MUSIC Algoritması İle DOA Kestirimi İçin Düzgün Aralıklı Dairesel Anten Dizisi Optimizasyonu

Transkript

1 MUSIC Algoritması İle DOA Kestirimi İçin Düzgün Aralılı Dairesel Anten Dizisi Optimizasyonu G. Nurhan Karabıyı, Cevdet Işı İstanbul Teni Üniversitesi Eletroni ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü Masla, İstanbul Özet: Dünya çapında, mobil ağ ullanıcı sayısındai büyü artış nedeniyle hızlı ve ucuz ablosuz iletişimde artan apasite ihtiyacını arşılamada uyarlamalı antenlere olan ilgi artmıştır. Aıllı anten sistemlerindei sayısal işaret işlemci, işaretlerin geliş doğrultularını (DOA) estirir ve uyarlamalı demet oluşturma ile anteni, istenilen işaret yönünde en büyü ışımayı yapaca ve istenmeyen işaretler yönünde de ışıma diyagramının sıfırları gelece şeilde yönlendirece uygun ağırlı atsayılarını hesaplar. DOA estirimi için ullanılan algoritmalardan Schmidt tarafından önerilen MUSIC (Çolu İşaret Sınıflandırması) algoritması, gelen işaret sayısını ve işaret geliş doğrultularını doğru olara estiren alt uzay temelli yüse çözünürlülü bir yöntemdir. Bu çalışmada, MUSIC algoritması ullanılara düzgün aralılı bir dairesel anten dizisi ile sağlanan DOA estirim başarısı, dizi eleman sayısı, işaret gücü ve gürültü gücü parametrelerine göre irdelenere dairesel dizide optimizasyon, dizi eleman sayısı veya dizi yerleşim alanını minimum ılaca şeilde yapılmatadır.. Giriş Dünya çapında, mobil ağ ullanıcı sayısındai büyü artış nedeniyle hızlı ve ucuz ablosuz iletişimde artan apasite ihtiyacını arşılamada uyarlamalı antenlere olan ilgi artmıştır. 3. nesil ve gelecetei ablosuz sistemlerde, uyarlamalı veya aıllı antenler üzerindei çalışmalar hız azanmatadır. Aıllı anten sistemleri, trafiğin yoğun olduğu bölgelerde, radyo spetrumunun etin ullanımına olana sağlar. Aıllı anten sistemlerindei sayısal işaret işlemci, işaretlerin geliş doğrultularını (DOA) estirir ve uyarlamalı demet oluşturma ile anteni, istenilen işaret yönünde en büyü ışımayı yapaca ve istenmeyen işaretler yönünde de ışıma diyagramının sıfırları gelece şeilde yönlendirece uygun ağırlı atsayılarını hesaplar []. DOA estiriminde ullanılan algoritmalardan Schmidt tarafından önerilen MUSIC (Çolu İşaret Sınıflandırması) algoritması [], gelen işaret sayısı ve işaret geliş doğrultularını doğru olara estiren alt uzay temelli bir yöntemdir ve yüse çözünürlü sağlar. MUSIC algoritması il olara, beyaz Gauss gürültüsüyle bozulan sinüzoidal freansların estirimi için önerilmiştir, günümüzde ise uyarlamalı demet oluşturma amacıyla işaretlerin geliş doğrultularının estirimi için ullanılmatadır [3].. MUSIC Algoritması MUSIC algoritmasında, düzgün aralılı M adet özdeş, izotropi antene sahip dairesel diziye, aynağı uza alanda bulunan D adet işaret geldiğinde, diziden alınan toplam işaret, u( t) D = l= 0 a( φ ) s ( t) + n( t) () l l T olmatadır. Matris biçiminde ise, u ( t) = As( t) + n( t) olup, s t ) = ( s ( t) s ( t)... s D ( t) ), gelen işaret ( 0 T vetörünü, n( t ) = ( n0 ( t) n ( t)... n D ( t)),her anten elemanındai gürültü bileşenlerini ve A matrisinin sütun vetörleri a ( φ i ), φ i açısından gelen i. işaret için dizi yayılım vetörü veya yöneltme vetörünü gösterir. Diziden alınan toplam işaretin belenen değeri alınara, giriş ovaryans matrisi R uu elde edilir. R uu H H [ ss n = E u( t) u( t + τ )] = AR A + σ I () 508

2 n R ss gelen işaretin ovaryans matrisi, σ beyaz Gauss gürültüsünün varyansıdır. Ruu nun özdeğerleri λ i bulunara, AR ss A H ın özdeğerleri υ = λ σ bulunur. Anten dizisine gelen işaret sayısı D, dizi eleman sayısı M den üçü i i n olduğunda, ARssA H ın (M-D) adet özdeğeri sıfırdır [4] ve bu durumda λ i = σ n, i =D,D+,...,M- olur. Pratite Ruu ovaryans matrisi, sonlu zaman örneleri üzerinden ortalama alınara elde edilir ve yeterince büyü örneleme sayısı için λ i özdeğerleri yalaşı olara σ n e yalaşı eşit olur. Bu durumda, R uu nun öz vetörleri q i ler, A H q i =0, i=d,d+,...,m- denlemini sağlar. Yani, gelen işaretlere arşı düşen dizi yöneltme vetörleri R uu nun öz vetörlerine ditir. Gelen işaretlerin DOA ları, = ( q q... q ) olma üzere, uzay spetrumundai tepelere arşı düşer [4]. 3. Simülasyon V n D D+ M H a ( φ) a( φ) P MUSIC ( φ) = (3) H H a ( φ) V n V n a( φ) DOA yı belirleme için ullanılaca anten sayısı, sistemin üzerine onuşlandırılacağı platform (örneğin, bir uzatan ontrollü araç üzerinde bulunan DOA sistemi) baımından sınırlıdır. Bu durumda, DOA estirim performansının θ (-80,80 ) olduğu tüm setörde en üst düzeyde sağlanması önemlidir. DOA sistemindei bu geresinimin, dairesel diziler ullanılara sağlanması daha uygun olacatır. Bu amaçla, düzgün aralılı bir dairesel anten dizisi ile MUSIC algoritması ullanılara elde edilen DOA estirim başarısı, dizi eleman sayısı, işaret gücünün gürültü gücüne oranı (SNR) parametresine göre irdelenere dairesel dizide optimizasyon için gereen değerlendirmeler yapılmıştır. Bu amaçla, simülasyonlarda, 3-elemanlı bir düzgün aralılı dairesel dizi ullanılmata ve diziye uza alandai aynatan eşit güce ve farlı taşıyıcı freanslarına sahip sinüzoidal işaret geldiği varsayılmatadır. Değerlendirmelerde gürültünün rastlantısal etisi ile sonuçların değişmesi nedeniyle, her bir durumda simülasyon 0 ez terarlanara elde edilen işaret geliş doğrultularına ilişin açısal estirim hatalarının ortalama değerleri ullanılmatadır. SNR değeri 0 db ve 0 db, dairesel dizi yarıçapının dalga boyuna göre bağıl değerleri (R/λ) 0.4 ve 0.8, örne sayısı olara 000 alınara simülasyonlar terarlanmıştır. Simülasyon sonuçları Şeil de toplu olara gösterilmetedir. Burada x-eseni işaret ortalama geliş doğrultusunu derece olara göstermetedir. Bu doğrultu, işaretin geliş doğrultularının aritmeti ortalamasıdır. 3-elemanlı dairesel dizide azimut açısına göre 0 li setörler için bir benzerli söz onusudur. Bu nedenle, simülasyonda ortalama geliş doğrultusu için değişim aralığı olara 0 ile 0 alınmıştır. Simülasyonda, dairesel dizinin elemanları 0, 0 ve 40 doğrultularında alınmıştır. Y-eseni ise, ölçme hatası olara MUSIC algoritması ile belirlenen işaret doğrultularındai hataları göstermetedir. Şeildei parametre değerleri, örne olara (, 5 ) de, birinci işarete ilişin eğriyi, 5 ise işaretin geliş doğrultuları arasındai farı göstermetedir. Buna göre her bir eğri 5, 0, 0, 40 ve 80 farlarına arşı düşen geliş doğrultuları için hataları vermetedir. 4. Sonuçlar Geliş açısı estiriminde MUSIC algoritması ullanılara düzgün aralılı dairesel dizide optimizasyon için gereen değerlendirmeler yapılmıştır. Şeil e göre, düzgün aralılı dairesel dizinin yarıçapı atına çıarıldığında hata önemli ölçüde azalmatadır. SNR değerinin üçülmesi belenildiği gibi hatayı arttırmatadır. Gelen işaretin doğrultuları arasındai far büyüdüçe hata azalmatadır. Ortalama geliş doğrultusuna göre hatanın yalaşı sabit olduğu görülmetedir. Sonuç olara dairesel dizinin yarıçapı, hata geresinimini sağlayan en üçü bir değerde olmalıdır. Bu hata geresinimini arşılayaca şeilde doğrultusu belirlenen işaret aynalarının yeri SNR oranıyla sınırlanır. Kayna uzalaştıça SNR oranı üçüleceğinden hata da artar, yani dizinin geresinimi arşılayan hata ile DOA belirleme apsama alanı işaret gücüne bağımlıdır. İşaretin geliş doğrultusu dairesel dizidei simetriden dolayı MUSIC algoritmasının açı belirleme yeteneğini pe etilememetedir. 509

3 Olcme hatalari (derece) Geliş Doğrultusu Ölçme Hataları R=0.4 SNR=0dB, 5, 5, 0, 0, 0, 0, 40, 40, 80, 80 Olcme hatalari (derece) Geliş Doğrultusu Ölçme Hataları R=0.4 SNR=0dB, 5, 5, 0, 0, 0, 0, 40, 40, 80, İşaret ortalama geliş doğrultusu (a) İşaret ortalama geliş doğrultusu (b) Olcme hatalari (derece) Olcme hatalari (derece) İşaret ortalama geliş doğrultusu (c) İşaret ortalama geliş doğrultusu (d) Kaynalar: Şeil. Simülasyon sonuçlarına ilişin eğriler. (a) R/λ=0.4, SNR=0dB, (b) R/λ=0.4, SNR=0dB, (c) R/λ=0.8, SNR=0dB, (d) R/λ=0.8, SNR=0dB. []. Balanis, C.A., Antenna Theory Analysis and Design, 3. Bası, John Wiley&Sons,Inc., Hoboen, NJ.,005. []. Schmidt, R.O., Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation, Proceedings of RADC Spectrum Estimation Worshop, Griffiss AFB, New Yor, sayfa 43-58,979. [3]. Hayin, S. Adaptive Filter Theory, Prentice-Hall, NJ,996. [4]. Rappaport, T.S. ve Liberti, J.C., Smart Antennas for Wireless communications: IS-95 and Third Generation CDMA Applications, Prentice Hall, NJ,

4 Özilintisi İyi Karmaşı Eşzamanlama İşareti Arama İçin Bir Yöntem Selçu Taşcıoğlu, Otay Üreten * Anara Üniversitesi Eletroni Mühendisliği Bölümü Tandoğan, Anara Selcu.Tascioglu@eng.anara.edu.tr *University of Ottawa School of Information Technology and Engineering Ottawa, ON, Canada ureten@ieee.org Özet: Bu çalışmada, N tane sinüzoidal digen bileşen içerisinden, birbirinden farlı m<n tanesinin freans ve evresini, bu bileşenler toplanara oluşturulaca armaşı eşzamanlama işaretinin özilintisi iyi olaca şeilde seçme problemi ele alınmıştır. Problemin yapısına uygun olara geliştirilen bir geneti arama yöntemi ile tam apsamlı arama yapmasızın özilintisi iyi işaretler üretilebileceği gösterilmiş ve elde edilen araştırma bulguları sunulmuştur. Geliştirilen yöntemin, eşzamanlama için öncü taşıyıcı ullanan OFDM sistemlerinde ullanımı önerilmetedir.. Giriş Özilintisi iyi diziler, iletişim sistemlerinin eşzamanlamasında sılıla ullanılmata ve bu dizileri bulmata ullanılabilece bir ço yöntem yazılı dizinde yer almatadır []. Bununla birlite, DRM [] ve DVB-T [3] gibi eşzamanlama işareti sınırlı sayıda digen sinüzoidal bileşenin toplamından oluşan OFDM tabanlı sistemlerde, bileşenlerin freans ve evrelerinin nasıl seçileceği onusunda bir çalışma yazılı dizinde bulunmamatadır. Adı geçen standartlarda eşzamanlama işaretini oluşturan öncü alt taşıyıcıların freans ve evre değerleri verilmele birlite, bu değerleri elde etmete ullanılabilece bir yalaşım sunulmamatadır. Problemin çözümü için geliştirilece sistemli bir yalaşımın, eşzamanlama için öncü taşıyıcı ullanan OFDM sistemlerinin tasarımında faydalı olacağı değerlendirilmetedir. Verilen N digen bileşen içerisinden m<n tanesinin, eşzamanlama işaretinin özilintisi iyi olaca şeilde seçimi probleminin analiti çözümü olmadığı gibi, büyü N ve m değerleri için tam apsamlı arama yapma da prati değildir [4]. Öncei bir çalışmada, problemin çözümü için geneti arama yöntemi önerilmiş, anca problemi basitleştirme için sadece alt taşıyıcı onumlarını arayan bir yöntem sunulmuştur [5]. Bu çalışmada ise, alt taşıyıcıların hem evre hem de onumunu birlite arayan bir geneti arama algoritması geliştirilmiştir. Geliştirilen geneti algoritma, önerilen bölgesel çaprazlama yöntemi sayesinde iyi bireylerin onum ve evre özelilerinin yeni oluşturulan bireylere alıtsal olara geçmesini sağlayara daha iyi bireyler elde edilmesine dayanmatadır.. İyi Özilintili İşaretlerin Üretimi Yan ula bastırması yüse, ana ula genişliği dar olan özilinti işlevleri iyi özilintili işlevler olara adlandırılır. Yüse yan ula bastırması gürültüye arşı algılama hassasiyetini artırıren, dar ana ula genişliği de algılama notasındai belirsizliği azaltmaya yardımcı olur. Eşzamanlama işareti sınırlı sayıda digen sinüzoidal bileşenin toplamından oluşan OFDM tabanlı sistemlerde, eşzamanlama öncüsü olara seçilece taşıyıcıların onumları ve evreleri işaretin özilinti arateristilerini belirlemete, bu nedenle taşıyıcı freans ve evrelerinin uygun şeilde seçilmesi geremetedir. Bir OFDM sisteminde öncü simgelerin genliği birim alındığında, eşzamanlama işareti s(n) N p = = e P n ϕ jπ( + ) N M 0 n N () 5

5 olara elde edilir. Burada P (=,,... N p ) alt taşıyıcı numarası türünden öncülerin onumlarını, ϕ taşıyıcı evrelerini, N DFT boyutunu, M ise evrenin nicemleme seviyesini göstermetedir. Bu durumda eşzamanlama işaretinin özilinti işlevi: R( m) = = N m n= 0 s( n) s N m N p ( * e ( n + m) P n N j ( ϕ π + ) p N M n= 0 = = e P ( n+ m) j ( ϕ π + ) N M ) 0 m N olara hesaplanır. Denlem () incelendiğinde R(m) nin istenilen özilinti özellilerini sağlayaca şeilde P ve ϕ ların analiti olara elde edilmesinin mümün olmadığı görülecetir [4]. 3. Geneti Arama Yöntemi Gelenesel yöntemlerle çözümü zor veya imansız olan eniyileme problemlerinde ullanılabilen geneti algoritma, bu çalışmada taşıyıcı onum ve evre seçimini aynı anda yapaca şeilde geliştirilmiştir. Şeil de gösterildiği gibi, önce rasgele seçilen freans (temel harmoniğin tam atlarında) ve evre değerlerine sahip bireylerle (freans bölgesinde armaşı sayı dizileri) başlangıç nesli oluşturulur. Çözüm havuzundai her işaretin özilintisi bulunur ve yan ula bastırması hesaplanır. Bu değerler her bireyin iyili ölçüsünü belirleme için ullanılır. Bireyler, iyili dereceleri ölçüsünde rasgele bir sonrai nesle atarılır. Aramanın yeni bölgelere sıçramasını sağlama amacıyla mutasyon ve iyi bireylerin sahip olduları alıtsal özellileri sonrai nesle atarma için çaprazlama işlemleri gerçeleştirilir. () Çözüm Havuzu Oluştur Bireylerin İyili Derecelerini Hesapla En iyi Bireyleri Sala Bireylerin Yeni Nesle Atarılma Olasılıları Mutasyon Bölgesel Çaprazlama H Çözüm? E Doğal Ayılama DUR Şeil. Önerilen geneti arama yöntemi Önerilen bölgesel çaprazlama yöntemi için rasgele seçilen ebeveyn freans bantlarına ayrılır. Bu çalışmada 6 öncünün ullanıldığı 64 alt taşıyıcılı bir sistemde (bundan sonra (64,6) olara gösterilecetir) diziler 8 banda ayrılmıştır. Freans bantlarında rasgele seçilen birleştirme notalarına göre çaprazlama işlemi gerçeleştirilere yer değiştiren armaşı simgelerin yeni bireyde de öncei ait olduğu freans bandında yer alması sağlanır. Bu yalaşım Şeil de gösterilmiştir. Bu yalaşımın amacı, eşzamanlama işaretinin özilinti özellilerinin iyi olmasını sağlayan freans değerlerindei simgelerin uza freanslara ıyasla yaın freanslardai başarısının daha iyi olması olasılığıdır. Böylece iyi bireylerin freans ve evre özellilerinin yeni oluşturulan bireylere alıtsal olara geçmesi yoluyla daha iyi bireyler elde edilmesi sağlanır. Şeil. Bölgesel çaprazlama işlemi 4. Sonuçlar (64,6) bir sistemde öncü onumları GA ile aratılmış, en iyi yan tepe bastırma değerine (5.4dB) sahip öncü onumları =3, 5, 7, 30, 36, 37, 38, 39, 4, 44, 45, 47, 48, 50, 5 ve 55 olara bulunmuştur. Bu onumlar 5

6 sabit alma üzere evre dizisi de GA ile aratılmış, anca yan tepe bastırmasının ço fazla artmadığı (5.96dB) gözlenmiştir. Taşıyıcı onum ve evrelerini bağımsız olara arama yerine, GA algoritması her ii değeri aynı anda arayaca şeilde düzenlendiğinde; öncü onumları = 47, 48, 49, 50, 5, 5, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 6, 63 ve M=04 nicemleme seviyesi için bu onumlardai evre değerleri ϕ = 608, 694, 748, 884, 08, 638, 969, 44, 7, 550, 335, 44, 45, 836, 3, ve 45 olara bulunmuştur. Elde edilen işaretin yan tepe bastırması.49db olup özilinti işlevi Şeil 3 te gösterilmiştir. Şeilde ayrıca evre ve onumun bağımsız olara aratılması durumunda elde edilen işaretin özilinti işlevi de arşılaştırma açısından gösterilmiştir. Şeil 3. Konum ve evrelerin beraber ve bağımsız aratıldığı durumlar için özilinti işlevleri Elde edilen diğer bir sonuç, taşıyıcı onum ve evreleri birlite ayarlandığında, özilinti işlevinin ana ula genişliğinin ço üçü mitarda artmasıdır. Örneğin evreler ullanılmadan 5.4 db yan ula bastırması elde edilen durumda ana ula genişliği 3 örne ien, evrelerin ve onumun birlite ayarlandığı.49 db yan ula bastırması olan işaretin ana ula genişliği 4 örne olmatadır. Yani 6 db yan ula bastırma azancına arşılı ana ula sadece bir örne genişlemetedir. 5. Tartışma ve Öneriler Elde edilen sonuçlar, taşıyıcıların onum ve evrelerini birlite ayarlayara yan ula oranı daha iyi eşzamanlama işaretleri elde etmenin mümün olduğunu göstermetedir. Taşıyıcı onum ve evrelerini birlite arama, önce iyi onumları bulup sonra bu onumlardai taşıyıcıların evrelerini ayarlamatan daha iyi sonuçlar vermetedir. Bu nedenle onum ve evre araması birbirinden bağımsız değil birlite yapılmalıdır. Çalışmalarda ayrıca, evrenin göz ardı edildiği durumda taşıyıcılar yan yana dizildiğinde yan ula oranı nispeten ötü işaretler oluşmasına arşın, onum ve evrenin birlite ayarlandığı durumda, taşıyıcılar yan yana onumlandığında (bir veya ii atlama hariç) oluşan işaretlerin özilintilerinin daha iyi olduğu gözlenmiştir. Devam edece araştırmalardan elde edilece bulgularının bu yapının anlaşılmasında faydalı olacağı düşünülmetedir. Kaynalar []. Fan, P., Darnell M., Sequence design for communications applications (Somerset, England: Research Studies Press), 996. []. ETSI Standard ES Digital Radio Mondiale (DRM); system specification. Final draft, 00. [3]. ETSI Standard ES Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television. 00. [4]. O. Üreten, S. Taşcıoğlu, N. Serinen, M. Yılmaz, Search for OFDM synchronization waveforms with good aperiodic autocorrelations Can. Conf. on Elect. and Comp. Eng., Mayıs 004, Niagara Falls, ON, s.3-8. [5]. S. Taşcıoğlu, O. Üreten, N. Serinen, M. Yılmaz, Öncü Taşıyıcı Kullanan OFDM Sistemlerinde Eşzamanlama Öncülerinin Yerlerinin ve Sayılarının Belirlenmesi İçin Bir Yöntem, IEEE SİU, Nisan 004, Kuşadası, s

7 RADAR UYGULAMALARINDA DÖNGÜSEL-DURAĞANLIĞA DAYALI İŞARET ANALİZİ İLE HELİKOPTER TESPİTİ Işıl Yazgan BİRİNCİ, Yalçın TANIK Orta Doğu Teni Üniversitesi Eletri ve Eletroni Mühendisliği Bölümü Anara Özet: Bu bildiride, radar uygulamalarında heliopter tespiti amacıyla (özellile havada asılı duran hovering heliopterler için) döngüsel-durağanlığa (cyclostationary) dayalı bir işaret analiz yöntemi sunulmatadır. Heliopter Doppler izi, doğasından aynalanan bir döngüsel durağanlı içermetedir. Özellile heliopter pallerinin hareetinden aynalanan Doppler izindei çaıp sönmeler (flash) literatürdei analizlerde ullanılmamatadır[-4]. Heliopter tespitinde ullanılabilece tanımlayıcı bir bilgi olan bu çaıp sönmeleri de içeren yeni bir heliopter işaret modeli tanımlanmıştır. Bu model ullanılara döngüsel-durağan sinyal analizi ile heliopter tespiti üzerinde çalışılmıştır.. Giriş Döngüsel-durağan işaret analizi, iletişim, radar ve sonar uygulamalarında gidere artan bir ilgi görmetedir. Bu ilginin en önemli nedenlerinden biri, bu yöntemin işaretlerde salı bulunan dönemli süreçleri açığa çıarara daha iyi işaret seçiciliği sağlamasıdır. Radar uygulamalarında heliopter tespiti halen tam olara çözülmemiş önemli problemlerden biridir. Döngüseldurağan işaret analizi bu probleme yeni bir baış açısı getirmetedir. Ayrıca bu bildiride, literatürdei modellere göre daha gerçeçi bir heliopter Doppler işareti modeli önerilmetedir.. Heliopter Geri Saçılım Bileşenleri Haında Önbilgi Heliopterin radar yanısı çeşitli geri saçılım bileşenlerinin toplamı olara modellenebilir: - Gövde yanısı: Sadece biraç metreareli radar esitine sahip sabit anatlı bir hava aracının radar yanısını andırır. Özellile havada asılı duran heliopterlerin gövde yanısı, yerden aynalanan gürültü (ground clutter) arasında aybolabilir. - Ana pervane yanısı: Ana pervanenin periyodi dönüşü, radar yanısında genli ve faz modülasyonuna yol açar. Bu modülasyon bileşenleri sabit anatlı hava araçları ile heliopterlerin radar yanısı arasındai ana farlılıtır. Dolayısıyla, özellile havada asılı duran heliopterlerin tespitinde ullanılabilece temel unsurdur. Radarın hedef üzerinde alma süresi darbe sılığına göre ço daha ısa olduğu için bu ısa darbeler faredilmeyebilir []. - Kuyru pervanesi yanısı: Ana pervaneye ço benzemele birlite bu pervanenin yanıları daha üçü genlili ve daha sıtır. Kuyru pervanesi genellile gövdenin arasına salandığı için yanısı radarda görünmez []. 3. Önerilen Heliopter Sinyal Modeli Heliopter radar yanısı için aşağıdai alça geçiren eşleni model önerilmetedir. Bu model, literatürdei çalışmalara [3], heliopter pallerinin hareetinden aynalanan Doppler izindei çaıp sönmeleri elemetedir: t T j π f t 0 d r( t) = e s( t) + rect w( t) + τ 0 n( t) () Yuarıdai denlemde üstsel terim heliopter gövdesinin hareetinden aynalanan f d freansındai Doppler ayması ve s(t) havada asılı duran heliopterden yansıyan sinyaldir. Radarın hedef üzerinde alma zamanı yeteri adar uzun tutulduğunda ve yüse radar darbe terarlama sılığı için, bu durağan sinyalin güç spetrum yoğunluğu (power spectral density) Şeil de verildiği gibidir [3]. Ana pervane yanısı, düzgün güç spetrum yoğunluğuna sahip beyaz armaşı Gauss gürültüsünün didörtgen pencere serisi ile çarpımı olara modellenmiştir. Çaıp sönmelerin aralığı T 0 ve uzunluğu τ 0 ile betimlenmiştir. Çalışmanın basitliği açısından n(t) beyaz armaşı Gauss gürültüsü olara modellenmiştir. 54

8 Uzalaşan pal PSD Ana gövde Rotor hub Yalaşan pal -f max -f hub f hub f max Şeil. s(t) nin güç spetrum yoğunluğu f ω r ana rotorun açısal freansı, D pervanenin çapı, λ ise radar sinyalinin dalga boyudu olara tanımlandığında, ana pervanenin uç hızına bağlı olan maximum Doppler ayması aşağıdai gibidir: f ω D max = r () λ 4. Döngüsel-Durağan İşaret Analiz Yöntemi Bu bölümde, döngüsel-durağan işaret analiz yöntemi haında önbilgi verilmetedir. Bu teori ve uygulamaları haında ayrıntılı bilgi aynata bulunmatadır [5]. Durağan işaretlerin özilinti fonsiyonu, bu fonsiyonun hesaplandığı zamandan bağımsız olara, sadece gecimeye (lag) bağlıdır. Anca, dönüsel durağan bir işaretin özilinti fonsiyonu zamana göre periyodi olara değişir. x(t) ile belirtilen döngüsel-durağan bir işaretin t anında τ gecime için özilinti fonsiyonu aşağıdai gibi ifade edilebilir: R ( t, τ ) = R ( t + nt0, τ n Ζ x x ) (3) Dolayısıyla, t parametresine göre T 0 dönemi ile döngüsel olan bu fonsiyon, Fourier serisi açılımı ile gösterilebilir: R ( t, τ ) = x R α x ( τ ) m= e jπαt (4) Bu Fourier atsayıları aşağıdai gibi gösterilebilir. Bu fonsiyon Döngüsel Özilinti Fonsiyonu (Cyclic Autocorrelation Function) olara adlandırılır. R α x * jπαt ( τ ) = x( t + τ / ) x ( t τ / ) e dt (5) 5. Heliopter Sinyal Modelinin Döngüsel-Durağan İşaret Analizi Uygulama ısıtları nedeniyle, döngüsel özilinti fonsiyonunun sınırlı tümlev zamanı için yalaşımı ullanılmıştır. () ile belirtilen heliopter radar yanısını oluşturan sinyallerin birbirinden bağımsız olduğu diate alındığında, uzun tümlev zamanı için döngüsel özilinti fonsiyonu aşağıdai gibi verilebilir: R α r ( τ ) T = * r( t + τ / ) r ( t τ / ) e T = e jπ f τ jπαt dt α α α [ Rs ( τ ) T + Rw ( τ ) T ] + Rn ( τ T d ) (6) Bu gösterimdei terimler aşağıda detaylandırılmıştır. R α s ( τ ) T = s( t + τ / ) s T * ( t τ / ) e jπαt dt (7a) 55

9 α t + τ / T 0 t τ / mt j t w T = 0 * πα R ( τ ) rect rect w( t + τ / ) w ( t τ / ) e dt (7b) τ 0 τ 0 T m R α n ( τ ) T = n( t + τ / ) n ( t τ / ) e T * jπαt s(t) ve n(t) durağan olduğu için, uzun tümlev zamanında, R (τ ) ve R (τ ) sadece döngü sılığı α = 0 için sıfırdan farlıdır. Ayrıca tüm durağan gürültü sinyalleri için de yine sadece döngü sılığı α = 0 için α dt (7c) sıfırdan farlıdır. (7b) de görüldüğü gibi R w (τ ) T gecime parametresi τ da T 0 periyoduyla döngüsel özelliler içermetedir. Döngü sılığı parametresi α da da hedefin Doppler izini belirten döngüsel özelliler bulunur. α s T α n T α n R (τ ) 6. Sonuçlar 4. bölümde önerilen yeni heliopter işaret modeli ve 5. bölümde atarılan yöntem ullanılara alınan sonuçlar bu bölümde ısaca belirtilmiştir. Yer ısıtlaması nedeniyle ayrıntılı analizler verilememiştir. Şeil.a da 00MHz örneleme hızında alınan 00ms li bir işaret için 3 nota FFT alınara oluşturulan döngüsel özilinti fonsiyonu verilmiştir. Bu benzetimde, heliopterin çaıp sönme aralığı T 0 = 30ms, uzunluğu τ 0 = 0.5ms olara alınmıştır. Şeil.b de ise, 0000 nota FFT alınara spetrum oluşturulmuştur. T 50 α r R (τ ) T (db) 90 F { r(t) } (db) σ (MHz) τ(ms) f (MHz) (a) (b) Şeil. Heliopter veri modeli ile Döngüsel Özilinti (a) ve Fourier Dönüşümü (b). Yalaşı 0dB işaret gürültü güç oranında yapılan benzetim çalışmalarında Şeil.a da durağan gürültünün etisi α görülmemetedir. Bunun nedeni, yeteri adar uzun veri için, sıfır dışındai döngü sılılarında R n (τ ) T nın sıfır olmasıdır. Ayrıca, 30ms aralıla gerçeleşen çaıp sönmeler Şeil.a da açıça görülmetedir. (6) da görüldüğü gibi, heliopterin ana gövdesine ait Doppler ayması f d döngüsel özilinti fonsiyonunun genliğine etimemetedir. Bunun dışında, havada asılı duran heliopterler için, heliopterin radar esiti ve dolayısıyla heliopter radar yanısı işareti çaıp sönme periyoduyla terarlayan yüse bir ilinti içermetedir. Yani, heliopter işaretinin özilinti fonsiyonu çaıp sönme periyoduyla periyoditir. Bu bilgiyi ullanması nedeniyle, döngüsel-durağan işaret analizinin, literatürdei diğer yöntemlere, örneğin ısa zamanlı Fourier dönüşümüne (STFT) göre daha iyi sonuç vermesi belenmetedir. Sonuç olara, bu bildiride literatürdeilere göre daha gerçeçi bir heliopter radar yanısı modeli tanımlanmış ve heliopter tespiti için döngüsel-durağan işaret analizi yöntemi başarıyla uygulanmıştır. Kaynalar [] W.A.Gardner, Statistical Spectral Analysis: A Nonprobabilistic Theory. New Jersey: Prentice Hall, 987. [] Misiurewicz, J.; Kulpa, K.; Czeala, Z., Analysis of recorded helicopter echo, Radar 97, 4-6 Eim [3] Gini, F.; Farina, A., Matched subspace CFAR detection of hovering helicopters, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 35, s , Eim [4] Misiurewicz, J.; Kulpa, K.; Czeala, Z., Analysis of radar echo from a helicopter rotor hub, MIKON '98, th International Conference on Microwaves and Radar, 0- Mayıs 998. [5] W.A.Gardner, Cyclostationarity In Communications and Signal Processing. New Yor: IEEE Press,

10 Radarla Hedef İzleme Çağla Taşdemir, Sedef Kent İstanbul Teni Üniversitesi Eletroni Haberleşme Mühendisliği Bölümü Masla, İstanbul Özet: Bu çalışmada Kalman ve Genişletilmiş Kalman filtreleri ullanılara hedef izleme gerçeleştirilmiştir. Bir sonrai estirim için yeni elde edilen radar bilgisi ve öncei durum bilgisi ullanılara gerçe zamanlı uygulamaları mümün ılabilen Kalman filtresi ve doğrusal olmayan uygulamalar için de Genişletilmiş Kalman filtresi incelenmiştir.. Giriş Radarla hedef izleme günümüzde aseri ve sivil uygulamalarda yaygın olara ullanılmatadır. Hedef izlemede arşılaşılan problemlerden bazıları hedefin bir ya da birden fazla olması ve süreli manevralar yapması sonucu hareet modelinin değişmesi, hedef hareet modelinin doğrusal olara elde edilmemesi ve bütün bunların sonucunda hedef izlemede izlenece yöntem ve dolayısıyla ullanılaca algoritmanın armaşı hale gelmesi olara gösterilebilir, anca artan işlemci hızı sayesinde bu problem ortadan almış, incelenen Kalman filtresi ile daha öncei ölçüm değerlerini ullanan yöntemler yerine sadece son estirime ait değerlerin ullanılması ile işlem yüü azalmıştır.. Standart Kalman Filtresi Standart Kalman filtresinde Marov zinciri temel alınmata, bir sonrai durum estirimi için öncei durum estirimi ve yeni ölçüm değeri ullanılmatadır. Kestirim işleminde ullanılan durum vetörü; onum, hız, ivme gibi parametreleri içeriren hesaba atılan gürültü; işlem ve ölçüm gürültüsü olara sıfır ortalamalı beyaz Gauss gürültüsü şelinde modellenir. Durum vetörünü X ile ifade ederse X = [ x y ] T denleminde x ve y, x ve y doğrultularındai onumu göstermetedir. w, dağılıma sahip işlem gürültüsü w N( 0, Q ) ölçüm gürültüsü olara v N( 0, ) ise z H x + v Q ovaryanslı sıfır ortalamalı normal ~, v ise R ovaryanslı sıfır ortalamalı normal dağılıma sahip ~ şelinde modellenebilir. Herhangi bir anındai gerçe ölçüm değeri R = şelinde hesaplanabilir. Burada H gözlem modelini belirtmetedir. Kalman filtresi özyineli bir algoritmaya sahiptir. Bir sonrai estirim için hareet bağıntılarından elde edilen geçiş matrisinden ve öncei estirimden yararlanılır. Daha sonra ise radardan elde edilen, ölçüm gürültülü bilgi yardımıyla doğrulama işlemi gerçeleştirilere iinci bir estirim yapılır. İşlemlerde estirim hatasının ovaryansının da etisi vardır. Kestirim hatasının ovaryansı ve tahmini ölçüm ile gerçe ölçüm arası farın ovaryansı Kalman azancını belirler. Kalman azancı yeni tahminde radardan elde edilen ölçümlerin ne derece etili olacağını belirleyen atsayıdır. Standart Kalman filtre denlemleri aşağıdai gibi gösterilebilir: [][] ˆ = T x ˆ F x P = F P F + Q ~ ˆ () y T = z H x S = H P H + R () T = P H S x ˆ xˆ K ~ = + y = ( I K H ) P Burada durum geçiş matrisi arasındai far F, il estirim K (3) ˆ P (4) x ve hata ovaryansı P, gerçe ölçüm ile tahmini ölçüm y~ ve ovaryansı S, yeni tahminde radardan elde edilen ölçümlerin ne derece etili olacağını 57

11 belirleyen atsayı olan Kalman azancı sonrai durum estirimi için ullanılaca hata ovaryansı Simülasyonda il değerler; il durum vetörü = 0 dt = 0 K, sonuç olara elde edilen durum estirimi F, H = [ 0] P olara gösterilmiştir. 0, Q = 0.0 * 0, R= 00, ˆ ve ileri adımda bir 0, il estirim hata ovaryansı = Q olara alınırsa Kalman filtre performansı; hedefin gerçe, ölçüm ve tahmini onum değerleri ile Şeil dei gibi gösterilebilir. Ölçüm gürültüsü üçüldüğünde gerçe ölçüm ile tahmini ölçüm farının ovaryansı azalaca, bu durumda Kalman azancı artacatır. Kalman azancının artması ile bir sonrai durum estiriminde ölçümün etisi artacatır. Şeil ve Şeil 3 te ölçüm gürültü varyansının 00 ve 0000 ez üçültülmesi ile elde edilen sonuçlarda da estirimin ölçüm değerine yalaştığı görülmetedir. Ayrıca, il estirim hata ovaryansı üçüldüçe Kalman azancı azalacatır. Kestirim hata ovaryansının a ile çarpılara üçültülmesi ile ölçüm değerlerinin estirimdei öneminin azaldığı Şeil 4, Şeil 5 ve Şeil 6 da görülmetedir.. Genişletilmiş Kalman Filtresi Kalman filtresi anca lineer hareet modelleri için ullanılmala birlite lineer olmayan uygulamalar için Genişletilmiş Kalman filtresi ullanılabilmete, lineer olmayan model lineerleştirilere hedef hareetinin estirilmesi yolu izlenmetedir. Durum geçiş matrisi ve gözlem modeli durum matrisinin doğrusal fonsiyonu olma zorunda değildir. [][] Simülasyonda F = 0.x + cos( x ) ve H = ( x ), işlem gürültü varyansı=0.0, ölçüm gürültü varyansı=0. alınara elde edilmiş grafi Şeil 7 de gösterilmiştir. 3. Sonuçlar Standart Kalman Filtresi ile hedef izleme gerçeleştiriliren en son estirimden ve yeni ölçümlerden yararlanılmata, Kalman azancı ile de ölçümlerin estirimi ne derece etileyeceği belirlenmetedir. Hedefin daha öncei hareetleri ile ilgilenilmediğinden işlem hızı yüse olan Standart Kalman Filtresi anca doğrusal hareet modelleri için ullanılmata, doğrusal olmayan hareet modelleri için ise Genişletilmiş Kalman Filtresi ullanılmatadır. x Şeil Standart Kalman Filtre Performansı Şeil 00 ez üçültme 58

12 Şeil ez üçültme Şeil 4 a= Şeil 5 a=0.5 Şeil 6 a=0. Şeil 7 Genişletilmiş Kalman Filtre performansı Kaynalar []. Lana A., Kalman Filtresi ve Olasılısal Veri İlişilendirme Yöntemlerini Kullanan Çolu Hedef İzleme Algoritmaları, Yüse Lisans Tezi, İstanbul Teni Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 77s, 00 []. Welch G.ve Bishop G., An Introduction to the Kalman Filter, SIGGRAPH - Course 8,00 59

13 Sönümlenmeli Ortamda OFDM için Tasarlanan MAP Kestiricisinin Başarım Analizi Selva MURATOĞLU ÇÜRÜK, Yalçın TANIK Orta Doğu Teni Üniversitesi Eletri-Eletroni Mühendisliği Bölümü Anara Özet: Çoyollu sönümlemeli anallarda, gönderilen simgelerin doğru bulunması için anal estirimi ullanılmalıdır. Bu bildiride, Digen Freans Bölüşümlü Çoğullama (OFDM) sistemleri için sönümlü analın atsayılarını parametri ilinti modelini ullanara estiren bir En Büyü Sonsal (MAP) estiricisi sunulmatadır. Önerilen estirici, analın orta değişinti matrisini bir parametreyle modellediğinden diğer MAP estiricilere göre daha olay gerçelenebilmetedir. Kestirimler çoyollu analın freans seçici, zamanla değişmeyen ve Gauss olduğu varsayılara değerlendirilmiştir. Ayrıca, altanallar arasındai ilintiyle hata değişintisi arasındai ilişi açıça gösterilmiştir. Kestiricinin başarım analizi üstel orta değişinti matrisi ullanılara yapılmış ve başarımın iyi olduğu gösterilmiştir. İşaret gürültü oranının (SNR) başarıma etisi de incelenmiştir.. Giriş Çotaşıyıcılı modülasyon tenilerinden biri olan Digen Freans Bölüşümlü Çoğullama (OFDM), çoyolluluğa ve dar bant girişimine olan dayanılılığı, bant genişliği verimliliği gibi özellilerinden dolayı yüse hızlı veri iletişim sistemleri için en önemli adaylardan biridir. OFDM, yüse hızlı iletişimden aynalanan simgelerarası girişim problemini, yüse simge dizgisini daha düşü hızlarda dizgilere bölere ve onları farlı digen taşıyıcılarla gönderere çözmetedir. Çoyollu sönümlü analların doğasından dolayı, eşzamanlı alıcılarda gönderilen simgeleri doğru olara bulma için anal estirimi ve anal izlemesi ullanılmalıdır. Ayrıca, anal estirimi eşzamanlama işleminin önemli bir ısmını oluşturmatadır. Literatürde OFDM sistemleri için sönümlü ortamda anal estirimi üzerine birço çalışma bulunmatadır. Bunlardan En Büyü Olabilirli (ML) estiricisine dayananlar basit olmala birlite, altanallar arasındai ilişiyi göz ardı ettileri için başarımları ötüdür. Kanal önbilgisi ve işaret gürültü oranını ullanan En Büyü Sonsal (MAP) estiricilerinin ise başarımları iyidir, ama yapıları arışıtır. MAP estiricilerini basitleştirme üzerine pe ço çalışma yapılmıştır[-7]. Anca henüz başarımı MAP estiricisi adar iyi ve gerçelenmesi olay bir estirici bulunmamatadır. Bu çalışmada, OFDM sistemleri için sönümlemeli analın atsayılarını parametri ilinti modelini ullanara estiren bir MAP estiricisi sunulmatadır. Önerilen estirici, analın orta değişinti matrisini bir parametreyle modellemetedir. Kestirilen anal atsayılarından bu parametreyi estiren bir blo, ilinti bilgisini MAP estiricisine geri beslemetedir. Çoyollu analın freans seçici, zamanla değişmeyen ve Gauss olduğu varsayılmıştır. Bilindiği gibi, hata değişintisi estirimin alitesiyle ilgili önemli bir göstergedir. Bu nedenle, altanallar arasındai ilintiyle hata değişintisi arasındai ilişi açıça gösterilmiştir. Kestiricinin başarımının iyi olduğu üstel orta değişinti matrisi ullanılara gösterilmiştir. İşaret gürültü oranının başarıma etisi de incelenmiştir.. Kanal Kestirimi Bu çalışmada, analın bütün bant için freans seçici, ama altbantlarda nerdeyse düz sönümlenmeli olduğu varsayılmıştır. Kanalın gözlem aralığında durağan ve alıcıda toplanır beyaz Gauss gürültü (AWGN) olduğunu varsayan N alttaşıyıcılı, modülasyonun etisi aldırılmış bir OFDM sistemi ele alınmıştır. Alınan işaret, r = z + w, () şelinde ifade edilir. Toplanır armaşı gürültü w sıfır ortalamalıdır ve orta değişinti matrisi C w dir. Altanal toplanır gürültü süreci arşılılı bağımsızdır: 50

14 Burada σ w C = I. () w σ w gürültü değişintisidir. Kanal atsayıları z ler süreli, birleşi Gauss dağılımlı armaşı rasgele süreçten alınmış örnelerdir. Vetör süreci durağan ve sıfır ortalamalıdır, böylece orta değişinti matrisi Cz ile tamamen tanımlanabilmetedir. Ayrıca sönümleme ve toplanır gürültünün bağımsız olduğu varsayılmıştır. Gerçe süreçler için ço boyutlu MAP estiricisinin genel çözümü [9] da verilmiştir. Sonuçlar problemimizde ullanılma üzere armaşı durumu apsayaca şeilde genişletildiğinde, anal atsayı vetörünün MAP estirimleri aşağıdai hali alır: ( C + C ) r zˆ = C (3) MAP z w Literatürde çoyollu ortamın freans bölgesi ilinti matrisi C z i estirme için farlı metotlar bulunmatadır. Anca orta değişinti matrisinin her elemanının estirilmesi ve estiriciye geri beslenmesi yüse armaşılıta alıcılar geretirmetedir. Bu çalışmada, orta değişinti matrisini tamamen estirme yerine, bu matris için üstel bir model tanımlanmıştır: z i j ( i, j) = ρ z C (4) Burada ilinti atsayısı 0 ρ aralığındadır. Alt sınır bağımsız sönümleme anlamına geliren, üst sınır düz sönümleme içindir. Bu modellemeyle MAP estiricisi sadece ρ parametresine ihtiyaç duyar. Kanalın anlı freans tepisi ilinti değerleri estirilen sönüm değerlerinden, omşu altanalların ilintisinin düzgelenmesiyle bulunabilir: ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ * * * z z + z z3 + Lz N z N ρ ins = (5) zˆ + zˆ 3 + L zˆ N Anca sezimlenen semboller rasgele olduğundan, iyi ilinti özellilerine sahip olmayabilirler. Bu da özellile taşıyıcı sayısı az olduğunda veya düşü işaret gürültü oranında (SNR) zayıf sonuçlar verecetir. Bu nedenle, alfa izleyicisi ullanılara anlı ilinti estiriminin biraç OFDM sembolü üzerinden ortalaması alınmıştır. ( α ) ρins n n ρ = α ρ + (6) 0 < α < aralığındai α, izleyici parametresidir. Alfa izleyicisinin hassasiyetini arttırma için α değeri arttırılabilir, anca bu işlem izleme süresini uzatır. Ayrıca, estirilen ilinti değeri -3 uzalıtai omşu altanalların anlı ilintisinin elenmesiyle daha dayanılı hale getirilebilir. 3. Kestirici Başarımı Kanal atsayılarının hata değişintileri, alıcının başarımı için iyi bir göstergedir. Kanal atsayılarının hata değişintileri, aşağıda verilen ortalama aresel hata (MSE) matrisinin öşegeninden olaylıla bulunabilir. H H {( z z)( z z) } = AC A + ( A I) C ( A I) H MSE = E ˆ ˆ (7) ( w Yuarıdai ifadede A = C olara tanımlanmıştır. A, C z Cw + Cz ) z ve C w matrisleri simetri oldularından, (7) in aşağıdai şeli alacağı olaylıla gösterilebilir: MSE = ( C + C ) A w z z = σ w. (8) Bilindiği üzere, problemimizde olduğu gibi, önsel Gauss yoğunlulu doğrusal işaretleme düzeninde, MAP estiricisi etin estiricidir [9]. 5

15 4. Bulgular Öncelile, ilintinin bilindiği varsayılara, N=00 için, SNR ın hata değişintisi üzerine etisini inceleme amacıyla, SNR = 0, 5 ve 0 db değerleri için anal atsayılarının etin değer (rms) hata ilinti grafiği Şeil de verilmiştir. Şeildei dış çizgilerin enar altanal estirim hatasını, içteilerin ise ortadai altanalların estirim hatasını verdiğine diat edilmelidir. Görüldüğü gibi, enardai altanalların daha büyü hata değişintileri vardır. Ayrıca, analın ilinti parametresi arttıça rms hata azalmatadır. İlinti parametresi e yalaştıça azalma ço daha belirgindir db enar altanal db orta altanal 0.5 rms hata db rms hata ilinti ilinti Şeil. Kanal estiriminin rms hatası, N = 00. Şeil. Rms hata ilinti grafiği, N = 00. Ardından, estirilen ilinti değeri ullanılara tamamlanmış MAP estiricisinin başarım analizi yapılmıştır. İlinti estiriminde oluşan hatanın MAP estiricisinin hata değişintisi üzerindei etisini görme amacıyla, ortadai altanal için, rms hata ilinti grafiği gerçe ve estirilen ilinti değerleriyle Şeil de sunulmuştur. Sonuçlar 5 döngü sonunda, SNR = 0 db, N = 00 ve α = 0.6 değerleriyle verilmiştir. Daha dayanılı olabilmesi için, ilinti hesaplamasında. ve 3. omşu ilintileri de ullanılmıştır. Bütün çizgi gerçe rms hata için esili olan ise estirilen ilintinin sonuçları için ullanılmıştır. Şeilden görüldüğü gibi, estirim olduça başarılıdır, anca ilinti değerlerindei estirim hatası rms hatada hafif bir sapmaya neden olmatadır. 5. Sonuçlar Bu bildiride, başarımı iyi olduğu bilinen MAP estiricisini basitleştirme için orta değişinti matrisi üstel anal varsayımıyla modellenmiştir. MAP estiricisi ve hata değişinti denlemleri verilditen sonra, MAP estiricisinin estirim rms hataları bulunmuştur. Sonuçlar özellile ortadai altanallar için, altanallar arasındai ilintinin ço daha iyi estirim bulmata yardımcı olduğunu göstermiştir. Ayrıca anal ullanılan üstel modeliyle uyumlu olduğunda, önerilen MAP estiricisinin başarımının iyi olduğu gösterilmiştir. Kaynalar [] H.A. Çırpan, E. Panayırcı, H. Doğan, Nondata-aided channel estimation for OFDM systems with spacefrequency transmit diversity, IEEE Transactions on Vehicular Technology, 55(), s , 006. [] J. Ahtman, L. Hanzo, Generic reduced-complexity MMSE channel estimation for OFDM and MC- CDMA IEEE 6st Vehicular Technology Conference, s , 005. [3] J.M.M. Ocloo, F. Alberge, P. Duhamel, Semi-blind channel estimation for OFDM systems via an EM-MAP algorithm IEEE 6th Worshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications, s , 005. [4] V. Srivastava, C. H. Keong, P. H. W. Fung, S. Sun; Robust MMSE channel estimation in OFDM systems with practical timing synchronization IEEE Wireless Communications and Networing Conference, s.7 76, 004. [5] J. H. Ryu, Y. H. Lee, Design of implementation-efficient channel estimation filter for wireless OFDM transmission IEEE 57th Semiannual Vehicular Technology Conference, s , 003. [6] H. Anıtar, Y. Tanı, New receiver structures for subcarrier synchronization in OFDM systems over frequency-selective channel, IEEE 8 th International Symposium on Computers and Communication, s , 003 [7] B. Yang, Z. Cao, K.B. Letaief, Analysis of low-complexity windowed DFT-based MMSE channel estimator for OFDM systems IEEE Transactions on Communications, 49(), s , 00. [8] H. L. Van Trees, Detection, Estimation and Modulation Theory, John Wiley & Sons, Inc.,

16 Taşınabilir Uzatan Sağlı İzleme Sistemlerine Yeni Bir Yalaşım: Mobil Sağlı Danışmanı Rifat KURBAN, Veysel ASLANTAŞ Erciyes Üniversitesi Mühendisli Faültesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümü 38039, Meligazi, Kayseri Özet: Tıbbi verilerin uzun dönemli veya gerçe-zamanlı izlenmesi ve acil durumlarda ilgili urumların haberdar edilmesi yaşlanan ve artan nüfus ile birlite vazgeçilmez olmuştur. Algılayıcılar, düşü güç tüetimli entegreler, ablosuz iletişim ve bilgi tenolojilerindei gelişmelerle birlite taşınabilir uzatan sağlı izleme sistemleri gerçeleştirilebilir hale gelmiştir. Bu çalışmada, üzerinde 3-eletrodlu bir eletroardiyogram (EKG) algılayıcısı ve ısı algılayıcısı bulunan bir taşınabilir sistem ile işi üzerinden alınan tıbbi veriler, Bluetooth ablosuz iletişim tenolojisi ile bir işisel sayısal asistan (PDA) cep bilgisayara iletilmiş, orada görüntülenmiş ve depolanmış, acil bir durum olduğunda wi-fi veya GSM/GPRS tenolojisi ile merezi sunucuya iletilmiştir. Böylece işi günlü hayatını devam ettiriren, işinin hastane dışından izlenmesi mümün hale gelmiştir. Ayrıca acil durumlarda ilgili urumlar uyarılabilmete ve çeşitli uzmanlar işiye öneri mesajları da gönderebilmetedir.. Giriş Dünya nüfusu gittiçe artmata ve roni hastalıların evde baımı zorunlu hale gelmetedir []. Diğer bir yandan oroner alp rahatsızlıları, dünya genelindei ölümlerin sebepleri arasında il sırada gelmete, her yıl yalaşı 7. milyon insan yaşamını çeşitli alp rahatsızlılarından dolayı aybetmetedir []. Kablosuz haberleşme ve gömülü hesaplama tenolojisindei gelişmelerle birlite uzatan sağlı izleme ve teletıp onusu son yıllarda gittiçe önem azanmıştır. Böylece düşü maliyetli ve taşınabilir/giyilebilir uzatan sağlı izleme sistemlerinin gerçeleştirilmesi olanalı hale gelmiştir [3]. Tipi uzatan sağlı izleme sistemleri, çeşitli biyopotansiyelerin ve vücut işaretlerinin işi üzerine taılan ablosuz algılayıcılar ile elde edilmesi ve bu verilerin yaın veya uzatai bir istasyona atarılara orada işlenmesi esasına dayanmatadır. Eletroardiyogram (EKG) [5-7], andai osijen saturasyonu (darbe osimetresi) ve fotoplestimograf (PPG) [4,5], an basıncı [6], ivmelenme tabanlı x-y-z vücut hareeti ve eletromiyografi (EMG) [5] gibi tıbbi parametreler taşınabilir sistemlerce elde edilmiş ve özel tasarlanmış RF sistemleri [5,6], GSM/GPRS [7], Bluetooth [4] gibi tenilerle uza bilgisayarlara veya PDA lara [5,6] atarılmıştır.. Uzatan Sağlı İzleme Sistemi Mevcut sağlı izleme sistemleri, işiyi hastane ortamında ısa süreliğine incelemeye olana verir. Anca bazı rahatsızlılar uzun dönemli inceleme sonucunda teşhis edilir [7]. Kişilerin sağlı durumlarını uzun süreli izleyebilme için taşınabilir sistemlere ihtiyaç duyulmatadır. Diğer bir yandan olası acil durumların tespit edilmesi de ço önemlidir. Bu çalışmada, işinin EKG, vücut ısısı ve nabız gibi sağlı parametreleri Taşınabilir İzleme Birimi (TİB) adı verilen bir gömülü sistem vasıtasıyla elde edilere, IEEE Bluetooth ablosuz haberleşme standartında, ağ geçidi olara ayarlanmış bir PDA cep bilgisayara atarılması, bilgilerin cihaz üzerinde görüntülenmesi ve uzun dönemli olara depolanması, acil durum söz onusu olduğunda bilgilerin merezi sunucuya IEEE 80. wi-fi veya GSM/GPRS tenolojisi ile ablosuz olara gönderilmesi gerçeleştirilmiştir. Bu sayede, hem işiye önemli ölçüde hareet özgürlüğü sağlanıren, günlü yaşamını asatmadan tıbbi verilerin uzun dönemli olara depolanması, merezi sunucuya gerçe-zamanlı olara atarılması, olası acil durumlarda çeşitli alarmların tetilenmesi ve ilgili urumların hareete geçirilmesi sağlanmıştır. Önerilen yalaşımın genel işleyiş diyagramı Şeil. (a) da verilmiştir. Sistem bütünlüğünü oluşturan alt birimler taip eden ısımlarda anlatılmıştır. 53

17 (a) Genel işleyiş diyagramı. (b) Taşınabilir İzleme Birimi (TİB) blo diyagramı. Şeil. Sistemin genel işleyiş diyagramı ve Taşınabilir İzleme Birimi (TİB) blo diyagramı... EKG Algılayıcısı EKG işaretleri, insan vücudu üzerinden algılanan, albin bir eletrisel ativitesi sonucu ortaya çıan belli tiptei işaretlerdir mv - 0 mv genliğinde olan bu işaretler bir enstrümantasyon yüselteci ile uvvetlendiriliren, çevresel etmenlerden oluşan 50 Hz şebee gürültüsü, biyoloji gürültü ve devredei atif ve pasif elemanlardan ve aım geçen yollardan oluşan gürültüler, pasif alça geçiren ve yüse geçiren RC süzgeçlerle bastırılmaya çalışılmıştır. Bu çalışmada, 3-eletrodlu sağ-baca sürücülü bir uvvetlendirici tasarlanmıştır. Te ullanımlı Ag-Cl eletrodlardan alınan işaretler enstrümentasyon uvvetlendiricisi olara ullanılan Analog Devices a ait AD60 işlemsel yüselteci ile yüseltilmiş ve 0.05 Hz 35 Hz bant geçiren pasif RC süzgeçten geçirilmiştir. Son adımda elde edilen işaret mirodenetleyicinin analog örneleme aralığına çeilme için National Semiconductor a ait LF353 işlemsel yüselteci ile terar yüseltilmiştir. Şeil. de algılayıcının blo diyagramı verilmiştir. Şeil. EKG algılayıcısı blo diyagramı... Taşınabilir İzleme Birimi (TİB) ve Gömülü Yazılım Taşınabilir izleme birimi (TİB), tasarlanan EKG uvvetlendiricisinin çıışındai analog işareti 5 Hz ile 8-bit çözünürlüte örnelemete ve elde edilen sayısallaştırılmış örneleri veri hafızasında paetlemetedir. Veriler üzerinde 3. dereceden bir 50 Hz bant-durduran sayısal IIR süzgeç uygulanara veridei 50 Hz şebee gürültüsü bastırılmata ve nabız bulma algoritması gerçeleştirilmetedir. Bu veriler, Bluetooth modülü vasıtasıyla PDA ya atarılmata ve orada depolamatadır. Mirodenetleyici tabanlı tasarlanan bu sistemde Microchip e ait PIC6F877 entegresi, ısı algılayıcısı olara Maxim e ait DS6 entegresi ullanılmıştır. TİB in blo diyagramı Şeil. (b) de verilmiştir..3. Mobil Yazılım PDA eranında EKG, nabız, vücut ısısı bilgileri ve danışmanın işiye gönderdiği yönlendirme mesajları görülmetedir. Nabız ve ısı değerleri belli limitleri aştığında otomati olara bir acil durum tetilenmete ve cihazda depolanan veriler GSM/GPRS veya IEEE 80. wi-fi protoolü ile ablosuz olara merezi sunucuya internet üzerinden XML Web servisleri aracılığıyla iletilmetedir. Danışmana uyarı mesajı gönderilmete ve Acil Servis e işinin durumu bildirilmetedir. Şeil 3. (a) da işinin EKG, vücut ısısı ve nabız bilgilerinin gerçe-zamanlı olara görüntülenmesi, Şeil 3. (b) de ise PDA ve işi üzerindei TİB görülmetedir. 54

18 (a) PDA mobil yazılım eranı. (b) PDA ve işi üzerindei Taşınabilir İzleme Birimi. Şeil 3. PDA mobil yazılım eranı ve Taşınabilir İzleme Birimi. 3. Sonuçlar ve Tartışma Uzatan sağlı izleme için önerilen bu yalaşım, ablosuz tenilerle haberleşebilen taşınabilir algılayıcı birimi (EKG algılayıcısı ve TİB), taşınabilir görüntüleme/depolama birimi (PDA) ve uza merezi sunucu yapısı ile dağıtı bir mimari oluşturmata böylece işinin hareet özgürlüğü büyü ölçüde artırılmatadır. PDA üzerinde entegre olara bulunan Bluetooth, IEEE 80. wi-fi ve GSM/GPRS tenolojilerinin ullanılması sayesinde PDA için harici ablosuz haberleşme donanımlarının tasarlanmasına gere almamış ve sistemin boyutları üçülmüştür. Yapılan deneylerde EKG, nabız ve ısı bilgileri sorunsuz olara PDA ya iletilmiş, görüntülenmiş, depolanmış ve oradan da uza sunucuya atarılmıştır. Sistemin güç tüetimi yalaşı 80mA civarında olup, ilerii çalışmalarda bu değer daha da düşürülebilir. Ayrıca sisteme, darbe osimetresi ve PPG, an basıncı, hareet ativitesi gibi algılayıcılar da dahil edilere çoluparametreli ve daha apsamlı bir izleme sistemi oluşturulabilir. Teşeür Bu çalışma, Erciyes Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi tarafından FBT-06-6 odu ile destelenmiştir Kaynalar []. United Nations (UN), Department of Economic and Social Affairs, World Population Ageing, 004, []. World Health Organisation (WHO), The Atlas of Heart Disease and Stroe, 00, [3]. Binley P.F., Predicting the potential of wearable technology, Engineering in Medicine and Biology Magazine, IEEE Volume, Issue 3, Mayıs-Haziran 003 (s):3 7. [4]. Hung K., Zhang Y.T., Tai B., Wearable medical devices for tele-home healthcare, EMBC 004, Volume, 004 (s): Vol.7. [5]. Lorincz K., Malan D.J., Fulford-Jones T.R.F., Nawoj A., Clavel A., Shnayder V., Mainland G., Welsh, M., Moulton S., Sensor networs for emergency response: challenges and opportunities, Pervasive Computing, IEEE Volume 3, Issue 4, Kasım-Aralı 004 (s):6 3. [6]. Bolanos M., Nazeran H., Gonzalez I., Parra R., Martinez C., A PDA-based electrocardiogram/blood pressure telemonitor for telemedicine, EMBC 004, Volume, 004 (s):69-7 Vol.3. [7]. Fensli R., Gunnarson E., Hejlesen O., A wireless ECG system for continuous event recording and communication to a clinical alarm station, EMBC 004, Volume, 004 (s):08 - Vol.3. 55

19 UYDU HABERLEŞMESİ VE TELEVİZYON YAYINCILIĞI O.Mete Şaşmaz, Arif Dolma, Yılmaz Derici 3 Kocaeli Üniversitesi Eletroni ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü Veziroğlu Yerleşesi İzmit-KOCAELİ mete@ou.edu.tr, adolma@ou.edu.tr, 3 yilmaz.derici@tgrt.com.tr Özet: Sivil ve aseri haberleşme amaçlı olara yaygın olara ullanılan uydu haberleşme sistemleri, iletişim alanında daha hızlı ve yüse apasiteli aynı zamanda da düşü maliyetli sistemler oluşturma çabaları sonucunda ortaya çımıştır []. Günümüzde Uydu üzerinden TV yayıncılığı vazgeçilmez bir onudur. Burada; uydu seçimi, apsama alanı ve güç en diat edilmesi gereen onulardır. Bu çalışmada Ulusal TV yayın aışı ve ullanılan uydular Türsat A 4 derece doğu uydusu ile Eutelsat W 0 derece doğu uydusunun arşılaştırılmaları; teni detayları ve sonuçları verilmiştir..giriş Bir TV resmi eletrisel bir işaret ile oluşturulur. TV resminin alitesi bu işaretin alitesine bağlıdır. Bu yüzden Avrupa televizyon birliği (EBU) standartlarına uygun bir şeilde ayarlayara çıış yapılması gereir. Asi tadirde izleyicilere alitesiz görüntüler göndermiş olunur. Bunun için resim işaretimizi en başından uplin çıışına adar test cihazlarıyla ontrol edilmesi gereir. Şeil de bir TV işareti ana hatları ile gösterilmiştir. Şeil. Standart resim işareti Bir resim işareti parlalı, ren, sync ve burst bilgilerinden oluşur ve bunları ölçme için waveform vector scobe cihazları ullanılır. Resim işaretinin beyaz seviyesi 0.7 volt, referans sync ı 0.3 volttur. Sync işaretinde diey ve yatay işaret referansları vardır. Burst ren bilgisi çözücüsüdür. Taşıyıcının freans ve fazını bulmaya çalışır.. TV YAYINCILIĞINDA UP-LİNK Up-lin ler mirodalga işaretlerini uzaydai hedef notaya gönderen armaşı sistemlerdir. Up-lin operatörleri dünyanın her yerinde arşılılı haberleşere çalışırlar. Up-linler iş dünyasının bir ço dalında da ullanılır. Bugün sayısız TV/Radyo istasyonu, telefon sistemleri ve veri şebeeleri uydu sistemlerini ullanmatadır []. Up-lin yapabilme için yapılaca il iş ullanılan uydunun ontrol merezini aramatır. Çünü çıışın sağlılı ve urallara uygun yapılması taip edilir. İl önce up-lin çanağı bizim için türsat -A 4 derece uydusuna düzgün bir şeilde ayarlanır. Uydudai diğer taşıyıcıların etilenmemesi ve endi işaretimizin de masimum 56

20 seviyede olması için bu ayarın ço hassas yapılması geremetedir []. Bu ayar Up-lin operatörlerinin vazgeçilmez cihazı olan Spectrum analyzer ile yapılmatadır. Rejiden gelen ses ve resim işareti up-linde il olara encoder cihazına girer. Buradai odlama işleminden sonra modülatöre girer. Kodlanmış işaret modülatör çıışında 70 MHz IF işareti verir. Bu işaret modülasyon off onumunda clean carrier işaretidir. Şeil de modülasyonsuz ve şeil 3 de modülasyonlu işaret yan yana görülmetedir. Şeil. Modülasyonsuz işaret Şeil 3. Modülasyonlu işaret Modülasyonlu IF işareti up convertore girer ve işaret burada istediğimiz freansa yüseltilir ve HPA dediğimiz high power amplifier a dahil edilir. Hıgh Power Amplifier (HPA) çıışı dalga ılavuzları yolu ile up-lin antenine gönderilir. Clean carrier işaretinin uydu merezi (CSC) tarafından gücü ayarlandıtan sonra, modülasyon yapılınca nominal power yani ideal güç (EIRP) denen seviyeye getirilir. Buradan da uyduya gider. Şeil 4 de Tür sat A up-lin detayları ve şeil 5 de Tür sat A down lin detayları yan yana görülmetedir. TÜRKSAT A UYDUSU İÇİN UPLINK DETAYLARI: UYDU: TÜRKSAT -A 4 DERECE ENCODER: 574 TANDBERG UPCONVERTER : ADVENT KU BAND UPLINK FREKANSI: 4.066,00 GHz. HPA: XICOM (400 WATT) U/L ANTENİ: IGP 0 cm. (SVS) O/P GÜCÜ: 90 WATT ENCODER DETAYLARI: TÜRKSAT A UYDUSU İÇİN DOWNLINK ÖLÇÜM DETAYLARI: ANTEN: 0 cm. Uplin&Downlın Antenna D/L FREKANSI:.57 GHz. SPECTRUM ÖLÇÜM DETAYLARI: ATTEN: 0 db SPAN : 0 MHz. SWEEP : 500 µsn. EIRP: dbµvolt (Merez IST/YENIBOSNA) Şeil 4. Tür sat A uplin detayları Şeil 5. Tür sat A down lin detayları 57