplifier could be designed with SGA9289z medium discrete power transistor which is taken from RFMD (RF Micro Devices). The bias circuit for the transistor was designed according to the circuit specifications. The input and output circuit of the transistor were designed and impedance matching circuits were added. The optimum circuit was reached with controlling the S parameters, VSWR (voltage standing wave ratio), stability, etc. All of the components which were used in the circuit were SMD (surface mount device) product and they were very small, as a result, the power amplifier circuit dimensions were 2,5cm × 3.3cm. The components used in the amplifier circuit were explained in detail in the thesis. The circuit layout is drawn in the same program that is Microwave Office AWR. Later, it is printed out to the PCB (printed circuit board) and all of the components are soldered to the PCB. The SMA (subminiature version A) connectors are soldered to the input and output of the circuit to measure characteristics of the power amplifier. Finally, graphic results which are gain, output power, S11, S12, S21, S22 values and efficiency are obtained with using spectrum analyzer, oscilloscope, signal generator and the other equipment which are given in the third chapter. In the conclusion chapter of the thesis, it is given that why this thesis is important in the literature and why it can be used for small satellites. There is also information about the other works that can be done after this thesis work. Finally, there are appendix sections at the end of the thesis; some of the knowledge is given in this part.

Anahtar Kelime

elektronik, radyo frekansı, küçük uydu, güç kuvvetlendirici, tasarım ve gerçekleme, mikrodalga, UHF

Bilim Kodu

609




Sıra No :13798
Üniversite

504101220

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Doç. Dr. Berna Örs YALÇIN

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Özen ÖZKAYA

Başlık

KONUM MAHREMİYETİ SAĞLAYAN BİR RFID PROTOKOLÜNÜN ANALİZİ VE GERÇEKLENMESİ

Özet

Bu Yüksek Lisans tezi kapsamında Radyo Frekansı Tanımlama (RFID) sistemlerinin konum mahremiyeti (location privacy) üzerinde durulmuştur. Tez kapsamında öncelikli olarak RFID?de sunulan mevcut protokollere ilişkin güvenlik ve mahremiyet analizleri yapılmış, bunlarda görülen eksiklikler kapatılarak yeni bir protokol ortaya atılmıştır. Bu protokolun ortaya atılmasındaki temel motivasyon ise konum mahremiyeti sağlayan bir RFID protokolü ortaya çıkarmaktır. Protokolün en iyi çalışacağı donanım platformunun belirlenmesi adına üç farklı mikrodenetleyici üzerinde çeşitli gerçeklemeler yapılmış ve sonuçlar değerlendirilmiştir. Ardınan ortaya atılan protokol, fiziksel olarak gerçeklenen bir RFID sisteminde analiz edilmiştir. Bu analizlerle de anlaşılacağı üzere, teorik ve pratik anlamda konum mahremiyeti sağlayan bir RFID protokolu elde edilmiştir.

Title

ANALYSIS AND IMPLEMENTATION OF AN RFID PROTOCOL WHICH PROVIDES LOCATION PRIVACY

Abstract

Location privacy of the Radio Frequency Identification (RFID) systems are selected as the focus area in this Master s thesis. In the scope of this thesis, current RFID protocols are analyzed and by improving the current protocols, a new protocol has been proposed. The most important motivation behind the new protocol is creating a realistic RFID protocol which provides location privacy. Implementations and comparisons are made on three different microcontroller family to decide which hardware platform is the most efficient for the protocol. In conclusion, a new practical and realistic protocol which provides location privacy is proposed.

Anahtar Kelime

rfid, mikrodenetleyici, konum mahremiyeti, gömülü sistemler

Bilim Kodu

0




Sıra No :13805
Üniversite

504101237

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. Hakan Ali ÇIRPAN

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Teoman MERT

Başlık

TEK TAŞIYICILI FREKANS BÖLMELİ ÇOKLU ERİŞİM SİSTEMLERİ İÇİN TOPLAM VERİ HIZINI ENBÜYÜKLEYEN ÖZKAYNAK TAHSİSİ

Özet

Kablosuz ağlar günümüzde çok hızlı bir şekilde büyümektedir ve kablosuz ağları kullanım isteği de hızlıca artmaktadır. Hızla artan bu isteği karşılamak için, teknoloji üreticileri ve araştırmacılar yeni ekipmanlar, teknikler ve yöntemler geliştirip kablosuz servislerin standartlarını belirlerler. Kablosuz ağların gelişmesinde en can alıcı engeller interferans, çok yollu yayılma, yayılan güç ve spektrum kısıtlamalarıdır. Spektrum, kablosuz ağlarda en değerli varlıktır ve geliştirilmesi mümkün değildir. Yayılan gücü arttırtmak yerine, gücün verimli kullanılması esas alınmıtır. Çok-yollu yayılmayı etkisiz kılmak için çok taşıyıcılı modülasyon tekniği ortaya atılmıştır. Çok taşıyıcılı modülasyon tekniği, sürekli ve hızla artan bu isteği karşılamak için önerilmiş can alıcı bir çözümdür. Dik frekans bölmeli çoğullama (OFDM) bu çok yollu yayılım sorununu geniş bandı küçük alt-taşıyıcılara bölerek ve sonrasında eşzamanlı ileterek üstesinden gelmiştir. Çok taşıyıcılı modulasyon tekniği çok yollu yayılımı nedeniyle oluşan bozulmaları ve radyo frekans (RF) girişimini azaltır. Bu sayede yüksek miktarda işlem hacmine izin verir. Dik frekans bölmeli çoklu erişim (OFDMA) OFDM’in çoklu erişim tekniğidir. Üçüncü nesil mobil iletişim ortaklık projesi (3GPP), OFDMA’i long-term evolution (LTE) sisteminde aşağı yönlü iletim için seçmiştir. OFDMA sistemi yüksek hızlarda işlem hacmine sahip olmasına rağmen, önemli bir sorun olan yüksek tepe-ortalama güç oranına (PAPR) sahiptir. PAPR, OFDMA göndericisinin güç verimliliğini belirten bir performans ölçümüdür. Mobil cihazlar için en önemli parametrelerde birisi cihazın güç verimliliğidir. Cihazın sahip olduğu güç, en verimli şekilde kullanılmalıdır. Eğer bir sinyal yüksek PAPR’a sahipse, intermodülasyon bozulmalarını engellemek için OFDMA göndericisi yüksek lineer bölgeli güç yükselticisine gereksinim duyar. Ardışık semboller arasındaki bu aşırı aramodülasyon bozulmalarını engellemek için, güç yükseltecindeki bu lineerlik elde edilebilsin diye güç yükselteci geniş geriçekilme ile çalıştırılmalıdır. OFDM’de alt taşıyıcılar aynı anda paralel olarak iletilirler, bu nedenle PAPR değeri oldukça yüksektir. Bu sorunu çözebilmek için alt-taşıyıcıların paralel bir biçimde eşzamanlı olarak iletilmesi yerine ard arda iletilmesi ortaya atılmıştır. Bu sayede harcanan tepe gücün ortalama güce oranı OFDM’e göre düşük olacaktır. Fakat alt-taşıyıcıları ard arda iletmek için çok hızlı iletim yapmak gerekir ve bunun sonucunda da semboller arası girişim (ISI) meydana gelir. ISI’yı azaltmak için alıcıda denkleştirme yapılmalıdır. Denkleştirme sayesinde radyo kanalının çok-yollu yayılma nedeniyle oluşan lineer bozulmaları telafi edilebilir. Genişband kanallar için kanal yanıt cevabı çok uzun olduğundan, geleneksel zaman bölgesi denkleştiriciler yerine frekans bölgesi denkleştiriciler alıcıda kullanılmalıdır. Tek taşıyıcılı frekans bölmeli çoklu erişim (SC-FDMA), yukarı yönlü yüksek data hızlarında iletim için umut verici bir yöntemdir ve 3GPP tarafından LTE’nin yukarı yönlü iletimine adapte edilmiştir. Çünkü pil tüketimi mobil cihazlar için önemlidir ve alıcı kısım baz istasyonu olduğu için denkleştirici karmaşıklığı ve maliyeti gözardı edilebilir. SC-FDMA, ayrık Fourier transform (DFT)-yayılmış dik frekans çoğullama olarak adlandırılan OFDM’in değiştirilmiş bir formudur. OFDM ile aynı işlem hacmi performansına ve karmaşıklığa, fakat düşük PAPR’a sahiptir. SC-FDMA alıcı-vericisi, tipik bir OFDM sistemiyle, vericideki alt-taşıyıcı eşlemeden önce eklenen DFT bloğu ve alıcıdaki alt-taşıyıcı ayırma işleminden sonra eklenen ters-DFT (IDFT) bloğu dışında tamamiyle aynıdır. Başka bir ifadeyle, zaman bölgesindeki bilgi sembolleri standart OFDM modülasyonundan önce DFT işlemiyle frekans bölgesine transfer edilir. Ayrıca, frekans bölgesi denkleştiricisi kullandığı için ISI’yı kolaylıkla azaltabilir. SC-FDMA sisteminin OFDMA’e göre en önemli avantajı düşük tepe-ortalama güç oranına sahip olmasıdır. PAPR, vericideki güç yükselteciyle alakalıdır ve maksimum güç verimliliği, güç yükseltecinin doyum bölgesine yakın noktalarda çalışmasıyla elde edilir. SC-FDMA sistemiyle modüle edilmiş bir sinyal, klasik tek taşıyıcılı bir sinyal olarak gösterilebilir. Ayrıca sinyale darbe düzenleyici filtreler uygulanarak PAPR değerinin düşmesi sağlanabilir. SC-FDMA sistemlerinde, sistemin yapısı gereği alt-taşıyıcılar kullanıcılara atanmadan önce gruplanmalıdır. Belirli alt-taşıyıcıların oluşturmuş olduğu küme alt-taşıyıcı kümesi olarak adlandırılır. Alt-taşıyıcıları gruplamanın iki temel yöntemi vardır: lokalize ve dağıtılmış alt-taşıyıcı eşleme. Buna ek olarak eğer dağıtılmış alt-taşıyıcı eşlemede alt-taşıyıcıların arasında eşit mesafe mevcut ise serpiştirilmiş alt-taşıyıcı eşleme olarak da adlandırılır. Lokalize alt-taşıyıcı eşlemede kümenin alt-taşıyıcıları birbirine bitişik olarak alınır. Serpiştirilmiş alt-taşıyıcı eşlemede ise kümenin alt-taşıyıcıları bütün frekans bandına yayılmış şekilde seçilir. Darbe şekillendirmenin olmadığı durumda, serpiştirilmiş alt-taşıyıcı eşlemede SC-FDMA sistemi en iyi PAPR performansını gösterir. Ayrıca serpiştirilmiş ve dağıtılmış alt-taşıyıcı eşleme frekans seçiçi sönümlemeye karşı daha dayanıklıdır, çünkü gönderilecek olan bilgi mesajı bütün kanala yayılmıştır ve ardışık alt-taşıyıcılar üzerinde oluşabilecek olası derin sönümlemelerden minimum düzeyde etkilenecektir. Diğer bir ifadeyle, dağıtılmış ve serpiştirilmiş alt-taşıyıcı eşleme frekans çeşitliliği sağlamaktadır. Lokalize alt-taşıyıcı eşleme ise alt-taşıyıcıları ardışık olarak seçtiğinden kanalda oluşabilecek olası derin sönümlemelerden fazlasıyla etkilenecektir; fakat frekans seçici sönümleme nedeniyle alt-taşıyıcı kümelerine atanan kullanıcılar arasında kullanıcı çeşitliliği sağlayacaktır. Radyo ortamında genişbandlı radyo kanalları frekans seçici sönümlemeye maruz kalırlar. Genişband kanal transfer fonksiyonlarının bu tarz bir sönümlemeye uğramalarının sonucu olarak kullanıcı alt-taşıyıcı çiftinin kanala bağlı atanması yapılmalıdır. Örneğin birden fazla kullanıcının olduğu bir çok taşıyıcılı sistemde, kullanıcılar baz istasyonundan uzaysal olarak ayrı konumlanmışlarsa, kullanıcıların her biri farklı bir kanal transfer fonksiyonuna sahip olacaktır. Bu nedenle sistemin toplam işlem hacmini arttırabilmek için alt-taşıyıcılar, kullanıcılara kanal durumları gözönünde bulundurularak atanmalıdır. Buna ek olarak, SC-FDMA sistemlerinde alt-taşıyıcılar kümeler halinde bulunduğundan alt-taşıyıcı ataması yerine alt-taşıyıcı kümesi ataması ifadesi kullanılır. Mobil kullanıcıların batarya kısıtlamaları nedeniyle güç tüketimleri önemli bir parametredir ve gücün en optimal şekilde kullanılması istenir. Çok taşıyıcı bir sistem olan OFDMA’de mobil cihazlardaki mevcut gücün en optimal şekilde alt-taşıyıcılara aktarılması literatürde yıllardır fazlasıyla yer bulmuştur. Kullanıcının sahip olduğu toplam güç, kullanıcıya atanan alt-taşıyıcılara toplam işlem hacmini maksimize edecek şekilde paylaştırılmalıdır. SC-FDMA sistemi içinde mevcut gücün paylaştırılma şekli sistemin toplam işlem hacmini etkileyen en önemli parametrelerden birisidir. SC-FDMA’de alt-taşıyıcı kümesi kavramı ve alıcıda frekans bölgesi denkleştirici olmasına rağmen, mantık olarak güç paylaştırma OFDMA sistemindekine benzer biçimde yapılmaktadır. Toplam işlem hacmini maksimize etmek için hem optimal alt-taşıyıcı kümesinin seçilmesi ve hem de kullanıcının mevcut gücünün alt-taşıyıcı kümesinin alt-taşıyıcılarına optimal biçimde aktarılması gerekmektedir. Bu durum iç içe bağlanmış bir sorundur ve çözülmesi oldukça karmaşıktır. Bu tezde SC-FDMA sisteminde toplam veri hızını maksimize eden birleşik optimal güç ve alt-taşıyıcı atama teknikleri elde edilmiştir. Elde edilen çözüm hem lokalize hem de serpiştirilmiş (dağıtılmış) alt-taşıyıcı atama için uygulanabilir. Birleşik optimizasyon problemi ardışık olarak iki alt problemin çözümüyle çözülmüştür: güç atama ve alt-taşıyıcı kümesi atama. Öncelikle, bir kullanıcı herhangi bir alt-taşıyıcı kümesi seçtikten sonra, o alt-taşıyıcı kümesinin elemanlarına mevcut gücünü optimal bir şekilde paylaştırmaktadır. Güç paylaştırma bir iç bükey optimizasyon problemidir ve Karush-Kuhn-Tucker (KKT) koşullarından türetilen bir güç paylaştırma algoritmasıyla çözülmüştür. Güç paylaştırma algoritması, OFDM’deki su doldurma algoritması gibi düşünülebilir ama SC-FDMA alıcısında bulunan frekans bölgesi denkleştiricisi nedeniyle elde edilen fonksiyon OFDM’de elde edilenden farklıdır. Önerilen güç paylaştırma algoritmasının zaman karmaşıklığı en kötü durumda O(MlogM) olarak hesaplanmıştır (M:bir alt taşıyıcı kümesinin sahip olduğu alt-taşıyıcı sayısı). SC-FDMA sistemlerinde M=12 alt-taşıyıcı olarak belirlendiğinden, bu algoritma oldukça kısa sürede yakınsamaktadır. Bütün kullanıcılar sistemde bulunan bütün alt-taşıyıcı kümelerine güç paylaştırmasını denedikten sonra alt problemlerden ikincisi olan optimal alt-taşıyıcı kümesi atama problemi devreye girer. Optimal alt-taşıyıcı kümesi atama problemi iki taraflı grafik üzerinde maksimum ağırlıklı eşleme problemine dönüştürülmüş ve Hungarian algoritması ile polinomsal zamanda çözülmüştür. Bu algoritmanın zaman karmaşıklığı O(max(N;K)3) olarak hesaplanmıştır (N:alt-taşıyıcı kümesi sayısı, K:toplam kullanıcı sayısı). Alt-taşıyıcı kümesi atama probleminin optimal çözümünün zaman karmaşıklığı oldukça uzun olduğundan, zaman karmaşıklığı kısa ama optimal çözüme yakın sonuçlar veren iki açgözlü alt-taşıyıcı atama algoritması önerilmiştir: birleşik Açgözlü kullanıcı-alt-taşıyıcı kümesi atama algoritması ve açgözlü kullanıcı atama algoritması. İlk algoritmanın zaman karmaşıklığı O(N2K) olarak bulunmuştur. Genellikle kullanıcı sayısı, alt-taşıyıcı kümesi sayısından fazla olduğundan (N < K) optimal çözüme göre daha kısa sürede bitmektedir. İkinci önerilen algoritmanın zaman karmaşıklığı ise O(NK) olarak hesaplanmıştır ve optimal çözüme göre oldukça kısa sürede bitmektedir. İki algoritma da optimal çözüme göre kısa sürede bitmesine rağmen performans bakımından yaklaşık olarak optimal sonucu vermişlerdir. Yapılan simülasyonlar sonucunda bir optimal ve optimal olmayan iki algoritmanın performansları incelenmiştir. Optimal olmayan iki algoritma zaman karmaşıklığı optimale göre kısa olmasına rağmen performans olarak optimale yakın sonuçlar vermiştir. Önerilen bütün algoritmalar hem lokalize hem de serpiştirilmiş alt-taşıyıcı atama için geçerlidir. Özellikle kanal hafızasının düşük olduğu radyo kanallarında serpiştilmiş alt-taşıyıcı kümesi atamasında optimale yakın sonuçlar elde edilmiştir, kanal hafızasının yüksek olduğu radyo kanallarında ise her iki alt-taşıyıcı atama için de optimale yakın sonuçlar elde edilmiştir. Kanal hafızasının düşük olduğu radyo kanallarda, güç paylaştırma algoritması serpiştirilmiş alt-taşıyıcı atama için anlamlı haldedir. Yapılan bu çalışmada, birleşik güç ve alt-taşıyıcı atama için önerilen algoritmalarda her kullanıcıya bir tane alt-taşıyıcı kümesi verilmiştir. Gelecekte yapılacak çalışmalarda, kullanıcılara birden fazla alt-taşıyıcı kümesi verilmesi durumu incelenmelidir. Bu tümleşik bir problemdir; çünkü tek bir kullanıcı için bile birden fazla alt-taşıyıcı kümesi atandığında iki sorun göze çarpmaktadır: hangi alt-taşıyıcı kümeleri seçilecek ve seçilen bu kümelere kullanıcının gücü nasıl paylaştırılacak? Bu soruların cevapları bulunarak bu çalışma geliştirilebilir. Ayrıca zaman karmaşıklığı daha kısa optimal olmayan alt-taşıyıcı kümesi atama algoritmaları bulunabilir.

Title

SUM-RATE OPTIMAL RESOURCE ALLOCATION FOR SINGLE CARRIER FREQUENCY DIVISION MULTIPLE ACCESS SYSTEMS

Abstract

Wireless networks have been expanding very rapidly, and technology holders and researchers are challenged to develop new equipments and standardizations in wireless services, to fulfill this demand. The most crucial bottlenecks for the growth in wireless networks are the interference, multipath, transmitting power and available spectrum limitations. Multicarrier modulation technique is the outstanding solution over the 15 years to fulfill this consistently increasing demand. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) deals with this multipath challenge by splitting whole bandwidth into smaller subcarriers, and then broadcasting them simultaneously. This approach reduces multipath distortion and reduces radio frequency (RF) interference so that the system has greater throughput. Orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) is the multiple access scheme of OFDM. Although greater throughput of OFDMA system, it has a major drawback high peak-to-average-power ratio (PAPR). PAPR is a performance measurement that indicates the power efficiency of the OFDMA transmitter. If a signal has high PAPR, the OFDMA transmitter requires highly linear power amplifier to avoid excessive inter-modulation distortion. In order to avoid excessive inter-modulation between successive symbols, the power amplifier has to be operate with a large backoff from its peak power so that this linearity is achieved. Single carrier frequency division multiple access (SC-FDMA) is a promising technique for uplink communications that require high data rate and has been adopted by 3rd generation partnership project (3GPP) for the current foremost cellular system, called long-term evolution (LTE). SC-FDMA is a modified form of OFDM, called as discrete Fourier transform (DFT)-spread orthogonal frequency multiplexing with similar throughput performance and complexity but lower PAPR. SC-FDMA transceiver has similar structure as a typical OFDM system except the addition of a DFT block before subcarrier mapping in the transmitter and a inverse-DFT (IDFT) after subcarrier de-mapping in the receiver. In other words, time-domain data symbols are transformed to frequency-domain by the DFT before going through the standard OFDM modulation. In addition, it uses frequency domain equalization, so it can easily mitigate inter-symbol interference (ISI). The main advantage of SC-FDMA system is low PAPR of the transmit signal. PAPR is defined as the ratio of the peak power to average power of the transmit signal. From the point of view of mobile users, PAPR is the major concern, so low PAPR makes SC-FDMA system the preferred transmission technique for the uplink transmission. PAPR is mainly related to the power amplifier efficiency at the transmitter, and the maximum power efficiency is obtained when the power amplifier is closely working at the saturation point. As SC-FDMA modulated signal can be viewed as a traditional single carrier signal because of its sequentially transmission, a pulse shaping filter can be applied to transmit signal to decrease PAPR due to OFDM. In SC-FDMA systems, the subcarriers have to be grouped into subsets before being assigned to users. A set of particular subcarriers grouped together is called as chunk. There are two ways to map subcarriers to the user that are localized and distributed subcarrier mapping. In addition to this, if there is equidistant between the subcarriers in distributed subcarrier mapping, it is called interleaved subcarrier mapping. The subcarriers are adjacent to each other in localized subcarrier mapping and interleaved along to frequency in distributed subcarrier mapping. With no pulse shaping filters, interleaved SC-FDMA shows the best PAPR performance. In radio environment, radio channels with wide bandwidth may experience frequency selective fading. This frequency selective nature of broadband channel transfer functions result channel dependent scheduling of pair of subcarriers and users. When users are dispersed spatially, each one has a different channel transfer function. Subcarrier assignment for different users have to be scheduled due to the channel conditions to increase total system throughput. Subcarriers are grouped in SC-FDMA systems, so it is called chunk assignment instead of subcarrier assignment. Besides, allocating total power of a user to the subcarriers of a selected chunk is also affecting total system throughput. In this thesis, I obtained a jointly optimal power and chunk allocation policies which maximize the sum rate for a SC-FDMA system. The proposed solution is applicable to both localized and interleaved subcarrier mapping schemes. The joint optimization problem is solved by sequentially solving two sub-problems: power allocation and chunk allocation. Primarily, an optimal power allocation algorithm is used, which is derived from Karush-Kuhn-Tucker (KKT) conditions. The power allocation algorithm can be assumed as waterfilling in OFDM but it is a bit different from OFDM because an equalizer exists at the receiver. Then, the optimum chunk assignment problem is converted into a maximum weighted matching problem on a bipartite graph, and hence is solved it in polynomial time. Two greedy chunk allocation algorithms with lower complexity are also proposed: jointly greedy user-chunk allocation algorithm and greedy user allocation algorithm. Furthermore, it is demonstrated that these algorithms produce near optimal results, especially for interleaved subcarrier mapping for a channel with lower memory and both of interleaved and localized subcarrier mapping for a channel with higher channel memory, when used in conjunction with optimal power control.

Anahtar Kelime

çoklu erişim teknikleri, güç paylaştırma, kaynak paylaştırma, optimizasyon

Bilim Kodu

609




Sıra No :13873
Üniversite

504101329

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Doç. Dr.Güneş KARABULUT KURT

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Tuğra ŞAHİNER

Başlık

KULLANICI TALEBİNE BAĞLI İLETİM GÜCÜ OPTİMİZASYONU

Özet

Bilgi ve haberleşme teknolojilerindeki hızlı ilerleme son yıllarda mobil veri ihtiyacında da ciddi bir artışı beraberinde getirmiştir. Bu durum servis kalitesinin bozulmaması adına kaynakların efektif kullanılmasını gerektirmektedir. Bu amaçla araştırmacılar, telekomünikasyon endüstrisi ile birlikte daima daha gelişmiş yaklaşımlar üzerine çalışmaktadırlar. Bu bildiride yükselen veri ihtiyacını karşılamak için veri ihtiyacının bilinmesi halinde kaynak kullanımında ne derece verimlilik sağlanabildiği, toplam mobil güç tüketimindeki azalma ile gösterilecektir. Yeterli modülasyon ve kodlama önerilerek veri ihtiyacının tahminlenmesi sayısal uçurum kavramı kapsamında gerçekleştirilecektir. Amaç tahmin edilen veri ihtiyacı sayesinde, kullanıcıların ne seviyede sinyal gücünün girişim ve gürültü gücüne oranına (SINR) ihtiyaç duyacaklarının; dolayısıyla da bu SINR seviyesinde yapılan iletişim için güç tüketiminde ne kadar verimlilik sağlanacağının gösterilmesidir. Sayısal uçurum, ekonomik işbirliği ve gelişimi organizasyonu tanımlamasına göre: Bireyler, haneler, iş birimleri ve coğrafi birimler arasındaki, bilgi teknolojilerine erişim farkıdır. Bu fark, farklı sosyo-ekonomik seviyedeki birimlerin, bilgi ve haberleşme teknolojilerine erişimlerindeki fırsat farklılıkları, internet, 3G kullanımı, GSM kullanımı gibi bilişim dünyasına ait aktivitelerin kullanım derecelerine göre ölçülmesiyle hesaplanmaktadır. Bu tez kapsamında, ilk adım sayısal uçurumun ölçümlenmesi olmuştur. İstanbul’da farklı ilçelerden, farklı sosyo-ekonomik yapıdaki 1140 kişinin katıldığı hane anket çalışmasında bulunulmuştur. İstanbul il sınırları içerisindeki 10 ilçe ve 31 mahallede gerçekleşen bu çalışmada, %95 güvenilirlikle (± 0.055 hata oranı) örnekleme yapılarak tüm İstanbul’un sayısal uçurum seviyesi yansıtılmaya çalışılmıştır. Sonraki adımda çalışmanın çıktıları çeşitli tekniklerle kümeleme algoritmaları için hazırlanmış, sonrasında da kümeleme adımları ve teknikleri kullanılarak anket katılımcıları üç gruba ayrılmıştır. Bu gruplama sayısal uçurum kapsamında bilgi teknolojileri farkındalıklarına göre yapılmıştır. Katılımcıların ayrıştırılmasında 6 kümeleme tekniği denenmiş, en yüksek kabul oranı hiyerarşik kümeleme metodu ile alınmıştır. Bilgi teknolojilerindeki farkındalıkları doğrultusunda aynı gruptaki katılımcıların bilgi teknolojileri, özellikle de mobil internet hizmeti kullanımlarının paralellik gösterdiği kabul edilebilir. Dolayısıyla aynı kümedeki mobil kullanıcıları ortak bir veri ihtiyacı ile eşleştirilebilir. Amaç, hem veri ihtiyacı hem de lokasyon bazında eşleştirilebilen mobil kullanıcılardan yola çıkarak, veri ihtiyacının önceden tahmin edilmesi ve böylece toplam güç tüketiminde verimlilik sağlanabileceğini göstermektir. Bu kapsamda belli bir sistem modeli üzerinden benzetimler gerçekleştirilecek, düşük, orta, yüksek veri ihtiyaçları sayısal uçurum anlamında kümelenen kullanıcılar ile eşleştirilecektir. Potansiyel veri ihtiyacını tespit etmek için anket çalışması İstanbul içerisinde yapılmıştır, bu yüzden çalışmada sistem modeli şehir özelliklerine göre tasarlanmıştır. Bu sebeple kod bölmeli çoklu erişim (CDMA) kullanan üçüncü nesil (3G) bir sistem kabul edilmiş, şehir içi yol kaybı etkisi göz önünde bulundurulmuştur. Böylesi bir sistem, transfer fonksiyonu ile yol kaybı, gölgeleme etkisi ve sönümlenme etkisini içinde bulundurur. Bu kapsamda alınan tüm sistem parametreleri şehir etkisini yansıtacak şekilde seçilmiştir. Sistem modelinin oluşturulmasının ardından mobil kullanıcıların veri ihtiyacının tespit edilmesi bir diğer önemli adımdır. Veri ihtiyacı aslında SINR’ın bir yansıması şeklinde tanımlanabilir. Örneğin adaptif modülasyon ve kodlama (AMC), SINR maksimizasyonuna bağlı olarak iletilen verinin de maksimize edilmesi üzerine kuruludur. Bu sebeptendir ki, yine aynı mantıkla veri ihtiyacını, SINR’a yansıtmamız durumunda veri ihtiyacına bağlı mobil cihazlarda güç tüketiminin minimize edilmesi sağlanabilir. Bu kapsamda Shannon kapasite formülü kullanılıp, maksimum kanal kapasitesi kullanıcnın ihtiyaç duyduğu veri miktarı ile değiştirilebilir. Bu sayede bir kullanıcının veri ihtiyacı için gerekli SINR eşiğini belirlenir ve bu SINR’dan daha yüksek SINR değerleri için kullanıcın veri ihtiyacının karşılanacağı kabulü yapılabilir. SINR üzerinden mobil bir cihazın iletim gücü, mobil cihazların baz istasyonuna uzaklıkları, mobil cihaza etkiyen adaptif beyaz Gauss gürültüsü ve CDMA yayılım kazancı, mobil cihazlarda güç tüketiminin en aza indirilmesi amacıyla ele alınan kısıtlardır. Karmaşık mobil hücresel sistemlerde mobil cihazların konumları ve dolayısıyla kanal katsayıları sürekli değişmektedir. Bu yüzden, gerçek hayatta mobil güç tüketimini minimize ederken optimum SINR seviyesini tespit etmek oldukça güçtür ve hızlı optimizasyon metodları gerektirir. Bu metodlardan biri de bu tez kapsamında kullanılacak olan konveks optimizasyon metodudur. Bu kapsamda göz önünde bulundurulacak fonksiyonlar konveks hale getirilebilir olmalıdır. Nitekim SINR seviyesinin mobil kullanıcının veri ihtiyacına dayanması kısıtı, AMC’deki SINR maksimizasyonu ve SMC’deki güç tüketimlerinin minimizasyonu konveks hale getirilebilen fonksiyonlardır. Bu durum konveks optimizasyon metodlarının özel bir hali olan geometrik programlama kullanabileceğimizi gösterir. Tezin kapsamında son adım AMC ile SMC’nin karşılaştırılması ile verimliliğin gösterilmesidir. Bu amaçla SINR maksimizasyonu ile mobil kullanıcıya en yüksek veri iletimi sağlanarak AMC, yeterli SINR ile optimum güç tüketimi sağlanarak da SMC benzetimleri gerçekleştirilmiştir. İki tekniğin de kullandığı ortak kısıtlar en genelden en özele aşağıdaki gibidir: CDMA tabanlı Evrensel Mobil Telekomünikasyon Sistemi şebekesindeki mobil cihazların güç tüketimleri alttan 0 Watt, üstten 0,5 Watt ile sınırlanmalıdır, Veri ihtiyacını baz aldığımız mobil cihaza etkiyen diğer mobil cihazların toplam girişimi optimizasyonun gerçekleşebilmesi açısından belli bir değer ile üstten sınırlandırılmalıdır, CDMA’de gözlenen yakın-uzak etkisi yüzünden veri ihtiyacını gözettiğimiz mobil cihazın dışındaki mobil cihazların alınan güç seviyeleri eşit ve belli bir seviyenin üstünde olmalıdır, Veri ihtiyacını gözettiğimiz mobil cihazın dışındaki diğer tüm mobil cihazların servis kalitesini belirleyen SINR değerleri belli bir seviyenin üzerinde tutulmalı böylece servis verilmeme ihtimali ortadan kaldırılmalıdır. Bu kısıtlara ek olarak SMC için aşağıdaki kısıt eklenebilir: Veri ihtiyacını gözettiğimiz mobilimizin SINR değeri, veri ihtiyacına göre belirlenen SINR seviyesinin üzerinde olmalıdır. Tüm bu kısıtlar amaç fonksiyonları ile birlikte ilerleyen bölümlerde açıklanacaktır. Sonuçta optimizasyon problemimiz, mobil cihazların toplam güç tüketimlerini minimize etmek amacıyla, kısıtlarla beraber benzetim ortamında çalıştırılmış ve AMC ile karşılaştırılarak verimlilik kazancı hesaplanmıştır. Benzetim ortamımızda, 10 mobil istasyon ve 1 baz istasyonu bulunmaktadır. Sistem sırasıyla 5,10 ve 15 metreye konuşlandırılan, çeşitli kanal kapasitelerine ihtiyaç duyan 3 mobil istasyon ile başlamış ve 10 mobile kadar 5’er metre arayla yeni mobiller eklenmiştir. Her farklı durum için senaryo 1000 kere, farklı yol kaybı, sönümlenme, gölgelenme ve gürültü etkileriyle çalıştırılmış ve servis verilmeyen bir durum olmaması sağlanarak sağlıklı karşılaştırma yapılabilmiştir. Veri ihtiyacının, dolayısıyla da SINR ihtiyacının önceden bilindiği durum için; önemli bir haberleşme kaynağı olan gücün tüketiminde nasıl bir azalma sağlanabileceği hesaplanmıştır. Sonuçlar beklendiği gibi SINR’ın gözetildiği ve gözetilmediği durumlar arasında önemli güç tüketim farkları yaratmıştır, güç ve enerjide verimlilik sağlanmıştır.

Title

TRANSMIT POWER OPTIMIZATION BASED ON USER DEMAND

Abstract

With latest development of telecommunication technologies such as third generation mobile communication and Long Term Evolution , mobile user’s high bandwidth and mobility demands are also increased. Big data demand started to become a common challenge for the network service providers. Reachability of information and communication technologies (ICT) became more critical. In order to provide high quality of service to everybody and to allocate mobile resources effectively; various techniques, intelligent approaches and network architectures are being developed. In this thesis, main subject is decreasing mobile power consumption by considering mobile users’ data demand. To succeed, mobile user’s high bandwidth and mobility demand problem will be approached in a deductive way. It will be shown that not every mobile user needs very high data bandwidth. Mobile users’ behaviors vary from one to another and as far as all mobile users are considered as they need high amounts of mobile data, no user satisfaction would be possible in a few years. However we propose that if mobile users’ data demand may be estimated, then more efficient and green mobile networks may be designed by decreasing total power consumption of mobile stations. Therefore, first, mobile users’ behaviors and their reachability to ICT will be determined in digital divide concept along with clustering analysis in experimental ways. Second, clustered user characteristics will be mapped to specific data rates which reflect the average data demand in a particular user group. Then at the end, it will be shown that total power consumption of mobile stations may be decreased if mobile users’ data demands may be classified and user satisfaction is provided by considering potential data demand. This thesis has two original contributions. First, digital divide will be analyzed at intra-city level by neighborhoods. While governments and institutions, such as International Telecommunication Union, are in question of whether the global divide is widening or narrowing. There are no studies, neither in the literature nor in practice to understand the gap between ICT users in a city. With this goal, 1140 Istanbul habitants were asked to fill a questionnaire, in order to be classified in terms of their technology reachability and reasons of using ICT. Then, clustering analyses were performed to questionnaire results. Respondents have been clustered into sub groups from digital divide perspective to have a vision on end user data demand. Clustering respondents required some data preparation steps and suitable clustering techniques. As the second unique case study, data demand estimations are used to provide quality of service for mobile users while decresing the power consumption of mobile stations. Mobile users’ data needs are estimated through previously clustered 1140 habitants of Istanbul. We propose sufficient modulation and coding (SMC) method that functions according to mobile users’ estimated data demands and their equivalent signal to interference and noise ratio. It is shown that by providing sufficient quality of service for mobile user, more efficient power usage is possible by using convex optimization methods. Finally to show the increased energy efficiency, we compare SMC with the theoretical approach used in adaptive modulation and coding which is one of the remarkable techniques, that provide high quality of service while adapting modulation and transmission power with respect to erratic channel conditions.

Anahtar Kelime

mobil, iletişim, sayısal uçurum, veri talebi, optimizasyon, kümeleme algoritmaları, iletim gücü

Bilim Kodu

609




Sıra No :13878
Üniversite

504101406

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Biyomedikal Mühendisliği

Danışman Adı

Doç.Dr.Mustafa Ersel KAMAŞAK

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Mehmet TURPÇU

Başlık

TIBBİ ŞIRINGA POMPALARI İÇİN TIKANIKLIK BASINCI ÖLÇME CİHAZI

Özet

Perfüzyon pompaları, hastaların damariçi tedavilerinde kullanılan ilaçların kontrollü bir biçimde nakledilmesini sağlayan yüksek hassasiyetli cihazlardır.Birçok mekanik ve elektronik birimden oluşmakla birlikte önemli kısımlarından biri tıkanıklık algılama sistemidir. Tıkanıklık basıncı genellikle iletim hattında sıkışma, ezilme ve bükülme yaşandığında yada vanaların çalışma durumunda değiştirilmesi ile yükselmekte, zaman zaman akışın durmasına yol açmaktadır. Bu durum hastanın yaralanmasına yol açabilmektedir. Cihaz tıkanıklık sebebiyle istenen değerlerde çalışmadığında hatalar oluşmakta ve tedavi ihtiyaçları karşılanamamaktadır. Tedavinin uygulanacağı hastaların özelliklerine göre farklı basınç değerlerinde çalışılmalıdır. Yeni doğan bebek ile birkaç aylık bir bebeğin tedavilerinde dahi farklı basınç değerleri tehlike durumu oluşturmaktadır. Tıkanıklık algılamada hastanın özellikleri önem taşımaktadır. Yeni nesil cihazların tasarımında tıkanıklık algılama sistemine gösterilen önem artmaktadır. Eski cihazlarda tıkanıklık algılama sisteminin daha çok mekanik yapı kullanılarak tasarlandığı görülmektedir. Geleneksel bir biçimde birçok perfüzyon pompa sisteminde aynı mekanizmaya rastlamak mümkündür. Bu sistemin avantajları olduğu kadar güvenlik bakımından dezavantajları da bulunmaktadır. Tezin amacı, geleneksel yöntemlerle imal edilmiş ve kullanımda olan cihazlarda kullanılabilecek taşınabilir tıkanıklık algılama sistemi geliştirmektir. Sistem şırınganın takıldığı yere yerleştirilmektedir. Sistemin önünde yer alan bir sensör mekanizmaya şırınganın arkası yerleştirilmektedir. Başka bir ifade ile şırınga ile pompanın itici mekanizması arasına ölçüm sistemi yerleştirilmektedir. Sistem genel bir biçimde şırınganın arkasındaki kuvveti ölçmektedir. Elde edilen kuvvet değerinden şırınga bilgileri de göz önünde bulundurularak basınç değeri hesap edilir. Basınç değeri hasta özelliklerine göre alarm seviyesine geldiğinde cihaz sesli uyarı vermektedir. Ölçüm mekanizmasında kuvvet değerini ölçen piezorezistif özellikte sensör, direnç değerini gerilime dönüştüren bir ara devre, mikro denetleyici, gösterge birimi ve sesli uyarı birimi bulunmaktadır. Ayrıca devrenin AC şebeke gerililmi ile çalışabilmesi için güç katı ve 9V DC ile çalışabilmesi için güç girişi bulunmaktadır. Piezorezistif kuvvet sensörünün ürettiği cevap test edilerek analiz edilmiştir. Maksimum 30 libre, 25 libre ve 1 libre kuvvet değerleri için üç adet farklı yapıda sensör incelenmiştir. İstanbul Teknik Üniversitesi, Yapı Mühendisliği Bölümü Laboratuvarlarında sensörlerin ölçüm karakteristikleri incelenmiştir. Tıkanıklık algılama sistemi 100gr ile 3kg arasında uygulanan kuvvetler ile test edilmiş, cihaz tarafından üretilen cevabın uygulanan kuvvetle eşdeğer olduğu görülmüştür. Cihaz perfüzyon pompası üzerinde denenmiş ve yüksek doğrulukta çalıştığı gözlenmiştir.

Title

OCCLUSION DETECTION DEVICE FOR MEDICAL SYRINGE PUMPS

Abstract

A perfusion pump is a sensitive device that is used to control delivering process of medications applied to intravenous system of patients. Although it is composed of many mechanical and electrical units, the most critical feedback information is obtained from occlusion detection system. Syringe pumps generally comprise a barrel, or syringe, a pusher with a plunger, a step motor to generate a force, control circuits, power circuits, user interfaces and occlusion detection system. The syringe is typically filled with chemical, nutritional or biological substances, which are mixed to obtain a uniform solution. The pusher mounted to the motor forces a plunger through the syringe. As the plunger moves through the syringe, the composed medication is forced out into catheters and pumped through the patient. During the delivering of medication, it is possible for an occlusion to emerge in the delivery path. For example, a stopcock, slider valve or a pinched linemay be closed, as a result delivery path occluded. Such a condition may cause injuriesto the patient if the occlusionis not detected. Theincreased occlusion pressure by a closed stopcock, slider valve or pinched line, rarely stop the operation of the pump. The device cannot operate with the accurate rates, some errors emerges on the system. As a result, it cannot get the desired medical procedure for patient. In other words, when an occlusion occurs in the delivery path, medication delivery problems to the patient emerge even though the pump continues to function. Thus, the occlusion prevents the infusion pump from injecting the medicationto the patient in the desired dosage until the occlusion iseliminated. Therefore, a rapid detection of occlusions along the delivery path is a keyfeature of a reliable pump system. Besides occlusion detection, measurement of the occlusion pressure is also a critical security requirement. Acceptable pressure rate depends on the patientcondition. When a newborn child and a mature person are compared, different pressure values are considered as dangerous. We see a trend in the importance of the perfusion pump occlusion detection system design on the new generation devices. The older pumps use mechanical occlusion detection methods mounted on their system. Traditionally, the same mechanism may be seen in many models. There are certain advantages and disadvantages of this mechanism regarding patient security. The aim of the thesis is to design and build a mobile occlusion detection device that can be utilized on the traditionally manufactured perfusion pumps. By the use of sensor mechanism placed in front side of device we measure the force applied to the back of the syringe. In other words, we place the device between syringe and syringe pusher. In general, an occlusion in the infusion line will cause the force, or pressure, in the syringe to increase. Therefore, force between the pusher of the syringe pump and the syringe plunger will increase. Occlusion detection systems that use transducers are used in the modern pumps. In the study of thesis, theresponse of piezoresistive force sensors has been analyzed. The sensors that have three different measurement characteristics with maximum 25 lb, 10 lb and 1 lb force rates, have been investigated. The response characteristics of three sensorshave been recorded and investigated in the Istanbul Technical University, Structurel Engineering Laboratories. After the response observation of sensors under the different force values, about fifty samples are obtained from the sensor, and average filter is applied to the values to eleminate variation of the measurement because of the hysteresis structure of it. As a second method, median filter is applied to the fifty values which ordered by using bubble sort algorithm. Although variation in the second method is calculated as %4.38, it is obtained %1.76 by applying average filter to the measured values. In order to evaluate the filter efficiency, repeatability tests are implemented on the sensor. In the first test procedure, a couple of 300 gr masses are applied to sensor, in the second, masses are picked up over the sensor. The test is repeated approximately 60 times and repeatability is found as 0,38. Such as to observe the repeatability under bigger force values, 2,100gr masses are applied on the sensor. It is found that the repeatability is about 0.79. In the next step, by applying different masses to sensor, the overall system response is analyzed and the characteristic curve of the system is obtained. In order to fit a curve and generate a function to the characteristic response of measurement system, linear, quadratic, cubic and ninth degree function is fitted, the best result is held by ninth degree polinom. It is calculated the regression 0.9994, RMSE 0.2985 and SSE is 2.317. The hardware mechanism of the measurement system is consisted from three seperatedcircuits. In the first circuit, generated resistance is converted to voltage with single power supply by using non-inverting opamp, namely, MCP 6001. In the second circuit, seven segment, three digit user screen is designed to give information about the measurement. It is also used to enter the type of syringe to calculate force regarding diameter of the syringe. With the aim of getting information from user such as diameter of the syringe and threshold value for patient, four push buttons are added on the user interface board. Three buttons are used for numbers and one is only used to save and enter data. The third circuit is main board on which the microcontroller 16F785 is mounted. The main board is composed from a 220AC to 9VDC transformer, microcontroller, 7805 voltage regulator, MOC3051 AC switch integrate, a triac, and led driver transistors. The software of the measurement system is developed on Mikroelektronika MicroC IDE and the designsof the circuits areperformed on Proteus software (version 7.7). In such infusion pumps, an alarm is generated when the force between the pusher and the plunger or the pressure in the syringe increases above a predetermined threshold. As such, the alarm is either “on” or “off” depending on whether the threshold has been passed. As a consequence, the user has no way to know whether the pressure in the syringe is building up to an unacceptable level that precedes the threshold.The user only knows when the alarm is reached. Thus, remedial action can be taken to open the infusion path. As a result, the system works on measurement of the force at the back of syringe. Obtained data is used on the estimation of pressure value by considering the syringe dimensions. The dimension values or the type of the syringe is entered by user using user interface circuit. User also gives the critical threshold value by examining the condition of patient and application. When the pressure value excess the limit based threshold valuean audible alarm is set, and emergency switch is turned to off. Emergency switch can control any alarm system or infusion pump to prevent patients from injuries.

Anahtar Kelime

Piezorezistif Sensör, Tıkanıklık Algılama Sistemi, İntravenöz Tedavi Süreçlerinde Güvenlik Sistemi, Perfüzyon Pompası Güvenlik Sistemi, Şırınga Pompası Güvenlik Sistemi, Biyomedikal Ölçüm, Basınç Ölçme, Veri Örnekleme ve Yorumlama

Bilim Kodu

0




Sıra No :13920
Üniversite

504101233

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Neslihan Serap Şengör

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Mayıs

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Rahmi Elibol

Başlık

SİNİRİLETİCİLERİN ETKİSİNİN MATEMATİKSEL MODELLENMESİ: ORTABOY DİKENSİ HÜCRELERE DOPAMİNİN ETKİSİ

Özet

Sinir ileticiler, sinir hücrelerinin bağlantı noktaları olan sinaptik boşluklarda, sinirsel aktivitenin aktarılmasını sağlarlar. Striatumda, dopamin sinir ileticisinin etkili olduğu bilinmektedir. Dopamin miktarındaki değişimlerin striatumdaki MSN hücrelerinin davranışını nasıl etkilediği ve bu etki ile de öğrenme ve nöro dejeneratif hastalıkların modellenmesi, özellikle Parkinson hastalığı ve beyin pili uygulamaları (Deep Brain Stimulation) ile ilgili çalı ̧malar son yıllarda önem kazanmı ̧tır. Bu amaçla elde edilen MSN modeline, dopaminin etkisinin konulması için iki farklı yaklaşım ele alınmıştır. Bir dinamik sistemin, denklemlerinde bulunan bir parametrenin değişmesi ile durum portresinin topolojik olarak farklıla ̧masına dallanma, bu analizlerin elde edilmesine ise dallanma analizi denilmektedir.Dallanma analizleri için çeşitli bilgisayar yazılımları literatürde bulunmaktadır ve doğrusal olmayan dinamik sistemlerin incelenmesinde kolaylık sağlamaktadır. Dopaminin modellenmesi için ele alınan her iki yaklaşımda dopamin miktarına bağlı olarak MSN modelinin dallanma analizleri dinamik sistem açısından incelenmiştir. Elde edilen tüm sonuçlar yorumlanarak, sonuç bölümünde paylaşılmıştır.

Title

MODELLING THE EFFECT OF NEUROTRANSMITTERS: EFFECT OF DOPAMINE ON MEDIUM SPINY NEURONS

Abstract

It has been a great interest for humankind to understand how the brain works since antique. The unfortunate accident of Phines Gage opened a new era in the investigation of brain. Since then with work carried out and especially with the advent of imaging techniques, neuroscientist begin to grasp that the substructures of the brain are responsible for different processes but still effect each other and work together to accomplish tasks. Now, the electrophysiology of neurons and group of neurons along with the roles of substructures are known. How we can accomplish cognitive processes as action selection, decision making and furthermore realizing different tasks at the same time like reading and while driving bicycle through activation of neurons. It is mostly popular recently to investigate this phenomenon with mathematical models of neurons and group of neurons and especially find the relation between neuron activity and occurrence of the cognitive tasks. Many studies have been conducted to understand cognitive processes in recent years. According to the results of these studies, the brain consists of specialized sub-regions. Each subregion communicates with other subregions in order to fulfill certain functions. For example, for cognitive processes as decision-making, action selection Basal Ganglia nuclei have connections with prefrontal cortex and thalamus. Main input part of Basal Ganglia is Striatum and it plays an important role in the fulfillment of these functions. The biophysically realistic computational models of basal ganglia circuits have been proposed to provide insight to studies on deep brain stimulation. The role of these circuits in cognitive processes as decision making, reward related learning is well-known and there are biologically plausible models for these processes, too. Though computationally plausible models help our understanding of what is going on during these processes, they are not sufficient to explain the effect of neural structures completely. A biophysically realistic model of striatum will be proposed. In the proposed model, the conductance based neuron models are modified considering the properties of neural substrate. From the point of view of computational science, the behavior of subregions are modeled first. Then using these models the emergence of cognitive processes were studied. There are two types of nerve cells as the basic structure of the striatum. The first and the most available are the Medium Spiny neurons. Inhibitory neurons are the other kind of nerve cells in the striatum. Medium Spiny neurons approximately compose 80-95% of striatum. Medium Spiny neurons show bursting behaviour. Interneuron cells show fast spike behaviour. The striatal Medium Spiny neurons (MSN) play key role in the formation of the antagonistic functions of direct and indirect pathways. Medium Spiny Neurons (MSN) of striatum and the effect of neurotransmitter Dopamine (DA) on them, as it is widely accepted that Basal Ganglia (BG) circuits have an important role in cognitive tasks. This thesis focus on modeling the effect of DA on MSN with nonlinear dynamical system approach and try to explain the role of DA on the activation of MSN by considering DA as a bifurcation parameter and investigating the change in the dynamic behavior of MSN. Hodgkin Huxley model is the most meaningful of neuron models, but HH model is not sufficient to demonstrate all neurons behaviour. Therefore, ion channels were added to HH model. There are three ion channels in HH model: leak, potassium and sodium current. The model is expressed by fourth-order nonlinear equations. Noninactivity sodium current, fast or slow inactivity potassium current, T-type Ca current, L-type calcium current and afterhyperpolarization current were investigated in this thesis. Each current effect and dynamics were obtained by MATLAB. In the second chapter of this thesis focused on the state-space behavior of the conductance-based computational model of MSNs which is constituted with nonlinear dynamical systems’ approach. The typical behavior of the striatal MSNs is bursting activity as claimed and these neurons play a role in synaptic plasticity. Since the conventional Hodgkin-Huxley neuron model is not suitable for modelling the striatal MSNs, L-type Ca2+ (high threshold calcium), Kv1.2-containing K + , Calcium activated Calcium and Calcium activated Potassium (afterhyperpolarization) ion channels are also considered in connection with the role of dopamine receptors in MSNs. The bursting activity of the proposed MSNs minimal model is explained via the qualitative theory of fast-slow dynamical systems. The proposed model, the generation of bursting pattern depends on two different current mechanisms. Slow current system (sodium) is responsible for the bifurcation branch between equilibrium point and the limit cycles (Andronov-Hopf Bifurcation) by effecting the fast current system (afterhyperpolarization). At the same time, fast current system has a role in spiking activity of the bursting patterns (saddle-node of periodic orbits). The Subhopf/Fold Cycle type bursting activity of the proposed model is an example of Ca2+ gated inactivation of an inward current and it depends on fold limit cycle bifurcation. So, Medium Spiny Neuron model has six order. Slow and fast sub-systems carry out the bursting behavior of the model, so implementation of them were needed. Fast sub-system is sodium current, slow sub-system is AHP current. Medium Spiny Neuron model behavior were investigated with the XPPAUT program. Medium Spiny Neuron model were obtained to be biologically meaningful model. The proposed model is capable of explaining how dopamine release modulates the functions of striatum. In the third part of the thesis, modeling the effect of the neurotransmitter was studied. Some computational models aim to understand deep brain stimulation experiments. A conductance-based computational network model of the STN and GPe in the indirect pathway of the BG is developed in literature. Models feature spike producing currents of potassium and sodium, as well as low threshold calcium (Ca) current and a Ca-induced afterhyperpolarization potassium current. This model demonstrates the role of inhibition in the indirect action selection pathway. The results of multi-site stimulation of subthalamic nucleus in relation with the thalamocortical relay circuit is presented in literature. This model consists of a synaptically connected, conductance based model neurons of the BG and generates activity patterns of rhythmic bursts. Guthrie and colleagues developed a network model of the striatal direct DA pathway for action selection. This network can sequentially learn a task which is dependent on the BG. By manipulating the phasic and tonic levels of DA, the model can demonstrate the symptoms of Parkinson’s disease in humans. In the literature there are two different approaches to investigate the effect of dopamine. In both approaches integrate and fire model is considered. In the first approach calcium and potassium currents is multiplied with a dopamine factor in order to simulate the effect of dopamine. The second approach provides as additional currents of sodium, calcium and potassium. In this thesis the proposed model of Medium Spiny Neuron was considered and the effect of dopamine was investigated. Both approaches were cosidered and the bifurcation analysis was carried out with XPPAUT program. The geometry of the phase portraits, imported from significant bifurcation points, allow us to understand the ability of the proposed model. Thus, the whole architecture of the proposed model is shown to be captured by bifurcation analysis. It was shown that Medium Spiny Neuron behavior is changing with the change of the dopamine level.

Anahtar Kelime

Matematiksel Model, Dopamin, Ortaboy Dikensi Hücre, Hesaplamalı Sinirbilim

Bilim Kodu

6090303




Sıra No :13926
Üniversite

504111331

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Yrd. Doç. Dr. Güneş KARABULUT KURT

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Semiha TEDİK

Başlık

TAM-ÇİFT YÖNLÜ İLETİŞİM SİSTEMLERİ: BAŞARIM ANALİZİ VE RÖLE UYGULAMALARI

Özet

Bu çalışmada, öncelikle tam-çift yönlü (FD) radyolardaki öz-girişim (SI) kanalından gelen SI işaretinin etkisini ortadan kaldırabilmek amacıyla temelband bir alıcı yapısı önerilmiştir. SI kanalının istatiksel dağılımını belirlemek için yazılım tabanlı radyo birimlerinden (USRP) oluşan bir test ortamı kurulmuştur. USRP yardımıyla ölçülen SI kanalının zaman yayılımlı karakteristiğine uygun, aşırı örnekleme yapısına dayanan kademeli girişim dengeleyici (FSE) içeren bir temelband alıcı yapısı önerilmiştir. Ardından SI iptal işleminin her zaman ideal olarak gerçekleştirilemediği durumlar göz önüne alınarak, iletim süresini yarı-çift yönlü aktarma (HDR) sistemine göre yarıya düşüren tam-çift yönlü aktarma (FDR) sisteminin SI iptal katsayısının hangi değerlerinde daha iyi başarım verdiğini gösteren üst sınır ifadesi bulunmuştur. Ayrıca, tam-çift yönlü fiziksel katman ağ kodlamalı (FD-PNC) sistemlerin bit hata başarımlarına (BER) ilişkin SI iptal katsayısına bağlı, sıkı alt ve üst teorik limitler bulunarak benzetim çalışmalarıyla teorik sonuçlar desteklenmiştir.

Title

FULL-DUPLEX COMMUNICATION SYSTEMS: PERFORMANCE ANALYSIS AND APPLICATIONS OF RELAYS

Abstract

In this study, firstly the baseband receiver structure which contains fractionally spaced equalizer (FSE) and is appropriate for the time dispersiveness characteristic of measured self-interference (SI) channel is proposed for full-duplex (FD) receiver. Secondly, by taking into account of the fact that SI cancellation process can not be ideally realized. Upper bound expression of full-duplex relaying (FDR) system decreases the transmission time to half compared to the half-duplex relaying (HDR) system which give more successful results related to the selection of value of SI cancellation coefficient is derived. Finally, the theoretical bit error rate (BER) expressions of full-duplex physical layer network coding (FD-PNC) is obtained in the case of non-ideal SI cancellation. Tight upper and lower bounds is obtained for theoretical BER expressions. The analytical results is confirmed via simulations.

Anahtar Kelime

Tam-çift yönlü iletişim, öz-girişim kanalı, fiziksel katman ağ kodlama

Bilim Kodu

609




Sıra No :13956
Üniversite

504101234

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Müştak Erhan YALÇIN

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Emre GÖNCÜ

Başlık

HAFIZALI HÜCRESEL OTOMAT SAYISAL TASARIMI

Özet

Hücresel otomatlar, fiziksel sistemlerin matematiksel olarak idealleştirilmesidir. Uzay ve zamanın ayrık oduğu bu sistemlerde, fiziksel büyüklükler ise ayrık değerlerden oluşmuş sonlu bir kümenin elemanlarıdır. Bir hücresel otomat, her bir hücresi ayrık değerlerden meydana gelen tek tip düzenli bir latisten oluşur. Hücresel otomatın durumu her bir hücrenin o andaki değerleri ile belirlenir ve ayrık zaman adımlarında değişir. Bu değişim hücresel otomattaki her bir hücrenin aynı anda, komşuluğundaki hücrelerin değerleriyle belli bir kurala göre etkileşip bir sonraki adımda yeni bir değer almasıyla gerçekleşir. Klasik hücresel otomatın gerçek dünyadaki problemlerin modellenebilmesi için yeterli olmadığı anlaşıldığında hücresel otomatın yapısında değişiklikler yapılıp, düzensiz hücresel otomat, asenkron hücresel otomat gibi farklı türlerde hücresel otomatlar elde edilmiş ve kullanılmıştır. Sayısal sistemlerle çalışırken, hayat deterministik ve ayrık olduğundan sistemden rastgele sonuçlar elde etmek mümkün değildir. Bu çalışmada bahsedilen rastgeleliği elde edebilmek için yeni bir sistem önerilmiştir. Hafızalı hücresel otomatlardan esinlenerek, oluşturulan bu sisteme Fiziksel Olarak Klonlanamayan Hücresel Otomat (FKHO) adı verilmiştir. Bu sistemde hafıza fonksiyonları oluşturulurken rastgele değerler kullanılmıştır. Böylece hafıza fonksiyonunun hücrelerin rastgele bir zaman adımı önceki değerine bakarak sonuç üretmesi sağlanmıştır. Önerilen bu sistem FPGA tümdevresinde gecikme hatlarının rastgeleliği kullanılarak gerçeklenmiştir. Daha sonra yapılan testler sonucunda aynı aileden olan beş ayrı FPGA tümdevresi FKHO sayesinde kimliklendirilmiştir.

Title

DIGITAL DESIGN OF CELLULAR AUTOMATA WITH MEMORY

Abstract

Cellular automata (CA) are a kind of mathematical systems . In these systems space and time are discrete. Physical quantities are element of a finite set which composed of discrete elements, in CA. A cellular automaton (CA) consists of a uniform lattice which composed of discrete cells. State of a CA is determined by current state of cells and updated in every time step. The state of CA is updating by a transition rule. Since CA are deterministic, it is not possible to obtain true random results. In our work, to obtain the randomness, a new system has been proposed. The proposed System which called Physical Unclonable Cellular Automata (PUCA) is inspired by CA with memory. In this system, different kind of memory functions in which time variables are random are used. Therefore memory function produces output respect to the prior states randomly. The proposed system has been implemented by using delay lines in FPGA. Randomness of that delay lines relies on fabrication process of FPGA. That randomness can be used for designing PUFs (Physical Unclonable Function) and true random number generators. A digital design of PUCA have been proposed and implemented on FPGA. Then, this PUCA system have executed one thousand times for 63 time steps. Configurations of PUCA at time step 63 have been converted a decimal numbers. After that, average of that numbers have been calculated. That process has been performed for five FPGA which are the same IC. It has been realized that, measurement of the averages are different for each FPGA. That averages have been used for authentication of FPGAs.

Anahtar Kelime

Hücresel otomat, hafızalı hücresel otomat, FPGA

Bilim Kodu

609




Sıra No :14056
Üniversite

504052205

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. H. Hakan KUNTMAN

Tez Türü

Doktora

Ay

Haziran

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Sinem KELEŞ

Başlık

FGMOS TRANSİSTOR KULLANILMASI İLE ANALOG DEVRE TASARIMINDA YENİ OLANAKLAR

Özet

Günümüz elektroniğinde her ne kadar sayısal uygulamalar ön plana çıkmış gibi gözükse de analog yapılar da önemini sürdürmektedir. Bunun başlıca nedeni doğadaki işaretlerin analog olması ve analog devrelerin dış dünya ile sayısal devreler arasında bir köprü oluşturmasıdır. Bu nedenle analog ve sayısal devreler birlikte kullanılarak günümüzün elektronik cihazları üretilmekte, yüksek başarımlı sayısal devrelerle uyum sağlayabilecek analog devrelerin tasarımı büyük önem kazanmaktadır. Bu tezde de analog devre tasarımında FGMOS transistor kullanılmasının getirdiği olanaklar üzerinde çalışılmıştır. Tezde, FGMOS transistorlar kullanarak, topolojisi daha basit hale getirilmiş, işaret işlemenin basitleştirildiği ve efektif eşik geriliminin uygun çalışma bölgesine göre ötelenmesi ile daha geniş bir giriş işareti aralığı için kutuplanan analog devre blokları tasarlanmıştır. FGMOS transistorların aritmetik işlemleri gerçekleştirmede getirdiği basitlik sayesinde kullanılan transistor sayısı azalmış, aynı zamanda yine FGMOS fark kuvvetlendirici yapısının lineerliği iyileştirme özelliği sayesinde giriş işareti salınımı artmış ve gerilim izleme özelliği de iyileşmiştir.

Title

NEW POSSIBILITIES IN ANALOG CIRCUIT DESIGN BY USING FGMOS TRANSISTORS

Abstract

In recent years, digital signal processing has progressively supplanted analog signal processing in chip design. This is due to it having lower development costs, better precision performance and dynamic range, as well as being easier to test. The role of analog circuits has been mostly restricted to electronic applications of interfacing digital systems to the external world. Nevertheless, when precise computation of numbers is not required (as is the case in systems designed for perception of a continuously changing environment), and massively parallel collective processing of signals is needed, low precision analog VLSI (very large scale integration) has proven to be more convenient than digital in terms of cost, size and/or power consumption. In recent years mixed signal application-specific integrated circuits (ASICs) have become increasingly popular. The cooperative coexistence of analog and digital circuits is very beneficial since they compensate for each other’s weaknesses. Hence, although in many aspects digital electronics is superior, in reality it requires a symbiotic relationship with analog. In this thesis, analog circuit blocks are designed with reduced circuit complexity, simplified signal processing and biasing point in the most appropriate operating region for a wider range of input signals by using FGMOS transistors. By using FGMOS transistors both the input stage of the circuit providing the arithmetic calculations gets simpler also the linearity range and voltage following characteristics are improved due to the properties of FGMOS differential amplifier.

Anahtar Kelime

FGMOS transistor, Analog devre, Diferansiyel CCII, Çarpıcı, D/A, Karekök alma devresi

Bilim Kodu

6090101




Sıra No :14066
Üniversite

504101209

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Doç. Dr. Berna Örs Yalçın

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Eylül

Yıl

2013

Tez Öğrencisi

Kenan Türksoy

Başlık

TEA UYGULAMASININ FPGA GERÇEKLEMELERİNE KARŞI DİFERANSİYEL GÜÇ ANALİZİ SALDIRISI

Özet

Radyo Frekansı ile Tanımlama (RFID) teknolojisi, radyo frekansı kullanarak nesneleri tanıma, nesnelerden bilgi toplama yöntemidir. Bir RFID sisteminde üç temel unsur vardır. Bunlar etiket, okuyucu ve bilgisayardır. Etiket, üzerinde kendine has bir bir çeşit numara barındıran bir çeşit otomatik tanıma aygıtıdır. Okuyucu ise etrafındaki etiketlerin varlığının farkına varabilen ve bu etiketlerden bilgiyi alarak bilgisayara kaydedebilen bir cihazdır. Bilgisayar ise genellikle sistemde etiketler ile ilgili bilgileri depolama işlevine sahiptir. Etiket ile okuyucu arasındaki haberleşme radyo frekansı kullanılarak yapılır, bu yüzden bu haberleşmenin güvenli yapılması gerekmektedir. Küçük Şifreleme Algoritması (Tiny Encryption Algorithm-TEA) haberleşmenin güvenli yapılması için seçilmiştir. TEA hızlı ve donanımsal olarak fazla alana ihtiyaç duymayan bir algoritmadır. Bu yüzden etiketler için uygundur. Algoritma genel olarak, alınan 64 bitlik bir veriyi şifreleyerek yine 64 bitlik bir veri elde etmektedir. Bu esnada 128 bitlik bir anahtar kullanır. Bu algoritmada güvenlik bir fonksiyonun tekrar tekrar uygulanması ile sağlanmıştır. Bir şifreleme için 32 çevrim gerekmektedir. Algoritma her bir çevrimde aynı fonksiyonu iki kez uygular. Bu fonksiyon içerisinde toplama, özel veya ve sağa sola kaydırma işlemleri vardır. Bu işlemlerin donanımsal olarak tasarlanması kolaydır ve pek güvenli değildir. Fakat 32 çevrimden sonra işlemler basit olsa da algoritma güvenli hale gelmektedir. Ayrıca bu algoritma daha önceden tanımlanmış veri blokları kullanmaz, bu sayede daha hızlı olur ve büyük alanlara ihtiyaç duymaz. Şifreleme algoritması kullanılmasındaki en temel amaç, bilginin güvenliğidir. Bir algoritmanın güvenli olup olmadığını sorgulayan alana kriptanaliz denmektedir. Bu sorgulama iki şekilde olur. İlkinde kriptografik sistem bir matematiksel model olarak düşünülür ve giriş verileri ile çıkış verileri matematiksel yöntemlerle incelenerek gizli anahtar elde edilmeye çalışılır. Fakat bu yöntem günümüzdeki gelişen kodlama standartlarına karşı pratikte kullanılması zordur. Diğer bir yöntem ise yan kanal analizi yöntemidir. Bu yöndem kriptolojik algoritmayı barındıran sistemin, bu algoritmayı çalıştırırken dışarı verdiği bilgileri kullanarak gizli anahtarı elde etmeye çalışır. Bu bilgiler sistemin harcadığı güç bilgisi, dışarıya yaydığı manyetik radyasyon bilgisi, ses bilgisi, ısı bilgisi, algoritmayı gerçekleştirmek için gerekli zaman bilgisi, frekans bilgisi gibi çeşitli alanlarda olabilmektedir. Yan kanal analizleri, saldıran kişinin yeteneklerine bağlı olarak ikiye ayrılabilmektedir. Eğer saldıran kişinin cihaza doğrudan fiziksel etkisi olabiliyor ve cihaz üzerinde istediği doğrultuda değişiklikler yapabiliyorsa bu çeşit ataklara aktif yan kanal analizi saldırılası yöntemi denir. Pasif yan kanal analizi saldırısında ise devrenin normal çalışma düzenine etki edilmez, sadece devrenin dışarıya istemsiz olarak verdiği bilgilerden yararlanılır. Yan kanal analizleri ayrıca, anahtarı elde etmek için kullanılan yöntem bakımından da Basit Analiz Saldırısı ve Farksal Analiz Saldırısı olmak üzere ikiye ayrılır. Basit analiz saldırısında sadece bir ölçüme bakılarak anahtar hakkında bilgi edinmeye çalışılır. Farksal analiz saldırısında ise ölçüm sayısı mümkün olduğunca arttırılarak bu veriler matematiksel yöntemlerle incelenir ve anahtar elde edilmeye çalışılır. Ayrıca farksal analiz saldırılarında, saldırılan algoritmanın eşleniği olan varsayımsal bir algoritma oluşturulur ve bu algoritma kullanılarak varsayımsal sonuçlar elde edilir. Yani saldırı iki aşamada yapılır, ilk önce gerçek ölçüm yapılır, daha sonra ise bilgisayarda öngörülü analiz gerçekleştirilir. Basit analiz saldırısında algoritmanın yaptığı işlemler ile güç harcaması arasındaki bağlantı kullanılırken, farksal analiz saldırısında algoritmanın işlediği veri ile harcadığı güç arasındaki ilişkiden yola çıkılarak anahtar elde edilmeye çalışılır. Biz TEA uygulamasının Sahada Programlanabilir Kapı Dizileri (Field Programmable Gate Arrays-FPGA) gerçeklemesi üzerine diferansiyel güç analizi saldırısı gerçekleştirdik. Bunun için öncelikle deney düzeneğini hazırladık. Deney düzeneği bilgisayar, Sasebo GII kartı ve osiloskoptan oluşmaktadır. Sasebo GII kartı üzerinde iki adet FPGA bulunmaktadır. Bunlardan biri kriptolojik algoritmanın gerçeklenmesi için kart üzerinde bulunmaktadır. Kart bu FPGA nın harcadığı gücü ölçebilmektedir. Diğer FPGA ise kriptolojik algoritmanın olduğu FPGA nın kontrolünü sağlamak ve ona saat sinyali göndermek için kart üzerinde bulunmaktadır. Daha sonra kart ile osiloskop arasındaki iletişimi, karttan gelen güç verilerini ölçebilmek için sağladık. En sonunda ise bilgisayarın hem osiloskop ile hem de kart ile iletişimini sağladık. Çünkü bilgisayar hem karta gerektiğinde şifreleme için gerekli verileri gönderecek hem de kartın çalışmasını kontrol edecektir. Ayrıca osiloskoptaki güç verilerinin de bilgisayar tarafından alınması ve farksal analiz saldırısı için kullanılması gerekmektedir. Tüm bu iletişimi sağlamak için bilgisayarda Matlab programı kullanıldı. Diferansiyel gün analizi saldırısının belirli adımları vardır. İlk olarak algoritma üzerinde saldırı yapılacak yerin seçilmesi gerekmektedir. Bu esnada algoritma incelenmeli ve saldırıya en uygun yer seçilmelidir. İkinci adımda ise, saldırı yapan kişi algoritmayı gerçek zamanlı çalıştırır ve algoritmanın harcadığı gücü ölçer ve kaydeder. Buradaki önemli nokta harcanan gücün hangi girdiye ait olunduğunun saldırı yapan kişi tarafından bilinmesidir. Üçüncü adımda, saldırı yapan kişi ikinci adımda kullandığı girdileri kendi oluşturduğu varsayımsal algoritma için girdi olarak kullanır. Bu adımdaki önemli nokta ise bu girdileri olabilecek tüm anahtar değerleri ile birlikte varsayımsal algoritmada işlemektir. Böylelikle saldırı yapan kişinin elinde her bir girdi için olabilecek tüm çıktılar bulunmaktadır. Dördüncü adımda ise üçüncü adımda elde ettiği varsayımsal sonuçları varsayımsal güç verilerine dönüştürür. Bu esnada bazı güç teorilerinden faydalanabilir. Son aşamada ise ikinci aşamada elde edilen güç ölçüm sonuçları ile dördüncü aşamada elde edilen varsayımsal güç verileri arasındaki korelasyon hesaplanır. Korelasyonun mutlak değeri en fazla $1$ en düşük ise $0$ olabilmektedir. Bu değer ne kadar büyük ise iki veri arasındaki ilişki o derecede orantılıdır. Doğru anahtar için hesaplanan korelasyon değerinin en büyük değer olması ve $1$ e yakın olması gerekmektedir. TEA için bir girdinin güç ölçümünün yapılması için şu adımlar uygulanmaktadır. Matlab tan $64$ bitlik işlenecek veri FPGA ya gönderilir. FPGA bu veriyi alır ve sorunsuz bir şekilde bu veriyi aldığını Matlab a $3$ değerinde veri göndererek söyler. Daha sonra Matlab FPGA ya $1$ değerinde veri göndererek şifreleme işlemine başlamasını söyler. Bu komutu alan FPGA, şifrelemeye başlar ve aynı anda osiloskoba da şifrelemeye başladığını belirten bir sinyal gönderir. Bu sinyali farkeden osiloskop ölçüme başlar. Şifreleme işlemi bittiğinde FPGA Matlaba $255$ değerinde bir veri gönderir ve Matlab bu veriyi aldıktan sonra osiloskoptan güç ölçümü verileri alır. Böylelikle bilgisayarda bilinen bir girdi için harcanan güç saklanmış olur. Diferansiyel güç analizi için $1000$ adet $64$ bitlik şifrelenmesi için veri oluşturuldu. Bu oluşturulan veri $P$ matrisine kondu. Daha sonra her bir veri için güç ölçümü yapıldı ve kayıt altına alında. Her bir güç ölçümünde $1000$ tane veri bulunmaktadır. Bu yüzden güç ölçümleri $1000$ satırlık $1000$ sütunluk bir matrise kaydedildi. Daha sonra varsayımsal olarak şifreleme algoritması Matlab programında üretildi. Saldırı yapılacak noktanın olabilecek tüm anahtar değerleri ve $P$ matrisinde yer alan tüm şifrelenecek veriler için alacağı değerler hesaplandı. Kaydedicinin $8$ bitlik en düşük dereceli kısmına saldırı yapıldığı için $256$ çeşit anahtar olabilir. Bu yüzden varsayımsal olarak elde edilen veriler $1000$ satırlık $2048$ sütunluk bir matriste saklandı. Bir sonraki adım olarak varsayımsal verilerin varsayımlar güç verilerine dönüştürüldü. Bu esnada Hamming uzaklığı metodu kullanıldı. Böylelikle $1000$ satırlık $256$ sütunluk bir matris elde edildi. Daha sonra bu matris ile $P$ matrisi arasındaki korelasyon hesaplandı. Sonuç olarak doğru anahtar $0.1$ korelasyon değerini alarak en büyük korelasyon değerine sahip çıktı fakat bu değer istenilen seviyenin altındadır. Çünkü algoritmada bu esnada $300$ civarında bit daha işlem yapılmaktadır. Güç ölçümü tüm bitler için olduğundan, $8$ bitlik varsayımsal güç tüketiminden hesaplanan korelasyon değeri istenildiği seviyede değildir. Bu yüzden değişebilecek bit sayısının azalması durumunda korelasyon değerinin değişimini gözlemlemek için algoritma üzerinde değişiklik yapıldı. Algoritmada sadece saldırı yapılacak yer bırakıldı ve diğer yerler algoritmadan atıldı. Bu durumda yukarıdaki adımlar tekrar edildi ve bu durumda doğru anahtar için $0.45$ civarında korelasyon değeri elde edildi. Çünkü yeni durumda değişebilecek bit sayısı $32$ olduğu için $8$ bitlik varsayımsal veriler ile daha büyük korelasyon değerleri elde edildi. Ayrıca korelasyon değerleri ile ilgili bir başka problem ise her $16$ muhtemel anahtar değerleri için aynı korelasyon değerleri elde edilmesidir. Bunun nedeni algoritmada, girilen verinin öncelikle sola $4$ kez kaydırılması ve yeni gelen bitlerin değerinin $0$ olmasıdır. Böylece tüm girdilerin en düşük dereceli $4$ biti aynı değeri alır. Bu tezden önce literatürde TEA uygulamasının FPGA gerçeklemelerine karşı diferansiyel güç analizi saldırısı yapılmamıştı. Bu çalışma kendi alanında bir ilktir. Elde edilen korelasyon değeri istenilen seviyede olmamakla beraber diğer korelasyon değerlerine göre daha büyüktür. Gerçek anahtar kesin olarak belirlenememiş ama bulunduğu grup belirlenebilmiştir.

Title

DIFFERENTIAL POWER ANALYSIS ATTACK ON A FPGA IMPLEMENTATION OF TEA

Abstract

The Tiny Encryption Algorithm(TEA) is a symmetric key encryption algorithm invented by David Wheeler and Roger Needham, members of the Computer Security Laboratory of Cambridge University. There are two main attack kinds against TEA. One of them is pure mathematical attacks that use intensive mathematical techniques for known or chosen input-output pairs of the encryption to reveal the secret key. The other one is side channel attacks (SCA) that an attacker use the information that leaked from the physical implementation of TEA during the encryption or decryption. These leaked information can be power consumption, execution time, electromagnetic waves, heat, and frequency. SCA is a powerful class of attacks which is particularly effective against embedded system implementation of cryptography, so it can be used to get the key that used for smart cards or prepaid cards that have cryptographic modules. There are some kinds of SCA. For example, in the aspect of accessing the cryptographic module, SCA can be divided into two branch such as invasive attack and non-invasive attack. In invasive attack the adversary has a direct physical access to the device and an ability to make some changes on device. On the other hand, SCA can be divided two according to methods used in the analysis process, such as simple side channel attack (SSCA) and differential side channel attack (DSCA). In SSCA, the adversary examine and try to find the relationship between side channel output and the cryptographic operation by using just single trace. On the other hand, In DSCA, the adversary uses some statistical methods to find the correlation between the processed data and the side channel output. Unlike SSCA, lots of measurements are used and the adversary create a model of the pyhsical device to create the hypothetical side channel output. One branch of side channel attacks is Differential Power Analysis (DPA), where the attacker use the power consumption of the cryptographic device to reveal the secret key. Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technology is used in nearly every digital circuits. If a CMOS gate changes its state, this change causes current consumption which can be measured. We can use this information for DPA because there is a linear ratio between the power dissipation and the amount of the state change. We used a Sasebo GII board for implementation of TEA because it can measure the power consumption of the Field Programmable Gate Array (FPGA) that has TEA. Then we follow the steps for DPA. First of all, we decide to a register to attack. However, the registers in the original architecture are not suitable for DPA, so we add some registers for DPA attack. Then we measure the power consumption for known plaintexts. After that, we calculate the hypothetical intermediate values for the register that we attack. We convert hypothetical intermediate values to the hypothetical power values by using Hamming Distance Power Model. Finally, we calculate the correlation between the power consumption of TEA and the power estimation related to the part of the key.

Anahtar Kelime

RFID, TEA, etiket, okuyucu, yan, kanal, analizi, aktif, pasif, basit, farksal, kapı

Bilim Kodu

609




Sıra No :12684
Üniversite

504091240

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Yrd. Doç. Dr. Türker Kuyel

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Mayıs

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Emre Çetin

Başlık

VERİ DÖNÜŞTÜRÜCÜLERİ İLE TASARLANAN SEĞİRME ÖLÇÜM YÖNTEMLERİ VE UYGULAMALARI

Özet

Bu çalışmada veri dönüştürücüleri ile tasarlanan seğirme ölçüm yöntemlerinden ve bunların uygulamalarından bahsedilmiştir. Öncelikle seğirmenin tanımı yapılarak değişik seğirme türlerinden bahsedilmiş ve seğirme ölçümü ile ilgili literatür araştırması yapılmıştır. Burada geçmişteki araştırmacıların yaptığı bazı seğirme ölçüm çalışmalarından bahsedilmiştir. Daha sonra seğirmenin bir sistemde işaret gürültü oranına etkisi incelenmiştir. Benzer şekilde seğirme ile faz gürültüsü arasındaki ilişki de detaylandırılarak faz gürültüleri eğrilerinden seğirme hesabının nasıl yapılacağı anlatılmıştır. Bu şekilde cihazların katalog verilerinden seğirme hesapları yapılmış ve elde edilen sonuçlar daha sonra geliştirilen yöntemlerin ölçüm sonumlarını analiz ederken korelasyon amacıyla kullanılmıştır. Çalışmanın devamında doğrudan seğirme ölçümü için kullanılabilecek cihazlardan bahsedilmiş ve laboraturvarda bulunan seğirme ölçüm cihazları ile seğirmesi ölçülmek istenen işaret kaynaklarının seğirme değerleri elde edilmiştir. Yine bu değerler geliştirilen yöntemlerin ölçüm sonuçlarını analiz ederken korelasyon amacıyla kullanılmıştır. Çalışmanın devamında bir sistemdeki toplam seğirmeyi ölçmek için kullanılabilecek çift FFT ve çift Histogram yöntemleri tanıtılmıştır. Bu iki yöntem daha önceden Texas Instruments firması çalışanları tarafından patentleri alınan yöntemlerdir. Bu yöntemler yeni nesil 16 bit Pipeline (Boru Hattı) ADC’lere (Analog Sayısal Dönüştürücü) uygulanmıştır. Her bir yöntem için ayrıntılı prensip şemalar ve denklemeler verilmiş, oluşturulan algoritmalar ve MATLAB ortamında yazılan kodlar ayrıntılarıyla açıklanmıştır. Bunun devamında bahsedilen iki yöntem yardımıyla Rohde&Schwarz SMA100A ve Agilent 33250A işaret üreteçlerini içeren düzenekler kurularak her düzeneğin seğirme ölçümleri yapılmıştır. Ölçüm sonuçları daha önceden yapılan doğrudan ölçüm sonuçları ve katalog verileri ile karşılaştırılarak yöntemlerin başarımları test edilmiştir. Bunlara ek olarak ADC’lerin iç seğirmelerini ölçmek için kullanılabilecek farksal örnekleme metodundan bahsedilmiş ve AD9268 16 bit Pipeline ADC’li test düzeneğinde belirtilen yöntem uygulanmıştır. Son olarak da bir veri dönüştürücü sisteminde giriş ve saat işaretlerindeki seğirmeleri birbirlerinden bağımsız olarak ölçmeye dayanan yöntemden bahsedilmiştir. Bu yöntemdeki algoritma ayrıntılı bir şekilde anlatılarak belirli hata parametrelerinin nasıl ortadan kaldırıldığı anlatılmış ve önerilen yöntem 10 farklı deney düzeneğine uygulanarak seğirme ölçümleri yapılmıştır. Veri dönüştürücü sisteminde giriş işaretindeki seğirmenin saat işaretinden çok fazla olduğu durumda saat seğirmesinin ölçümünde tutarsız sonuçlar elde edildiği görülmüştür. Bu durumu düzeltmek için tasarlanan yöntemde geliştirme yapılmış ve gerçeğe daha yakın sonuçlar elde edilmiştir. Son olarak da geliştirilen yöntemleri kullanarak tasarlanabilecek bir seğirme ölçüm cihazından bahsedilmiştir. Böylece çalışmanın devamı niteliğine olacak yeni bir projenin tanıtımı yapılmıştır.

Title

JITTER MEASUREMENT METHODS USING DATA CONVERTERS AND THEIR APPLICATIONS

Abstract

Jitter measurement methods using data converters and their applications are explained in this study. Firstly, jitter is defined and different types of jitter including timing jitter, periodic jitter and cycle-to-cycle jitter are explained. Also a literature search about jitter measurement methods describing some of the previous works to measure system jitter is done in the study. Afterwards, phase noise is explained and its relation with jitter is visuliazed. A MATLAB code is written to compute jitter over a frequency band from a phase noise plot. The code uses piece-wise linear approximation methods to compute jitter from a phase noise plot. Related equations are described and written code is used to calculate jitter of signal generators used in the experiments by their phase noise plots. After that relation between system jitter and signal to noise ratio is revealed. Two experimental setups are used, one consisting Rohde&Schwarz SMA100A very low phase noise signal generator and other consisting Agilent 33250A high phase noise signal generator. It is seen that the setup consisting Agilent 33250A has signal to noise ratio 20dB less than the one consisting Rohde&Schwarz SMA100A. Also known direct jitter measurement methods are explained in the study. These methods involve taking histogram of zero crossings of the DUT (Device Under Test) signal using a fast sampling scope to measure jitter, using a spectrum analyzer to downconvert the DUT signal to a lower frequency band to measure jitter from its phase noise data, or using a signal source analyzer to measure jitter directly from phase noise graph of a DUT signal. Before introducing the proposed jitter measurement methods, two signals generators used in the experiments, Rohde&Schwarz SMA100A and Agilent 33250A, are tested with direct jitter measurement equipments. ITU VLSI laboratory has Rohde&Schwarz FSU26 Spectrum Analyzer, Agilent E5052B signal source analyzer and Agilent DSA-X 93204 fast sampling oscilloscope at the time these study has been carried out. So these two signal jenerators’ jitter is measured directly with fast sampling oscilloscope, spectrum analyzer and signal source analyzer. Also signal jenerators’ phase noise plots derived from device datasheets are used to calculate their jitter from previously written MATLAB code. All these measurements are used to make correlations with proposed jitter measurement methods. Experimental results show that fast sampling scope Agilent DSA-X 93204 is unable to compute jitter accurately for signals which have a moderate slew rate (for example a 80MHz sine wave). It is seen that jitter results of fast sampling scope improves as signal slew rate increases, so it has a slew-rate dependent jitter measurenet floor. Experimental results show that Rohde&Schwarz FSU26 spectrum analyzer can not maintain jitter measurement below 1ps RMS (Root Mean Square). That is because internal phase noise of FSU26 (mostly mixers and other internal circuits) limits the jitter measurement floor of the device. Also spectrum analyzers may spoil the original parameters of the DUT signal while downconverting the signal so this also may affect the jitter results of of the DUT signal and may cause the measured value to deviate from original specifications. Experimental results show that Agilent E5052B signal source analyzer is quite capable of measuring jitter directly. Rohde&Schwarz SMA100A jitter is measured 124 fs RMS by signal source analyzer at 100Hz to 20MHz frequency band, and this result is convenient with the device specifications. So Agilent E5052B is used as a good reference when testing proposed jitter measurement methods. Firstly, overall jitter measurement methods are introduced. There are dual FFT method and dual Histogram method. Dual FFT method is based on SNR (Signal to Noise Ratio) changes at different frequncies and amplitudes. These changes are related with system jitter and jitter can be found from two different SNR values derived at different amplitudes (or different frequencies). Dual FFT method is similar to how spectrum analyzers measure the jitter, it examines all the frequency band and computes the jitter from SNR values at different amplitudes. Dual FFT method equations and develeped algorithm are described in the study. After that, overall jitter measurements are done using dual FFT method. This idea is a TI (Texas Instruments) patent [8] and it is applied to new 16 bit pipeline ADCs (Analog to Digital Converter) by this study. Another overall jitter measurement method is dual Histogram method. Dual Histogram method makes a DC noise pattern or a low frequency sine wave to alias to the Nyquist band by changing input or clock frequency of an ADC. If DUT signal is the inpu signal, the method changes the clock signal or vice-versa. After that the method takes the histogram of the maximum slew-rate points (zero crossings) and minimum slew-rate points (peak values) of the aliased waveform. Minimum slew-rate points have zero slope so a jitter error here does not create a voltage error. So the difference between the variance of maximum slew-rate points and the variance of minimum slew-rate points gives the total variance that jitter causes. By this total variance and by computing slew-rate, overall jitter can be found. Method equations and develeped algorithm is described in the study. Dual Histogram method is similar to how fast sampling scopes measure the jitter. The method does not examine the whole spectrum, instead it examines the zero crossings and peak values. Thus some deterministic components can not be measured with dual Histogram method. This idea is a TI (Texas Instruments) patent [15] and it is applied to new 16 bit pipeline ADCs (Analog to Digital Converter) by this study. All ADCs have internal aperture delay and thus aperture jitter. To measure ADC internal jitter, time diffferential sampling method is introduced. One signal generator is used as both input and clock of the DUT ADC. Input and clock transmission lines are adjusted so that clock samples the input at maximum and minimum slew-rate points. After that point dual Histogram method can be used to compute internal ADC jitter. Experimental setups show that time differential sampling method measures AD9268 internal jitter 120fs RMS. AD9268 datasheet specifies the aperture jitter 70 fs RMS but there is no information about how this value is obtained (by measurement or by a simulation). But it is clear that 120fs RMS aperture jitter measurement is quite good and time differential sampling method seems succesful in this case. After doing overall and internal jitter measurements, proposed methods are compared with direct measurement methods described before. It is seen that for Rohde&Schwarz SMA100A signal generator dual FFT and dual Histogram methods have similar results with Agilent E5052B signal source analyzer. Fast sampling scope Agilent DSA-X 93204 and FSU26 spectrum analyzer failed to meet device specifications. It is seen that for Agilent 33250A signal generator, dual Histogram method gives similar results with fast sampling scope Agilent DSA-X 93204 and Agilent E5052B signal source analyzer. On the other hand dual FFT method’s results are similar with FSU26 Spectrum Analyzer. This is because dual FFT method examines the whole frequnecy band like spectrum analyzer. Dual Histogram method examines zero crossings and peak values and takes their histogram to compute jitter like fast sampling scopes. Lastly, a new method to measure input and clock jitter independent from each other is introduced in this study. This method uses controllable delay lines at two ADC inputs to compute jitter. Input or clock source frequency (of which is not DUT signal) is adjusted so that a low frequency sine wave is aliased to the Nyquist band. For input jitter measurements, delay line is adjusted to have propogation delay of one input period. Common input signal is splitted to both ADCs so ADCs sample inputs at the same time. As common input is splitted to two ADCs by different transmission lines, gain and offset errors will be present at ADC outputs. So, offset and gain errors are corrected and by point to point subtraction of the outputs of the ADCs , clock jitter effects cancel. After the subtraction of two ADC outputs, it is seen that there is also a phase error between two ADC outputs. As a result the difference of both ADC outputs become a sinewave instead of a noise pattern. To overcome this issue, FFT (Fast Foruier Transform) of the difference of both ADCs is taken and fundemental components are made zero. After that inverse FFT of the difference of both ADCs is taken and a noise pattern is derived from this transformation. Then histogram of minimum and maximum slew-rate points are taken and by computing variances and slew-rates, DUT jitter is computed. The same method is applied to measure clock jitter. For clock jitter measurements, delay line is adjusted to have propogation delay of one clock period. 10 measurements with different setups are done with new proposed method. At the case where clock jitter is our concern and input source has high jitter and clock solurce has low jitter, the proposed method fails. This is because at the interval clock source deviates (DUT signal), input source deviates more than clock and input jitter effects are seen at the ADC outputs. So measured jitter values become wrong at this case. To overcome this issue, clock and input frequencies are made equal and similar setup used in input jitter measurement is prepared. With this improvement, both ADCs sample their inputs at the same time, eliminating the problem faced before. After that, for clock jitter measurements, both ADC outputs are subtracted from each other. After that maximum and minimum slew-rate points are specified and their histogram is taken. By computing variances and slew-rates, the jitter is computed. At the final stage, a jitter measurement device that can be developed from the proposed methods is introduced as a block diagram. This may be the continuation of the proposed study at the future. The main drawback here will be the DUT bandwidth, which will be ADCs input bandwidth in this case (approximately 650MHz). Improvements in the ADC design will also improve the methods’ accuracy and bandwidth in the near future.

Anahtar Kelime

Seğirme, Ölçme, Elektronik Ölçme, Ölçme seti, Ölçme-değerlendirme, Bilgisayar Destekli Ölçme, Ölçme sistemleri, İstatistik, Analog Sayısal Çeviricileri

Bilim Kodu

0




Sıra No :12445
Üniversite

504081352

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği

Danışman Adı

S. Berna Örs Yalçın

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Muhammed Ali BİNGÖL

Başlık

SİMETRİK KRİPTOGRAFİ TABANLI RFID PROTOKOLLERİNİN GÜVENLİK ANALİZİ VE İLERİ MAHREMİYETLİ BİR TASARININ GERÇEKLENMESİ

Özet

Bu Yüksek Lisans tezi genel olarak iki kısımdan oluşmaktadır: Birinci kısımda simetrik anahtarlı kriptografik sistem tabanlı RFID (radyo frekansı tanımlama) protokollerinin teorik güvenlik ve mahremiyet analizi ele alınmıştır. İkinci kısımda ise ileri mahremiyet sağlayan bir RFID kimlik doğrulama protokolünün zaman bellek ödünleşim metodu kullanılarak gerçeklenmesi yapılmış ve sonuçları teorik sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Aşağıda öncelikle RFID teknolojisi hakkında kısa bilgiler verilerek bu konudaki güvenlik ve mahremiyet gereksinimlerine değinilmiş daha sonra bu tezdeki yapılan çalışmalar özetlenmiştir. RFID teknolojisi, fiziksel temasa gerek olmaksızın radyo dalgalarıyla etiket taşıyan bir nesne ya da kişinin kimliğinin belirlenmesini veya doğrulanmasını sağlar. RFID sistemi temel olarak etiket (tag), okuyucu (reader) ve etiket hakkında bilgileri güvenli bir şekilde depolayan veri tabanı sunucusundan (back-end server) oluşmaktadır. RFID etiketi, okuyucudan gelen sorguları almaya ve cevaplamaya olanak tanıyan bir silikon yonga, anten ve kaplamadan meydana gelir. Yonga, etiketin üzerinde bulunduğu nesne ile ilgili bilgileri saklar. Anten, radyo frekansı kullanarak kimlik bilgilerin okuyucuya iletir. Kaplama ise etiketin bir nesne üzerine yerleştirilebilmesi için yonga ve anteni çevreler. Hafıza, okuma mesafesi, okuma/yazma kapasitesine göre farklılıklar göstermektedir. Etiketler okuma sırasında kullanılan frekans aralığına bağlı olarak da LF, HF, UHF ve mikrodalga frekans olmak üzere çeşitlendirilebilirler. RFID ilk defa ikinci dünya savaşında dost savaş uçaklarını düşman savaş uçaklarından ayırmak için geliştirilmiş ve kullanılmış bir teknolojidir. Günümüzde ise çok geniş bir kullanım alanı vardır. RFID teknolojisi temassız ödeme, toplu taşıma, elektronik pasaport, giriş kontrol sistemleri, lojistik takip sistemleri, kütüphaneler, taşıt otomatik geçiş sistemleri, otomatik tanıma ve bilgi toplama sistemleri gibi birçok alanda yaygın olarak uygulanmış ve ileride de daha birçok alanda gelecek vaat eden bir teknolojidir. Hayatımızın hemen hemen her alanına giren bu yeni teknoloji güvenlik ve kullanıcı mahremiyeti gibi toplumsal endişeleri de beraberinde getirmiştir. Bu teknoloji gün geçtikçe önem kazanıp üzerinde yapılan çalışmaların da arttırılmasına rağmen gizlilik ve güvenlik ile ilgili sorunları tam olarak çözülememiştir. İnsan mahremiyetinin ihlal edilmesi konusunda oluşan çekincelerle Eylül 2003’de bazı insan hakları ve sivil toplum organizasyonları RFID teknolojisi kullanan marketleri dava etmiştir. Bu sistemin kötü yollar için kullanılabileceği öne sürülmüştür. RFID teknolojisinin bir parçası olan RFID etiketlerin her biri yalnızca kendine özgü ve ait olduğu kişiye yönelik bilgiler taşımaktadır. Bu durumda bu etiketleri taşıyan kişiler de adeta bu aygtlarla birlikte etiketlenmiş olmaktadırlar. Ayrıca, yaygın olarak kullanılan RFID etiketleri sorgulandıklarından haberi olmayan ve her türlü sorguya yanıt veren yapıdadırlar. Bunun sonucu olarak RFID etiketlerini taşıyan kişilerin habersiz olarak izlenmesi, özel hayatları hakkında istemedikleri bilgilerin ortaya dökülmesi durumu ortaya çıkmaktadır. RFID teknolojisinin insanların özel yaşamlarının gizliliğine karşı oluşturduğu tehditler önemli bir sorun olmakla beraber asıl büyük tehdit ve problem bu sistemlerin kontrolünün, protokoldeki güvenlik açıklarından ve teknik savunma zafiyetlerinden istifade edilerek istenmeyen kişiler tarafından elde edilmesi sonucu ortaya çıkmaktadır. Çünkü yukarıda bahsedilen kullanım alanlarında da görüldüğü gibi RFID sistemleri artık insan hayatının önemli bir parçasını oluşturmakta ve insanlar kendileri için çok büyük önem taşıyan faaliyetlerini (ödemeler, sahip oldukları mülklerin korunması, kimlik denetim sistemleri ile kendilerini tanıtmaları vb.) bu sistemler üzerinden gerçekleştirmektedirler. Tüm bu süreç esnasında ise RFID sistemlerinin güvenli olduğunu varsayarak hareket etmektedirler. Bir RFID sisteminin güvenliği sistemi oluşturan bileşenlerin (etiket, okuyucu ve veri tabanı) parçanın da güvenli olması ile doğrudan ilgilidir. RFID etiketlerinin, özellikle de daha yaygın kullanılan pasif RFID etiketlerinin devre alanı ve enerji tüketimi gibi kaynaklarının kısıtlı olduğu göz önünde bulundurulduğunda, bu cihazlarda mevcut kriptografik algoritmaları kullanarak güvenlik sağlamanın zorluğu ortadadır. RFID etiketlerinin düşük enerji tüketimi ile etkin çalışmasını sağlamak bu çalışmanın ortaya konulmasının başlıca hedeflerindendir. Bu ihtiyaçlardan dolayı son zamanlarda akademik ve endüstriyel çalışmalar bu özel alanda ortaya konulmuştur. Literatürdeki RFID güvenlik ve gizlilik çalışmalarının büyük çoğunluğu, hem kullanıcı mahremiyetini sağlayacak hem de verimli olacak bir protokol dizaynının oldukça zor olduğu konusunda ortak fikirdedirler. Bu kadar geniş ve hızlı değişen literatürde uygun protokolün seçilmesi işi sanayiciler için de bir problemdir. Gerçekten de yıllar boyunca önerilen birçok protokol olmasına rağmen, hiçbiri ideal olarak kabul edilmemiştir. Bu çalışmada bahsedilen ihtiyaçlardan yola çıkarak, bu alanda önerilen protokoller güvenlik ve verimlilik ortak özelliklerine göre kategorize edilmiş ve kendi aralarında karşılaştırılmıştır. Bu çalışma ilk olarak mahremiyet özelliğini sağlayan protokollerin kapsamlı analizini içerir. Bu çalışmada ele alınan RFID kimlik doğrulama protokolleri şu iki özelliği taşımaktadır: (i) Simetrik kriptografi yapı taşları ile oluşturulmuş olması, (ii) N istemdeki etiket sayısı olmak üzere O(N)’den daha düşük karmaşıklık ile kimlik doğrulama işlemlerini yapabilmesi. Büyük ölçekli gerçek hayattaki uygulamalar (örn. toplu taşıma vb.) göz önüne alındığında bu iki koşul RFID sisteminin taşıması gereken olmazsa olmaz özelliklerindendir. Bu çalışmada bu özellikleri sağlayan protokoller ele alınmış ve bunların kapsamlı olarak teorik güvenlik analizler yapılmış, eksiklikleri ve zayıf noktaları ortaya konulmuştur. Bu protokoller üzerine yeni kriptografik ataklar yapılmış, özellikle zamanlama ataklarının birçok protokol üzerinde nasıl gerçekleştirilebileceği bu çalışma ile ortaya konulmuştur. Ayrıca bazı mevcut protokolleri iyileştirmek için çözüm önerileri sunulmuş ve bu protokoller için bazı kılavuz bilgiler verilmiştir. Tüm aday protokolleri güvenlik ve performans kriterleri değerlendirilerek karşılaştırılmıştır. Protokollerin güvenlik olarak; kullanıcı mahremiyeti, taklit edilmeye karşı dayanıklılık, desenkronize edilip takip edilmeye karşı dayanıklılık ve iz sürülme tehlikesine karşı güvenirlik özellikleri ele alınmıştır. Performans olarak, etiket ve veri tabanı üzerinde az işlem yapma ve düşük yer kaplama kriterleri göz önüne alınmıştır. Böylece ortaya konular çalışmalar sonucunda pratik dünyada kullanılabilecek en uygun adaylar seçilmiştir. Bu çalışmada ikinci olarak, güvenliği ve performansı birinci bölümde değerlendirilen en uygun protokolün gerçek bir RFID sistemi üzerinde gerçeklenmesi yapılmıştır. Bildiğimiz kadarıyla zaman-hafıza ödünleşim metoduna dayalı ve ileri mahremiyet özelliği taşıyan ilk RFID sisteminin gerçeklenmesi bu çalışma ile ortaya konulmuştur. Daha önce teorik olarak tasarlanan bu sistemin şimdiye kadar gerçeklenmesi yapılmamıştı. Bu gerçeklemenin mahremiyet özellikler korunarak yüksek veri tabanı arama hızı ve düşük bellek kullanılarak yüksek performans sağladığı yapılan deneyler ile ortaya konulmuştur. Ayrıca deney sonuçlarının teorik sınırlara yakın olması bu çalışmanın doğruluğunu ve olumlu etkisini göstermektedir. Sonuç olarak bu çalışmanın pratik olarak da kullanılabilecek hazır bir sistem olduğu ortaya konulmuştur.

Title

SECURITY ANALYSIS OF RFID AUTHENTICATION PROTOCOLS BASED ON SYMMETRIC CRYPTOGRAPHY AND IMPLEMENTATION OF A FORWARD PRIVATE SCHEME

Abstract

This M.Sc. thesis is mainly two folds: First part includes the the theoretical security analysis of privacy-friendly radio frequency identification (RFID) protocols that are based on symmetric cryptography and sub-linear complexity. Second part is a practical part dedicated to an implementation of forward secure RFID authentication protocol. RFID technology provides wireless communication with an object or someone to identify or authenticate by using radio waves with neither physical nor visual contact.RFID is one of the most promising technologies deployed in many applications such as contactless payment systems, public transportation, electronic passports, access cards, logistic tracking systems etc. In fact RFID has entered in our lives, however, security and privacy concerns have become controversial as a social demand. Moreover, the cost of RFID tags is an other obstacle to technological advance. Many works have been dedicated to this specific area to mitigate these issues. The large body of literature RFID Security and Privacy demonstrates that designing a privacy friendly and efficient protocol is still a challenging task and finding the appropriate one is quite awful for industrials. Indeed, although many protocols have been proposed over the years, none can be deemed as ideal. Motivated by this need, in this work we examine most of the proposals in the field, categorize them according to common features analyze them, compare their properties and discuss about which can be considered as the best ones to date. We also provide new attacks on several of these protocols and some patches. First, this work includes a comprehensive analysis of privacy-friendly authentication protocols devoted to RFID that: (i) are based on well-established symmetric-key cryptographic building blocks; (ii) require a reader complexity lower than O(N) where N is the number of provers in the system. These two properties are sine qua non conditions for deploying privacy-friendly authentication protocols in large-scale applications, e.g., access control in mass transportation. We describe existing protocols fulfilling these requirements and point out their drawbacks and weaknesses. We especially introduce new attacks and raise that some protocols are not resistant to timing attacks. We also suggest a number of new solutions to ameliorate some of the existing protocols and provide guidelines for those schemes. We have extensively evaluated and compared all the candidates according to their security, and performance. The security properties that we investigated include user privacy and as well as forward privacy, impersonation resiliency and desynchronization resistance. Furthermore, we examined thoroughly their performance, in terms of computational and storage cost. According to our analysis by means of security and efficiency, we selected the most appropriate candidates for practical uses. Second, this thesis includes an implementation of a real RFID system which is efficient and secure with respect to the first part of this work. We implemented one of the best candidate that is, according to our analysis and criteria, the most appropriate one for practical uses. To the best of our knowledge, this is the first complete implementation of a forward-private RFID system based on time-memory trade-off. This method is already introduced but never tried to implemented in a real RFID system. We show that our implementation practically allows achieving a high performance by means of search complexity and memory usage without degrading privacy. We have run several experiments on the implemented real RFID system and we observed that the experimental outputs are very close to the theoretical bounds. Finally, the authentication speed and effective memory usage put forth that this forward-private RFID system is ready to be used for practical purposes.

Anahtar Kelime

Kriptografi, kriptosistem, radyofrekans, güvenlik sistemleri, iletişim sistemleri, radyo frekanslı tanımlama

Bilim Kodu

0




Sıra No :12608
Üniversite

504091370

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Melih Pazarcı

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Kevser Bozoğlu

Başlık

GELİŞMİŞ HAREKET KESTİRİMİ KULLANARAK VIDEO SIKIŞTIRMA İYİLEŞTİRMESİ

Özet

Tezin amacı, Scale Invariant Feature Transform (SIFT) algoritmasından yararlanarak Block Matching Algoritması (BMA) na göre daha iyi bir kestirim yöntemi geliştirmektir.Tezde önerilen algoritma, blok eşleme algoritmasının iyi sonuç vermediği yerlerde devreye girer. Eğer video içinde rotasyon hareketi yapan bir obje varsa blok eşleme algoritması iyi sonuç vermezken, tezde önerilen algoritma rotasyondan etkilenen blokları belirleyerek bu bloklara ters rotasyon uygulayıp tahmin edilen resme bu şekilde yerleştirmeyi hedefler. Sonuç olarak önerilen algoritma hem test resimlerinde hem de gerçek video resimler üzerinde test edilmiştir. Testler sonucunda, BMA ile karşılaştırma yapmak için elde edilen resimlerin PSNR değerleri hesaplanmıştır. Elde edilen verilere gore, önerilen algoritmanın sonuçları BMA sonuçları ile karşılaştırıldığında test frameler üzerinde ~1.4 dB’ye varan, gerçek video resimleri üzerinde ise 0.5 dB’ye varan yileştirmeler sağladığı gözlemlenmiştir. Bu iyileştirmeler, sonuçlar kısmındaki şekillerden de görsel olarak gözlemlenebilir.

Title

AN ENHANCED COMPRESSION TECHNIQUE USING IMPROVED MOTION COMPENSATION

Abstract

In the digital age, almost all video storage and delivery systems depend heavily on compression technology. Video compression standards have been used and improved since 90s. There are many standards that use motion compensation to reduce unnecessary data and compress video. This thesis proposes an improved compression technique based on both block matching compensation and SIFT. This new technique reveals an improved motion compensation (IMC) which is achieved by using invariant features. SIFT finds local invariant features in a given image. It has been used in many implementations in the literature. Hovewer, none of them used invariant features to obtain a better motion compensation. In this thesis, SIFT is used to detect rotated regions and obtain better reconstruction with higher PSNR than classical block matching. To achieve this, invariant features are found in adjacent frames and then feature keypoints are matched. In conventional BMA, each non-overlapping 16x16-pixels block in current frame is predicted from previous frame by finding the block that gives minimum SAD value. However, if an object rotates from previous frame to the current, BMA cannot achieve an accurate prediction. In this case, the algorithm implemented in this thesis comes up with more accurate results because SIFT keypoints are utilized to detect and correct rotation between frames in the implemented algorithm. The proposed algorithm is tested on both test frames and real video frames. PSNR results are given for comparison of the proposed algorithm with classical BMA. It is seen that the proposed algorithm, which is called IMC in this thesis, caused an improvement of almost ~1.4 dB for the reconstructed test frame. This improvement is approximately 0.5 dB for real video frames. PSNR values are calculated for whole images. To see the block improvements, SAD values of blocks for compared algorithms are exhibited. These improvements may also be visually observed in the given reconstructed frame pictures.

Anahtar Kelime

video sıkıştırma, hareket kestirimi, SIFT, BMA

Bilim Kodu

6090208




Sıra No :12686
Üniversite

504091347

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği

Danışman Adı

Funda Akleman Yapar

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Ahmet Aydoğan

Başlık

DAİRESEL DALGA KILAVUZUNA YERLEŞTİRİLMİŞ ÜÇ BOYUTLU HOMOJEN OLMAYAN CİSİMLER İÇİN DÜZ PROBLEMİN ÇÖZÜMÜ

Özet

Bu çalışmada dairesel dalga kılavuzu içerisine kısmi olarak yerleştirilmiş manyetik olmayan kayıplı bir dielektrik cisim için düz saçılma probleminin çözümü incelenmiştir. Malzemenin konum, şekil ve elektriksel parametreleri bilinmektedir. Gelen elektrik alan bilgisinden faydalanarak malzemeden dolayı oluşacak saçılan alanın kestirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla boş dairesel dalga kılavuzuna ait dyadik Green fonksiyonu ifadelerini içeren porblemin çözümüne ilişkin integral denklem elde edilmiştir. Elde edilen integral denklemi sayısal hesaplama yöntemi olan Moment yöntemi kullanılarak çözülmüştür. Bu amaçla integral denklemi, lineer denklemlere dönüştürülmüştür. Elde edilen ifadeler matris denklemi şeklinde ifade edilmiştir. Problemin çözümüne ilişkin bilinmeyen büyüklükler bulunmuştur. Bu çalışma ile dairesel dalga kılavuzu içine yerleştirilmiş bir süreksizlik durumunda, kılavuz içindeki herhangi bir noktada toplam veya saçılan elektrik alanın hesaplanması gerçekleştirilmiştir.

Title

DIRECT SCATTERING PROBLEM FOR 3-D INHOMOGENEOUS MATERIALS LOADED INSIDE CIRCULAR WAVEGUIDE

Abstract

In this study, direct scattering problem for partially loaded lossy dielectrics inside a circular waveguide is examined. Location, shape and the electrical parameters of the object are known. Using the knowledge of incident electric field, it s aimed to determine the scattered field caused by the discontinuity inside the waveguide. For this purpose, the integral equation, containing dyadic Green s function of empty circular waveguide was obtained for the solution of the problem. Then, integral equation was solved using a numerical method, “Method of Moments”. For this purpose, the integral equation is transformed into a set of linear equations. The obtained linear equations are expressed as a matrix equation. Unknown quantities for the solution of the problem are obtained. To sum up, total or scattered electric field at an arbitrarily point inside the waveguide can be determined in the presence of a located discontinuity.

Anahtar Kelime

Dairesel dalga kılavuzu, Düz problem, Dyadik Green fonskiyonu, Moment yöntemi

Bilim Kodu

6090401




Sıra No :12704
Üniversite

504101314

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Yrd. Doç. Dr. Mesut Kartal

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

İsmail Güngör

Başlık

FREKANS SEÇİCİ YÜZEYLER KULLANARAK İKİ FARKLI FREKANSTA İSTENİLEN IŞIMA DESENLERİNE SAHİP REFLEKTÖR ANTEN TASARIMI

Özet

Bu çalışmada, kosekant – kare ışıma karakteristikli antenlerin ve fan pervanesi tipi antenlerin ışıma karakteristiklerini farklı frekanslarda sağlayabilen bir reflektör anten tasarımı amaçlanmıştır. Bu yeni tasarımın radar sistemlerine fiziki ve teknik açıdan oldukça avantaj sağlaması beklenmektedir. Tasarım, analiz ve optimizasyon çalışmaları için HFSS programı kullanılmıştır. Ayrıca anten geometrilerinin çizimi için SolidWorks programından da faydalanılmıştır. Bu tasarımı gerçekleştirmek için özellikle son yıllarda antenlerde sıklıkla kullanılan frekans seçici yüzeylerden yararlanılmıştır. Amaçlanan reflektör anten modelinin tasarımında, uygun ışıma karakteristiklerini sağlayan fan pervanesi tipi anten tasarımı ve kosekant – kare ışıma karakteristikli anten tasarımı yapıldıktan sonra istenilen frekans bantlarında amaca uygun S21 iletim katsayısı ve S11 yansıma katsayısı değerlerini sağlayan frekans seçici yüzey (FSY) tasarımı gerçekleştirilmiştir. Çalışmada bu aşamadan sonra tasarlanan fan pervanesi tipi antenin yansıtıcı yüzeyi, oluşturulan FSY ile kosekant – kare ışıma karakteristikli antenin yansıtıcı yüzeyine tamamlanmıştır. Sonuç olarak tasarımı yapılan antenin yansıtıcı yüzeyi sayesinde, frekans seçici yüzeyin karakteristik özelliğine bağlı olarak bir çalışma frekansında fan pervanesi tipi antenin ışıma paterni elde edilirken, başka bir çalışma frekansında kosekant – kare ışıma karakteristikli antenin ışıma paterni elde edilmiştir.

Title

DESIGN OF A NEW REFLECTOR ANTENNA THAT PROVIDES DESIRED RADIATION PATTERNS AT TWO DIFFERENT FREQUENCIES BY USING FREQUENCY SELECTIVE SURFACES

Abstract

In this study, it is proposed to design a reflector antenna that provides both cosecant squared pattern and fan beam pattern at two different frequencies. It is expected that the new design will provide physical and technical advantages for radar systems. For simulation and optimization of the antenna, high frequency simulation software (HFSS) is used. Moreover for drawing of some geometries, it is benefited from flexible drawing specialities of SolidWorks. For the new reflector antenna design, frequency selective surfaces (FSSs) are used as a reflector surface. First of all, geometric dimensions of antennas that provide cosecant squared pattern and fan beam pattern at desired frequency bands are determined by using HFSS. Then a band stop filter that has suitable resonance frequencies for S21 transmission coefficient and S11 reflection coefficient is designed by using FSS structures. For this purpose, a geometry that has suitable transmission and reflection coefficients is determined and done optimization. Finally, the designed FSS structure is used as a reflector surface of the cosecant squared antenna whose dimensions were determined previously. FSS structures are inserted to reflector surface of the fan beam antenna to obtain a cosecant squared antenna form. Thus in a frequency band, the FSS structures reflect electromagnetic waves and as a result, a cosecant squared pattern can be obtained. However in another frequency band, the FSS structures transmit electromagnetic waves and thus a fan beam pattern can be obtained.

Anahtar Kelime

Kosekant – kare ışıma karakteristikli anten, Fan pervanesi tipi anten, Reflektör anten, Frekans seçici yüzey (FSY), Işıma paterni, Tasarım, Analiz

Bilim Kodu

6090203




Sıra No :12639
Üniversite

504091261

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. Ali TOKER

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Umut YILMAZER

Başlık

ADAPTİF YAKLAŞIM KULLANILARAK BAND GENİŞLİĞİ PROGRAMLANABİLİR BİR FKÇ SİSTEMİ TASARIMI

Özet

Bu çalışmada, literatürdeki gerilim kontrollü osilatörler ve band genişliğini adaptif olarak ayarlayan PLL’ler üzerine araştırma yapılmış ve yeni bir adaptif PLL ve gerilim kontrollü osilatör kalibrasyon yöntemi önerilmiş ve 0.18um CMOS teknolojisinde tasarımı yapılmıştır. Önerilen kalibrasyon yöntemi frekans karşılaştırma tekniği üzerine dayanır. Bu yöntem frekans karşılaştırmanın sıcaklık ve üretim gibi etkilere duyarlılığını oldukça azaltmaktadır ve geniş bir referans frekansı aralığında frekans karşılaştırma imkanı sunmaktadır. Önerilen kalibrasyon yöntemi kullanılarak çevrim dinamiklerini çevrim yenilenme frekansına göre adaptif bir şekilde ayarlayan yeni bir adaptif faz kilitlemeli çevrim yöntemi sunulmuştur. Bu yöntem sistemin doğal frekansı ve kararlılığı sağlayan sıfırını çevrim yenilenme frekansıyla orantılı hale getirir. Böylelikle sistemin band genişliği, kararlılığı değiştirmeyerek şekilde değişir. Ayrıca, önerilen yöntem kullanılarak istenilen band genişliği sistem yenilenme frekansı ayarlanarak elde edilebilir. Bu yöntem çevrim dinamikleri arasında takip mekanizması kurduğu için, sistem band genişliği ve faz marjının üretim ve sıcaklık gibi etkilere duyarlılığını önemli ölçüde azaltmaktadır. Simülasyon sonuçlarına göre sistemin kapalı çevrim band genişliği sıcaklık ve üretimden %10’dan daha az etkilenmektedir.

Title

DESIGN OF A CONFIGURABLE BANDWIDTH PLL USING ADAPTIVE APPROACH

Abstract

In this study, voltage controlled oscillator calibration methods and adaptive bandwidth PLLs in literature are researched. A new adaptive bandwidth PLL and a new VCO calibration method are proposed and designed in 0.18um CMOS technology. The proposed VCO calibration method is based on the frequency calibration and it nearly eliminates the process and temperature dependency of the frequency calibration and it is also suitable for the frequency calibration in a wide reference frequency range. Using the proposed frequency calibration technique, a new tracking mechanism between the loop dynamics and the loop update frequency was proposed. In this mechanism, natural frequency and the stabilizing zero of the system are adaptively adjusted according to the loop update rate. Therefore, a wide band PLL is obtained without threatening the stability of the system. The bandwidth of the loop can be adjusted to desired value just by programming the loop update rate of PLL. This method provides very low process and temperature dependent loop dynamics. According to simulation results, bandwidth of the system changes less than 10 % with process and temperature variations.

Anahtar Kelime

CMOS, faz kilitli döngü, tümdevre tasarımi, optik iletişim sistemleri

Bilim Kodu

6090102




Sıra No :12610
Üniversite

504091356

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. Mehmet Ertuğrul ÇELEBİ

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Çağlar FINDIKLI

Başlık

LİSANSLI SİSTEMLERİN VARLIĞINDA IEEE 802.15.4a TABANLI ULTRA GENİŞ BANTLI SİSTEMLERİN BAŞARIMI

Özet

Spektrum paylaşım teknikleri, son yıllarda elektromanyetik spektrumdaki kalabalıklaşma ve kullanıma müsait frekansların etkin kullanılması gerekliliğinden dolayı oldukça ilgi çekmiştir.

Title

PERFORMANCE OF IEEE 802.15.4a BASED UWB SYSTEMS IN THE PRESENCE OF LICENSED SYSTEMS

Abstract

In recent years, spectrum sharing techniques have drawn great amount of interest due to lacking frequency bands for licensed radio systems. UWB technology is one of the emerging spectrum sharing techniques that can communicate at very low power spectral density levels using a large portion of electromagnetic spectrum.

Anahtar Kelime

IEEE 802.15.4a, alıcı-verici yapıları, lisanslı sistemler, ultra geniş bant

Bilim Kodu

609




Sıra No :12670
Üniversite

504101328

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Doç. Dr. Funda Akleman

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Tuba DÜZEL

Başlık

VEKTÖR SENSÖRLERLE GELİŞ AÇISI KESTİRİMİ PROBLEMİNİN SAYISAL ELEKTROMANYETİK YÖNTEMLERLE İNCELENMESİ

Özet

Bu çalışmada vektör sensörlerle geliş açısı kestirimi konusu incelenmiştir. Çalışmada literatürde kabul görmüş geliş açısı kestirim problemleri ve bunların çözümü ile ilgili genel bilgiler verilmiştir. Uzak alandaki vektör sensör yapısıyla, literatürde önerilen tahmin modeli incelenmiştir, ardından yakın alanda uygulamanın yapılışı ve analizlerde kullanılacak sayısal yöntem, FDTD metodu (zamanda sonlu farklar) açıklanmıştır. Uygulama kısmında vektör sensörlerle yakın ve uzak alanda kestirim çalışmaları yapılmıştır. Yakın alanda elevasyon açısının bulunması için vektör sensöre koordinat dönüşümü uygulanmış ve bu şekilde tahminler yapılmıştır, ilgili dönüşüm daha önce kullanılmadığı için önceleri karmaşık vektör sensör yapıları kullanarak bulunan elevasyon açısının, kolaylıkla bulunması sağlanmıştır, bulunan sonuçların gerçek değerlerin tahmini için oldukça yararlı olacağı gözlenmiştir.

Title

DIRECTION OF ARRIVAL ESTIMATION USING VECTOR SENSORS ANALYSIS WITH COMPUTATIONAL ELECTROMAGNETIC METHODS

Abstract

In this study, direction of arrival estimation is considered. Study consists of such problems and their solution methods which have been mentioned about in literature. Direction of arrival and polarization estimation using vector sensors are explained in detail. The validity of vector sensor application for near field measurements is discussed. In addition to these, Finite Difference Time Domain Method (FDTD) and its implementation are defined briefly. According to results of simulation when vectors are located in z axis, far and near field result for azimuth angle are very near to real values. In far field elevation and polarization phase difference estimation are done and results are compared with analytic result. In near field, the coordinate transformation method was improved and this method provides to estimate both azimuth and elevation angles easily. The method is encouraging for finding estimation truly and it may be developed in the future for being more efficient than now.

Anahtar Kelime

Geliş Açısı, Polarizasyon Tahmini, Vektör Sensör, ESPRIT, Sayısal Analiz, FDTD.

Bilim Kodu

6090200




Sıra No :12565
Üniversite

504091354

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

PROF. DR. ÜMİT AYGÖLÜ

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

BARIŞ KÖKSAL

Başlık

ÇOK ATLAMALI ÇİFT-YÖNLÜ RÖLELİ AĞLAR

Özet

Son yıllarda gelişen teknoloji ile birlikte daha güvenilir, daha hızlı ve kapsama alanları daha geniş olan sistemlere olan gereksinim de artmaktadır. Bu amaca yönelik olarak önerilen ve geleneksel yöntemlere göre daha verimli olan çok atlamalı sistemlerin 4G hücresel ağları da kapsamak üzere gelecekte kullanılacak birçok sistemin temelini oluşturması beklenmektedir. Ancak iletim cihazlarının yarı dupleks olarak çalışması tam dupleks sistemlere göre verimliliği yarı yarıya düşürmektedir. Sistemler, çift-yönlü iletim yöntemleri sayesinde bu dezavantajdan kurtulabilmektedir. Son önerilen çift-yönlü iletim yöntemlerinden birisi de fiziksel katman ağ kodlama yöntemi olmuştur. Bu yöntem, telsiz iletişim sistemlerinin yayımlama özelliğini bir sorun olmaktan çıkarıp, ondan yararlanarak sistem başarımını iyileştirmektedir. Önerilen bu yöntem iki zaman aralığında iletimi tamamlamakta ve bu sayede dört zaman aralığı kullanan geleneksel yöntem ve üç zaman aralığı kullanan klasik ağ kodlamadan daha iyi başarım sağlamaktadır. Literatürde fiziksel katman ağ kodlama konusunda birçok çalışma yapılmıştır. Özellikle iki atlamalı fiziksel katman ağ kodlama için çöz-ve-aktar ile kuvvetlendir-ve-aktar yöntemlerini kullanan sistemler incelenmiştir. Ancak çok atlamalı sistemlerde fiziksel katman ağ kodlama hakkında çok fazla çalışma bulunmamaktadır. Öte yandan röle seçme yöntemi sistemlerin başarımını artıran bir diğer yaklaşımdır. Bu yöntemde aynı anda en iyi bir veya birkaç röle iletim yaptığı için, seçmesiz çok röleli yöntemlere göre sistem karmaşıklığı azalırken sistem başarımı aynı düzeyde tutulabilmektedir. Röle seçme yöntemlerinden bazıları kanalın erişilebilir en yüksek çeşitleme derecesini sağlayabilmektedir. Bu tez çalışmasının ilk kısmında, üç ve dört atlamalı fiziksel katman ağ kodlamada röle seçme yöntemleri için kuramsal analiz ve bilgisayar benzetimi ile servis dışı kalma olasılıkları elde edilerek, daha sonra servis dışı kalma olasılığı ifadesi N atlamaya genelleştirilmektedir. Sistemde QPSK modülasyonu ve çöz-ve-aktar iletim yöntemi kullanılmaktadır. Her atlamada birden fazla sayıda röle olduğu, her rölenin bir anteni olduğu ve aynı anda hem iletim hem alım yapamadığı varsayılmaktadır. Röle seçme yöntemi olarak en çok kullanılan yöntemlerden maks-min yöntemi ve maks-toplam yöntemine ek olarak, her iki yöntemin avantajını aynı anda kullanan karma yöntem de kullanılmaktadır. Bu yöntemler referans sistem olarak röle seçimsiz yöntem ile karşılaştırılmaktadır. Çalışmanın ikinci kısmında ilk olarak BPSK modülasyonu ile çöz-ve-aktar yöntemini kullanan üç ve dört atlamalı fiziksel katman ağ kodlama sistemleri için bit hata olasılığı ifadesi çıkarıldıktan sonra ifade N atlamalı sistem için genelleştirilmektedir. Ancak bu yöntemde hata yayılımı olmaması için belirli bir zamanda bir simgeye karar verilirken önceki adımlarda hata yapılmadığı varsayılmaktadır. Buna ek olarak iki zamanlı ve çok atlamalı sistemlerin pratikte uygulanabilir olmadığı bilinmektedir. Bu nedenlerle, çift-yönlü fiziksel katman ağ kodlama sistemleri için yeni bir iletim protokolü önerilmekte ve üç, dört, beş ve altı atlamalı durum için bit hata olasılığı ifadeleri çıkarıldıktan sonra ifade N atlamaya genelleştirilmektedir. Son olarak hem PLNC protokolünü kullanan sistemin hem de yeni çok atlamalı iletim protokolünü kullanan sistemin BPSK modülasyonu ve çöz-ve-aktar yöntemi için kuramsal analizle ve bilgisayar benzetimleriyle elde edilen hata başarımları karşılaştırılmaktadır.

Title

MULTI-HOP BI-DIRECTIONAL RELAY NETWORKS

Abstract

In recent years, improved technology increases the need for faster transmission, wider coverage areas and more reliable communication systems. Multi-hop systems offer a solution for these requirements, and will be the main communication technology of many 4G cellular networks. However, the half-duplex nature of communication devices causes a loss in spectral efficiency due to a pre-log factor of ½ in the achievable capacity. Two-way communication systems are proposed to avoid this loss by realizing the bi-directional connection between two terminals over a half-duplex relay. Physical layer network coding is one of the latest protocol for two-way communication systems. While most communication designs try to either reduce or avoid interference, physical layer network coding systems embrace interference to improve throughput performance. It completes bi-directional transmission in two time slots for a three- node network and provides higher transmission rates than traditional four and three time slots systems. Physical layer network coding with two-hop scenario has been well studied in the literature for different strategies, such as amplify-and-forward and decode-and-forward. However, there is not too much study for multi-hop physical layer network coding systems. On the other hand, the efficiency of relay transmission can be further enhanced by relay selection algorithms. Relay selection, that allows one or a few relays to assist bi-directional transmission, seems to be an efficient technique with low complexity and some relay selection algorithms achieve maximum diversity gain. In the first part of this thesis, outage probability expressions and diversity gains of relay selection techniques in three- and four-hop physical layer network coding systems are derived. Then these expressions are generalized to N-hop case. It is assumed that QPSK modulation and decode-and-forward relaying strategy are used in the considered system. In addition, a clustered bidirectional relay topology is assumed, which consists of two terminals and a cluster with several relays. Each relay has one antenna and cannot receive and transmit simultaneously. Outage performances of max-min and max-sum relay selection techniques and hybrid selection technique, which is the combination of max-min and max-sum selections are investigated. The non-selection policy is also considered as a reference system. In the second part, bit error probability expressions for three-hop and four-hop physical layer network coding systems, which use BPSK modulation and decode-and-forward relaying strategy, are derived. Then these expressions are generalized to N-hop case. However, these derivations involve the assumption that errors on preceeding symbols do not affect present symbol decisions. On the other hand, it is known that two-time slot systems are not practical for multi-hop two-way communication systems. Hence, a new protocol for multi-hop two-way communication systems is proposed and its BER performance for three-, four-, five- and six-hop systems is investigated. Then a general bit error probability expression for N-hop is obtained. Finally, theoretical and simulation results are compared for both multi-hop PLNC and the proposed protocol.

Anahtar Kelime

Çok atlamalı ağlar, Fiziksel katman ağ kodlama, Çöz-ve-aktar yöntemi, Çift-yönlü iletim

Bilim Kodu

6090207




Sıra No :12559
Üniversite

504091259

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Metin Hüner

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Sunay Güler

Başlık

Ses Ötesi Temizleme Etkinliğinin Çeşitli Parametrelere Göre İncelenmesi

Özet

Temizlik endüstrisinde bugün, kimyasal çözücülerin yerine doğaya dost alternatif temizleme yöntemleri kullanılarak temizleme teknikleri geliştirilmeye çalışılmaktadır. Bunlar su temelli ve petrol temelli temizliyicilerdir; fakat bu temizleme yöntemleri çoğunlukla temizleyici olarak kimyasal çözücülere oranla daha az etkilidir ve istenilen kalitede temizlik elde edilememektedir. Temizlik endüstrisi istenilen temizliği sağlamak için araştırmalar yapmış ve son yıllarda elde edilen yeniliklerin pek çoğunu ultrasonik temizleme yöntemleri teşkil etmiştir. Ultrasonik temizlik genellikle hassas temizlemelerde, hızlı, ucuz, güvenilir ve daha kaliteli temizlik sağladığı için kimyasal temizliğe alternatif olarak kullanılır. Mikrodenetleyicilerin geliştirilmesi ile endüstriyel otomasyonda büyük bir çığır açılmıştır. Mikroişlemci temelli elektronik devreler giderek yaygınlaşarak çok değişik uygulama alanlarında yerini almıştır. Cihazların küçültülmesi ve ortaya çıkan yeni ihtiyaçlar sebebi ile gerek hız ve gerekse işlem kapasitesi yönünden daha gelişmiş mikroişlemci yongaları tasarlanarak piyasaya sunulmuştur. İçlerinde analog sayısal dönüştürücü de bulunan PIC mikrodenetleyicileri bunlara güzel bir örnektir. Bu elemanlar sensör tabanlı endüstriyel otomasyon uygulamalarında tasarımcılara büyük kolaylıklar sağlamaktadır. Ultrasonik temizleme sistemleri genel olarak paslanmaz çelikten yapılmış bir kazan, bu kazan altına özel bir yapıştırıcı ile yapıştırılmış bir veya birden fazla ultrasonik dönüştürücü, ultrasonik üreteç ve temizleme sıvısından oluşmaktadır. Bu birimlerin her biri mühendislik konusu olarak ele alınması gereken konulardır. Ultrasonik sinyal üreteçleri yüksek frekanslı sinyalleri (20-120 kHz) üretirler. Temizleme kazanının altına yapıştırılmış olan ultrasonik dönüştürücüler bu sinyaller ile sürüldüklerinde temizleme kazanındaki sıvıda alçak ve yüksek basınç bölgeleri meydana getiren ultrasonik dalgalar üretirler. Bu basınç dalgaları, temizleme sıvısı içinde mikroskobik milyonlarca kabarcık oluşturur. Bu kabarcıklar alçak basınçta genişleyerek büyürken yüksek basınçta büzülerek şiddetli bir şekilde patlarlar. Bu olaya ultrasonik kavitasyon adı verilir ve ultrasonik temizleme sistemlerinin çalışma prensibini oluşturur. Bu tez çalışmasında, endüstriyel üretim ve laboratuar çalışmalarında kullanımı gün geçtikçe yaygınlaşan ultrasonik temizleme sistemlerinin elektronik devrelerinin tasarımında, gelişmiş bir PIC mikrodenetleyicisinin avantajlarından maksimum oranda faydalanılması düşünülmüştür. Yapılan piyasa ön araştırmaları sonucunda ülkemizde bu konuda üretim yapan firmaların nerede ise tamamen eski ve analog tabanlı ultrasonik üreteç devreleri yapısında oldukları, mikrodenetleyici temelli daha gelişmiş ürünlerin ise yurt dışı pazarlardan ithal edildikleri anlaşılmıştır. Bu konuda dışa bağımlılığı ortadan kaldırmak ve özgün bir endüstriyel ürün tasarlamak için bu yüksek lisans tez çalışmasına başlanmıştır. Bu çalışmada, ultrasonik temizleme etkinliğinin frekans, güç, sıcaklık, dalga şekli gibi çeşitli parametlere göre değişiminin incelenmesi amaçlanmıştır. 40 kHz lik ultrasonik temizleme makineleri için mikrodenetleyici tabanlı, geliştirilmiş kontrol özelliklerine sahip bir ultrasonik üreteç devresinin sürücü ve güç kartı devre tasarımları gerçekleştirilmiştir. Çalışmada ultrasonik temizleme etkinliğinin yüzey temizliğinde kullanımı ve öneminden bahsedilmiştir. Tasarlanan sistem temizleme kazanındaki sıcaklık, sıvı yüksekliği, temizlenen malzeme gibi parametrelerden dolayı temizleme verimliliğindeki azalma problemlerine karşı çeşitli frekans tarama teknikleri ile bir çözüm sunmaktadır. Dar bir frekans bandında tarama özelliği kullanılarak daha homojen bir temizleme örüntüsü elde edildiği folyo testleri ile gözlenmiş olup sonuçları tezde yer almıştır. Bunların yanında temizleme makinesine sıcaklık ve zaman kontrolü eklenmiştir. Güç katında kısa devre problemlerine karşı koruma devreleri ilave edilmiştir. Yüksek gerilim ve alçak gerilimler birbirinden yalıtılmıştır. Tasarlanan ultrasonik temizleme makinesi 37-42 kHz çalışma frekansı aralığında çalışabilmektedir. Kazan su sıcaklığı 20oC-80oC arasına herhangi bir sıcaklık değerine set edilebilmektedir. Sistemde manuel çalışma modu, otomatik çalışma modu ve anahtarlamalı çalışma modu olmak üzere üç adet çalışma modu bulunmaktadır. Manuel çalışma modunda 37-42 kHz frekans aralığında set edilen bir frekansta ultrasonik dönüştürücü sürülmektedir. Otomatik çalışma modunda ise kullanıcının set ettiği frekans, merkez frekansı olarak alınarak 2 kHz’lik bant genişliğinde frekans tarama tekniği kullanılmıştır. Anahtarlamalı çalışma, prensip olarak manuel çalışma moduna benzemektedir. Manuel çalışma moduna ek olarak susma süresi parametresi bu çalışma modunda kullanılmaktadır. Susma süresi 1 sn, 2 sn, 3 sn, 4 sn şeklinde seçilebilmektedir. Seçilen değere göre ultrasonik üreteç, ultrasonik sinyali set edilen saniye kadar üretir ve sonra set edilen saniye kadar susar. Bu işlem çalışma süresi boyunca ultrasonik sinyalin üretilmesi ve durdurulması şeklinde devam eder. Sistem 1-5 dakika arasında değişen çalışma sürelerine ayarlanıp çalıştırılabilmektedir. Sistem çalışır durumda iken kalan süre saniye bazında LCD ekranda gösterilir. Sistemde 5 adet güç seviyesi bulunmaktadır. Güç kontrolü PWM darbeleri arasındaki ölü bant gecikmesinin arttırılıp azaltılmasıyla sağlanmaktadır. Ultrasonik dönüştürücü yarım köprü DC-AC inverter devresi kullanılarak sürülmüştür. Yarım köprü devre topolojisinde sadece iki adet güç transistörüne ihtiyaç duyulduğundan bu yapı tercih edilmiştir. Ultrasonik dönüştürücünün sürülmesinde bu devre topolojisinde sürülebilmesi için ECCP (Enhanced Capture/Compare/PWM) modülü olan bir mikrodenetleyiciye gereksinim vardır. Bu modül sayesinde birbirinin eşleniği iki adet PWM sinyali üretilir ve bu sinyaller yarım köprü devre topolojisindeki transistörlerin sürülmesinde kullanılır. Mikrodenetleyicinin programlanabilen ölü bant gecikmesi değiştirilerek ultrasonik sinyalin gücü değiştirilebilmektedir. Ultrasonik dönüştürücünün sürülmesinde tepeden tepeye genliği 100-300V olan modüle edilmiş ultrasonik sinyaller üretildiğinden, bu tasarım için yüksek gerilimlerde performansı daha iyi olan IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) transistörler kullanılmıştır. Sistem üzerindeki alçak ve yüksek gerilimler optokuplörlü devreler ile birbirinden yalıtılmıştır. Böylece yüksek gerilimlerden dolayı alçak gerilimlerde çalışan mikrodenetleyici ve LCD ekranın çalışmasındaki parazitik etki ortadan kalkmıştır. Ultrasonik dönüştürücüden maksimum güç alabilmek için ultrasonik dönüştürücü ile güç katının arasına empedans uydurma devresi eklenmiştir. Empedans uydurma devresinin tasarımı için öncelikle kullanılan ultrasonik dönüştürücünün RLC eşdeğer devresi çıkarılmıştır. Ultrasonik dönüştürücü modellemede literatürde yaygın bir şekilde kullanılan “Butterworth-Van Dyke Transducer Model” modeli kullanılmıştır. Kullanılan ultrasonik dönüştürücünün karakteristiği kapasitif olduğundan empedans uydurma devresi olarak dönüştürücüye seri bir endüktans ilave edilmiştir. Sistemin yazılım tasarımında C programlama dili kullanılmıştır. Sistem açıldığında önceki çalışma moduna ilişkin sıcaklık, çalışma frekansı, çalışma süresi ve güç seviyesi gibi parametreler EEPROM’dan okunur. Kullanıcı dilerse bu parametreleri değiştirebilmektedir. Kazan sıcaklığı anlık olarak okunmakta ve set edilen sıcaklık değerine geldiğinde sistem otomatik olarak ısıtıcıyı kapatmaktadır. BAŞLA/DUR düğmesine basılarak sistem çalıştırılır. Sistem set edilen çalışma süresi bitiminde otomatik olarak ultrasonik sinyal üretimini durdurur ve yüksek besleme gerilimini röle aracılığıyla kapatır. Kullanıcı çalışma süresinin bitmesini beklemeden de sistemi durdurabilmektedir. Folyo testi ultrasonik kazanın kabaca ne kadar güçte ve nasıl bir profilde yıkama yaptığını gösteren pratik bir yöntemdir. Folyo, ultrasonik kazana yatay veya dik olarak daldırılır. Folyonun kazanda oluşan kavitasyon patlamaları sonucu aşındığı görülür. Bu aşınmaların folyo üzerindeki homojenliği ve derecesi kazanın yıkama kalitesi hakkında bilgi vermektedir. Kazan iç ebatları 150x135x150 mm3, kazan su miktarı 2,5 litre, çalışma frekansı 38 kHz, su sıcaklığı 60oC’de iken yapılan folyo testleri sonucunda sistemde en iyi temizleme etkinliğinin elde edildiği görülmüştür. Proje kapsamında geliştirilen ultrasonik yıkama makinesi prototipinde frekans, güç seviyesi, çalışma modu, çalışma süresi ve kazan sıcaklığı manuel olarak ayarlanabilmektedir. 37-42 kHz aralığında seçilen bir frekans değerinde manuel olarak çalışabilmektedir. Endüstriyel veya laboratuvar tipi modellere kolaylıkla adapte edilebilir. Elektronik sarf malzemeleri hariç yerli teknoloji kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Temizleme sıvısının sıcaklık kontrolü mikrodenetleyici aracılığıyla yapılmaktadır. Bu özelliklerinden dolayı piyasadaki birçok ürüne göre daha avantajlıdır. Tez raporunda ultrasonik dalgaların tanımı ve doğası, ultrasonik temizleme konusu, mikrodenetleyici tabanlı ultrasonik temizleme makinesinin tasarım aşamaları yazılım ve donanım yönleri, çalışma modları ve folyo testi sonuçları yer almıştır.

Title

Examination of Cleaning Efficiency of Ultrasound with Respect to Various Parameters

Abstract

There are lots of cleaning methods that are used for many years in several industrial areas. These are acid based vapor degreasing techniques. Vapor degreasing techniques use chlorinated and fluorinated solvents that damage the ecology of our planet. At the same time, cleaning requirements are continually increasing. Cleanliness has become an important issue in many industries where it never was in the past. As a result, it continually needs to be developed. Cleanliness was always important in industries such as electronics which has critical role for growing technology. It is obvious that each advance in technology demands greater and greater attention to cleanliness for its success. Cleaning technology is in a state of change. Utrasonic cleaning technology is commonly used to clean many different types of objects, including jewellery, lenses, watches, electronic equipments, mechanical components, dental and surgical instruments. In recent years, the cleaning industry researches for environmentally friendly cleaning methods to find an alternative cleaning technique instead of chemical cleaning. These are water based and petroleum based cleaning techniques. But they are often less effective as cleaners than the solvents and may not perform adequately in some applications. Ultrasonic energy is now used extensively in critical cleaning applications. This project is intended to familiarize the reader with the definition, nature and the basic theory of ultrasonic waves, ultrasonic cleaning phenomena and how ultrasonic energy can be most effectively applied to enhance a variety of cleaning processes. The cleaning industry has made many researches to provide desired cleaning efficieny and in recent years, ultrasonic cleaning methods have made lots of innovation in cleaning industry. Ultrasonic cleaning is commonly used for an alternative way to chemical cleaning in critical cleaning process. Because ultrasonic cleaning is faster, cheaper, more reliable and higher quality cleaning process rather than the chemical cleaning process. New era has just begun with the improvements of microcontrollers in industrial automation. Microprocessor based electronic circuits are started to be used in several application areas. Because of decreasing of dimensions of devices and several new requirements, faster microprocessor chips are designed and they are released in the market. PIC microcontrollers, which have their own ADC inside, are a good example for this development. These kind of components provide easier and flexible design to designers on sensor based applications in industrial automation. Ultrasonic cleaning systems are generally consisted of a tank that is made of stainless steel, one or more ultrasonic transducers which are located under the tank with a speacial glue, an ultrasonic generator and a cleaning solution. Each of the units of ultrasonic cleaning system must be approached as an engineering issue. Ultrasonic signal generators produce high frequency signals between 20-120 kHz. High and low pressure ultrasonic waves occur in the liquid of the cleaning tank when ultrasonic transducers are driven by these kind of ultrasonic signals. These pressure waves make millions of microscopic bubbles in cleaning liquid. These bubbles become larger under low pressure. On the other hand, they implode by getting smaller under high pressure. This event is called as ultrasonic cavitation and it is the principle of ultrasonic cleaning systems. In this study, it is aimed to benefit from the advantages of an advanced PIC microcontroller on designing of electronic circuits of ultrasonic cleaning systems which are commonly used in industrial manufacture and laboratory studies. After having made research in the industrial market, it seems that lots of companies in our country use former technology and they all design only analog based ultrasonic generator circuits. However, microcontroller based advanced products come from abroad. For these reasons, this thesis study has been started to get rid of dependency to other countries and to design a genuine industrial product. In this study, it is aimed to examine the cleaning efficiency of ultrasound with respect to various parameters such as frequency, power, temperature, shape of wave. Driver and power units of a microcontroller based ultrasonic generator, which has advanced controlling functions are designed and implemented for 40 kHz ultrasonic cleaning machines. The importance and usage of ultrasonic frequencies for surface cleaning purposes are addressed. The designed generator provides a solution with several frequency scanning techniques against degradation problems of cleaning efficiency caused by parameters such as temperature, height of liquid, material that is cleaned. Since its operation has the property of frequency sweeping in a narrow frequency band, more homogenous cleaning patterns have been observed in the foil tests, and the related results are included in this report. Morever, temperature and timing control is added to cleaning machine. Protections against short circuits in the power unit are added. High voltages and low voltages are isolated from each other. Designed ultrasonic cleaning machine can operate at any frequency between 37-42 kHz operating frequencies. Temperature of water in ultrasonic tank can be set at any degree between 20oC-80oC. In this system, there are three operation mode such as manuel mode, automatic mode and switching mode. In manuel mode, ultrasonic transducer is driven with a frequency which is choosen between 37-42 kHz. In automatic mode, the frequency, which is set by the user, is taken as central frequency and frequency scanning technique is applied in 2 kHz band width around this central frequency. In switching mode, ultrasonic transducer is driven during on time and than it is stopped during silent time until operation time is over. The system can be operated during any time that is choosen between 1-5 minutes. When the system operates, reminder of time is shown on LCD screen. There are 5 power levels in the system. Power control of the system is provided by increasing or decreasing dead band delay between PWM pulses. Ultrasonic transducer is driven by using a half-bridge DC-AC inverter circuit topology. This topology is preferred because only two power transistors are needed. To drive ultrasonic transducer by using this circuit topology, a microcontroller with ECCP (Enhanced Capture/Compare/PWM) module is needed. Two complementary PWM signals are generated and these signals are used to drive power transistors in half-bridge circuit topology. The power of ultrasonic signal can be changed by increasing or decreasing of programmable dead band delay of the microcontroller. Because of driving ultrasonic transducer with modulated ultrasonic signals that have 100-300V peak to peak amplitude, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) transistor, which has higher performance than MOSFET in high voltage operations, is selected for this design. High voltage and low voltage are isolated from each other by using optocouplers, so parasitic effects that come from high voltages to microcontroller and LCD screen are prevented. Impedance matching circuit is added between ultrasonic transducer and power stage to get maximum power from ultrasonic transducer. First of all, RLC equivalent circuit of ultrasonic transducer is determined to design impedance matching circuit. “Butterworth-Van Dyke Transducer Model”, which is widely used in literature, is used to model the ultrasonic transducer. Due to capasitive characteristic of the ultrasonic transducer, an inductor is connected serially to the transducer as for impedance matching. C programming language is used for software design of the system. When the system is started, parameters of last operation mode such temperature, operation frequency, operation time and power level are read from EEPROM of the microcontroller. Temperature of the tank is read permanently and the system stops heater when the temperature of the tank reaches setted temperature value. The system stops generating ultrasonic signal when operation time is over and the system closes high voltage power supply via relay at the same time. However, user can also stop the system without waiting the system finishes its work. Folio test is a practical way to understand how much power is in the tank and what kind of cleaning profile occurs in the ultrasonic cleaning tank. Folio is dipped into ultrasonic tank horizontally or vertically. Due to implosion of cavitation in the tank, folio gets holes. These holes on the folio give information about homogeneity and cleaning efficiency of the tank. After the folio tests, the best cleaning efficiency in the system is achieved when tank’s inner dimension is 150x135x150 mm3, 2,5 litre water is in the tank, operating frequency is 38 kHz and temperature of the water is 60oC. Frequency, power level, operation mode, operation time and temperature of the tank can be set manually in this prototype of utrasonic cleaning machine, which is designed in the project. This prototype can operate manually with any frequency between 37-42 kHz. It can be adapted easily to industrial or laboratory model of ultrasonic cleaning systems. Temperature of water in the tank is controlled by microcontroller. Due to these advantages of this prototype of ultrasonic cleaning machine, it seems to be superior than many other machines sold in market. Examination of cleaning efficiency of ultrasound with respect to various parameters has been studied for 40 kHz ultrasonic cleaning machines. In this study, only one ultrasonic cleaning tank was used during the folio test. New driving methods such as frequency sweeping and signal switching techniques were invented and tested for the ultrasonic transducer located under the ultrasonic cleaning tank with different frequencies. In the thesis report, definition and nature of ultrasonic waves, ultrasonic cleaning phenomena, design steps of the ultrasonic cleaning machine, software and hardware aspects, operation modes, folio test results are included.

Anahtar Kelime

ultrasonik temizlik, ultrasonik temizleme makinesi, mikrodenetleyici, ultrasonik dönüştürücü, ultrasonik üreteç devresi

Bilim Kodu

609




Sıra No :12490
Üniversite

504032309

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. Bilge Günsel

Tez Türü

Doktora

Ay

Mart

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Yener Ülker

Başlık

PARAMETRİK OLMAYAN BAYESÇİ KARIŞIM MODELLERİ İÇİN ARDIŞIK MONTE CARLO ÖRNEKLEYİCİLER

Özet

Bu çalışmanın temel amacı, parametrik olmayan Bayesçi model seçim teknikleri içinde önemli bir yere sahip olan Dirichlet süreci karışım modelleri (DPM) için etkin ardışık Monte Carlo (SMC) örnekleyiciler tasarlamaktır. Tasarlanan algoritmalar, önerilen sınıf güncelleme metotları sayesinde, yeni gelen gözlemlerin ışığında parçacık gezingelerinde değişiklik yaparak gerçek DPM sonsal dağılımına daha iyi bir yaklaşıklık sağlamaktadır. Önerilen metot, DPM sonsal dağılımının çözümünde kullanılan diğer ardışık Monte Carlo örnekleyicileri genelleme özelliğe sahiptir. Tek ve çok boyutlu olasılık dağılımı kestirim problemlerinde yapılan değerlendirmelerde, özellikle sonsal dağılımın izole modlara sahip olduğu koşullarda, önerilen metodun klasik metotlara göre çok daha yüksek doğrulukta sonuca yakınsayabildiği görülmüştür. Ayrıca, manevralı hedeflerin takibinde ortaya atılan en yenilikçi modellerden biri olan değişken oranlı parçacık süzgeçleri (VRPF) tezde ele alınmış ve çoklu model yaklaşımları değişken oranlı modeller ile birleştirilerek, takip başarımını arttıran çoklu model değişken oranlı parçacık süzgeçleri (MM-VRPF) önerilmiştir. Çoklu model yaklaşımının manevralı hedef gezingelerini daha iyi modellediği benzetim sonuçları ile gösterilmiştir.

Title

SEQUENTIAL MONTE CARLO SAMPLERS FOR NONPARAMETRIC BAYESIAN MIXTURE MODELS

Abstract

In this thesis, we developed a novel online algorithm for posterior inference in Dirichlet Process Mixture (DPM) models that is based on the sequential Monte Carlo (SMC) samplers framework. The proposed method enables us to design new clustering update schemes, such as updating past trajectories of the particles in light of recent observations, and still ensures convergence to the true DPM posterior distribution asymptotically. Our method generalizes many sequential importance sampling based approaches and provides a computationally efficient improvement to particle filtering that is less prone to getting trapped in isolated modes. Performance has been evaluated in univariate and multivariate infinite Gaussian mixture density estimation problems. It is shown that the proposed algorithm outperforms conventional Monte Carlo approaches in terms of estimation variance and average log-marginal. Moreover, in this thesis we dealt with the maneuvering target tracking problem. We incorporated multiple model approach with the recently introduced variable rate particle filters (VRPF) in order to improve the tracking performance. The proposed variable rate model structure, referred as Multiple Model Variable Rate Particle Filter (MM-VRPF) results in a much more accurate tracking.

Anahtar Kelime

Parçacık süzgeçleri, hedef takibi, ardışık Monte Carlo, Monte Carlo, Parametrik olmayan modelller, Dirichlet süreci karışım modellleri

Bilim Kodu

6090208




Sıra No :12483
Üniversite

504052207

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. Zümray DOKUR

Tez Türü

Doktora

Ay

Mart

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Zafer İŞCAN

Başlık

ELEKTROENSEFALOGRAM TABANLI BEYİN BİLGİSAYAR ARAYÜZLERİ İÇİN SINIFLAMA YÖNTEMLERİNİN GELİŞTİRİLMESİ

Özet

Tezde, elektroensefalogram (EEG) tabanlı beyin bilgisayar arayüzleri (BBA) için uygun sınıflama yöntemlerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. P300 (pozitif 300) ve SSVEP (durağan hal görsel uyarılmış potansiyel) tabanlı sistemler üzerine odaklanılmıştır. Literatürde önceden önerilen ve P300 tabanlı bir probleme uygulanan bir sınıflama yönteminin (T-Ağırlık), uygun önişleme sayesinde sınıflamada daha başarılı hale getirilebileceği gösterilmiştir. Yöntem, IEEE MLSP 2010 Çalıştayı kapsamındaki EEG sınıflamasına yönelik yarışma verisine uyarlanmış ve katılan 35 grup arasında en iyi ikinci başarımı veren yöntem olmuştur. Bu yönteme eşik bulma fonksiyonu dahil edilerek, iki sınıflı problemler için başarılı bir sınıflayıcı yapısı (İyileştirilmiş T-Ağırlık yöntemi) geliştirilmiştir. Yöntemin genel uygulanabilirliğini artırmak için, çok sınıflı problemlerde çalışabilen MCTW (Çok-Sınıflı T-Ağırlık) yöntemi önerilmiştir. Bu yöntem, 20 denek üzerinde gerçekleştirilen SSVEP tabanlı 4 ve 5 sınıflı bir BBA tasarımı üzerinde denenmiş ve farklı sınıflayıcılarla karşılaştırılmıştır. Elde edilen veriler, MCTW yönteminin başarılı sonuçlar verdiğini ortaya koymuştur. Başka bir SSVEP tabanlı 9 sınıflı bir BBA deneyinde, katılan 9 denek çok yüksek sınıflama başarımlarına ulaşmıştır. Son olarak, literatürde kullanılan deney tasarımlarından farklı olarak, BBA için farklı bir uyaran sunum şekli önerilmiştir. Önerilen SSVEP tabanlı tasarımda, denekler yazmak istedikleri karakterleri, farklı noktalar arasında çizgiler çizerek oluşturmaktadır. Bu tasarıma, “Karakter Çizici” adı verilmiştir. Tasarım, geribildirimli deneylerde 16 denek üzerinde test edilmiş ve yeni bir tasarım olarak BBA için kullanılabileceği önerilmiştir.

Title

DEVELOPMENT OF CLASSIFICATION METHODS FOR ELECTROENCEPHALOGRAM BASED BRAIN COMPUTER INTERFACES

Abstract

In this thesis, it was aimed to develop appropriate classification methods for electroencephalogram (EEG) based BCIs. Focus was given to P300 (positive 300) and SSVEP (steady state visual evkoed potential) based systems. It was demonstrated that a previously proposed classification method (T-Weight) that was applied to a P300 based problem in literature can become more successful in classification by proper preprocessing. The method was adapted to the competition data of IEEE MLSP 2010 Workshop and generated the second best performance among 35 participant groups. By addition of a threshold determination function to this method, a classifier structure (Improved T-Weight Method) that is successful for problems with two classes was developed. In order to increase the general applicability of the method, MCTW (Multi-Class T-Weight) method which can work for multi-class problems was proposed. The method was tested on a SSVEP based BCI design with 4 and 5 classes on 20 subjects and compared with different classifiers. Obtained results show that MCTW method generates successful results. In another SSVEP based BCI experiment with 9 classes, 9 subjects achieved a very high classification accuracy. Finally, a stimuli presentation scheme different from the experiment designs in literature for BCI was proposed. In the proposed SSVEP based method, subjects form the characters that they want to write by drawing lines between different points. This design was called “Character Plotter”. It was tested in experiments with visual feedback on 16 subjects and it was suggested that Character Plotter can be used as a new approach for BCIs.

Anahtar Kelime

Beyin bilgisayar arayüzü, Elektroensefalogram, Sınıflama

Bilim Kodu

6090104




Sıra No :12274
Üniversite

504091372

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

İbrahim Altunbaş

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Mehmet Çağrı İlter

Başlık

GÖLGELEMELİ/SÖNÜMLEMELİ KANALLARDA FİZİKSEL KATMAN AĞ KODLAMA

Özet

Bu çalışmada, literatürde ilk kez ağ kodlamalı sistemlerin genelleştirilmiş-K dağılımlı kanallardaki başarımı incelenmektedir. Sistemlerin başarımları servis kesilme olasılığı ve simge hata olasılığı üzerinden değerlendirilmiştir. Öncelikle genelleştirilmiş-K dağılımlı kanallarda fiziksel katman ağ kodlamanın iki kullanıcı ve bir röleden oluşan sisteme uygulanması incelenmiştir. İkinci olarak fiziksel katman ağ kodlamayı Alamouti uzay-zaman blok kodu ile birlikte kullanan iki sistemin genelleştirilmiş-K dağılımlı kanallardaki hata başarımları elde edilmiştir. Ele alınan birinci sistemde bütün birimler tek verici/alıcı antenli olup, iki kullanıcı, iki rölenin yardımıyla birbirlerine işaretlerini iletmektedir. İkinci sistemde ise iki verici/alıcı antene sahip iki kullanıcı tek antenli bir röle üzerinden iletişimlerini sağlamaktadır. Bu çalışmada, incelenen bütün sistemlere ait başarımlar moment üretme işlevi üzerinden çeşitli kanal durumları için elde edilmiştir. Yapılan analizlerde ilk olarak birimlerin işaret çıkış enerjileri eşit alınmış, devamında sistemlere ilişkin toplam hata başarımını minimum yapan en iyi çıkış enerjileri elde edilmiştir. Elde edilen tüm teorik sonuçlar, bilgisayar benzetimleri yardımıyla doğrulanmıştır.

Title

PHYSCICAL LAYER NETWORK CODING IN THE SHADOWING/FADING CHANNELS

Abstract

In this thesis, three different physical layer network coding systems are analyzed in the existence of generalized-K channels. To the best of our knowledge, error performance analysis of physical layer network coding systems in presence of generalized-K channel has not been reported so far. Error performance analysis of systems is studied based on moment generating function. Pade approximation is used to obtain moment generating function at the users. By using Pade approximation method, infinite sum series turn into the sum of finite number terms which yields sufficient accuracy. Therefore, moment generating functions of the users are expressed as Taylor series forms where the moments of signal to noise ratios are coefficients of the series at first. We primarily investigate general forms of the moments of received signal to noise ratio at users. After moment generating function is derived, outage probabilities and symbol error rates are calculated for different channel conditions. The analytical results are verified by computer simulations.

Anahtar Kelime

Gölgelemeli/sönümlemeli kanallar, fiziksel katman ağ kodlama, genelleştirilmiş-K dağılımı

Bilim Kodu

6090207




Sıra No :12471
Üniversite

504081413

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Biyomedikal Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. İnci Çilesiz, Doç. Dr. Selçuk Aktürk

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Şubat

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Bircan Sazak Dinç

Başlık

LASER DEMET PROFİLLERİNİN SAÇICI ORTAMDA İLERLEMESİNİN MONTE CARLO YÖNTEMİ İLE BENZETİMİ

Özet

Monte Carlo yöntemi çeşitli fiziksel problemleri çözmek için kullanılmıştır. Bu yöntem optiğe uygulandığında bir ortam içinde ilerleyen fotonlar saçıldığında ya da emilime uğradığında gerçekleşen değişimlerin değerlendirilmesi esasına dayanır. Kullandığımız MC yöntemi ile farklı fiziksel özelliklere sahip ortam ve dokularda yansıma (reflection), geçirgenlik (transmission), emilim (absorption) ve akı (fluence) oranları hesaplanmıştır. Ayrıca hesaplanan bu fiziksel büyüklükler farklı demet profillerine göre yeniden değerlendirilmiştir. Özellikle Gauss ve Bessel profiline sahip demetlerin saçıcı ortamda ilerleyişleri karşılaştırılmıştır. Bessel demetlerinin kendini yenileme özelleikleri sayesinde daha derinlere nüfuz edebilecekleri gösterilmiştir. Bu çalışma kapsamında MCML (Monte Carlo Modeling of Light) programının prensipleri ve uygulamaları ile ilgili gerekli ayrıntılar, sonlu Gauss ve Bessel demet profillerinin konvolüsyon hesabının gerçekleştirilmesi ile ilgili analitik ifadeler, bu demet profillerinin saçıcı ortamda ilerleyişinin etkisi ve bu hesaplamalar ile ilgili programlara ve algoritma detayları verilmiştir.

Title

SİMULATİON OF LASER BEAM PROFİLE PROPAGATİON İN SCATTERED MEDİA USİNG MONTE CARLO METHOD

Abstract

The Monte Carlo simulations are used for solving various physical problems. The Monte Carlo method involves recording photon histories as they propagate, and are scattered and absorbed in random media. The applications have so far neglected anisotropy and internal light reflection. The Monte Carlo model used allows calculation of reflection, transmission, absorption and fluence rates of light travelling in tissue. Additionally, calculated physical quantities were re-evaluated as a function of beam profiles. Beams with Gauss and Bessel profiles were studied as they propagated in scattering medium. Because of self-healing property of Bessel beams, it was shown that such beams can penetrate deeper. This work provides details necessary for implementation of a Monte Carlo program to simulate Gauss and Bessel beam propagation. Analytic expressions facilitating convolution for finite Bessel and Gauss beams and the effect of such beams as they are propagating in scattering medium; algorithm and programming details were given.

Anahtar Kelime

Bessel demeti, Gaussian demeti, Demet Profili ,Monte Carlo yöntemi, Geçirgenlik, Dağınık Yansıma, Akı, Emilim, Emilim Katsayısı, Saçılma Katsayısı, Anizotropi

Bilim Kodu

6090104




Sıra No :12303
Üniversite

504081208

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Doç. Dr. Müştak Erhan YALÇIN

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Gürkan KAYA

Başlık

HALKA OSİLATÖR TABANLI FİZİKSEL KLONLANAMAYAN FONKSİYONLARIN GÜVENİLİRLİKLERİNİN İYİLEŞTİRİLMESİ

Özet

Bu çalışmada, halka osilatör tabanlı fiziksel klonlanamayan fonksiyon devrelerinin, çeşitli çevresel etkiler karşısında güvenilirliklerin artırılması amaçlanmıştır. Öncelikle, osilatör çiftlerinin ürettiği frekans farklılıklarını ve dinamik etkileri gözlemleyip modelleyebilmek için çeşitli sahada programlanabilir kapı dizilerinin (FPGA) farklı bölgelerinde osilatör çiftleri gerçeklenmiş ve frekans farklılıkları ölçülmüştür. Bu ölçümler sonucunda halka osilatör çiftlerinine ilişkin statik ve dinamik dağılımlar elde edilmiştir. Güvenilirliği artırmak amacıyla halka osilatörleri etiketleyen bir yöntem önerilmiştir. Bu çalışmada ayrıca, bir osilatör çiftinden birden fazla bit elde etme işlemi de incelenmiş ve dinamik etkilere karşı test edilmiştir. Etiketleme yönteminin etkinliğini ve bir osilatör çiftinden birden fazla bit elde etme işlemini gerçek devre üzerinde incelemek amacıyla, fiziksel klonlanamayan fonksiyon devresi FPGA üzerinde gerçeklenmiştir. Sıcaklık odası ile ortamın sıcaklığı 10 – 65 °C arasında değiştirilmiştir. Sonuç olarak, ortam sıcaklığının artmasıyla birlikte güvenilmez bit sayısının arttığı gözlenmiştir. Etiketleme yöntemi kullanıldığında güvenilmez bite rastlanmamıştır. Bir halka osilatör çiftinden birden fazla bit (iki ve üç bit bilgi) elde edilmesi de test edilmiştir. Elde edilen iki ve üç bitlik verilerin küçük bir farklılıkla birlikte eşit dağılımlı olduğu gözlenmiştir. Bir osilatör çiftinden elde edilen bit sayısı arttıkça, güvenilir olmayan bitlerin sayısı da artmıştır. Fakat bir osilatörden iki ve üç bit elde etmede tüm hataların komşu bölgede olduğu gözlenmiştir.

Title

RELIABILITY ENHANCEMENT OF RING OSCILLATOR BASED PHYSICALLY UNCLONABLE FUNCTIONS

Abstract

In this thesis, it is aimed to enhance the reliability of ring oscillator based Physically Unclonable Functions (PUFs) under different environmental variations. In order to observe and model the frequency difference of ring oscillator pairs and dynamic effects, ring oscillators are realized and measured at different locations of different Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). After the measurements, static and dynamic distributions of ring oscillator pairs are obtained. In order to increase the reliability, a new technique that is labeling ring oscillators, is proposed. Also, in this study, the process of obtaining multiple bits from a ring oscillator pair is observed and tested with respect to dynamic effects. In order to analyze the enhancement of labeling technique and multiple bit extraction at the circuit, the PUF circuit is implemented on an FPGA. The ambient temperature is changed between 10 – 65 °C with a temperature chamber. As a result, it is observed that with increasing ambient temperature, the number of unreliable bits are increased. When labeling technique is used, no unreliable bits are observed. Multiple bits extraction (two and three bits extraction) is also tested. It is observed that the distribution of two and three bit wide data are almost equally distributed. The number of unreliable bits are increased with the extracted bit numbers. However, it is seen that all erronous bits are caused by jumping to adjacent region.

Anahtar Kelime

Fiziksel klonlanamayan fonksiyonlar, PUF, Sahada programlanabilir kapı dizileri, FPGA, halka osilatör

Bilim Kodu

6090300




Sıra No :12712
Üniversite

504091363

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Prof.Dr.İbrahim Akduman

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Fatih Erdem

Başlık

ÜÇ TABAKALI ORTAM İÇERİSİNE GÖMÜLÜ CİSİMLERİN GÖRÜNTÜLENMESİ

Özet

Bu çalışmada düzlemsel ayrılmış üç tabakalı bir ortamda orta tabaka içerisine yerleştirilmiş cisimlerin elektromagnetik dalgalar yardımıyla yer ve şekillerinin belirlenmesi problemi ele alınmıştır. Problem üç boyutlu çalışmalara giriş niteliğinde olup iki boyutta incelenmiştir. Bu amaca yönelik kontrast kaynak yöntemi öncelikle sonsuz uzaya yerleştirilmiş cisimlerin görüntülenmesi için uygulanmış sonrasında üç parçalı ortam içerisine yerleştirilmiş cisimler için uygulanmıştır. Sonsuz uzay durumu için düz problem Moment yöntemi ile çözülerek sentetik veri üretilmiştir. Düz problem sonuçları sonlu eleman analizi sonuçları ile doğrulanmıştır. Sonsuz uzay durumu için başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Parçalı uzay durumunda düz problem, üç parçalı uzayın Green fonksiyonları kullanılarak Moment yöntemi ile çözülmüştür. Green fonksiyonunun Fourier ters integral yolu üzerinden hesaplanan bileşenlerinden bir tanesi mevcut analitik ifadelerle karşılaştırılarak doğruluğu kontrol edilmiştir. Bu kontrol analitik olarak büyük farklılık göstermeyen ve aynı integral yolu üzerinden hesaplanan Green fonksiyonu diğer bileşenlerinin de doğru hesaplandığına dair güçlü bir kanıt teşkil etmektedir. Görüntüleme bölgesi aşağı yönde ilerleyen düzlem dalgalarla aydınlatılmış olup gözlem noktaları üst yarı uzaya yerleştirilmiştir. Parçalı uzayda görüntüleme başarımı sonusz uzaya göre düşmüş olsa da elde edilen sonuçlar kontrast kaynak yönteminin üç parçalı ortamda görüntüleme yapmak için uygulanabilir olduğunu göstermektedir.

Title

RECONSTRUCTION OF OBJECTS LOCATED IN THREE PART PLANARLY LAYERED MEDIA

Abstract

In this study, the problem of reconstructing the location and the shape of a buried object in a three part planarly layered media is considered. The problem is studied in two dimensions serving as a prestudy for three-dimensional problems requiring more advanced math and high computational capability. To this aim, Contrast source Inversion(CSI) method is applied for the objects located in infinite medium first in order to verify correct implementation of the method. Then, the method is applied for objects located in a three part planarly layered media. In infinite medium case, the forward problem is solved using Method of Moment (MOM) to produce synthetic data and the results validated by analytical solution and Finite Element Method (FEM) solution. Satisfactory results are obtained in the infinite medium case. In stratified media case, the forward problem is solved using MOM by utilizing the Green’s functions pertaining to three part planarly layered media. It is checked that one component of the Green’s functions used in the forward solution is calculated correctly through the Fourier inversion path by comparing the results with available analytical expressions. This check also provided a powerful evidence indicating that the other components having similar analytical behavior are calculated correctly through the same integral path. The reconstruction domain is illuminated by down going planewaves and receive points are located in the upper half space which is the only accessible media. The performance of the reconstruction is degraded comparing to infinite medium case but obtained results showed that Contrast Source Inversion method can be applied to reconstruct objects located in a three part planarly layered media.

Anahtar Kelime

elektromagnetik ters saçılma, kontrast kaynak yöntemi

Bilim Kodu

609




Sıra No :12894
Üniversite

504101320

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Yard. Doç. Dr. İlker BAYRAM

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Ömer Deniz AKYILDIZ

Başlık

SES İŞARETLERİ İÇİN YAPILANDIRILMIŞ SEYREK BİR AYRIŞTIRMA YÖNTEMİ

Özet

Bu çalışmada, işaretlerin tonal ve tonal olmayan kısımlarının ayrıştırılması için çözümleme önseli temelli bir yöntem önerilmiştir. Önerilen yöntem ses işaretlerinin farklı zaman-frekans gösterilimlerindeki dağılımlarının farklılıklarını kullanmaktadır. Problem, çözümleme önseliyle düzenlileştirilmiş bir tersine problem olarak düzenlenmiştir. Bu çalışmadaki yaklaşım, daha önce önerilmiş olan bireşim işleci temelli yaklaşımlara bir alternatif oluşturmaktadır. İşaretlerin çeşitli kısımlarının elde edilmesi işaret işlemede çok çalışılan bir problemdir. Özellikle ses işaretlerinin farklı kısımlarını, karmaşık olması itibariyle, modellemek çok kolay değildir. Literatürde çok farklı yaklaşımlar olmakla birlikte, son zamanlarda dikkat çeken bir yaklaşım `biçimsel farklılık ve `yapılandırılmış seyreklik konseptlerinin kullanımına dayanmaktadır. Bu çalışma içerisinde kullanılan kavramlardan ilki biçimsel farklılık kavramıdır. Bu fikir, görüntü, ses, biyofiziksel işaretler gibi pek çok işaretin çeşitli bileşenlerinin farklı gösterilimler altındaki `seyrek olabileceği üzerine dayanmaktadır. Sözgelimi, örnek bir görüntü işaretinde, eğrisel yapılar bir çerçeve ile `seyrek temsil edilebilirken, doku gibi periyodik örüntüler taşıyan yapılar daha farklı bir çerçeve ile `seyrek temsil edilebilir. Bu özellik kullanılarak, her işaretin `seyrek olduğu çerçeve seçildiğinde, seyrek çözümler veren eniyileme problemleri istenilen kısımları elde etmeye yardımcı olacaktır. Aynı şey ses işaretleri için de geçerlidir. Örneğin, sesin tonal kısımları spektrogram adı verilen gösterilim altında yatay yapılarda kendini gösterirken, sesin tonal olmayan kısımları spektrogram adı verilen gösterilim altında dikey yapılarda kendini gösterir. Dolayısıyla sesin bu biçimsel özelliklerini kullanarak her iki bileşeni de `seyrek bir şekilde temsil etmek mümkündür. Sözgelimi, bu amaç için, farklı pencere boylarına sahip Kısa-Zamanlı Fourier Dönüşümü (KZFD) kullanılabilir. Bu çalışmada kullanılan kavramlardan ikincisi `yapılandırılmış seyreklik adı verilen bir kavramdır. Buna göre, `seyrek çözümler elde etmek için sıklıkla kullanılan l-1-düzenlileştirme yaklaşımı, sadece seyrek çözümlerin isteneni vermediği, diğer bir deyişle daha `yapılandırılmış problemler için yetersiz kalmaktadır. Çünkü, l-1-normu üstü kapalı bir şekilde değişkenlerin birbirinden bağımsız olduğunu varsaymaktadır. l-1-normu Bayesçi bir açıdan bakıldığında Laplace önseline karşılık düşmektedir. Dolayısıyla, yapılandırılmış çözümlerin gerekli olduğu durumlarda l-1-normu işlevsel olamamaktadır. Onun yerine çokça kullanılan bir yaklaşım `karışık-norm düzenlileştirme yaklaşımıdır. Buna göre, sadece bileşenlerin çeşitli gösterilimler altında biçimsel farklılıklarının seyrek olarak elde edilmesinin yetmediği problemlerde, seyrek çözümlere belli bir yapı empoze etmek mümkündür. Karışık-normları karakterize eden grup yapıları probleme özelleştirilerek bu sorunun üstesinden gelinebilir. Özetin ileriki kısımlarında buna açıklık getirilmiştir. Öncelikle ilk kavramımızı, yani biçimsel farklılığı kullanmak için işaretlerin ilgilendiğimiz kısımlarını yeterince net bir şekilde temsil edebilecek dönüşümlere ihtiyacımız vardır. İşaretin ilgilendiğimiz kısımları tonal ve tonal olmayan kısımlar olduğuna göre, bu yapıları özel olarak daha iyi temsil eden iki dönüşüme ihtiyaç duymaktayız. Ses işaretlerinde tonal kısım genelde piyano, vokal gibi dürtüsel içeriğe sahip olmayan kısımdır. Bu kısmın fiziksel özellikleri düşünüldüğünde, bir piyanonun basılan notalara göre belli frekanslarda iyi yerleşmiş olması, fakat zamanda dağılmış olması gerekir. Çünkü saniyeler içerisinde belli notalardaki frekanslar çok iyi lokalize iken, bu notalar belli zaman aralıkları boyunca çalmaktadır. Dolayısıyla, bir zaman-frekans dağılımı düşünüldüğünde, tonal kısımların frekansa karşılık düşen eksende seyrek fakat zamanda seyrek olmamaları gerekir. İşaretleri ses işlemede sıkça kullanılan Kısa-Zamanlı Fourier Dönüşümü (KZFD) domenine geçirdiğimizde bu durum gerçekten de böyle olacaktır. KZFD nin yapısı gereği tonal kısım enine yapılarla temsil edilecektir. Aynı şekilde perküsyon gibi dürtüsel içeriğe sahip işaretlerin, zamanda çok kısa yer tuttuklarından dolayı, zaman ekseninde seyrek olmaları beklenir. Bu işaretler de frekansta dağılmış olacaklardır. Dolayısıyla, KZFD gösteriliminde tonal olmayan işaretlerin dikey yapılarla temsil edilmesi beklenir. Fakat her iki bileşeni de başarıyla temsil edebilecek bir KZFD dönüşümü yoktur. Çünkü zaman-frekans gösterilimlerinin çözünürlükleri Heisenberg belirsizlik ilkesi uyarınca sınırlanmıştır. Bunun için, iki bileşeni de efektif şekilde temsil edebilmek için, iki dönüşüm kullanmaktayız. Bu dönüşümlerin birincisi, uzun pencereli dönüşümdür ve bu dönüşüm tonal kısımları daha iyi temsil etmektedir. İkinci dönüşüm ise kısa pencereli dönüşümdür ve bu dönüşüm tonal olmayan kısımları temsil etmektedir. İlk dönüşüm -uzun pencereli dönüşüm- alındığında zaman-frekans eksenindeki yatay yapıların, dikey yapılara göre daha belirgin olması beklenmektedir. Fakat böyle bir yapıyı sadece seyrek olmaya zorlamak, yatay yapıları elde etmek için yeterli olmayacaktır. Aynı şekilde, kısa pencereli dönüşüme bakıldığında dikey yapıların yatay yapılara göre daha belirgin olması beklenmekle beraber, yine de bu belirginlik sadece seyrek bir çözüm ile elde edilebilecek kadar net değildir. Bu noktada sadece seyrek çözümler elde etmek yerine, daha komplike ve yapılandırılmış seyrek çözümler elde etme fikri akla gelmektedir. Buna göre, sadece l-1 normu kullanmak yerine, karışık norm kullanılabilir. Çünkü karışık normlar grup yapıları sebebiyle değişkenler arasında bağlılık ilişkilerine imkan vermektedir. İki boyutlu bir yapı olan KZFD gösterilimine bakıldığında, bu yapıda yatay ve dikey yapılar arasında çeşitli bağlılık ilişkileri varsaymak problemin yapılandırılmış çözümüne büyük bir katkı sağlayacaktır. Sözgelimi, yatay yapıların daha belirgin olduğu uzun pencereli dönüşüm için, yatay yöndeki değişkenlerin birbirine bağımlı olduğunu varsaymak veya benzer şekilde dikey yapıların daha belirgin olduğu kısa pencereli dönüşüm için dikey yöndeki değişkenlerin birbirine bağımlı olduğunu varsaymak istediğimiz gibi çözümler elde etmemizi kolaylaştıracaktır. Bu amaçla, karışık normların grupları yatay seçildiğinde, yatay yapıların elde edilmesi, karışık normların grupları dikey seçildiğinde dikey yapıların elde edilmesi mümkündür. Dolayısıyla, uzun pencereli analizin üstüne yatay gruplu karışık norm konularak bir önsel elde edildiğinde, bu önsel bilgi terimi yatay yapıların elde edilmesini sağlayacaktır. Çünkü uzun pencereli analizde yatay yapılar daha belirgin iken, üstüne bir de yatay yapılar arasında bir bağlılık ilişkisi varsayıldığında bu yapıları elde etmek çok daha kolay olacaktır. Aynı şekilde kısa pencereli analizin üstüne dikey gruplu bir karışık norm konularak elde edilen bir önsel bilgi terimi ise dikey yapıların elde edilmesini sağlayacaktır. Bu işaretlerin zamana geri çatıldıklarında elde edilen işaretler sadece tonal ve tonal olmayan kısımlar olacaktır. Bu çalışmadaki temel yeniliklerden birisi, yeni bir notasyonun ve çerçevenin de kullanılmış olmasıdır. İlk kez daha önceki çalışmalarda önerilen `destek işlevleri ile problem formüle edilmiş ve çözümler bu çerçevenin içerisinde yapılmıştır. Buna göre düzenlileştirme terimi olarak kullanılabilen her norm, destek işlevi olarak yazılabilmektedir. Böyle bir yeniden-yazım, çeşitli önsavların kullanımına imkan vermektedir. Böyle önsavlardan bir tanesi, klasik bir gürültüsüzleştirme probleminin bu şekilde yeniden yazıldığında izdüşüm algoritmaları ile çözülebileceğini savlamaktadır. Dolayısıyla, problem formülasyonları bir kere verildiğinde, geriye kalan şey izdüşüm algoritmalarını çıkarmak olmaktadır. Böyle bir açıdan bakıldığında problemler daha kolay ve basit yollardan çözülebilmektedir. Bu çalışmada temel olarak yapılan şey, destek işlevi çerçevesinde tanımlanmış olan bir gürültüsüzleştirme formülasyonunun, uygun pencere seçimleri ve uygun norm seçimleri ile koordinat-inişi bir düzenlemede kullanılmasıdır. Dolayısıyla, uygun önsel bilgi terimleri modele eklenerek bir işaret ayrıştırma algoritması elde edilmiştir. Bu algoritma sonucu elde edilen işaretler, aynı problemi çözen diğer algoritmaların sonuçları ile karşılaştırılmış ve yakın bir performans elde edildiği ve modelin geliştirmeye açık olduğu görülmüştür.

Title

A STRUCTURED SPARSE DECOMPOSITION METHOD FOR AUDIO SIGNALS

Abstract

Structured sparse methods enable to obtain special structures in time-frequency representations of audio signals. These methods generally consist of convex optimization problems. Also, these formulations are inverse problem formulations to estimate a target signal under different circumstances. Problem formulation consists of a quadratic data term and regularization terms. Quadratic data term justifies the resulting signal is `close enough to the observation signal. By using proper regularization terms, which are also corresponding to proper priors for audio signals, one can seek for a special signal structure to estimate. For instance, in a typical denoising scenario, one can incorporate prior knowledge by using regularization terms and successfully obtain target signal in a denoised form. This framework can be applied to signal decomposition problem. To obtain special target structures such as tonal and/or transient parts of an audio signal, different regularization terms can be used. In literature, to form an optimization problem, in addition to different representations, different sparsity-inducing norms are used. In this work, we set `mixed norm analysis priors as our signal priors, i.e. regularization terms, and achieved tonal/transient decomposition of an audio signal by using simple model. Our problem formulation naturally leads to a convex optimization problem. We solved this convex optimization problem with a coordinate-descent approach by using `mixed-norm denoising algorithm. It is also important to emphasize that, we use a different theoretical framework to derive algorithms. We rewrite norms as their support, i.e., support functions, and use theoretical tools from convex analysis. This replacement gives us the opportunity of use projection idea and reduce denoising or decomposition problems to projection problems. As long as projection algorithms is well-studied in convex analysis, this theoretical framework gives extensive flexibility to derive algorithms in a clear notational setting. From a general point of view, our method uses two notions. First, we use morphological diversity of components. That is, we use two different transforms to represent audio data in different resolutions. Each resolution gives us a better representation of the component which we interested in. Secondly, we use the notion of structured sparsity, that is based on the usage of more complicated norms than l1-norm to obtain sparsity. At that point, we use mixed norms with different groupings to obtain each component. More concretely, we choose the first regularization term, for tonal part, as mixed-norm with overlapping groups (formed along time-axis) on Short-Time Fourier Transform (STFT) of the first component with long analysis window. For transient part, we choose the second regularization term as mixed-norm with overlapping groups (formed along frequency-axis) on STFT of the second component with short analysis window. Our results show that, this approach succesfully models the tonal and the transient part of an audio signal, hereby leads to a successful decomposition algorithm.

Anahtar Kelime

İşaret İşleme, Seyreklik, Ses İşleme

Bilim Kodu

6090208




Sıra No :12211
Üniversite

504091381

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Doç. Dr. Selçuk PAKER

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Serkan KAYA

Başlık

MİKRODALGA DUVAR İÇİ GÖRÜNTÜLEME ALGORİTMASI OLUŞTURULMASI VE UYGULAMASI

Özet

Bu tezde engel arkasındaki cisimlerin tespit edilmesi ve iki boyutlu olarak görüntülenmesi için yeni bir mikrodalga görüntüleme yöntemi ve görüntüleme algoritması önerilmekte, literatürde yapılan çalışmalar ile karşılaştırılmaktadır. Mikrodalga görüntülemedeki temel amaç engele zarar vermeden ve engeli ortadan kaldırmadan engelin arkasında veya içinde bulunan farklı malzemedeki cisimlerin tespit edilmesidir. Mikrodalga görüntüleme ile cisimlerin tespit edilebilmesi için taranacak alan elektromanyetik dalga ile aydınlatılarak geri yansıyan sinyaller işlenir. Bu yöntem ile duvar içinde bulunan farklı cisimlerin konumlarının ve şekillerinin tespit edilmesi ve iki boyutlu olarak görüntülenmesi hedeflenmiştir. Mikrodalga görüntüleme sisteminin deneysel ve benzetim çalışmaları yapılarak bu çalışmaların sonuçları karşılaştırılmaktadır. Bu tezde işlenen görüntüleme yöntemi benzetimi için CST Microwave Studio ® elektromanyetik benzetim programı kullanılarak taranacak alanların modelleri hazırlanmıştır. Görüntüleme algoritmaları ve gerekli olan yazılımlar MATLAB ® yazılımında hazırlanarak sonuçlar gösterilmiştir. Duvar içindeki farklı cisimlerin görüntülenebilmesindeki temel prensip farklı malzemelerin farklı dielektrik katsayısına sahip olmasıdır. Bu tezde anlatılan yöntem ile taranan alanda S11 parametre ölçümleri alınarak duvar içindeki taranan noktalardaki değişimler ölçülmektedir. Görüntülemedeki temel yöntem, ölçülen alandaki dielektrik katsayısındaki değişimlerin görüntü işleme algoritmaları ile görüntüye dönüştürülmesi ve cisimlerin tespit edilmesidir. Duvar içindeki cisimlerin daha başarılı şekilde tespit edilebilmesi için yeni bir görüntü algoritması geliştirilmiştir. Bu algoritma ile duvar içindeki cisimlerin arka plan görüntüsünden ayırt edilerek tespit edilme olasılığı arttırılmıştır. Ayrıca modüler sistemler ile duvar içi görüntüleme sisteminin donanımı oluşturulmuş ve cisimlerin konumlarının ve şekillerinin başarılı olarak tespit edildiği sonuçlarda gösterilmiştir.

Title

MICROWAVE WALL IMAGING ALGORITHM DEVELOPMENT AND APPLICATION

Abstract

In this thesis, a new 2D microwave imaging method and imaging algorithm for detection buried object in the wall, is suggested and compared with other microwave imaging methods. Ultra wide band microwave imaging is non-destructive imaging technique to detect objects behind or in the obstacle. It is aimed to determine the location and shape of the object with 2D imaging method. Microwave imaging method uses microwave scattering measurements in the frequency range of a few hundred megahertz up to a few gigahertz to quantitatively reconstruct the bulk electrical properties, the permittivity and effective conductivity of the object being imaged. Suggested microwave imaging method is simulated with CST Microwave Studio simulation program and the experimental study is performed to compare the results. The image and signal processing algorithms are written and simulated with MATLAB and the results are shown. Microwave imaging aims on the reconstruction of the material properties of an object by measuring the scattering of an electromagnetic signal it is illuminated with. The main reason of imaging the different materials is their own characteristic permittivity parameter. Microwave scattering parameters are measured with S11 parameter measurement methods. The microwave scattering measurements data saved and then processed with signal and image processing algorithms to reconstruct the hidden objects. The microwave scattering data are converted to images via inversion algorithms. A new image processing method is applied to increase the probability of detection. This new method reconstructs the hidden objects by removing the background image and enhancing objects according to background image. In addition, the hardware system for the microwave imaging is set up with modular products. The hardware system’s imaging results and the simulation imaging results are shown and compared. The hidden objects’ location and shape are detected successfully with hardware microwave imaging system and the simulation results.

Anahtar Kelime

Mikrodalga, görüntüleme, duvar, algoritma,

Bilim Kodu

6090210




Sıra No :12196
Üniversite

504091395

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Biyomedikal Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. Ibrahim Akduman

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ocak

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Sasan AHDI REZAEIEH

Başlık

KABLOSUZ DAİRESEL POLARİZE ANTENLER TASARIMI VE ARAŞTIRMASI

Özet

Son yıllarda kablosuz haberleşme uygulamalarında gerçekleşen artış nedeniyle, söz konusu sistemlerin performanslarının iyileştirilmesine yönelik araştırmalar önemli bir çalışma alanı oluşturmaktadır. Bu sistemlerin en önemli parçalarından birisini oluşturan antenler konusunda yoğun çalışmalar sürdürülmektedir. Bir çok anten türü arasından dairesel polarize (DP) antenler, polarizasyon uyumsuzluğu ve çok yollu sönümlenme etkilerini azaltmak gibi vazgeçilmez özellikleri nedeniyle en çok tercih edilen antenlerdir. Geniş banttan ve düşük profilden faydalanmak için, yama antenler ve anten toprağı yapıları üzerinde farklı teknikler uygulanarak farklı şekil ve tasarımlarda geniş bantlı dairesel polarize yarık antenler geliştirilmiştir. Yama, mikroşerit ve mikroşerit yarık antenler, entegre devre sistemlerine uyumlulukları nedeniyle, dairesel polarize yapılarda sıklıkla kullanılmaktadır. Son zamanlarda, dairesel polarize çalışma bantları oluşturmak amacıyla farklı yöntemler geliştirilmektedir. Bu yöntemlerin bazıları, yarığın iki zıt köşesine iki adet ters L topraklanmış şerit yerleştirilmesi, yarığa spiral yarıklar yerleştirilmesi, kısa devre edilmiş kare ve annular halka yarıklarının kullanılması, kıvrımlı yarıklar ve kıvrık hat kullanılmasıdır. Ancak, literatürde bulunan antenlerin büyük kısmı 80mm × 80mm, 60mm × 60mm gibi büyük boyutlara, dar empedans uyumuna veya küçük eksensel oran bant genişliğine sahiptirler. Bu tez, dairesel polarize antenlerin hem besleme hem de yarık yapıları için yeni teknikler önermektedir. Bu tez çalışmasında sunulan antenler iki farklı kategoride tasarlanmıştır. İlk kategori daha önce sunulan antenlerin band uyumluluğu ve eksenel optimizasiyonu üzerine yapılmıştır. İkinci kategori tamamen yeni tasarımlardan oluşmuştur. Kapsamlı simülasyon ve yapılan ölçümler sayesinde, tüm tasarlanmış antenler optimize edilmiştir. Tüm tasarlanmış antenler Ansoft Yüksek Frekans Yapı Simülatörüyle (HFSS) simule edilmiş ve İstanbul Teknik Üniversitesi anekoik yansımasız odasında ölçülmüştür.

Title

STUDY AND DESIGN OF CIRCULARLY POLARIZED ANTENNAS

Abstract

Due to the increasing usage of wireless communication applications, the performance improvement studies of such systems has found a growing investigation area in recent years. Antennas as one of the most important parts of these systems have gained a great attention. Among the various types of antennas, circularly polarized (CP) antennas are the most desired ones, owing to their inevitable merits like reducing polarization mismatch and multipath fading. To benefit from broadband and low profiles, various shapes and designs of broadband circularly polarized slot antennas have been developed by applying different techniques on patch and ground structures. Patch, microstrip and slot antennas due to their compatibility with integrated circuit systems are widely being used in circularly polarized structures. Recently different methods are presented for creating circularly polarized operation band. Embedding two inverted-L grounded strips around two opposite corners of the slot, embedding spiral slots in the slot, utilizing a shorted square-ring slot, annular-ring slots, the corrugated slot and meander line are of the most popular and recently presented techniques. But most of the presented antennas in the current literature have either large sizes as 80mm × 80mm, 60mm × 60mm or narrow impedance matching as well as small axial ratio bandwidths. This thesis presents new techniques both in slot structures and feeding structures of circularly polarized antennas. Using these new techniques important results regarding the impedance matching and axial ratio bandwidth of the designed antennas are achieved. Antennas presented in this thesis work are designed in two different catagories. The first catagory are the antennas based on optimizing the size and axial ratio and impedance matching bandwidths of the previously reported antennas. The second catagory are the novel designs and new techniques that are obtained during the studies done for this work. Through extensive simulation and measurements done, the designed antennas are all optimized and presented. All the designed antennas are simulated using Ansoft High Frequency Structure Simulator (HFSS) and measured in the anechoic chamber of Istanbul Technical University.

Anahtar Kelime

Anten, Dairesel polazrize antenler

Bilim Kodu

609




Sıra No :12474
Üniversite

504081323

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

İbrahim Altunbaş

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Şubat

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Mustafa Yağımlı

Başlık

ANTEN SEÇİMLİ FİZİKSEL KATMAN AĞ KODLAMA

Özet

Bu tez çalışmasında, literatürde ilk defa anten seçimli fiziksel katman ağ kodlama tekniği ve bu tekniğe dayalı üç farklı sistem önerilmiştir. Önerilen sistemler, tek antenli iki terminal ile çok antenli bir röleden oluşmakta ve rölede kuvvetlendir ve aktar tekniği kullanılmaktadır. Önerilen sistemlerin çıkışında sağlanan anlık işaret gürültü oranı değerlerine ilişkin hata olasılığı ifadeleri, frekans seçici olmayan ve yavaş sönümlemeli Rayleigh kanallarda M-seviyeli faz kaydırmalı anahtarlama modülasyonu için moment üretme işlevi tekniği kullanılarak çıkarılmıştır. Bunun yanı sıra, türetilen hata olasılığı sınır ifadeleri için asimptotik çeşitleme derecesi analizi yapılmıştır. Bilgisayar benzetimleri yapılarak analizlerin doğruluğu gösterilmiştir. Elde edilen teorik sonuçlara ve benzetim sonuçlarına göre, önerilen sistemlerin çeşitleme derecesinin röledeki toplam anten sayısına eşit olduğu ve bu sayede sistemlerin hata başarımlarının klasik fiziksel katman ağ kodlamalı sisteme göre önemli ölçüde iyileştiği gösterilmiştir. Ayrıca önerilen sistemlere ilişkin hata başarımları kendi aralarında karşılaştırılmış ve içlerinden en iyi başarımı, iki zaman aralığı kullanan ve iki anten seçimi yapan sistemin sağladığı gösterilmiştir.

Title

PHYSICAL LAYER NETWORK CODING WITH ANTENNA SELECTION

Abstract

In this thesis, for the first time in the literature three different physical layer network coding systems with antenna selection have been proposed. Proposed systems consist of two single-antenna terminals and a multi-antenna relay that uses amplify and forward technique. Error probability expressions of the instantaneous signal to noise ratio value obtained by the output of the proposed systems over frequency non-selective and slowly Rayleigh fading channels for M-ary phase shift keying modulation are derived by using the moment generating function method. Besides, asymptotic diversity analysis are derived from boundary expressions of error probability. Theoretical results are confirmed by computer simulations. According to obtained theoretical and simulation results, the diversity order of the systems is equal to the number of total antennas at the relay, and thus the proposed systems provide significantly better error performance with respect to the classical physical layer network coding system. Also, error performances of the proposed systems are compared with each other. Consequently, the system which uses two time slots for communication and two antennas selected at the relay gives the best error performace.

Anahtar Kelime

fiziksel katman ağ kodlama, anten seçimi

Bilim Kodu

6090207




Sıra No :13171
Üniversite

504091253

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Biyomedikal Mühendisliği

Danışman Adı

Doç. Dr. Levent TRABZON

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Aralık

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Omid Tayefeh ghalehbeygi

Başlık

MEMS’E BAĞLI OLAN REZONANT MAGNETİK ÖLÇEN SENSORI

Özet

Bu çalışmanın amacı, çift tarafdan kenetlenmiş rezonans manyetik sensorların mikro veya nano boyutlarda üretim teknoloji yöntemlerinin incelenmesidir. Bu tez kapsamında, monolitik üretim teknolojisi içinde CMOS devre yapısına uyumlu, çeşitli MEMS sistemlerinin tasarımları, üretimleri ve simülasyonları yapılmıştır. Üretilen Mikrosistemlerin mekanik ve elektriksel karakterizasyonları da tamamlanmıştır. Tasarlanan her bir tip mikrosistem Sonlu Elemanlar Metodu ile COMSOL ve COVENTORWARE yazılımları kullanılarak simulasyonları yapılmıştır. Bu tezde, her yapının birinci rezonans frekansları, maksimum akıma karşı dayanaklılığı, kalite faktörünün gerilim ile bağıntısı, ve özellikle mikrosistemin karakteristik parametrelerin çubuklar üzerinde olan deliklerin boyutları, çubuğun uzunluk yönünün ya da genişliğinin değiştirilmesi ile incelenmiştir. Deneysel ölçümler analiz sonuçları ile karşılaştırmalı biçimde değerlendirilmiştir. Bunun yanında, kapsamlı bir literatür çalışması yapılmıştır ve gelecekte yapılan bu tarz sensorların nasıl bir özelliğe sahip olmaları gerektiğini belirleyebiliriz.

Title

MEMS BASED CLAMPED-CLAMPED RESONANT MAGNETOMETER

Abstract

This thesis explains the new and several designing membrane and beams, which have been designed by ourselves by cadence software. Furthermore, all of the structures were fabricated by MEMS based, which are CMOS compatible characteristics. Also along the fabrication most of the sensors has been simulated by two softwares COMSOL and Coventorware that in both of them simulation is done by finite element method (FEM). During the simulation many behavior of the each structure such as natural frequency, maximum current endurance before smashing, and their displacements, with and without of the initial stress and effect of the dimension of the perforation were defined. we implement practical measurement with Polytec 500 device to compare outputs with simulation results. The principle of working of this devise is on base of Doppler velocimetry and interfering waves. In conclusion, we investigated each sample’s features such as; first mode resonance frequency, maximum applicable current, quality factor and displacement versus sample’s geometric and their inside perforation size. Thus, we have lots of data, which can be utilized in future for similar sensors to have an idea about their probable features.

Anahtar Kelime

Comsol, MEMS, Birinci Rezonans Frekansı

Bilim Kodu

6090100




Sıra No :12875
Üniversite

504042304

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. Tayfun Akgül

Tez Türü

Doktora

Ay

Mart

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Süleyman Baykut

Başlık

DOĞAL SÜREÇLERDE GÜRÜLTÜ ANALİZİ VE SİNYAL MODELLEMELERİ

Özet

Bu tezde doğal gürültü süreçlerini ifade etme için beş sinyal/gürültü modeli üzerinde durulmakta, bu modellerde karşılaşılan problemler tartışılmakta ve çözüm önerileri anlatılmaktadır. Gürültü, istenmeyen bileşen olmanın aksine, onu oluşturan sistemlerin doğal yapısı hakkında bilgi barındıran sinyal şeklinde ele alınmıştır. Özellikle doğallığın bir getirisi olan istatistiksel anlamda özbenzeşik 1/f gürültü, beyaz gürültü, gerekirci sinyal, periyodik ve sözde periyodik bileşenlerin çeşitli şekillerde birleştiği beş model üzerinde durulmuştur. Sinyalin fiziksel özelliklerini mümkün olan en fazla biçimde içeren, aynı zamanda karmaşıklığı da az olacak şekilde seçilen modeller ve her bir model için incelenen problemler aşağıda sıralanmaktadır: 1. Saf 1/f Gürültü İlk modelde analiz edilen sinyalin saf 1/f (renkli) gürültü süreci olduğu varsayılmıştır. Bu süreçler, geniş bir uygulama alanında karşılaşılan sinyalleri etkin şekilde modelleyebilmektedir. Model parametrelerinin kestirimi önemli bir konudur. Bu tezde, 1/f süreçlerin zaman veya frekans bölgesi özelliklerine dayalı çalışan parametre kestirim yöntemlerinin yapay veri kümeleri üzerinde başarım sınamaları gerçekleştirilmektedir. 2. 1/f Gürültü + Periyodik Bileşen İlk modeldeki 1/f gürültü sürecine tek veya çoklu-ton periyodik bileşen eklenmesi ile ikinci model oluşturulmuştur. Bazı uygulamalarda, içerisinde periyodik bileşen bulunmasına rağmen 1/f süreç gibi değerlendirilen sinyaller mevcuttur. Ancak periyodik bileşen karışımı, 1/f süreçlerinin yapısını bozmakta ve parametre kestirimini olumsuz etkilemektedir. Bu tezde, mevcut kestirimcilerin veriye periyodiklik karışması durumundaki davranışları analitik olarak araştırılmakta ve sonuçlar benzetimlerle desteklenmektedir. 3. 1/f Gürültü + Beyaz Gürültü Doğallığın bir getirisi olarak doğadaki pek çok sinyal 1/f gürültü özelliği göstermesine karşın bu sinyallerin kaydedilmesi sırasında ölçüm hataları veya dış etmenler sebebiyle kayıtlara bozucu sinyaller karışmaktadır. Bu karışım beyaz gürültü ile modellenebilir. 3-üncü model 1/f gürültü ve beyaz gürültü sinyallerinin belirli oranda karışımı şeklinde oluşturulmuştur. Bu modelde gürültü sinyallerinin karışım oranlarının belirlenmesine ve 1/f gürültünün türünün kestirimine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tezde, bahsedilen problemin çözümü için, toplamsal beyaz gürültü karışmış 1/f gürültülerin parametre kestirimine yönelik dalgacık tabanlı bir yöntem önerilmiş ve başarım sınamaları gerçekleştirilmiştir. Önerilen yöntem GPS (Global Positioning System-Küresel Konumlama Sistemi) zaman serileri kalıntı sinyalleri ve jeofonlar ile kaydedilmiş sismik arkaplan gürültülerine uygulanmıştır. 4. 1/f Gürültü + Beyaz Gürültü + Gerekirci Sinyal 4-üncü model, 1/f gürültü ve beyaz gürültü karışımı modeline matematiksel bir ifadesi olan gerekirci sinyal eklenmesi ile oluşturulmuştur. Gerekirci sinyalin belirlenmesi, gürültü türünün kestirimi ve gürültü/sinyal ayrıştırma bu modelde üzerinde durulan problemler olup çözüm için Görgül Kip Ayrışımı (GKA) tabanlı bir sinyal-gürültü ayrıştırma yönteminin kullanılması önerilmektedir. Bu modeldeki problem çözümüne ilişkin uygulama örneği yine GPS zaman serileri verisinde gürültü süzme ve yönseme giderme şeklinde verilmiştir. 5. 1/f Gürültü + Sözde Periyodik Bileşen Ele alınan son durum 1/f gürültü ile sözde periyodik sinyalin karışımı ile oluşan modeldir. Bu modeldeki temel problem olan arkaplan gürültü sinyalinin sözde-periyodik etkilerden güzbüz şekilde arındırılması yine GKA tabanlı bir algoritma ile çözülmektedir. Atmosferik etmenler sebebiyle içerisinde sözde periyodik bileşen barındıran toprak radon gazı çıkış verileri önerilen modele uyan gerçek sinyal örneği olarak verilmekte ve bu verilerden günlük sözde-periyodik bileşenler gürbüz şekilde temizlenmektedir. Bu tezde tanımlanan sinyal/gürültümodellerinde karşılaşılan problemlerin çözümünde Görgül Kip Ayrışımı’ndan sıklıkla yararlanılmıştır. Çoğu uygulamada basit ve gürbüz çözüm sağlamasına rağmen GKA’nın çalışma yapısı teorik olarak henüz açıklanamamıştır. Bu tezde son olarak, GKA’nın gürültü sinyalleri üzerindeki davranışları incelenmektedir. İlkin sadece beyaz gürültü daha sonra da genel olarak 1/f gürültü üzerinde GKA’nın çalışması incelenmiş, GKA ile elde edilen gürültü Öz Kip İşlevleri’nin (IMF) sıfır geçiş aralıkları ve sıfır geçiş genliklerinin istatistiksel karakteristikleri (olasılık yoğunluk işlevleri) çıkarılmıştır. Beyaz gürültü IMF’lerin sıfır geçiş karakteristikleri, sinyal+gürültü durumunda hangi IMF’nin gürültü hangisinin sinyal bileşenlerini daha çok içerdiği konusunun belirlenmesi, gürültü süzme, sinyal sezme, yönseme giderme gibi uygulamalarda kullanılabilmektedir. Gelecek çalışmalarda bu karakteristikler yardımıyla durağanlık testi, geçişli sinyal sezimi gibi uygulamaların geliştirilebileceği öngörülmektedir.

Title

NOISE ANALYSIS AND SIGNAL MODELING IN NATURAL PROCESSES

Abstract

In this thesis, five signal/noise models are investigated for natural process characterization. For each model, possible signal processing problems are discussed and solutions are proposed. Here, noise, instead of being unwanted component, is considered as a signal that carry information about the natural characteristics of the source systems. The models are constructed as the combination of 1/f noise, white noise, deterministic signal, periodic and pseudo-periodic signals. The selected models are as follows: 1. Pure 1/f Noise In the first model, analyzed signal is considered as pure 1/f (colored) noise. 1/f noise is used to model a large number of processes; such as network traffic data, geophysical signals, financial and biological data, etc. 1/f processes are generally modeled by normally distributed, zero mean models namely fractional Brownian motion (fBm) and its incremental process fractional Gaussian noise (fGn). These models can be characterized by a single self-similarity parameter; spectral exponent (γ) or relatedly Hurst parameter (H). Therefore, accurate estimation of the self-similarity parameters are essential for many signal processing applications. There are numerous parameter estimation methods defined in time, frequency, wavelet and eigen domains. They exploit different characteristics of 1/f processes. In this thesis some of the most commonly used methods for parameter estimation are investigated and performance evaluations of the methods are done on simulated data sets. Analyzed methods are as follows: • Time-domain Estimators – Aggregated Variances Method – Absolute Values Method – Higuchi Method – R/S Method • Frequency-domain Estimators – Periodogram Based Method • Wavelet-based Estimator 2. 1/f Noise + Periodic Component The second model consists of a 1/f noise and single- or multi-tone periodic component. Observations on real data have shown that the measured data in many applications such as computer networks may contain periodicity besides 1/f noise. This periodic component avoids reliable estimation of the 1/f noise parameters. In this thesis, the parameter estimation performances of well-known estimators under periodicity corruption are investigated. Analytical expressions for the methods in time, frequency, wavelet and eigen domains are derived and the periodicity effects are demonstrated through simulations. As an example to the model, real network traffic flow measurements are provided. 3. 1/f Noise + White Noise The superposition of 1/f and white noise is a useful noise-model used in many fields. The third model is selected as the mixture of 1/f noise and white noise. The estimation of the type of the 1/f noise (estimation of the spectral exponent parameter) and the determination of the mixture ratios of these noises are important in many applications such as GPS (Global Positioning System) time series residual noise and the seismic background noise measured by geophones. Here we propose a wavelet-based method to estimate the spectral exponent of 1/f process corrupted by white noise. The method relies on eliminating the effect of white noise by a simple difference operation constructed on the variance progression of the wavelet coefficients. In the application section, GPS time series residual noise and geophone seismic background noise are analyzed. It is observed that both data follow the proposed model. The 1/f noise component in the GPS residual signals is measured as the flicker noise (induced by atmospheric effects, mismodeled satellite orbits, etc.). The estimation of noise characteristics of such data is essential for obtaining information such as earth surface displacement velocity, seismic activities, indication of earthquakes, etc. 4. 1/f Noise + White Noise + Deterministic Signal This model is obtained by adding a deterministic signal to the previous model. Here the main problem is to separate the noise and deterministic signal components which can be considered as denoising or detrending process. A signal/noise separation method based on Empirical Mode Decomposition (EMD) is proposed. EMD is a signal-adaptive and iterative decomposition method that decompose the signal into several Intrinsic Mode Functions (IMF) which are considered as the characteristic (physically meaningful) modes of the signal in different frequency regions. This thesis expands the EMD-based denoising scheme for white + colored noise case, which is applicable to some real world signals. As an example, the method is applied to real GPS based geodetic time series to separate the noise and the signal parts. 5. 1/f Noise + Pseudo-periodic Component The last signal model is assumed to be the superposition of a 1/f noise and pseudo periodic component. Here, the investigated problem is to remove pseudo-periodic signal from the process to extract the background noise characteristics. We suggest using an algorithm to detect and remove pseudo periodic oscillations from the raw data based on EMD method. As an example to the last model, we provide soil radon emanation data. Soil radon gas emanation is found to be related to the seismic activities. However, the effects of meteorological variationsmay appear as (pseudo) periodic components due to seasonal and/or diurnal variations. The temperature changes considered to be the main reason for periodicity. Soil radon emanation data has short-term diurnal (daily) visible variations especially in summer periods; probably due to formation of cracks in the dried soil that enable of the surface air to penetrate into 1 meter soil depth. These pseudo-periodic components may mask the evaluation of soil radon data which at the same time might include pre-cursors of seismic activities. Hence, robust separation of these components is essential for reliable analysis of the relationship of seismic activities and the soil radon gas emanation. The algorithm is applied to the soil radon data obtained from several measurement stations and the results are given. In this thesis, EMD is frequently used as a solutionmethod to the signal/noisemodeling problems. EMD is a convenient and simple tool for signal analysis. However, since EMD is an empirical method, satisfactory theoretical definition of its algorithm is not given yet in the literature. Several studies are done numerically in order to better understand the behavior of the EMD procedure, especially on wide band noise. In the final part of this thesis, instead of the noise signal itself, we investigate the statistical characteristics of zero-crossing intervals (ZCI) and zero-crossing amplitudes (ZCA) (the time interval and the absolute value of extrema between two successive zero-crossings) of Intrinsic Mode Functions (IMF) of white noise and more generally 1/f noise. The probability density functions of ZCIs and ZCAs are obtained via extensive simulations. An analytical approach to the density function of ZCA’s are also discussed. It is shown that the ZCI and ZCA distributions of the signal provides useful information about the type of the analyzed noise. The results can be used for many applications such as robust noise removal, detrending, stationarity tests, transient signal detections, etc.

Anahtar Kelime

Gürültü Modelleme, 1/f Süreçler, Dalgacık Dönüşümü, Görgül Kip Ayrışımı.

Bilim Kodu

6090208




Sıra No :13289
Üniversite

504091260

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Doc.Dr.Nil Tarim

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ekim

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Toumaj Kohandel Gargari

Başlık

GİYİLEBİLİR ANTENLERIN GELİSTİIRİLMESİNDE KULLANILAN BASKILI VE OYMA KUMAŞ BAZLI İLETKEN MALZEMELERİN YÜKSEK FREKANS KARAKTERİZASYONU

Özet

Elektronik, telekomünikasyon ve tekstil dünyasına Giyilebilir tekstil sistemi ve onun devrimci vurgusu günlük hayatımızda tartışılmaz bir rolü vardır. Esnek elektronik ve giyilebilir anten kullanımı her geçen gün büyüyor.Medikal, kurtarma işleri ile birlikte sanayi ve uzay ile ilgili uygulamalar, cep telefonu ve GPS, bu teknolojilerin olağanüstü kullanımlarindandir. Giyilebilir tekstil sistemleri yeni bir araştırma alanıdır ve ortaya çıkması, Doksanlı yılların sonlarında ile ifade edilir. Bu gelişme bez bizi korur ama aynı zamanda bizim ikinci bir deri gibi fonksiyonları da içerir ve sadece bu bakış açısından kaynaklanmaktadır. Sensörler, bir veri işleme birimi, bir iletişim sistemi, bir enerji kaynağı ve bağlantıları gibi gösterilmiştir. adlandırılan giyilebilir tekstil sistemi, temelde altı parçadan oluşur. Sensörler vücut veya çevre ile ilgili bilgi sistemi sağlar. Bunlar sıcaklık, solunum ve kalp hızı, ya da nem, sıcaklık ve zehirli gazların varlığı gibi çevresel verilerin hissedebilir giysi dışında konumlandırılmış olarak bez algılama verileri entegre edilebilir. Elde edilen veriler işlenmesi gerekir. Bu genellikle PCB üzerine monte edilmiş elektronik ile yapılır. Elektronik bileşenlerin esnek bir alt tabaka üzerine monte edilmiş esnek bir elektronik, giriş tekstil malzemeleri ile uyumluluğu arttırmaktadır. Giysi ve harici baz istasyonu arasındaki iletişim kablosuz bir iletişim sistemi ile etkindir. Bir çalıştırıcı bir şey yanlış giderse takan uyaran bir işitsel veya görsel alarm olabilir. Gerekli enerji piller rahat bir şekilde giysi içine entegre edilebilen tercih edilen bir esnek olanlar tarafından sağlanmaktadır.Ara bağlantılari bütün sistemleri hep birlikte bağlamak için kullanmaktadır . Bir giyilelabilir anten kablosuz iletişim içinde iletişimi sağlamak için uygulanır. Bu giyilebilir antenleri rahat ve dayanıklı kumaş, kolayca entegre edilmelidir herhangi bir eğilme veya buruşturma ve esnek olmak zorunda . Yani, giyilebilir anten tasarımı, esnek malzeme uygulanması fikrini ortaya çıkmıştır ve ilk tekstil anten inşa edilmişdir. Çeşitli nem için tasarlanmış hafif ve esnek bir malzemeden yapılmış Giyilebilir antenler, ve tüm bunları giyen rahatsız olmayan üzerindeki en önemli çalışmaktır ve onları üretmek için bilim ve endüstri enteresan avantajları vardır. Bu uygulamalarda Giyilebilir antenler alabora kurtarma grubu tarafından bulunmasını yardımcı hayat ceket içine dikilir. Başka bir uygulama olarak, itfaiyecinin giysinde uygulanabilir birbirleri ile ve merkezi kumanda istasyon ile iletişim kurmasına izin veren ya da bunu bir GPS olarak polis tarafından kullanılabilir. Genel olarak, madencilik, petrol ve doğal gaz endüstrileri gibi tehlikeli meslek için yararlıdır. Bu fenomen bir başka önemli uygulama cep telefonlarında yer almaktadır. Ayrıca, hafif ağırlığa sahip olan ve çevre ile uyumlu olması e-tekstil antenler çok geniş bir uygulama alanı olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmanın başlamasından yapılacak bunların düzeni elde etmek için Antenler ve mikroşerit hatlar simülasyonu dir. Simülasyon ADS Momentum bir ortamda gerçekleştirilir. İlk olarak, simülasyon önce de 50 Ω satırın modelleme sağlamak için antenin besleme hattında (mikroşeritli hattı) genişliğini w_f hesaplamak gerekir. Bunu yapmak için, biz Linecalc, bir iletim hattı synthesizer aracını kullanın. İkincisi, biz Azurri 3.4 mm ve pamuk 2,45 GHz ISM band rezonans frekansında 2.3 mm substrat için verilen geçirgenlik ve kayıp tanjant ve kalınlığı ile onları simule etmekdir. Simülasyonu yapılır ve layoutlar elde etdikden sonra, ikinci adımı onları imal etmektir. Onları üretmek için herhangi bir özel ve modern ekipmanları ihtiyacı yoktur çünkü bu işin en ilginç kısmı bunları yapmaktır. İlk olarak, bu lehim bağlantısı sonra kumaşlar ve kesilmiş iletken ve demir ısı ile yapışkan tabaka ile bir araya bağlamak ve. Şekil 4.3 de, fabrikasyon antenler ve mikroşerit hatlar gösterilir Bu tezde, 2.45GHz rezonans frekansında giyilebilir antenler ve mikroşerit hatlar ve karakterizasyon yöntemleri araştırılmaktadır. Öncelikle, karakterizasyon yaklaşım tekstil alt tabaka anten kompleks permitivitelerinin hem de electrotextile etkin bir iletkenlik tespit etmek için sunulmuştur. Bu ters tekniği, malzeme parametreleri ölçülen ve simüle anten sonuçları karşılaştırılarak elde edilmiştir. Ayrıca, ters problem elle ters problem çözme karşılaştırması elektromanyetik özellikleri daha hızlı ve daha doğru Surrogate Model (SUMO) Toolbox, uygulanan gibi bir vekil tabanlı optimizasyon yöntemi kullanılarak çözülmüştür. S-parametrelerinin ölçümlere dayanan bir tanımlama yöntemi, farklı uzunlukta olan bir çift mikroşeritli çizgiler de uygulanır. Geçirgenlik ve kayıp tanjantı ekstrakte edilebilir nerede ölçümlerden elde coaxial-to-microstripline hat geçişleri De-embedding kompleks yayılma sabiti verir. Son olarak, ilk kez için, taşıyıcı tabanlı optimizasyon yöntemi ile birlikte de gömme yöntemi kombinasyon ancak daha ileri bir alt tabaka olarak iki malzemenin üzerine elektromanyetik özelliklerin optimize edilmesi için, farklı uzunlukta mikroşeritli çizgiler bir çift uygulanan Daha fazla malzeme araştırmalarının kapsamlı bir sonuç sonucuna nedeniyle gereklidir. Bu araştırmanın nihai hedefi giyilebilir antenler ve mikroşerit hatlar geliştirme amacıyla electrotextile esaslı iletken malzemelerin elektromanyetik özellikleri karakterize etmek oldu. Ters anten sorunu ve mikroşerit hatlar için uygulanan De-embedding yöntemi iki kullanılan yöntemdir. Ters anten sorunu çalışmada,yöntem yüzeylerde pamuk ve Azurri iki tür substrat olarak uygulanır. Iletken kayıpları ve substrat kayıplar arasındaki ayrım üzerinde kaçınılmazlığı nedeniyle, bakır ve Flectron kayıpları ayrıyoruz.Bu yöntemle, daha istikrarlı iletkenlik pamuk bazlı antenler ulaştı. Her bir antenin beş numune üzerinde bu yöntemini icra etmek sayesinde, sonuçlar tekrarlanabilirliği incelenmiştir.De-emdedding yöntemi çalışmada,Substrat olduğu ve bağıl dielektrik kayıp tanjantı hesaplanabilir ki farklı uzunluklarda iki mikroşerit hatlar üzerindeki yöntemi uygulamak ideal kayıplı iletim hattı sürekli karmaşık yayılımı ayıklanır.De-embedding ve SBÖ çalışma birleşik bir yöntem olarak,De-embedding optimum noktaları elde etmek için SUMO Toolbox uygulanan vekil tabanlı optimizasyon ile birlikte ölçülen ve simüle edilen veriler için uygulanır. Bu antenler ve aynı miktar içinde aynı malzemeler için yapılır. Ayrıca, electrotextile mikroşeritli çizgilerinin elde edilmesi iki anten gibi olarak katlanır.Pamuk bazlı mikroşerit hatlar ve anten sonuçları arasındaki geçirgenlik, kayıp tanjantı ve iletkenlik arasında da benzerlikler vardır.Diğer taraftan, Azurri tabanlı mikroşerit hatlar ve antenler arasında, sadece geçirgenlik değerleri nispeten benzer ve kaybı oldukça büyük bir tutarsızlık geçirgenlik değerleri. Azurri tabanlı mikroşerit hatlar arasında iletkenlik aralığında kararsızlık göre Azurri antenlerden daha fazladır. Bu tezde, Ters anten sorunu sadece iki malzeme pamuk ve Azurri uzerinde gerçekleştirilir. Diğer kumaşlar üzerinde çalışmalar yapılabilir.Ayrıca, de-embedding yöntemiyle yapılabilir kumaş ve farklı kumaşlar üzerinde çalışmalar sadece iki tür malzeme üzerinde yapılmıştır. De-embedding yöntemi ve SBÖ sonuçlarının kombinasyonu bazı sapmalar olması ve halen daha fazla anten muadili ile benzer sonuçlar elde etmek için, üzerinde yapılması gereken daha fazla kesinlik önlemler gereklidir.Bu arada, ikinci yöntem substrat olarak değişik kumaşların değişik mikroşeritler üzerinde gerçekleştirilebilir. Tezin sırası gelince, Bölüm 2 ve 3 mikroşerit hat ve mikroşerit yama anten hakkında genel bilgiler endişe duymaktadır. Bölüm 4 Bölüm 5 Bu çalışmanın temel amacı tanımlayan bu Araştırmada uygulanan pratik meseleleri üzerine adamıştır, mikroşerit hatlar ve mikroşerit yama anten karakterizasyon yöntemleri. Son olarak, Bölüm 6 iki mikroşerit hatlar üzerinde uygulanan yeni kombine karakterizasyon yöntemi açıklar. Yolun sonunda, sonuçlar ve gelecekteki iş tanımları vardır.

Title

HIGH FREQUENCY CHARACTERIZATION OF PRINTED AND ETCHED FABRIC BASED CONDUCTIVE MATERIALS FOR THE DEVELOPMENT OF WEARABLE ANTENNAS

Abstract

Wearable textile system and its revolutionary emphasis on the world of electronics, telecommunication and textile has undisputable role in our daily life. The use of flexible electronics and wearable antenna are growing each day. Industrial and space related applications along with the medical, rescue affairs, cell phone and GPS are outstanding usage of these technologies. A wearable antenna is applied to enable the communication in so-called wireless communication. These wearable antennas must be integrated easily in the cloth, comfortable and endurable to any bending or crumpling and in another word they have to be flexible. This thesis is dedicated on the characterization methods of wearable antennas and microstrip lines at resonance frequency of 2.45GHz, ISM band. Primarily, the characterization approach is presented in order to determine the complex permittivity of the textile antenna substrate as well as the effective conductivity of the electrotextile. In this inverse technique, material parameters are extracted by comparing measured and simulated antenna results. Additionally, the inverse problem is solved using a surrogate-based optimization method as implemented in the SUrrogate MOdeling (SUMO) Toolbox, resulting in the quicker and more accurate determination of the electromagnetic properties in comparison of solving inverse problem of manually. Another characterization method based on S-parameters measurements, is applied to a pair of microstrip lines with different lengths. De-embedding of the coax-to-microstrip line transitions obtained from measurements yields the complex propagation constant where permittivity and loss tangent can be extracted. Finally, combination of the de-embedding method along with the surrogate-based optimization method are applied to a pair of microstrip lines in order to optimize their electromagnetic properties. Consequently, usage of electrotextile as conductor material affects the effective permittivity of the substrate. So, textile substrate characterization for wearable antennas and microstrip lines demands same conductive materials used for them in order to test them. This research concentrates on development of wearable antennas and microstrip lines.

Anahtar Kelime

Wearable Antenna,SUMO toolbox

Bilim Kodu

6090100




Sıra No :12792
Üniversite

504091390

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Prof.Dr. İbrahim AKDUMAN

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Fjolla Shehu

Başlık

ELEKTRİK TİPİ GREEN FONKSİYONLARIN VE HACİMSEL İNTREGRALLERİNİN HIZLI HESAPLANMASI

Özet

Saçılma problemleri elektromanyetik teorinin içerisinde çok geniş ve önemli bir yer tutar. Uzaktan algılama, jeofizik, tıbbi görüntüleme ve diğer sivil veya askeri uygulamalarda bu türden problemlerin çözümleri direk uygulama alanına sahiptir. Genel olarak saçılma problemlerini iki gruba ayırmak mümkündür. Bunlardan ilki olan düz saçılma problemlerinde bilinen bir ortamda yer alan ve tüm elektromanyetik ve geometrik özellikleri belirli olan bir cismin, yine belirli bir kaynaktan uyarılmış olan dalgalarla etkileşimi incelenir. Böylece cisimden saçılan alan belirlenmeye çalışılır. İkinci grup olan ters saçılma problemleri ise fiziksel veya geometrik özellikleri bilinmeyen veya yanına yaklaşılamayan bir cisimden saçılan alanın ölçülmesiyle cisim hakkında bilgi elde edilmeye calışılır. Bu ikinci grup problemlerinin çok önemli bir uygulama alanı da, son yıllarda üzerinde çok yoğun çalışmalar yürütülmekte olan, mikrodalga tomografisidir. İster düz ister ters olsun tüm saçılma problemlerinin çözümünde cismin içerisinde yer aldığı bölgeye ilişkin Green fonksiyonunun hesaplanması çok önemli bir problem oluşturur. Mevcut problem çözme yöntemlerinin hemen hepsinde ortama ilişkin Green fonksiyonunun bilinmesi gerekir. Ele alınan problemin 3-boyutlu değişime sahip olduğu cisim veya boyutlarının sonlu olduğu her durumda Green fonksiyonları dyadic yapısındadırlar. Bilindiği üzere birim dürtü yansıtı olarak yorumlanabilen Dyadik Green fonksiyonları, ya direkt olarak alan büyüklükleri için ya da vektör ve skaler potansiyeller için ifade edilebilirler. Özellikle 3-boyutta düz saçılma problemleri çözülürken potansiyellere ilişkin Dyadik Green fonksiyonlarının kullanılması belirli avantajlar içerir. Çünkü genelde bu fonksiyonların tekillikleri zayıf tekillikler olup integral ifadelerinin içerisinde bunların hesaplarını yapmak nispeten daha kolaydır. Öte yandan elektrik alana ilişkin Dyadik Green fonksiyonları kuvvetli tekillik içermesine rağmen özellikle ters saçılma problemlerinin çözümünde kaçınılmaz olarak kullanılmak zorundadırlar. Ele alınan problemin yapısına bağlı olarak Dyadik Green fonksiyonları çeşitli şekillerde ifade edilebilirler. Homojen ve sonsuz geniş bir uzay halinde bu fonksiyonlar analitik ifadelere sahiptir. Öte yandan pek çok pratik uygulamada cismin içinde yer aldığı bölge homojen olmayıp değişik ortamların bir araya gelmesinden oluşmuştur. Bu türden yapıların en yaygın olarak karşılaşıldığı durum ise düzlemsel olarak tabaklara ayrılmış bir uzaydır. Bu halde Dyadik Green fonksiyonları boş uzayda olduğu gibi direk analitik olarak ifade edilemezler. Ancak Dyadik Green fonksiyonlarının spektral ifadeleri kullanılarak bu fonksiyonlar düzlemsel ve silindirik dalgaların sürekli bir spektrumu gibi gösterilebilirler. Bu gösterilimde kompleks düzlemde özel integraller (Sommerfeld integrali) kullanılır. Bu integrallerin direk olarak hesaplanması çoğu zaman mümkün olmadığı gibi sayısal olarak hesaplanmalarında da pek çok güçlük vardır. Özellikle kaynak ve gözlem noktalarının yakın olması veya yüksek frekanslarda çalışılması durumunda, bu integralleri bilinen sayısal integrasyon teknikleri ile hesaplanması hem hesap yükü bakımından çok fazla hemde yüksek hassasiyette sonuçlar elde etmek bakımından çok yetersizdir. Yukarıda belirtildiği gibi ters saçılma problemlerinin çok önemli bir kullanım alanı mikrodalga tomografisidir. Mikrodalga tomografisinde görüntüleme için kullanılan yöntemlerden bir tanesi kontrast kaynak metodudur. Bu metodun özelliği ortama ilişkin elektrik tipi Green fonksiyonlarının hesaplanmasını gerektirmesidir. Buna ek olarak bir de Green fonksiyonlarının hücresel integrallerinin hesaplanması gerekmektedir. Green fonksiyonlarının hesaplanması uzun süren bir işlemdir, ayrıca hücresel integrallerinin hesaplanması da işlem süresini yoğun ölçüde artırır. Bu çalışmanın amacı 2-parçalı uzaya ilişkin elektrik tipi Dyadik Green fonksiyonunun hızlı ve etkin bir biçimde hesaplanmasıdır. Bu amaçla Dyadic Green fonksiyonu ve bunların küp şeklindeki hücreler üzerindeki integrallerinin hesabı için etkin bir yöntem olan ayrık karmaşk imaj yöntemi (DCIM) yöntemi kullanılmıştır. DCIM spektral gösterilimdeki bileşenlerin üstel terimlerin toplamı gibi yazılarak her bir bileşeni sonlu sayıda ayrık kaynaktan yayılan küresel dalgalar şeklinde ifade etmeye dayanır. Mevcut integral ifadesini bilinen Sommerfeld özdeşliğine benzeterek integrali toplama dönüştürmeye yardımcı olur. Spektral düzlemde bileşenlerin üstel terimlerin toplamı olarak yazılması için ‘Generalized pencil of function’ (GPOF) yöntemi ile iki parçalı örnekleme yolu kullanılmıştır. Sommerfeld integralinin hesaplanması, tekil noktaların integrasyon yoluna yakın ya da üzerinde olması durumunda zorlaşır. Bu sorunu aşabilmek için integrasyon yolu, tekil noktaların yakın olmayacağı şekilde, yeniden düzenlenmiştir. İntegrasyon yolu iki parçaya ayrılıp, GPOF için gerekli koşul olan doğrusal örneklemeyi sağlayacak şekilde düzenlenmiştir. İlk once ilk parça üzerinde GPOF yaklaşımı uygulanıp sonra mevcut fonksiyondan çıkartılmıştır. Kalana GPOF diğer parça üzerinde uygunlanmıştır. Böylece hata en aza indirgenmiştir. Sommerfeld eşözdeşliğinin kullanılabilmesi için kz kompleks düzlemine geçiş yapılması gerekir, bu yüzden kρ düzleminden kz düzlemine geçiş parametreleri belirlenmiştir. Bu tezde öncelikle elektrik tipi Dyadic Green fonksiyonlarının boş uzay için ifadeleri elde edilmiştir. Devamında iki parçalı düzlem için Green fonksiyonları hesaplanmıştır. Boş uzayda ifadeler düzlemsel dalgalar cinsiden elde eldiği için, iki katmanlı uzay durumunda, gerekli yansıma katsayıları eklenerek Green fonksiyonu ifadeleri elde edilir. Bütün ifadeler spektral düzlemde yazılmıştır. Devamında yarı analitik olarak Dyadic Green fonksiyonlarının hücresel integralleri hesaplanmıştır. Hücresel integraller sıkça kullanılan yaklaşımlar yapılarak analitik olarak hesaplanmıştır. Devamında DCIM yöntemi detaylı olarak anlatılmıştır ve önceden bulunan Green fonksiyonu ifadelerine uygulanmıştır. Yöntemin geçerliliğini ve olumlu etkisini vurgulamak amacıyla direk sayısal integralden elde edilen sonuçlar kullanılıp kıyaslama yapılmıştır. Örnekler hem elektrik tipi Dyadik Green fonksiyonlarının ifadeleri için, hem de Green fonksiyonlarının hücresel integralleri için gösterilmiştir. Sonuçlarda DCIM ile hesaplanan verilerin sayısal integral ile hesaplanan verilerle örtüştüğü ve hesaplama zamanının belirgin miktarda kısaldığı gözlemlenmiştir. Hücresel integralin numerik integrasyon ile hesaplanması durumunda işlem zamanı çok artarken, DCIM ile kayda değer bir fark gözlenmemiştir.

Title

FAST EVALUATION OF ELECTRIC FIELD GREEN’S FUNCTIONS AND THEIR VOLUMETRIC INTEGRALS

Abstract

Scattering problems hold wide and important place within the electromagnetic theory. Solutions of the problems of this kind can be applied directly to remote sensing, geophysics, medical imaging and other civilian or military applications. Generally scattering problems can be divided into two groups. The first one that is direct scattering problem examines the interaction of a body with a certain geometric and electromagnetic properties placed in a known medium with the waves evoked from a given source Thus, it tries to calculate the scattered field from the body. The second one that is inverse scattering problem collects information about an object with unknown physical or geometrical properties or placed in an inaccessible place by measuring the area scattered from it. One very important area of application for the second group of problems is microwave tomography which is an important developing technique of the last years. In both direct and inverse scattering problems, the derivation of Green s functions of for the region where the object buried plays very important role. Almost all existing methods for solving the problem require knowing the Green s functions related to the medium. In cases when the dealing problem is about bodies with changes in 3-dimensional, or that the dimensions are infinite Green s functions are in dyadic form. Dyadic Green’s functions that are interpreted as the impulse response can be expressed either directly for field quantities or for vector and scalar potentials. Especially for 3-D direct scattering problems, dyadic Green s functions solved for potentials contain certain advantages. Because singularity of the integral expressions is usually weak and it is relatively easier to calculate these functions. On the other hand, although electric field dyadic Green’s functions’ contain strong singularity, especially in solving inverse scattering problems usage of them is inevitable. Depending on the nature of the problem dealt with, the dyadic Green s functions can be expressed in various forms. In infinite and homogeneous wide space these functions have analytical expressions. On the other hand, in many practical applications the region, where the object is placed, is composed of different homogeneous environments coming together. The most common situation of this kind of structures is space separated as the planar plates. In this case, as in empty space dyadic Green s functions cannot be easily expressed analytically. However, using the spectral dyadic Green s functions expressions, these functions may be displayed as a continuous spectrum of the planar and cylindrical waves. For this representation special integrals (Sommerfeld integrals) on complex domain are used. As it is often not possible to directly calculate these integrals also while calculating numerically there are plenty of challenges. Especially in case that the source and observation points are near each other in case of high frequencies, usage of known numerical integration techniques to calculate the integrals is very poor in terms of computational burden and in term of getting with high precision. The purpose of this study is to calculate quickly and effectively electric-type dyadic Green’s function of the two layered space. In this aim DCIM, that is an effective method for the calculation of Dyadic Green s function and their integrals over cube-shaped cells, is utilized. DCIM is based on expressing each component in terms of spherical waves illuminated by finite number of discrete sources by writing the spectral representations as the sum of exponentials. In this thesis, first of all, expressions for electric-type dyadic Green’s functions are derived. In continuation, integrals of the dyadic Green’s over of cuboid cells are calculated semi-analytically. Subsequently DCIM method is described in details. In order to emphasize the effectiveness and the validity of the method and the results obtained from direct numerical integration are used to compare with. In conclusion it is observed that the data of DCIM match with the data calculated by numerical integration and that there is significant decrease in computational time.

Anahtar Kelime

Green fonksiyonu, Elektromanyetik, Elektromanyetik ters saçılma, Elektromanyetik saçılma, Ayrık karmaşk imaj yöntemi

Bilim Kodu

6090401




Sıra No :13103
Üniversite

504052307

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Prof.Dr.Ümit AYGÖLÜ

Tez Türü

Doktora

Ay

Ekim

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Selami ŞAHİN

Başlık

İKİ-YÖNLÜ RÖLELİ KANALLARDA SINIRLI GERİ BESLEMELİ FİZİKSEL-KATMAN AĞ KODLAMASI

Özet

İki kullanıcı arasındaki iletişimin aralarındaki bir röle yardımıyla gerçekleştiği iki-yönlü röle kanallarında (TWRC) uygulanan fiziksel-katman ağ kodlaması (PLNC) protokolünde, bir kullanıcı kod çözme işlemi için gerekli olan röle ile diğer kullanıcı arasındaki kanal durum bilgisini (CSI) fazladan bir protokol karmaşıklığı olmadan tam olarak elde edememektedir. Bu tezde, CSI’nın kısmi olarak röle tarafından kullanıcılara bildirilmesini sağlayan sınırlı geri besleme tekniği PLNC protokolüne uygulanmıştır. Kuvvetlendir-ve-ilet (AF), çöz-ve-ilet (DF) ve kısmi-çöz-ve-ilet (PDF) stratejileri ile BPSK ve QPSK modülasyonları kullanılmıştır. İlk olarak, tüm birimlerde tek anten olması durumunda geri besleme biti sayısına bağlı sıkı bit hata olasılığı (BEP) üst sınırları tüm stratejiler için analitik olarak türetilmiştir. Bilgisayar benzetimleriyle, birimlerde tüm-CSI’nın bilindiği durumdaki bit hata oranı (BER) başarımına bir kaç geri besleme biti ile ulaşıldığı gösterilmiştir. İkinci olarak, önerilen teknik, birimlerde iki antenin olması durumunda Alamouti dik uzay-zaman blok kodu kullanılarak DF ve PDF stratejilerine uygulanmıştır. DF stratejisi için, BEP’in üst ve alt sınırları analitik olarak kapalı biçimde türetilerek BER başarımının iyileştirildiği gösterilmiştir. Bu sistemde, klasik PDF stratejisi çeşitleme kazancını azalttığından, sınırlı geri beslemeli değiştirilmiş-PDF (MPDF) stratejisi önerilmiştir. Bilgisayar benzetimleriyle, MPDF in klasik PDFe göre çok daha iyi BER başarımı sağladığı gösterilmiştir. Son olarak, önerilen teknik, tek antenli iki kullanıcı ve iki antenli bir röle için AF stratejisine uygulanmıştır. Klasik AFde, birimlerde tüm-CSI bilindiğinde bile tam çeşitleme sağlanamamaktadır. Oysa, geri beslemeli AF stratejisinde tam çeşitlemeye ulaşıldığı analitik olarak gösterilmiş ve klasik AFe göre çok daha iyi BER başarımları sağlanmıştır.

Title

PHYSICAL-LAYER NETWORK CODING WITH LIMITED FEEDBACK IN TWO-WAY RELAY CHANNELS

Abstract

In physical-layer network coding (PLNC) protocol applied to two-way relay channels (TWRC) where communication between two users is provided by means of a relay between them, one user can not obtain for decoding, channel state information (CSI) between relay and other user, without extra protocol complexity. In this thesis, limited feedback technique which provides partial CSI for users from relay is introduced into PLNC protocol. Amplify and forward (AF), decode and forward (DF) and partial-decode-and-forward (PDF) strategies and, BPSK and QPSK modulations are considered. First, for the scheme where all nodes have single antenna, analytical upper bounds on bit error probabilities (BEP) depending on the number of the feedback bits are derived. Computer simulations show that bit error rate (BER) performance of the system with full-CSI at all nodes is achieved by using a few number of feedback bits. Second, proposed technique is applied to DF and PDF strategies when all nodes have two antennas, using Alamouti orthogonal space-time block code. For DF strategy, closed form upper and lower bounds on BEP are derived analytically to show the improved BER performance. Since classical PDF decreases diversity for this system, modified PDF strategy with limited feedback is proposed. It is shown via computer simulations that MPDF provides significantly better BER performance than the classical PDF. Finally, proposed technique is applied to AF strategy when each user has single and relay has two antennas. In classical AF, full-diversity is not provided although all nodes have full-CSI. However, for AF with limited feedback, it is shown analytically that full-diversity is reached and significantly better BER performance is achieved compared to classical AF.

Anahtar Kelime

sınırlı geri besleme, ağ kodlaması, iki-yönlü röleli kanallar, telsiz haberleşme

Bilim Kodu

6090206




Sıra No :13076
Üniversite

504091368

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Ümit AYGÖLÜ

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ekim

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Gözde YİĞİT

Başlık

İKİ YÖNLÜ RÖLELİ AĞLARDA KAFES KODLAMALI MODÜLASYON İLE FİZİKSEL KATMAN AĞ KODLAMA

Özet

Bu çalışmada, özellikle band sınırlı kanallarda hata başarımını artırmaya yönelik olarak önerilmiş olan kafes kodlamalı modülasyon tekniği fiziksel katman ağ kodlama protokolünü kullanan iki yönlü röleli ağlara uygulanmıştır. Kafes kodlamalı modülasyon tekniğini kullanarak ikili modülasyon tekniği yerine daha band verimlikli olan M-li modülasyon tekniklerinden biri kullanılmış, hem kodlamanın avantajlarından yararlanılmış hem de band verimliliği artırılmıştır. Ayrıca 8-PSK için eşleme tablosu oluşturulmuş ve bu eşleme tablosundan yararlanılarak TCM ile fiziksel katman ağ kodlama protokolü birleştirilmiştir. Önerilen sistemin hata başarımı farklı kodlayıcı parametreleri için toplamsal beyaz Gauss gürültülü ve Rayleigh sönümlemeli kanallarda bilgisayar benzetimleriyle değerlendirilmiştir. Rölede indirgenmiş durum sayılı kod çözme kafesi kullanma yaklaşımının kafes kodlamalı modülasyon tekniğine de uygulanabilecegi gösterilmiştir.

Title

TRELLIS CODED MODULATION WITH PHYSICAL LAYER NETWORK CODING IN TWO WAY RELAY NETWORKS

Abstract

In this study, a new bandwidth efficient communication system model which benefits from the advantages of both physical layer network coding and trellis coded modulation is presented for two-way relaying. A new mapping table to be used at the broadcast phase by relay is proposed for 8-PSK modulation. Full-state and reduced-state Viterbi algorithms for decoding at relay during the multiple access phase are presented. The frame and bit error rate performance of the two-way relaying system using physical layer network coding and trellis coded modulation is evaluated via computer simulations. Performance comparisons are made between full and reduced state decoding at relay. It is concluded that although the error performance decreases when reduced-state modified Viterbi Algorithm is applied at relay, the decoding complexity is significantly reduced.

Anahtar Kelime

Fiziksel Katman Ağ Kodlama, Kafes Kodlamalı Modülasyon

Bilim Kodu

6090207




Sıra No :13074
Üniversite

504081303

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. Ümit Aygölü

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Eylül

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Burhanettin Türkel

Başlık

ÇİFT YÖNLÜ RÖLELİ KANALLARDA UYARLAMALI EŞLEME

Özet

Son yıllarda telsiz iletişim sistemleri için kaliteli ses iletimi yanında yüksek hızlı veri iletimi gereksinimi de artmaktadır. Artan bu gereksinimi karşılamak için iletişim sistemlerinin başarım oranları ve sığaları artırılmalıdır. Bu amaçla bu çalışmada çift-yönlü röle ağları ele alınmaktadır. Çalışmada ele alınan sistem iki uç düğüm ve aralarında röleden oluşmaktadır. İki uç birim birbirlerine röle üzerinden bilgi iletmektedir. Klasik durumda bu iş dört evrede, geleneksel ağ kodlama yönteminde üç evrede, bu tezde ele alınan fiziksel katman ağ kodlamada (PNC) ise iki evrede gerçekleşmektedir. PNC’de rölenin yarı dupleks çalışmasından kaynaklanan zaman kaybı giderilmektedir. Bu yöntemde, telsiz iletişim sistemlerinde oluşan bozucu etki girişimden yararlanarak sistem başarımı iyileştirilmektedir. Fiziksel katman ağ kodlama yönteminde kanal sönümleme durumları dikkate alınmadığı için derin sönümleme noktaları oluşur. Yeni önerilen uyarlamalı ağ kodlama yönteminde, uç düğümlerde kullanılan modülasyon tipine göre rölede oluşan derin sönümleme noktaları dikkate alınmaktadır. Kanal durumlarına göre, rölede kullanılan ağ kodlama matrisinin seçilmesi hata başarımını artırmaktadır. Özellikle Rician sönümlemeli kanallarda kanal parametresi K’nın yüksek değerleri için kodlama kazancı artmaktadır. Kanal durumlarına göre, rölede kullanılan ağ kodlama matrislerinin oluşturulması için Latin kareler yöntemi basit ve etkin bir yöntemdir. Literatürde uyarlamalı eşleme ile ilgili pek çok çalışma vardır. Ancak asimetrik hızlarda çalışan uç düğümlerden oluşan röle ağı için uyarlamalı eşleme ile ilgili çalışma bulunmamaktadır. Bu tez çalışmasının ilk kısmında, iki uç düğümün röle yardımıyla bilgi alışverişi yaptığı çift yönlü röleli kanallarda fiziksel katman ağ kodlama ve uyarlamalı eşleme yöntemi incelenmektedir. Sistemde QPSK modülasyonu ve çöz-aktar iletim tekniği kullanılmaktadır. Her düğümün ve rölenin yarı dupleks çalıştığı ve bir anteni olduğu varsayılmaktadır. Farklı Rician sönümleme parametreleri için her iki sistemin bilgisayar benzetim sonuçları karşılaştırılmaktadır. Çalışmanın ikinci kısmında uyarlamalı eşlemenin asimetrik hızlarda çalışan çift yönlü röleli kanallara uygulanması gerçekleştirilmektedir. İlk olarak iki uç düğümde BPSK ve QPSK modülasyonu ile uyarlamalı eşleme yönteminin kullanıldığı sistem için derin sönümleme noktaları ve kanal bölgeleri elde edilmektedir. Bu sistem için sönümleme noktaları ve çevrelerindeki bölgelerde hata başarımını iyileştiren ağ kodlama matrisleri Latin dikdörtgenler yardımıyla oluşturulmaktadır. Bilgisayar benzetimleri yardımıyla elde edilen hata olasılığı eğrileri incelendiğinde, Rician kanal parametresi K=10 iken 〖10〗^(-4) lük bir bit hata başarımını sağlamak için E_b⁄N_0 oranında uyarlamalı eşleme yöntemi PNC yöntemine göre 4.5 dB kazanç sağlamaktadır. Daha sonra uç düğümlerde BPSK ve 8-PSK modülasyonu ile uyarlamalı eşleme yönteminin kullanıldığı sistem için derin sönümleme noktaları ve kanal bölgeleri elde edilmektedir. Bu sistemler için Latin dikdörtgenler yardımıyla ağ kodlama matrisleri bulunarak hata başarımları bilgisayar benzetimleri yardımıyla değerlendirilmektedir. Benzetim sonuçları incelendiğinde, Rician kanal parametresi K=10 iken 〖10〗^(-3) lük bir bit hata başarımı sağlamak için uyarlamalı eşleme yöntemi PNC yöntemine göre E_b⁄N_0 oranında 1.5 dB kazanç sağlamaktadır.

Title

ADAPTIVE NETWORK CODING IN TWO WAY RELAY CHANNELS

Abstract

In recent years, besides the need for high quality voice transmission for wireless communication systems, the need for high-speed data transmission is also increasing. In order to respond to these needs, the reliability and capacity of the communication systems should be increased. In the current 3G systems, increase in data rates has been provided by larger bandwidths and multiple antennas techniques. However, in a typical cellular system, the signal to noise ratio required to use multiple antennas techniques is observed on a very small fraction of the cell. The motivation for relay-based architecture comes from achieving larger gains by using this techniques for all cell. For this reason, two-way relay channel has been studied in this thesis. In a wireless two-way relay channel, intermediate node called relay assists communication between two end nodes. The relay receives the signal from the source, processes and transmits the signal to the destination. The relays are classified into two classes as analog relays or digital relays. Analog relays that also known as nonregenerative relays just amplify and transmit the received signal to the destination. Digital relays also known as regenerative relays process the received signal. The received signal first demodulated and then modulated before transmission to the destination. In literature, analog relays are called amplify and forward whereas digital relays are called decode and forward. In relay-based wireless systems frequency division duplexing or time division duplexing techniques are used frequently. In a TDD technique, the transmissions need to be orthogonal in time in order to avoid from interference since the same frequency is used for all tranmissions. There are efficient coding strategies at the relay that provide utilization of the channel in literature. One of the well studied coding strategy is called physical-layer network coding. In PNC, the relay receives the signal from both sources, process and forwards an appropriate signal satisfying the exclusive law to the end nodes. In PNC, the bi-directional transmission is completed in two phases whereas in classical and conventional network-coding systems it is completed in four phases and three phases, respectively. Thus, the PNC protocol avoids the loss in spectral efficiency that occurs due to the half-duplex nature of the communication devices. PNC and its counterpart adaptive network coding (ANC) are the latest protocols for two-way communication systems. Conventional network coding is implemented in the network layer, where relay node combines bits by XOR operation and forwards to the end nodes. In PNC strategy, two end nodes send information to the relay simultaneously. Naturally, the signals from end nodes overlap in free space as electromagnetic waves. Then, the relay decodes the superposition of mixed signals. Although broadcast nature of wireless communication system makes interference a destructive nuisance in common case, PNC turns the broadcast property into a capacity-increasing advantage. Nevertheless, PNC scheme does not give the best performance for all channel fade coefficients. To reduce the impact of multiple access interference which occurs at the relay during the MA phase a new scheme that is called adaptive network coding is introduced. In ANC, network coding mapping employed at the relay during the broadcast phase is adaptively changed according to the channel fade coefficients. Thus, the impact of the multiple access interference is decreased. The set of all possible channel realizations is quantized into a finite number of regions. In each region a specific network coding map is used to reach the best error performance. These network coding maps should satisfy the exclusive law. In certain regions any network coding map which satisfies the exclusive law gives the best performance and changing network coding map doesn’t impact error performance. These regions are called non-removable singular fade states. The non-removable singular fade states ocur due to channel outage. In certain regions the choice of the network coding map affects the performance. These ones are called removable singular fade states. An upper bound on the average end-to-end Symbol Error Rate is given with and without adaptive network coding at the relay, for a Rician fading scenario. It is clear that without ANC, at high Signal to Noise Ratio, three error events contribute to the end-to-end SER. The first error event is associated with the removable singular fade states. The second one is associated with the non-removable singular fade states. The third one comes from the error event during the BC phase. All these error events decrease as SNR-1 without ANC. In the other hand, when adaptive network coding is used at the relay, the error events associated with the removable singular fade states decrease as SNR-2. As a result adaptive network coding strategy provides a coding gain over the physical layer network coding. In TWRC, the contribution to the average end-to-end SER during the MA phase is dominant for a Rician fading channel. Since adaptive network coding improves the error performance during the MA phase, ANC provides more coding gain in a Rician fading environment than in a Rayleigh fading environment. Network coding map that satisfies the exclusive law can be obtained by Latin Square. It is shown that the requirement of satisfying the exclusive law is same as the clustering being constructed by a Latin squares. An adaptive network coding has been well studied in the literature for systems where symmetric data rates are used at the end nodes, such as M-PSK modulations. However, there is not too much study for asymmetric systems for which transmission rates of the two end nodes differ. On the other hand, end-nodes can be located on different distances to the relay. The quality of the signal that reaches the relay from one of the end nodes can be weak while that of the other end node signal being strong. Thus, different modulation schemes can be used at the end nodes. In the first part of the thesis, adaptive physical layer network coding in two-way relay systems is investigated for the symmetric scheme where both end nodes employ the same signal constellation. It is assumed that the same QPSK modulation is employed at the end-nodes and decode-and-forward relaying strategy is applied in the considered system. In addition, each nodes and relay are assumed having each one antenna and cannot receive and transmit simultaneously. The BER and SER performances of the PNC and ANC schemes are evaluated via computer simulations are compared for both Rayleigh and Rician channels. In the second part, adaptive network coding is implemented for the scenario that the data rates of the end nodes are asymmetric. First, quantization of the complex plane is obtained for the scenario that the end nodes use BPSK and QPSK modulation. In this scenario network coding maps that give the best performance for a given region are determined by Latin Rectangles. It is shown that for the Rician fading scenarios considered for the Rician fading parameter K=10, at a BER of 〖10〗^(-4), the ANC provides an SNR gain of 4.5 dB over the classical PNC system. Second, quantization of the complex plane is obtained for the scenario that the end nodes employ BPSK and 8-PSK modulation. For all regions, specific network coding maps that satisfy the exclusive law are acquired by Latin rectangles. It is shown that to achieve a bit error rate of 〖10〗^(-3) ANC scheme provides a coding gain of 1.5 dB compared to the reference PNC scheme for a Rician fading parameter value of K=10. Finally, theoretical error probability upper bounds valid at high SNR values are obtained for the considered asymmetrical two-way relaying systems. As well as these upper bounds are loose, their relative behaviour compares well with the simulation curves.

Anahtar Kelime

Telsiz, fiziksel katman ağ kodlama, uyarlamalı kodlama, sönümleme noktaları

Bilim Kodu

0




Sıra No :13017
Üniversite

504091379

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. M. Ertuğrul Çelebi

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Ağustos

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Serdar İngök

Başlık

BİLİŞSEL RADYODA ÖZDEĞER TABANLI SPEKTRUM SEZME YÖNTEMLERİ

Özet

Kablosuz haberleşme sistemleri için gerekli olan frekans spektrumu doğal olarak sınırlı bir kaynak olduğundan etkin bir şekilde kullanılması büyük öneme sahiptir. Birçok ülkede mevcut spektrumun büyük bir kısmı tahsis edilmiş, spektrum kıtlığı problemi görülmeye başlanmıştır. Mevcut durumda kullanılan sabit spektrum erişimi tekniği ile, her servis için belli bir frekans bandı ayrılmıştır ve sadece lisanslı (birincil) kullanıcılar bu bandı kullanabilmektedir. Bu nedenle, frekans bandı boş olsa dahi lisanssız (ikincil) kullanıcıların bandı kullanmasına izin verilmemekte, dolayısıyla spektrum verimliliği düşük seviyelerde olmaktadır. Kullanıcı sayısı ve veri ihtiyacındaki hızlı artışla birlikte, spektrum verimliliğinin artırılması çok daha önemli hale gelmiştir. Bunu sağlamanın yolu, dinamik spektrum erişim teknikleri kullanmaktır. Bu tekniklere imkân veren bilişsel radyo, spektrum verimliliğini artırmak adına umut verici teknolojilerden biri olarak karşımıza çıkmaktadır. Bilişsel radyo, spektrumu sezebilir, boş frekans bandlarını tespit edebilir ve birincil kullanıcıların olmadığı zamanlarda bu boş bandların ikincil kullanıcılar tarafından kullanılmasına olanak sağlar. Lisanslı mevcut spektrumun lisanslı olmayan bir şekilde yeniden kullanımına olanak sağlayan bilişsel radyo, spektrum sezme ve ölçme teknikleriyle sınırlı olan mevcut band genişliğinin en etkin biçimde kullanılmasında önemli rol oynamaktadır. Bilişsel radyonun en önemli işlevlerinden biri spektrum sezmedir. Spektrum sezmede amaç, spektrumda periyodik olarak algılama yaparak lisanslı kullanıcıların hareketliliğini ve spektrumun durumunu saptamaktır. Bilişsel radyo alıcı-vericisi, kullanılmayan spektrumu ve lisanslı spektrum boşluklarını tespit ederek birincil kullanıcılara girişim yapmadan spektruma erişim yöntemlerini belirler. Literatürde spektrum sezme için enerji algılama, uyumlu süzgeç, çevrimsel durağan özellik algılama, özdeğer tabanlı algılama gibi birçok farklı teknik önerilmiştir. Bu tez çalışması kapsamında, çeşitli spektrum sezme teknikleri incelenerek, güçlü ve zayıf yönleriyle birlikte verilmiştir. Enerji algılama, çevrimsel durağan özellik algılama ve özdeğer tabanlı algılama için kullanılan farklı yöntemlerin MATLAB yardımı ile bilgisayar benzetimleri yapılmıştır. Özdeğer tabanlı spektrum sezme için, iteratif yöntemler (güç iterasyonu ve ters iterasyon) yoluyla hesaplanan özdeğerler kullanılarak, farklı iterasyon değerlerine göre algılama olasılığı eğrileri elde edilmiştir. Ayrıca, önerilen özdeğer farklarına dayalı yöntemin başarımı incelenerek, literatürdeki yöntemlerle karşılaştırması sunulmuştur.

Title

EIGENVALUE BASED SPECTRUM SENSING TECHNIQUES FOR COGNITIVE RADIO

Abstract

The radio frequency spectrum which is required for wireless communication systems is a scarce natural resource and its efficient usage has a great importance. The spectrum is divided into different spectrum bands allocated to different services such as fixed, mobile, satellite and broadcast services. In many countries most of the current spectrum is already assigned and spectrum scarcity problem is encountered. It is a fundamental problem facing the future wireless systems to meet the demand for future services. Regulatory bodies in the world (including the Federal Communications Commission in the United States and Ofcom in the United Kingdom) found that most radio frequency spectrum is inefficiently utilized. Cellular network bands are overloaded in many countries, but other frequency bands such as military, amateur radio and paging frequencies have low spectrum occupancy. Independent studies performed in some countries confirmed that observation, and concluded that spectrum utilization depends on time and place. With the use of fixed spectrum access (FSA) method for spectrum allocation in wireless communication systems, each service has a dedicated frequency band and only licenced (primary) users have rights to use this band. Thus, even if the frequency band is empty for a while it can not be used by unlicenced users which leads to low spectrum occupancy. Increasing efficiency of the spectrum is an urgent need as the number of wireless users and demand for data are increasing rapidly. This can be achieved by dynamic spectrum usage. A promising technique to improve spectrum utilization that is the enabling technology for dynamic spectrum access is cognitive radio (CR). The concept of cognitive radio was first proposed by Joseph Mitola III in a seminar at KTH (the Royal Institute of Technology in Stockholm) in 1998 and published in an article by Mitola and Gerald Q. Maguire, Jr. in 1999. It was a novel approach in wireless communications. Cognitive radio is a form of wireless communication in which a transceiver can intelligently detect which communication channels are in use and which are not, and instantly move into vacant channels while avoiding occupied ones. This optimizes the use of available radio frequency (RF) spectrum while minimizing interference to other users. In its most basic form, cognitive radio is a hybrid technology involving software defined radio (SDR) as applied to spread spectrum communications. Cognitive radio has the ability of sensing the spectrum, detecting idle frequency bands and allowing unlicenced (secondary) users to use those bands when the primary users do not exist. Each cognitive radio user must sense and decide the available frequency bands of the spectrum, select the best available frequency band, coordinate access to this channel with other users and vacate the channel immediately when a licenced user is detected. These capabilities correspond the four main functions of a cognitive radio respectively: spectrum sensing, spectrum decision, spectrum sharing and spectrum mobility. Being the focus of this study, spectrum sensing by far is the most important component for the establishment of cognitive radio. Spectrum sensing is usually understood as measuring the spectral content, or measuring the radio frequency energy over the spectrum; but when cognitive radio is considered, it is a more general term that involves obtaining the spectrum usage characteristics across multiple dimensions such as time, space, frequency, and code. It also involves determining the types of signals occupying the spectrum including the information of modulation, waveform, bandwidth and carrier frequency. However, this requires more powerful signal analysis techniques with additional computational complexity. Spectrum sensing aims to detect the availability of spectrum holes by sensing the spectrum periodically. Spectrum hole is defined as a frequency band assigned to a primary user but that is vacant in a given place at a given time. Cognitive radio transceiver detects unused spectrum and spectrum holes and then decides spectrum access techniques without causing any interference to primary users. The availability of spectrum holes can be estimated with different spectrum sensing techniques. These spectrum sensing techniques can be classified into three groups generally: primary transmitter detection, primary receiver detection and interference temperature management. Primary transmitter detection is based on the detection of a weak signal from a primary user transmitter by exploiting the local observations of cognitive radio users. Another method for detecting spectrum holes is to detect the primary users which are receiving data within the communication range of a cognitive radio user. Currently, this method is only feasible for sensing TV receivers. Third method is the interference temperature management model that limits the interference at the receiver through an interference temperature limit. This limit means the amount of new interference the receiver could tolerate. Cognitive radio users can use the spectrum band if they do not exceed this limit. Although this model is the best fit for the objective of spectrum sensing, the difficulty of this model is determining the interference temperature limit accurately. In this study, we consider primary transmitter detection methods. There are different common spectrum sensing techniques proposed in the cognitive radio literature for spectrum sensing such as energy detection, matched filtering, cyclostationary detection and eigenvalue based detection. In this study, these different techniques are investigated and their powerful and weak aspects are given. Energy detection, also known as radiometry or periodogram method, is the most common way of spectrum sensing because of its low computational and implementation complexities beside not needing any information about primary user signal. Some of the challenges with energy detector based spectrum sensing technique are selection of the threshold for detecting primary user signals (noise uncertainty problem), inability to differentiate interference from primary users and noise while secondary user is transmitting, and poor performance under low signal to noise ratio (SNR) values. Since the threshold used in energy detection algorithm depends on the noise variance, a small noise power estimation error causes significant performance degradation. Matched filtering is known as the optimum method for detection of primary users when the transmitted signal is known. The main advantage of matched filtering is the short time to achieve a certain probability of false alarm. Another approach is cyclostationary based spectrum sensing. Cyclostationary feature detection is a method for detecting primary user transmissions by exploiting the cyclostationarity features of the received signals. These features are caused by the periodicity in the signal statistics like mean and autocorrelation or they can be intentionally induced to assist spectrum sensing. Eigenvalue based spectrum sensing techniques exploit the covariance matrix of received signals at secondary users. These methods overcome the noise uncertainty problem that is encountered in energy detection method, and does not require any knowledge of signal, channel and noise power. In the concept of this thesis, computer simulations are made for energy detection, cyclostationary based and eigenvalue based spectrum sensing algorithms in MATLAB. For the eigenvalue based spectrum sensing, different techniques given in the literature namely EME (Energy with Minimum Eigenvalue), MME (Maximum/Minimum Eigenvalue), GLRT (Generalized Likelihood Ratio Test) and RLRT (Roy’s Largest Root Test) are simulated. Probability of detection curves are given for the methods according to SNR values and different noise samples values. For the MME algorithm, some iterative solutions (power iteration and inverse iteration) in the linear algebra are used to calculate maximum and minimum eigenvalues of covariance matrix, and probability of detection curves are given by using the calculated eigenvalues for different iteration numbers. Moreover, a new method for eigenvalue based spectrum sensing is proposed which is based on the sum of the squares of eigenvalue differences. Performance comparisons are made for the proposed method with the other eigenvalue based spectrum sensing methods in the literature. Eigenvalue based methods (including the proposed method) overcome the noise uncertainty problem, which can even perform better than the ideal energy detection when the signals to be detected are highly correlated. The methods can be used for various signal detection applications without requiring the knowledge of signal, channel and noise power.

Anahtar Kelime

bilişsel radyo, spektrum sezme, özdeğer

Bilim Kodu

6090207




Sıra No :13016
Üniversite

504091414

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Biyomedikal Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. İnci Çilesiz

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Mehmet Ademoğlu

Başlık

DOKULARDAKİ ISIL DEĞİŞİMLERİN OCT YÖNTEMİ İLE ARAŞTIRILMASI

Özet

Bu çalışmada, protein denatürasyon sürecinin ayrıntılı incelemesi yapılmıştır. Denatürasyon sırasında sıcaklık kontrolü yapılmaksızın, sıcaklığın belirli bir süre sabit kaldığı düşünülmüş ve ispatlanmaya çalışılmıştır. Bu amaçla daha önce birçok ışılısıl haraplama çalışmalarında da fantom doku örneği olarak kullanılan doğal yumurta akı kullanılmıştır. Yumurta akı örneğinin alt kısmında sıcaklık gradyanı oluşturularak ısı iletiminin nasıl gerçekleştiği anlaşılmaya çalışılmış buna bağlı olarak protein denatürasyonunun oluşumu ve ilerleyişi gözlemlenmiştir. Protein denatürasyonunun ilerleyişi; yüksek çözünürlükte, histolojiye yakın, gerçek zamanlı görüntüleme yapılmasını sağlayan optik uyum tomografisiyle ile görüntülenmiştir. Elde edilen verilerle 6 adet haraplanma videosu oluşturulmuş ve incelenmiş, sonuçlar dokudaki haraplama miktarını gösteren Arrhenius denklemine göre MATLAB programıyla oluşturulan simülasyonlarla karşılaştırılmıştır. Yapılan inceleme sonucunda üç videoda sıcaklığın doğrusal hızla ilerlediği, iki videoda bu ilerleyişin kısmen doğrusal hızda ilerlediği nitel olarak gözlemlenmiştir. Bir videoda oluşan yansıma problemleri nedeniyle sonuç elde edilememiştir.

Title

MONITORING THERMAL EFFECTS IN TISSUE WITH OCT

Abstract

In this study the denaturation process of the protein is analsyed. It was first assumed and then substantially proved that if the temperature remained constant at any point in tissue during the process of protein denaturation, heat-tissue interactions could be controlled within certain limits For this purpose natural egg albumen was used as a phantom subject. It was kept and monitored in a controlled temperature-gradient bath. The mechanism of unstable heat transfer and formation of protein denaturation and progression is observed by a temperature gradient underside of egg albumen. The temperature was controlled indirectly by creating the constant thermal gradient inside the sample volume and the thermal destruction was monitored by Optical Coherence Tomography (OCT). From the obtained data 6 heat damage videos which are 150 seconds and have a frame of 650*1000 pixel sizes are obtained from 6 different albumens. Our experimental results were compared and contrasted to the Arrhenius rate processes using simulations written in MATLAB environment. As a result it is observed that the temperature has a linear rate in three videos and for the other two videos the rate is semi-linear. For the last video no results were obtained because of the reflection problems.

Anahtar Kelime

Albümin, Yumurta akı, Protein denatürasyonu, Koagülasyon, Arrhenius denklemi, Optik uyum tomografisi (OCT)

Bilim Kodu

6090104




Sıra No :13011
Üniversite

504082203

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. Osman Palamutçuoğulları

Tez Türü

Doktora

Ay

Ağustos

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Oğuzhan Kızılbey

Başlık

YÜKSEK VERİMLİ E SINIFI DENGELİ GÜÇ KUVVETLENDİRİCİSİ TASARIMI İÇİN YENİ BİR YAKLAŞIM

Özet

Bu çalışmada, 3.5 GHz – 3.8 GHz sıklık bandında çalışan GaN transistörlü E sınıfı dengeli güç kuvvetlendiricisi tasarlanmıştır. Klasik E sınıfı yapının yüksek sıklıklarda düşük verim ile çalışması nedeniyle ilk önce yeni bir GaN transistörlü tek çıkışlı E sınıfı güç kuvvetlendiricisi önerilmiş ve gerçeklenmiştir. Dengeli yapının oluşturulabilmesi için giriş işaretinin 180° hibrit bağlayıcı ile eşit büyüklüğe ve 180° evre farkına sahip iki işarete bölünmesi gereklidir. Bunu sağlamak amacıyla, geleneksel halka hibritin dar bantlı olma ve büyük alan kaplama sorunlarını çözecek iki yeni hibrit bağlayıcı önerilmiştir. Önerilen iki yeni hibrit bağlayıcı ve geleneksel halka hibrit bağlayıcı gerçeklenmiş, ölçüm sonuçları karşılaştırılmıştır. Tasarlanan hibrit bağlayıcılar yardımıyla, dengeli güç kuvvetlendiricisi tek kart üzerinde gerçeklenmiştir. Gerçeklenen tek çıkışlı ve dengeli kuvvetlendiriciler çıkış gücü, verim, çift dereceli harmonik büyüklükleri bakımından karşılaştırılmıştır. Gerçeklemeler; 0.254 mm kalınlığına ve 2.2 dielektrik sabitine sahip, düşük kayıplı RT5880 dielektrik taban kullanılarak yapılmıştır. Sonuç olarak; önerilen hibrit yapılarının geleneksel halka hibrit bağlayıcının bant genişliğini artırdığı, kapladığı alanı küçülttüğü ve buna ek olarak dengeli E sınıfı kuvvetlendiricinin, tek çıkışlı E sınıfı kuvvetlendiriciye göre yaklaşık 3 dB daha yüksek çıkış gücüne sahip olduğu, yaklaşık 20 dB daha düşük çift dereceli harmonik bileşenlerine sahip olduğu ve güç ekli verimin her iki yapı için de %76 mertebelerinde olduğu sonuçlarına ulaşılmıştır.

Title

A NEW APPROACH FOR THE DESIGN OF HIGH EFFICIENCY BALANCED CLASS E POWER AMPLIFIER

Abstract

In this study, a balanced class E power amplifier has been designed for 3.5 GHz – 3.8 GHz frequency band with GaN transistor. To increase the efficiency of the conventional Class-E structure for high frequencies; a single ended high efficiency class E power amplifier proposed and realized. Because of the fact that the balanced power amplifier have to be symmetrically driven, the RF signal have to be divided into two parts balanced and unbalanced with element of hybrid coupler. Power amplifying and impedance matching was realized with GaN transistors and microstrip lines and at last two divided parts were joined with hybrid coupler again. Due to the fact that conventional ring hybrid coupler has problems such as narrow bandwidth and large area consumption, two new hybrid couplers were proposed. Proposed and conventional hybrid couplers were realized and measurement results were compared. With aid of proposed hybrid couplers, a GaN class E balanced amplifier was designed and realized on a single board. Realized balanced and single ended class E amplifiers were compared in terms of output power, efficiency and even order harmonics. Realizations are made on low loss RT5880 dielectric material with 0.254 mm width and 2.2 dielectric constant. As a result, proposed hybrid couplers increased bandwidth and decreased area consumption of conventional ring hybrid coupler. Also balanced class E power amplifier has approximately 3 dB more output power, approximately 20 dB less even order harmonics than single ended class E power amplifier with %76 power added efficiency.

Anahtar Kelime

Güç kuvvetlendiricisi, E sınıfı, GaN, Hibrit bağlayıcı

Bilim Kodu

6090101




Sıra No :12799
Üniversite

504091382

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Telekomünikasyon Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. İbrahim AKDUMAN

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Tuba ALPAY

Başlık

DÜZGÜN OLMAYAN BİR YÜZEY ÜZERİNDEKİ CİSİMDEN ELEKTROMANYETİK SAÇILMA PROBLEMİNİN İNCELENMESİ VE CİSMİN GÖRÜNTÜLENMESİ

Özet

Bu çalışmada düzgün olmayan bir yüzeyle ayrılmış iki parçalı uzaydan saçılma probleminin çözümüne yönelik bir öneri sunulmuştur. Problemin çözümü için ilk olarak, ortamda herhangi bir cismin var olmadığı durum ele alınmış ve düzgün olmayan yüzeye, düzlemsel arakesite sahip iki parçalı uzay içerisinde gömülü olan cisimler gibi davranılmıştır. Bu durumdaki düz problem çözümü için, düzgün arakesitli iki parçalı boş uzaya ilişkin Green Fonksiyonu tanımlanmıştır. Bir sonraki aşamada ise üst yarı uzayda bir D cisim bölgesi belirlenmiş, bu bölgenin toplam alana olan katkısı olarak cisimden saçılan alan ifadesi elde edilmiştir. Bu adımda, düzgün olmayan arakesite sahip iki parçalı boş uzaya ilişkin Green Fonksiyonu tanımlanmıştır. Belirlenen Green Fonksiyonları hesaplanırken, fonksiyonlarda yer alan sonsuz integrallerin yerine, belirli sayıda terimin seri toplamı ifadesi oluşturularak zamandan kazanç ve işlemsel kolaylık sağlanmıştır. Seri toplamı içerisinde yer alan katsayı ile üstel terimler ve bu terimlerin sayısı, Genelleştirilmiş Kalem Fonksiyonları Yöntemi kullanılarak belirlenmiştir. Tespit edilecek cisimden saçılan alan ifadesi elde edildikten sonra Kontrast Kaynak Yöntemi kullanılarak cismin görüntülenmesi gerçekleştirilmiştir. Görüntüleme işlemi cisme ilişkin gerçek ve elde edilen dielektrik sabiti yardımıyla yapılmıştır. Sayısal sonuçlarda, cismin konum, geometri ile elektromanyetik parametrelerinin ve düzgün olmayan yüzeyin, cisimden saçılan alana etkisi gözlenmiştir. Ayrıca problemin gelecekteki çalışmalarda nasıl geliştirilebileceği de belirtilmiştir.

Title

ELECTROMAGNETIC SCATTERING FROM AN OBJECT ABOVE A ROUGH SURFACE AND IMAGING THE OBJECT

Abstract

In this study, a new approach for the scattering problem, including rough surface, is given. In the problem, the whole space consists of two layers that have different electromagnetic properties. These two layers are separated with a rough interface. Finally, an object is placed above the rough surface. According to this definition of problem, it is aimed to solve the scattered field from the object. The Green’s Functions for two layered media with planar and rough interface are defined. While the Green’s functions are calculated, there are infinite integral statements that slowly decaying to zero and time-consuming. Generalized Pencil of Functions method is used to reduce the calculation time. This reduction is provided by replacing the integral terms with a sum of limited number of terms. The scattered field from the object is calculated and the Contrast Source Inversion method is applied for the reconstruction of the object. In the numerical examples, the effect of geometry, dielectric constant and conductivity of the object, noise, roughness of the surface are discussed, the scattered field from the object and the reconstruction results are shown. Finally, some future work topics are stated.

Anahtar Kelime

Elektromanyetik saçılma, Düzgün olmayan yüzey, Genelleştirilmiş Kalem Fonksiyonları Yöntemi, Kontrast Kaynak

Bilim Kodu

6090401




Sıra No :12952
Üniversite

504101420

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Biyomedikal Mühendisliği

Danışman Adı

Prf.Dr.İnci ÇİLESİZ, Doç.Dr.Murat GÜLSOY

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Fikret

Başlık

NIR-IR LASERLERİN KARACİĞER ÜZERİNDEKİ ETKİLERİNİN IN VITRO ORTAMDA ARAŞTIRILMASI VE KARŞILAŞTIRILMASI

Özet

Theodore Maiman’ın Hughes Araştırma Laboratuvarı’nda 1960 yılında ilk kez laseri çalıştırmasından bu yana laserler tıbbi, askeri, ticari ve bilimsel amaçlar için araştırılmaktadır. Laserler göz hastalıkları ve cilt hastalıklarının tanı ve sağaltımında yoğun biçimde kullanılmakla birlikte, diğer disiplinler (üroloji, ortopedi) tarafından da araştırılmaktadır. Laser-doku etkileşimleri ışılısıl (photo-thermal), ışıl-kimyasal, ışıl-mekanik ve ışıl-parçalama biçiminde veya bunların bir kombinasyonu olarak gelişebilir. Laserin dokudaki ısıl etkileri ve ışılısıl haraplama, 43°C’den başlayarak koagülasyon (pıhtılaşma), ablasyon (doku buharlaşması/kaldırılması), ısıl yanıklar ve doku erimesi şeklinde gözlenmektedir. Elektromagnetik spektrumun yakın kızılaltı (NIR) bölgesi, morötesi (UV) ve kızılaltı (IR) bölgesine göre dokudaki görece yüksek girginlikten dolayı, ısıl tedavide kullanılmaktadır. 2 µm dalgaboyu civarı da doku kaldırma uygulamaları için uygundur. Laser-doku etkileşiminde uygulanma (ışıma) süresi güç yoğunluğundan daha önemli bir parametredir. Bu çalışmada 1070 nm YLF , 980 nm diyot ve 1940 nm fiber laserlerinin karaciğer dokusu üzerindeki ışılısıl etkileri gözlenmiştir. Bu dalgaboylarıyla, ışılısıl haraplama başlama süresi, ışılısıl yanık başlama süresi, güvenli süre tayini ve ablasyon etkinliği ölçülerek karşılaştırılmıştır. Ölçümler, karaciğer dokusunda, 4 mm x 6 cm kesitler alınarak gerçekleştirilmiştir. Laserler dokuya 1 cm mesafeden ve 1070 nm ve 980 nm için 4-10 W güç aralığında, 1940 nm için 1-3 W güç aralığında uygulanmıştır. Makroskopik olarak ışılısıl haraplama ve ışılısıl yanık çapı, derinliği ölçümleri kalipiyer ve mikroskop altında tekrarlanmıştır. Makroskopik ölçümleri karşılaştırmak için yapılan mikroskopik ölçüm, hemotoksilen&eosin boyası ile yapılmıştır. Sonuç olarak diğer iki dalgaboyuna göre 980 nm dalgaboyu dokuda daha büyük ışılısıl hasar oluşturmaktadır. 1070 nm en “güvenli” dalgaboyudur ve görece daha küçük ışılısıl haraplama hacmi oluşturmaktadır. 1070 nm için ışılısıl haraplama ve yanık derinliği, 1940 nm için de yanık derinliği güç yoğunluğundan bağımsızdır. 1940 nm dalgaboyu, suyun soğurma tayfından dolayı karaciğer dokusunda yüzeysel olarak küçük ve etkin bir doku kesimi için uygundur.

Title

IN VITRO INVESTIGATION AND COMPARISON OF NIR-IR LASERS EFFECTS IN LIVER TISSUE

Abstract

Since its first demonstration by Theodore Maiman in 1960 at Hughes Research Laboratories, lasers have been investigated for medical, scientific, military and commercial applications. Although in ophthalmology and dermatology lasers are used frequently, they are investigated for other medical disciplines, such as, in gynecology, urology, and orthopedics. Unlike conventional light sources, lasers produce monochromatic, coherent, and highly collimated intense beams of light. Coherent light can be focused to a very small spot size for practical applications. Thanks to this characteristics intense and small spot size laser beams can be produced. Laser-tissue interactions include photothermal, photochemical, photomechanical, and photodissociation effects. When laser light strikes the tissue surface , interaction with tissue can be absorption, scattering, reflection and transmission. Main absorbers in biological tissue are water, hemoglobin (Hb) and in skin and retina, melanin. When laser light is absorbed, heat is produced and can cause thermal damage to the tissue. Thermal effects of lasers start when tissue reaches 43 ºC leading to coagulation. Vaporization, ablation carbonization and melting occur for longer exposure and higher power densities. In literature, laser–tissue interactions depend on a combination of laser and tissue parameters. These are 1. laser parameters: wavelength, laser mode, spot size, exposure time, energy and power density (J/cm2 and W/cm2) , 2. tissue parameters: absorption coefficient, scattering coefficient, anisotropy, heat conductivity, heat capacity. In laser-tissue interactions energy density varies between 1 and 1000 J/cm2. In contrast to energy density, power density varies over 15 orders of magnitude. Considering laser parameters only, laser tissue interaction mechanisms depend on exposure time, power density and energy density. Correlation between exposure time and power density shows us that almost same energy density is required for any type of interaction mechanism. Thus, exposure time is considered to be the main parameter determining the nature of laser tissue interactions. Other important parameters responsible for the interaction mechanisms are wavelength and power density. Laser wavelength is considered the second important parameter. Response of biological tissue is largely determined by irradiation wavelength. Last parameter is applied power density (irradiance) that governs the type of interaction and extent of photothermal damage. The NIR region of the electromagnetic spectrum (600 to 1200 nm) was used in therapy because of relatively deeper penetration at these wavelengths when compared to UV or IR. Specific absorbers in this spectral range are water and protein molecules like hemoglobin. Wavelengths around 2 μm are considered to be in the “eye-safe” window making them more suitable for superficial interstitial phototherapy. The goal of laser induced thermal therapy is precise treatment of local lesions while preserving surrounding healthy tissue. In order to achieve this goal, laser beam size and exposure times must be closely controlled or monitored because laser tissue interactions depend on exposure time more than power density. The outcome of photothermal interactions depend on dosimetry and may be limited to coagulation only, but may also extent to ablation and carbonization when higher doses are used. The aim of our study was to compare thermal effects and extent of laser irradiation at three wavelengths (980 nm, 1070 nm, and 1940 nm, with varying penetration depths) on liver tissue. The reasons for selecting 1070 nm, 980 nm and 1940 nm in our study are summarized below: 1. We chose those three laser wavelengths in our experimental study because their photothermal effects on tissue were expected to vary considerably. 2. 1064 nm laser is little absorbed by biological tissue ( µa<< ) and it is used for interstitial LITT due to high penetration depth in tissue. There are 6 nm differences to 1070 nm ytterbium fiber laser (YLF). 3. 1940 nm is more absorbed (µa >>µs ) when compared to 980 nm diode and 1070 nm fiber laser. Wavelengths around 2 μm may create superficial lesions due to local absorption peak of water. Up to now just two wavelengths were studied for this purpose , 1.9 µm and 2.01 µm. 4. 980 nm diode laser is considered more practical and efficient in medical applications due to portability, and compactness. 980 nm is more absorbed by water and hemoglobin (Hb) when compared to 1070 nm. For tissue stained with blood this property can be used for coagulative and ablative treatment. 5. Moreover , liver tissue attracts metastatic tumors. This manuscript consists of six chapters; 1. Introduction 2. Basic laser physics 3. Laser-tissue interaction 4. Materials and methods 5. Results 6. Discussion and conclusions We studied onset of coagulation, carbonization and ablation, as well as ablation efficiency. Our in vitro study was performed on bovine liver tissue. 4 mm axial and 6 cm radial sections were taken from fresh liver specimens from a local abattoir. Irradiation was performed with laser output ranging from 4-10 W (3 - 7,5 W/mm2) for 1070 nm and 980 nm , 1-3 W (0,3 - 0,9 W/mm2) for 1940 nm. CW laser beam was applied using a bare fiber at 1 cm distance from the tissue surface. Thermal lesions were studied under a microscope. Radius and depth of coagulation and carbonization were measured using a caliper. Subsequently, we estimated carbonized and coagulated tissue volumes. In addition the macroscopic measurements, carbonized and coagulated tissue samples were stained with hematoxylin and eosin (H&E) in order to more precisely evaluate the effects of laser. We compared carbonization efficiency (carbonization volume/coagulation volume), safe time interval (from onset of coagulation to carbonization), normalized carbonization radius/carbonization depth, and normalized coagulation radius/coagulation depths at those three wavelengths. The measured parameters were given as mean values with their standard deviations. The level of significance was set to p < 0,01 for 1940 nm and to p<0,007 for 980 nm and 1070 nm. Histological measurements were performed to investigate cellular tissue damage. In coagulation region we observed that due to the relaxation of collagen and elastin, fiber tissue integrity was destroyed, matrix was separated and central and bile duct were damaged. Same as the coagulation region, in carbonization region collagen and elastin fibers were broken. With hepatocytes damaged, tissue shrinkage occurred and intercellular space was increased. Also we saw granulation under the microscope. Our results indicated that at 980 nm tissue damage was more pronounced than at other wavelengths. For ablation purposes 1070 nm has a longer safe time interval and created smaller coagulation volumes. Carbonization depth and coagulation depth were comparable at 1070 nm. Moreover, carbonization depth was independent of applied power density at 1940 nm (at 1W, 2 W, 3 W). For small and precise cutting of liver tissue 1940 nm was the wavelength of choice due to local absorption peak of water. Macroscopic and microscopic results were in agreement.

Anahtar Kelime

1070 nm, 980 nm, 1940 nm, karaciğer dokusu

Bilim Kodu

609




Sıra No :12796
Üniversite

504091239

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Elektronik Mühendisliği

Danışman Adı

Türker Küyel

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Emre Topçu

Başlık

YÜKSEK ÇÖZÜNÜRLÜKLÜ, DİRENÇ DİZESİ TİPLİ SAYISALDAN ANALOĞA DÖNÜŞTÜRÜCÜLERDE DİNAMİK HATA MEKANİZMALARININ İNCELENMESİ

Özet

Sayısal – analog dönüştürücüler (Digital-to-Analog Converters / DAC) sayısal düzlemdeki işaretleri analog düzleme çevirirken, analog – sayısal dönüştürücüler (Analog-to-Digital Converters / ADC) analog düzlemdeki işaretleri sayısal düzleme çevirirler. Direnç dizesi gerilim çıkışlı DAC mimarisi genel olarak her bir sayısal girişe karşılık direnç dizesinin farklı bir noktasından gerilim seçer ve çıkıştaki yük bir çıkış tamponuyla sürülür. Bu mimariler monoton ve oldukça hassas yerleşme karakteristiklerine sahipken çözünürlük ve hız problemleri vardır. Yüksek hızlı direnç dizesi ve ara değer bulan OPAMP (operational amplifier) mimarilerinin bulunmasıyla yüksek hız ve çözünürlükte direnç dizesi gerilim çıkışlı DAC tasarımları yapılabilmiştir. Üretim sırasında meydana gelen statik hatalar ve uyumsuzluklar, lazer kırpma ve sayısal kalibrasyon teknikleriyle çözüm bulmuş olsa da bu mimarilerin dinamik hata mekanizmaları henüz çözüm bulmamıştır. Bu tez çalışmasında direnç dizesi gerilim çıkışlı DAC mimarisinin dinamik hata mekanizmaları incelenecektir. Analizler için test düzenekleri Cadence platformunda, BSIM 3.3 modelleri ve 0.15um 1.8V-3.3V CMOS teknolojisi kullanılarak oluşturulmuştur. Test düzenekleri sadece tek bir hata mekanizması devrede olacak şekilde tasarlanmıştır. Bu amaç için birçok bloğun ideal modelleri kullanılarak analog-sayısal birlikte olacak şekilde benzetimler yapılmıştır. Bu analizler sırasında bir C kodu yardımıyla saf sinüs verisi üretilerek DAC girişine verilmiş ve analog çıkışın DFT’si alınarak SFDR (Spurious Free Dynamic Range) hesaplanmıştır. Yapılan analizler sonucu RC zaman sabitinin koda bağlı değişmesinin direnç dizesi DAC mimarisinde en baskın dinamik hata mekanizması olduğu görülmüştür. Bu tez çalışmasında 8 temel hata mekanizması bulunmuş ve bu hata mekanizmaları için çeşitli mimariler önerilmiştir. İlk olarak OPAMP giriş kapasitesinin koda bağlı değişiminin DAC’ın dinamik doğrusallığını bozan baskın bir hata mekanizması olduğu görülmüştür. Sadece bu hata mekanizması bile diğer bütün bloklar ideal modelleriyle kullanıldığı durumunda 1 MHz’deki SFDR’ı 75 dB’ye düşürmektedir. Bu hata mekanizmasının çözümü için işlevsiz OPAMP girişi sisteme dahil edilerek ve çoklayıcı anahtarları ters yönde anahtarlanarak kod bağımsız OPAMP giriş kapasitesi elde edilmiş ve diğer herşey ideal olduğunda 1 MHz’deki SFDR 106 dB’lere çıkarılmıştır. İkinci hata mekanizması, direnç dizesinden görülen koda bağlı eş değer dirençtir. Her kod için bu dizeden görülen eş değer direncin farklı olması koda bağlı RC zaman sabiti oluşturur ve tek başına oldukça baskın bir dinamik hata mekanizmasıdır. Bütün diğer bloklar için ideal modelleri kullanıldığı durumda bile SFDR performansı 1 MHz’de 66 dB’dir. Bu hata mekanizması direnç dizesine her kod için farklı değerde seri birer direnç koyularak çözülmüştür ve herşey ideal olduğunda 1 MHz’deki SFDR performansı 66 dB’den 104 dB’ye çıkartılmıştır. Direnç dizesinden gerilim seçen anahtarların koda bağlı olarak VGS geriliminin değişmesi ve buna bağlı olarak da iletim dirençlerinin değişmesi RC zaman sabitinin koda bağlı değişmesine sebep olur ve yeni bir hata mekanizmasını oluşturur. Koda bağlı iletim direncini sabit tutabilmek için uzun yıllardır kullanılan sabit VGS yapısına ek olarak iki farklı sabit VBS yapısı önerilmiştir. Bu mimarilerde temel olarak her kod için iletimde olacak anahtarın VBS gerilimi sabit tutularak, kod bağımsız VTH, dolayısıyla da kod bağımsız iletim direnci elde edilmeye çalışılmıştır. Kapalı transistorlerin overlap kapasitelerinin VGD gerilimine bağlı değiştiği ve bunun kod bağımlı RC zaman sabitine yol açtığı gösterilmiştir. Bu dinamik hata mekanizmasının çözümü içinse kapalı transistorlerin geçitlerini çıkış geriliminin belirli bir miktar aşağısına sürecek, sabit VGD yapısı önerilmiştir. Anahtarlama sırasında meydana gelen yük enjeksiyonu ve saat geçiş beslemesi (clock feedthrough) problemlerinin de baskın bir hata mekanizması oluşturduğu gösterilmiştir. Sabit VGD yapısının yük enjeksiyonu hata mekanizmasının etkisini iki katına çıkardığı gösterilmiş ve sabit VGD yapısı gerçeklemesi yapılmamıştır. Bu tez çalışmasında şimdiye kadar tasarlanmış dinamik doğrusallığı en yüksek olan direnç dizesi gerilim çıkışlı DAC mimarisi referans olarak alınmıştır. Bu mimarinin SFDR performansı 1 MHz’de 54 dB, 200 KHz’de 64 dB’dir. Bulunan bütün hata mekanizmaları ve önerilen mimariler dikkate alınarak yapılan tasarımında SFDR performansı 1MHz’de 72 dB, 200KHz’de 90 dB olacak şekilde iyileştirilmiştir.

Title

INVESTIGATING DYNAMIC ERROR MECHANISMS OF HIGH RESOLUTION RESISTOR STRING D/A CONVERTERS

Abstract

Digital-to-analog converters (DACs) convert digital signals to the analog domain while analog-to-digital converters (ADCs) convert signals from the analog to the digital domain. In this work, resistor string voltage output DAC architectures will be taken into consideration. In order to drive time varying loads with good linearity and precision settling, a digital to analog converter with an output buffer is needed. The buffered current steering DAC architecture is fast, but it is non-monotonic and it has sub-par precision settling characteristics. The settling problem is due to voltage and temperature coefficients of the feedback resistor of the output buffer implemented as an I-to-V converter. On the other hand, a buffered resistor string DAC is monotonic, settles to a precision voltage, but it has the disadvantages of speed and resolution. For resistor string DACs, a novel segmentation architecture solved the resolution problem and a series of 16-bit monotonic resistor string CMOS DACs recently gained popularity in the industry for low power, low bandwidth applications. A roadmap to 18-bits and above is foreseeable in the near future. DC nonlinearities of these 16-bit DACs can be digitally calibrated; however, the dynamic issues remain mostly unsolved, and these DACs are rarely used for waveform generation applications. The purpose of this study is to help extend the applications of high-resolution resistor string DACs to waveform generation applications from DC to 1 MHz of output frequency. A very important performance metric for waveform generation applications is the spurious free dynamic range (SFDR). SFDR is the distance (in dB) between the fundamental frequency and the highest spur in the power spectrum. When SFDR improves, total harmonic distortion (THD) and intermodulation distortion (IMD) also improve. For this reason, we chose SFDR as the performance benchmark metric. This study is based on simulation alone, and no actual hardware is built or tested in a laboratory environment. To run the simulations, Spectre, a SPICE-like circuit solver, is used on Cadence software platform. BSIM 3.3 models of a 015µ 1.8V – 3.3V CMOS process are used in our simulations. Dynamic behavior of the output amplifier is beyond the scope of this work and the focus is on the DAC. Considering the best available class AB CMOS amplifiers give 81 dB SFDR at 1 MHz output frequency, it is our intent to improve the DAC performance to a level that, the opamp, not the DAC, is the limiting factor on the SFDR. First, a simulation test-bench is formed to measure the SFDR of the 16-bit DAC. The test-bench generates segment-driving waveforms and evaluates a coherent fast Fourier transform (FFT) of the DAC output based on the desired sampling rate and the desired output frequency. An ideal, behavioral DAC is constructed to test the performance of digital inputs and switch driving waveforms. Every time an actual transistor based DAC simulation is run, it is verified that the ideal behavioral DAC’s SFDR performance under the same setting is well over 100 dB. The test-benches are designed in the analog-mixed-signal (AMS) environment of the Cadence software platform to be able to use ideal models for most blocks while investigating each error mechanisms for the non-ideal blocks one at a time. This methodology helps eliminate the interactions between multiple error mechanisms. In this work, 8 different dynamic error mechanisms are identified and various design techniques are suggested to help reduce the errors associated with these error mecahnisms. Simulations show that the dominant effect on SFDR is code-dependent RC time constant. The first mechanism for code dependent time constant is due to the input capacitance of the interpolating amplifier. The 6 LSBs of the binary coded digital input code get converted to thermometer code, and the 63 thermometer code outputs and their complements drive 63 pairs of NMOS switches in a complementary fashion. Each switch pair has their sources connected to the positive input of a single PMOS differential pair structure that belongs to the OPAMP, and their drains connected to vhi and vlo respectively. One differential pair is constantly tied to vlo, making a total of 64 differential pairs. Under digital control, when two consecutive tap voltages from the string vhi and vlo are duplicated M times and 64-M times for the interpolation amplifier, vhi will be connected to M differential pair positive inputs, whereas vlo will be connected to 64-M differential pair positive inputs. Due to the gate capacitance of the differential pair positive inputs, there will be a different amount of capacitance connected to vhi and vlo nodes, depending on the state of 6 least significant digital inputs. This causes code dependent capacitance differences between vhi and vlo. As a solution, we propose a complementary switching structure and a secondary interpolating amplifier input stage so that Vhi and Vlo are duplicated 64-M times and M times respectively. This way, Vhi and Vlo will be connected to a total of 64 differential pairs each. For a single ended implementation, this structure has to be a dummy structure; however, for a differential implementation, this structure will be utilized as the negative input of an amplifier used in an instrumentation amplifier type setting. This constant capacitive load improvement causes the SFDR to jump from 75 dB to 106 dB at 1MHz, when everything else is ideal. Even if the code dependent capacitance problem is solved, a code dependent resistance problem remains. The second mechanism causing code dependent time constant is the code dependent AC resistance of the string. Depending on the tap point selected, resistors of two different values will be connected in parallel and this will cause a code dependent resistance seen at each tap point. This is an effect driven by the most significant bits of the digital DAC input, as the 10 MSB bits drive a 32x32, 1-out-of-1024 type row-column decoder to select the string tap voltage. The effective resistance is the lowest at the lowest and highest tap points, and highest at the mid tap point. This error mechanism can be eliminated if a series calibration resistor is placed at each tap point. The values of these series resistors are mathematically computed so that the impedance at each switch source is held constant. That is, higher series resistances are added at the top and bottom portions of the string and lower series resistances are added at the mid sections. The addition of series resistors slows down the string, but the settling time of the string becomes the same across all tap points. If the switches are ideal, the addition of series resistance to the string combined with the constant-C amplifier improves the performance from 66 dB to 104 dB. Resistor string switches have code-dependent VGS voltages, so code-dependent on resistances. This causes code-dependent RC time constant and deteriorates dynamic linearity. Bootstrapping the switch is known and has being used for many years. An additional resistor ladder is used to generate the bootstrap voltages. This technique provides a certain degree of code independent on resistance; however, from the simulation of a dummy series switch, it becomes obvious that to get good SFDR, eliminating the body effect is also necessary. Creating a VBS connection on the switches to reduce the body effect does not work because it turns on the reverse biased diodes on some of the OFF switches. Therefore, it becomes obvious that the VBS connection is needed only for the ON switch, resulting in a selective VBS bootstrap switch structure, where VBS connection depends whether the switch is ON or OFF. Another alternative to have constant VBS is to shift R-String operating region to have a higher voltage range and to bias bodies of the switch to incrementally increasing voltages, which are generated by an auxilliary resistor string. For instance, the operating region of the R-String can be set 1.0V-0.5V instead of 1.0V-0V and the bodies can be biased between 0.5V-0V. In this case, the reverse biased diodes problem does not exist. Constant Vgs implementation for tap switches are effectively used in the final architecture, but constant Vbs implementation is found to be not as significant. Overlap capacitance is known to be constant when the transistor is either in saturation or in triode; however, it is highly nonlinear when the transistor is in cutoff, due to depletion of the source and drain diffusion surfaces. In the resistor string structure, for each transistor that is ON, there are 31 transistors that are OFF. For this reason, the effects of the gate drain capacitance of the OFF transistors are very significant and they unfortunately present a nonlinear (voltage dependent) capacitance at the string tap point. This nonlinear gate drain capacitance is much more significant than the reverse biased junction capacitances of the switches. To reduce the gate-drain nonlinear overlap capacitance effect, the gate-drain voltage of the OFF switches must be held constant. The drain voltage of all the OFF switches must be at the output voltage of the ON switch. Given this constraint, the gate voltages of the OFF switches must be taken from an auxiliary resistor string such that VGD is constant. Since constant VGD approach increases effect of charge injection, it is not implemented in the final architecture. In this work, it is shown that charge injection is the next dominant error mechanism on SFDR. It is found that the string switches are responsible for the majority of the charge injection mechanism, and it is also found that charge injected on the amplifier, not on the string, causes the SFDR problem. SFDR caused by charge injection is predominantly a second order distortion, which could be reduced by a differential architecture. Clock feedthrough effect is found to be not as significant as the charge injection effect A high-speed, high resolution, 16-bit R-String DAC product (DAC8580) is taken as a comparison benchmark. From its datasheet, it is obvious that the SFDR performance of this product is dominated by dynamic effects. The DC calibrated SFDR performance of the DAC8580 is 102dB at 1 KHz and 62 dB at 200 KHz. The SFDR of our proposed DAC shows 90 dB at 200 KHz. However, one must keep in mind that our work is based on SPICE simulations on a faster CMOS process, using an ideal behavioral amplifier.

Anahtar Kelime

direnç dizesi, dac, sayısaldan analoğa dönüştürücü, SFDR, doğrusal, yüksek frekans, gerilim çıkışlı

Bilim Kodu

0




Sıra No :12833
Üniversite

504091424

Enstitü

Istanbul Technical University

Anabilim Dalı

Institute of Science and Technology

Program

Biyomedikal Mühendisliği

Danışman Adı

Prof. Dr. Bilge Günsel

Tez Türü

Yüksek Lisans

Ay

Haziran

Yıl

2012

Tez Öğrencisi

Sezer Kutluk

Başlık

YEREL ÖZNİTELİKLER İLE MAMOGRAFİ GÖRÜNTÜLERİNDE DOKU YOĞUNLUĞUNUN SINIFLANDIRILMASI

Özet

Bu çalışmada mamografi görüntülerinde göğüs dokusu yoğunluğunun sınıflandırılması amaçlı bir sistem önerilmiştir. Geliştirilen yöntemle görüntüler üç sınıfa ayrılmakta olup bu sınıflar yağlı doku, yağlı-bezel doku ve yoğun-bezel dokudur. Doku yoğunluğunun göğüs kanseri oluşumunda ve kanser tanı sürecinde önemli bir parametre olduğu bilinmektedir. Yapılan çalışmalarda bazı doku yoğunluğu türlerinde kanser oluşma olasılığının diğerlerine göre daha yüksek olduğu belirtilmiştir. Bazı doku younluğu türlerinin de mamografi görüntülerinde tümör ve mikrokalsifikasyon oluşumlarının görünmesini engellediği, dolayısıyla erken kanser tanısına engel olarak tedavi sürecini geciktirdiği belirtilmektedir. Meme kanserinde erken tanının önemi düşünüldüğünde, doku yoğunluğunun sınıflandırılmasının büyük bir öneme sahip olduğu anlaşılmaktadır. Mamografi görüntülerinde doku yoğunluğunun sınıflandırılması bilgisayarlı tanı sistemleri ve içerik tabanlı medikal görüntü arama sistemlerinin performans, doğruluk ve güvenilirliğini arttıracağı ve otomatikleştirilmesine katkıda bulunacağı için bu sistemlerde bir ön işlem bloğu olarak kullanılabilir. Otomatik kitle bulma uygulamalarının hassaslığı artan doku yoğunluğuyla tümör ve mikrokalsifikasyonlar dokunun içine gizlenebildiği için azalmaktadır. Doku yoğunluğu bilgisi kanser oluşumu ve tanı süreciyle ilgisinden dolayı bilgisayarlı tanılama sistemlerinde kullanılarak bu sistemlerin doğruluğu arttırılabilir. İçerik tabanlı medikal görüntü arama sistemlerinde ise, aranacak görüntü kümesini bir ön arama veya ek bir arama parametresi olarak azaltacak ve böylece hem arama doğruluğunu arttıracak, hem de arama getirme iş yükünü ve süresini önemli ölçüde azaltacaktır. Bu çalışmada gö