Web tabanlı Sayısal Haberleşme Sistemi Eğitim Sistemi Geliştirilmesi

Transkript

1 Web tabanlı Sayısal Haberleşme Sistemi Eğitim Sistemi Geliştirilmesi Cihangir Erdem 1, Mehmet Efe Özbek 1, Ali Kara 1,3, Nergiz Çağıltay 2, Elif Aydın 1 (1) Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü (2) Yazılım Mühendisliği Bölümü Atılım Üniversitesi İncek, Ankara (3) Ulusal Elektronik ve Kriptoloji Araştırma Enstitüsü (UEKAE), G222 Birimi Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu(TÜBİTAK) Kavaklıdere, Ankara {cerdem, meozbek, akara, nergiz, eaydin}@atilim.edu.tr ÖZET Bu çalışma kapsamında geliştirilen sisteme kullanıcı analog bir ses/mesaj sinyali girebilmekte, bu sinyal sayısallaştırılmakta, seçilen bir modülasyon şeması ile modüle edip gürültülü ortamdan geçirilmekte, ardından alıcı tarafından çözümlenerek kullanıcıya tekrar sunulmaktadır. Bu süreçte, farklı modülasyon tiplerinin beyaz Gauss gürültüsü altında performans analizinden, farklı blokların ve grafik çıktılarının sunumuna kadar eğitim amaçlı farklı birçok görsel sonuç kullanıcıya sunulabilmektedir. Bu şekilde kullanıcının, analog giriş sinyalinin sayısallaştırma süreci, temel bant ve kaydırmalı anahtarlama modülasyon tipleri, beyaz Gauss gürültüsü etkisi, bit hata oranlarının çıkarılması ve uyumlu filtre tasarımı gibi birçok farklı aşama üzerinde görsel, etkileşimli bir şekilde yer ve zamandan bağımsız olarak çalışması mümkün olmaktadır. ANAHTAR KELİMELER Sanal Laboratuar, Elektronik Mühendisliği Eğitimi, Web tabanlı Sayısal Haberleşme Sistemi. 1. GİRİŞ Mühendislik eğitiminde uygulamalı ve teorik bilgilerin bağıntılı olarak sunulması, daha etkin bir öğrenme sağlanması için önemli bir unsurdur. Başarılı bir mühendislik eğitimi ancak teorik ve uygulama/laboratuar bileşenlerini en uygun oranlarda bütünleştiren bir eğitim programı ile mümkün olabilir. Literatürde, uzaktan teorik eğitim kapsamında birçok uygulama bulunmasına rağmen, laboratuar uygulamaları için genellikle yüz yüze eğitim yaklaşımlarının tercih edildiği görülmektedir. Ancak Bilgi ve İletişim Teknolojilerinde yaşanılan gelişmeler, uzaktan eğitimin yeni bir aşaması olarak düşünülebilecek, uzaktan laboratuar (remote lab.) ve sanal laboratuar (virtual lab.) sistemleri ile mevcut eğitim ortamlarının desteklenmesini mümkün kılmıştır. Uzaktan laboratuarlarda, kullanıcı internet aracılığıyla gerçek deneyler gerçekleştirebilmekte, sanal laboratuvarlarda ise benzetimler yapabilmektedir. Bu iki yaklaşımın avantajlı ve dezavantajları ve literatürdeki örnekleri yazarların önceki çalışmalarında geniş bir şekilde tartışılmaktadır [1-13]. Bu bildiride, sanal ortamda sayısal haberleşme eğitimi vermek amacıyla geliştirilen bir web uygulaması tanıtılmakta, uygulamanın tasarımında kullanılan teknoloji ve yaklaşımlar anlatılmaktadır. İkinci bölümde sayısal haberleşme sisteminin temel bloklarından bahsedilmiş üçüncü bölümde ise sanal eğitim uygulamasının yapısı, çalışma prensibi anlatılmış ve sistemin performans çıktıları sunulmuştur. 2. SAYISAL HABERLEŞME SİSTEMİ Sayısal haberleşme sistemleri günümüzde popülerliğini gittikçe artırmaktadır. Öğrencilerin sayısal haberleşme sistemleri altyapısını daha iyi anlayabilmeleri ve yorumlayabilmelerinde laboratuar imkanlarının önemli bir yeri V. URSI-Türkiye Bilimsel Kongresi, Orta Doğu Teknik Üniversitesi - Kuzey Kıbrıs Kampusu, Ağustos

2 vardır. Ancak gerekli haberleşme cihazlarına sahip laboratuarlar yüksek maliyetleri sebebiyle her üniversitede kurulamamaktadır. Uzaktan laboratuarlar bu açığın kapatılmasını amaçlanmaktadır. Tipik bir sayısal haberleşme sisteminin blok diyagramı şekil 1 de görülmektedir. Sayısal bir haberleşme sisteminde ilk aşama bilgi kaynağından gelen analog işaretin örneklenmesidir. Shannon ve Nyquist Teoremleri sınırlı bandlı bir analog işaretin bozulamadan tekrar elde edilebilmesi için örnekleme işleminin hangi frekansta yapılması gerektiğini söylemektedir. Örneklerin genlik değerleri kuantalama işlemi ile sonlu sayıdaki seviyelere dönüştürülür. Bu dönüşüm alıcıda elde edilecek işarete kuantalama gürültüsü olarak yansımaktadır. İşaretin kanalda maruz kalacağı gürültüye bağışıklığının daha fazla olabilmesi için kuantalanmış seviyelerin bir kod kümesi ile ifade edilmeleri daha uygun olmaktadır. Bu işlem Darbe Kod Modülasyonu olarak adlandırılmaktadır. Girişteki analog işaretin bir bit dizisi olarak kodlanmasıyla işaret sayısal forma dönüştürülmüş olmaktadır. Kod kümesi kanaldan iletilmeden önce içindeki bitler sembol adı verilen gruplara ayrılır. Sembol başına düşen bit sayısı (bps-bit per symbol) uygun şekilde belirlendikten sonra her sembol bir elektriksel dalga formu ile temsil edilir. Bu işleme temel band modülasyonu adı verilmektedir. Temel-band işareti alçak frekanslı olduğu için, band- geçiren karakteristiğe sahip bir kanaldan iletilmesi mümkün değildir. Uygulamada da kullanılan antenlerin boyları temel band spektrumundaki işaretleri iletmeye uygun olmamaktadır. Bu zorlukları aşılabilmesi için temel band işareti yüksek frekanslı bir taşıyıcı ile modüle edilir. Modüleli işaretin alıcıya ulaşmadan önce geçtiği ortama kanal adı verilmektedir. Alıcıda bit dizisinin tekrar elde edilmesi için, sistemin tasarımı aşamasında seçilen dalga formları ile uyumlu bir filtre kullanılır. Bit dizisi başta kuantalama için seçilmiş olan düzene uygun olacak şekilde elektriksel seviyelere dönüştürülür. Elde edilen ayrık işaret, uygulamaya göre, analoga da dönüştürülebilir. Giriş Format Temel Band Modülasyonu Sayısal Modülasyon Beyaz Gauss Gürültüsü (Kanal) Çıkış Format Algılama Demodülasyon/ Örnekleme 3. SİSTEM YAPISI Şekil 1. Sayısal Haberleşme Temel Blok Diyagramı 3.1.WEB TABANLI SAYISAL HABERLEŞME SİSTEMİ Bu çalışmada geliştirilen Web tabanlı Sayısal Haberleşme Eğitimi Sisteminde (SHES) bir sayısal haberleşme sisteminin temel bloklarının bilgisayar yazılımı ile benzetimi yapılmıştır. SHES nin temel yapısı Şekil 2 de gösterilmiştir. Kullanıcı tarafından kaydedilen ses, analog giriş işareti olarak kullanılmaktadır. SHES, örnekleme, kuantalama, darbe kod modülasyonu / demodülasyonu, temel band modülasyonu / demodülasyonu, sayısal modülasyon / demodülasyon, iletim kanalı, uyumlu filtre ve bit hata oranı analizörü gibi tüm temel blokların çıktılarını kullanıcıya sunmaktır. Şekil 3 de görülen arayüzün görüntülenmesi için kullanıcının bilgisayarında Flash player bulunması yeterlidir. MP3 ya da WAV formatındaki ses işaretlerini kabul edebilen SHES ses sunucuya yükleyip ardından kullanıcının bu giriş işaretine temel band, genlik kaydırmalı anahtarlama, frekans kaydırmalı anahtarlama, faz kaydırmalı anahtarlama modülasyon türlerinden birini ve sisteme kanalda uygulanacak gürültünün seviyesini seçmesini beklemektedir. Bu parametre girişlerinden sonra kullanıcıya kanaldan etkilenip, demodüle edilip tekrar elde edilen ses işaretini kendi bilgisayarına yükleyip dinleme olanağı verilmektedir. Demodüle edilmiş sesin SHES tarafından tekrar kullanıcıya sunulması ile değişik gürültü ve modülasyon seçeneklerinin giriş sinyali üzerindeki etkisinin daha iyi anlaşılması ve öğrencilerin bu konulardaki yorum yeteneklerinin gelişmesi sağlanmaktadır. Kullanıcı, bit hata oranı grafiği vasıtası ile seçtiği parametreler için sistemin nasıl bir performans gösterdiğini gözleyebilmektedir. Bütün grafiklerin tek bir ekranda sunulmasıyla da giriş işaretinin hangi aşamalardan geçtiği ve her bloğun çıkışında ne tür bir formda bulunduğunu takip edebilmektedir. Sayısal haberleşme sisteminin modellenmesinde sistem işlemsel altyapısının hazırlanmasında Matlab, çoklu kullanıcıya hizmet verebilmek için.net (Visual Studio) ve kullanıcı arayüzlerinin oluşturulması amacıyla da Flash(Flex) teknolojileri kullanılmıştır. V. URSI-Türkiye Bilimsel Kongresi, Orta Doğu Teknik Üniversitesi - Kuzey Kıbrıs Kampusu, Ağustos

3 İstemci Flash Uygulaması LMS (Doğrulama) Yükleme İşleyicisi Handler Web Servis İndirme İşleyicisi Kullanıcı Dosyaları Handler Sunucu.NET Şekil 2 SHES Yapısı Matematiksel hesapları matris çarpımları yoluyla hızlı bir şekilde gerçekleştirmesi nedeniyle tercih edilen matlab ortamı yardımıyla hazırlanan sayısal haberleşme sisteminin çoklu kullanıcıya hizmet verebilmesi için gerekli kütüphanelerin bir web servis haline dönüştürülmesi gerekmektedir. Bu kütüphaneler matlab m fonksiyonları şeklinde kodlanmış sayısal haberleşme sisteminin matlabdan bağımsız şekilde kullanılmasını sağlamaktadır. Web Servis, uzak istemcilerin başvuruda bulunduğu çeşitli işlevsel metod çağırımlarını bardındırdan, çok yönlü ve merkezileştirilmiş bir ünitedir. Web servisleri dağıtık nesne modellerinden farklı kılan sahip olduğu alt yapı sistemi sayesinde, platform bağımsız uygulanabilirlikleridir. Şekil 3. SHES Kullanıcı Arayüzü SHES nin işlemsel yükün web servisler vasıtasıyla sürdürüldüğü kısım sunucu üzerinde çalışmaktadır. Bu yüzden istemci bilgisayarının tüm bu sayısal haberleşme sistemi benzetimindeki yoğun işlemlerini yapmak zorunda kalmamakta ve buna bağlı olarakta yüksek donanım özelliklerine sahip olması gerekmemektedir. SHES nin kullanıcı arayüzünde sayısal haberleşme sisteminin alt bloklarının her birinin ve tüm sistemin bit hata oranı analizlerinden elde edilen bilgiler ve grafiklerin görsel bir arayüz şeklinde kullanıcılara sunulmasında kullanıcı taraflı programlama kullanılmıştır. Arayüz tasarımındada gerek yagınlığı gerekse görsel manada daha iyi bir deneyim sunabilen flash platformu ve bu platformda yazılım geliştirme ortamı olarakda çapraz platform tabanlı zengin internet uygulamaları geliştime desteği veren Flex frameworkü tercih edilmiştir. SHES de temel band ve sayısal modülasyon türlerinin üretilmesinde sinüsoidlerin örnekleme oranın (örnek/bitbir bit yerine yerleştirilecek olan sinüsoidin kaç bitten oluşacağı) bit hata oranı grafiklerinin elde edilmesinde önem teşkil etmektedir. Şekil 4 te farklı modülasyon türleri için bit hata oranı analizleri yer almaktadır. Kullanıcı başlangıçta seçtiği farklı gürültü ve örnekleme oranı seçenekleriyle SHES için elde ettiği bit hata oranı grafiklerini, teoride olması gereken grafiklerle de karşılaştırabilmektedir. V. URSI-Türkiye Bilimsel Kongresi, Orta Doğu Teknik Üniversitesi - Kuzey Kıbrıs Kampusu, Ağustos

4 Şekil 4.a) Frekans Kaydırmalı Anahtarlama Bit Hata Oranı Grafiği b)genlik Kaydırmalı Anahtarlama Bit Hata Oranı Grafiği 3.2. SANAL MODÜLÜN ERRL SİSTEMİ İLE ENTEGRASYONU Sistem ERRL(European Remote Radio Laboratory) üzerinde aktif olarak çalışan uzaktan haberleşme deneyleri grubuna dahil edilmiştir. Kullanıcı LMS (Learning Menagement System) vasıtasıyla deneylere bir kimlik doğrulamasının ardından ulaşır. Kullanıcı ilgili deneye ulaşmadan önce sayısal haberleşme ile ilgili teorik, deney modülünün kullanımı ile bilgilere ulaşır. Kullanıcıya özel olarak deney modülüne erişiminin ardından otomatik olarak tanımlayıcı isimle üretilen bir klasörde kullanıcı ile ilgili bilgiler saklanmaktadır. Bu bilgiler ışığında LMS yardımıyla da öğretim görevlisine öğrencinin ne zaman hangi deneyi yaptığı, ne tür sonuçlar elde ettiği gibi kayıt defteri girdileri ile performans analizleri yapabilme imkanı tanınmaktadır. 4. SONUÇ Lisans yada master dönemindeki sayısal haberleşme temelli derslerde kullanılması olması amacıyla web tabanlı interaktif bir sistem tasarlanmıştır. Bu sistemle öğrencilere sayısal haberleşme konusunda yardımcı olunması amaçlanmıştır. KAYNAKÇA 1. E. Aydin, N. E. Cagiltay, A New RF and Microwave Engineering Course Enriched With Advanced Technologies, Computer Applications in Engineering Education, (to appear). 2. Kara, A., Aydin, E., Ozbek. M.E., and Cagiltay, N., Design and Development of a Remote and Virtual Environment for Experimental Training in Electrical and Electronics Engineering, IEEE 9th Int. Conf. On Information Technology Based Higher Education and Training (ITHET 2010), , Cappadocia, Ozbek. M.E., Atas, M., and Kara, A., Software Technologies, Architectures and Interoperability in Remote Laboratories, IEEE 9th Int. Conf. On Information Technology Based Higher Education and Training (ITHET 2010), , Cappadocia, Cagiltay, N., Aydin, E., ve Kara, A., Principles for the Design of a Remote Laboratory: A Case Study on ERRL, IEEE Engineering Education 2010 The Future of Global Learning in Engineering Education, IEEE EDUCON 2010, Madrid, Spain, Nisan Çağıltay, N.E., E.U. Aydın, R. Öktem, A. Kara, M. Alexandru ve B. Reiner, Requirements on Remote RF Laboratory Applications: An Educators Perspective, IEEE Trans. on Education, 52, 75-81, Aydin, C. C., Türkmen, G., Ozyurt,E., Aydin, E., Cagiltay, N., Ozbek, M. E., Kara, A., Uzaktan Laboratuvar Uygulamalari ERRL: Elektronik Alaninda Radyo Haberleþmesi Üzerine Bir Çaliþma, 2nd International Future-Learning Conference On Innovations in Learning for the Future 2008 : e-learning, Turkish Informatics Foundation Distance Learning Platform (UzEP),İstanbul, Türkiye, Mart Kara, A., Kara, A.G.,Aydin, C.C., Aydin, E., Cagiltay, N.E. What Do Remote Laboratory Applications Promise for Engineering Students: A Case Study of ERRL Project, Bilişim Teknolojileri Işığında Egitim Konferansı, bildiri kitapçigi, sayfa 41-45, Ankara, Türkiye, Kasim Aydın, C.C., G. Türkmen, E. Özyurt, E.U. Aydın, N.E. Çağıltay, M.E. Özbek, N.C. Alparslan, ve A. Kara, Distance laboratory applications ERRL: A study on radio communication in electronic field, 11th V. URSI-Türkiye Bilimsel Kongresi, Orta Doğu Teknik Üniversitesi - Kuzey Kıbrıs Kampusu, Ağustos

5 International Conf. on Optimization of Electrical and Electronic Equipment, Brasov, Romania, , IEEE, N. C. Alparslan, N.E. Cagiltay, M. Ozen and E.U. Aydin, TOJET "Teaching Usage of Equipments in a Remote Laboratory, TOJET, Vol.7, Issue 1, Çağıltay, N., E.U. Aydın ve A. Kara, Remote RF Laboratory Requirements: Engineers and Technicians Perspective, Turkish Online Journal of Distance Education (TOJDE), 8, 80-95, Kara, A., E.U. Aydın,R. Öktem, N. Çağıltay, A Remote Laboratory for Training in Radio Communications: ERRL, IEEE 18th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications(PIMRC), Athens, 1-4, IEEE, Özen, M., E.U. Aydın ve A.Kara, Pilot Remote Experiment in the ERRL: Measurement of Scattering Parameters, IEEE 18th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications(PIMRC), Athens, 1-5, IEEE, Kolberg S., Courivaud D., Ozbek M.E., "LMS and Interactivity - Technical Issues for Remote Laboratories", IEEE 18th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications(PIMRC), Athens, 1-4, IEEE, Sklar B. Digital Communications, 2.Baskı, Prentice Hall, 2001 V. URSI-Türkiye Bilimsel Kongresi, Orta Doğu Teknik Üniversitesi - Kuzey Kıbrıs Kampusu, Ağustos