2.4GHz ISM Bandı Alıcı Verici Sistemleri için ANFIS Kullanılarak 280MHz Band Geçiren Aktif Filtre Tasarımı ve Analizi

Transkript

1 Fırat Ünverstes-Elazığ 2.4GHz ISM Bandı Alıcı Verc Sstemler çn ANFIS Kullanılarak 280MHz Band Geçren Aktf Fltre Tasarımı ve Analz Mehmet Al BELEN, Adnan KAYA 2.2 Elektronk-Haberleşme Mühendslğ Bölümü Süleyman Demrel Ünverstes 2 ÖZET Bu çalışmada 280 MHz frekansı cvarı çalışan, düşük ger dönüş kaybı değerlerne sahp, aktf bant geçren fltre analz ve tasarımı yapılmıştır. Ayrıca ANFIS (Adaptve Neuro-Fuzzy Inference System) tabanlı yen br metot üzernde çalışılmıştır. ANFIS yapay snr ağları (ANN) ve bulanık mantık sstemlern (FIS) tek br modelde brleştrmes noktasında öneml br yarar sağlar. MATLAB da ANFIS programı kullanılarak aktf fltremzdek varaktor dyotun kapastör değerler ncelenerek uygun gerlm değer ve eşdeğer kapaste değerler bulunmuştur. Ayrıca grş ve çıkış empedans uyumlandırmaları; uygun kapastör, drenç değerler ve mkroşert hatlar kullanılarak yapılmıştır. Çalışmada Moment Metodu kullanan Advanced Wreless Revoluton Mcrowave Offce (AWR) programı, tasarım sürecnde daha fazla esneklk sağladığı çn kullanılmıştır. FR4 cam elyaf alt taban malzeme olarak seçlmştr. Elde edlen sonuçlar le tasarlanan bant geçren fltrenn, stenlen frekansta başarıyla çalıştığı görülmüştür. Anahtar Kelmeler: Aktf Fltre, Varaktor,ANFIS, ISM Bandı. GİRİŞ Günümüz koşulları, haberleşme alanında daha genş olanaklara, daha uygun ortam ve araçlara olan htyacı artırmaktadır. Teknolojk gelşmelern her safhası hızlı br şeklde lerlemekte ve breylern yaşam şekln değştrmektedr. Günümüzde kablosuz haberleşme teknolojs gerek kullanıcıya sağladığı faydalar gerekse üretcler tarafından düşük malyete sahp olması sebebyle çok fazla terch edlmektedr. Bu nedenle son yıllarda bu konu üzerne oldukça fazla araştırma yapılmaktadır. Yen eklenen letşm elemanları ve yen teknolojler le endüstrde yen uygulama alanları yaratmıştır. Kablosuz haberleşme sstemlerne olan talep her geçen gün artmaktadır. []. Böylece multmedya hzmetlernn hızlı br şeklde artması ve telekomünkasyon pazarının lberalleşmes, kablosuz genşband sstemlerne olan taleb arttırmıştır. İy tasarlanmış kablosuz erşm sstemler belrl br altyapıyla karmaşık yapıyı azaltır. Bunun da ötesnde son kullanıcının htyaçlarına adapte olablen dnamk kapasteyle esnek bağlantı sunar böylece fnansal vermllk çözümü sağlar. Genel genş band servslernde nspeten yüksek mkrodalga frekanslarında kullanılır [2]. Kablosuz ver letşmnde yaşanan gelşmeler, doğal olarak sadece nternet erşmn kolaylaştırmakla sınırlı kalmamış, bazen farkında ble olmadan kullandığımız brçok uygulamalarla, günlük hayatımızın br ayrılmaz br parçası halne gelmştr[3]. RF ön uç modüller, sayısal temel bant sstem ve anten arasındak her şey olarak tanımlanablr. Alıcı çn bu ara bölge; fltreler, düşük gürültülü yükselteçler ve aşağı dönüştüren karıştırıcıları çerr. Bu katlar antenden alınan modüle edlmş şaret şleyerek temel bant da analog sayısal şaret (ADC) çevrc ye uygun br grş şaretne çevrrler. Bu nedenlerle RF ön arka uç modüller, alıcının RF temel bant bölümler olarak adlandırılır[4], [5]. Ön uç arka modüller, brkaç bütünleşmş devreden (IC) oluşmaktadır. Bu bütünleşmş devreler geleneksel slkon CMOS ve gelşmş slkon germanyum (SGe) teknolojler kullanılarak gerçekleştrlmektedrler. Çok çpl modüller karıştırıcı, demodülasyon, yükseltme, fltreleme ve dedeksyon gb snyal şleme olaylarında büyük br fonksyonellk sağlarlar. Bu nedenle çok çpl ön uç modüller, özellkle son yıllarda RF alıcı verc tasarımına olan eğlmn artması le önem kazanmıştır. Çünkü sstem bütünleşme sevyesndek sürekl artan artış nedenyle, tek yonga çnde daha fazla fonksyona htyaç duyulmaktadır ve bu karmaşıklığı arttırmakta ve performansı düşürmektedr. Alıcı verc sstemlere olan bu eğlmn sürekl artması nedenyle; özellkle tüketcler, düşük malyet, düşük güç tüketm (mobl ve taşınablr ürünler), küçük boyutlar stemektedrler [5]. Bu teknolojlerde sstemn bütünleştrlmesnden bağımsız olarak snyal fltreleme, dedeksyon, yükseltme ve demodülasyon gb brçok RF yapı değşmeden kalmaktadır. Daha spesfk olarak modüle edlmş bu RF taşıyıcılı snyaller almak çn bell br bant da antenlerde tasarlanmalıdır. Antenden alınıp RF ön uç modüllere aktarılan snyaller, bu devrelerden sonra analog temel bant snyal formunda sayısal dünyaya dönüşüm çn analog sayısal dönüştürücülern önünde hazır durumdadırlar. Öncelkle sayısal ortamda blg, sayısallaştırılmış taşıyıcılı dalga formlarından tekrar açılır ve uygun ses, vdeo veya verler oluşturulur. Entegre modüllere gelmeden önce, RF ön uç fonksyonel blokların her br ayrı ayrı tasarlanır. Bu şu anlama gelmektedr, RF fltreler, dedektörler, karıştırıcıdemodülator ve yükselteçler ayrı bleşenlerdr. Daha da önemls fzksel bağımsız olan bu bloklar br araya getrlmek zorundadırlar. Şekl- de tasarlanan RF alıcı-verc sstem dyagramı gösterlmektedr. Şekl : Sayısal Haberleşme Sstemler çn 2.4 GHz RF Alıcı- Verc Blok Dyagramı 33

2 Elektrk-Elektronk ve Blgsayar Sempozyumu 20 Son dönemlerde özellkle asker alanda olmak üzere çeştl alanlarda monoltk ya da hbrt yüksek frekans aktf fltre gelşm üzernde büyük lg oluşmuştur. Bu frekanslarda klask planar fltreler, letm hattından kaynaklanan kayıplar başta olmak üzere çeştl sebeplerden dolayı yetersz kalmaktadır. Bu sebeple fltrenn reaktf kayıplarından kurtulmak ve kazancı yükseltmek amacı le aktf fltreler kullanılır. Aktf fltre tasarımında k yaklaşım öne çıkmaktadır. İlk yaklaşımda pasf fltrenn elemanları aktf elemanlar le değştrlr. İknc yaklaşımda se her düğüm çn Krchoff gerlm ve akım yasalarından yararlanılır[5]. Bu aşamada kullanılan ANFIS adaptf bulanık snr ağlarını yapısında uygulanmış br FIS uygulamasıdır. Bu uygulama br takım grş ve çıkış vers arasında karmaşık ve lneer olmayan br lşk belrlenmesnde çok etkl br yaklaşımdır. ANFIS kesn FIS blgs le ANN öğrenme gücünün brleştrlmş şekldr. Doğru, hızlı ve güvenlr ANFIS modeller ölçüm/benzetm sstem verlernden gelştrleblr. ANFIS model br kere gelştrldğnde karmaşık nümerk şlemlern yerne kullanılablmes sstem tasarımını hızlandırır. ANFIS ölçüm verlerndek çsel gürültülere ve sstem düzenszlklerne daha az duyarlıdır[6],[7]. 2. ANFIS MİMARİSİ Günümüzde geleneksel yöntemlere alternatf olarak problemlern çözümünde, yapay snr ağı tabanlı akıllı sstemler kullanılmaktadır. ANFIS yapısı, Sugeno tp bulanık sstemlern, snrsel öğrenme kablyetne sahp br ağ yapısı olarak temslnden barettr. Bu ağ, her br bell br fonksyonu gerçekleştrmek üzere, katmanlar halnde yerleştrlmş düğümlern brleşmnden oluşmuştur. ANFIS n, yapısında hem yapay snr ağları hem de bulanık mantık kullanılır. Yapı bakımından ANFIS, bulanık çıkarım sstemndek eğer-se kuralları ve grş çıkış blg çftlernden oluşur[9]. ANFIS, ele alınan problem çn oluşturulan yapıya göre olası tüm kuralları atayablmekte veya kuralların verler yardımıyla uzman tarafından atanmasına zn vermektedr. ANFIS n kural oluşturablmes veya kural oluşturulmasına mkân sağlaması uzman görüşlernden faydalanması anlamına gelmektedr. Bu nedenle brçok tahmn problemnde yapay snr ağlarına uzman görüşlernden faydalanma mkânı tanıdığı çn ortalama hata kareler ölçütlerne göre daha y sonuçlar elde edlmesn mümkün kılmaktadır. Bu nedenle brçok tahmn problemnde yapay snr ağlarına uzman görüşlernden faydalanma mkânı tanıdığı çn ortalama hata kareler krterne göre daha y sonuçlar elde edlmesn mümkün kılmaktadır. ANFIS n öğrenme algortması, en küçük kareler yöntem le ger yayılmalı öğrenme algortmasının br arada kullanılmasından oluşan melez öğrenme algortmasıdır. Şekl 2: Adaptf Ağ Tabanlı Bulanık Mantık Çıkarım Sstem ANFIS 6 katmandan oluşmaktadır. Bu sstem Şekl 2 de gösterlmştr. ANFIS yapısındak her katmana at düğüm şlevler ve katmanların sleyş sırasıyla şöyledr [8]..Katman: Grş katmanı olarak adlandırılmaktadır. Bu katmandak her düğümden alınan grş snyaller dğer katmanlara aktarılır. 2.Katman: Bulanıklaştırma katmanı olarak adlandırılır. Grş değerlern bulanık kümelere ayırmada Jang ın ANFIS model, üyelk fonksyonu sekl olarak genelleştrlmş Bell aktvasyon fonksyonunu kullanmaktadır. Burada, her br düğümün çıkısı, grş değerlerne ve kullanılan üyelk fonksyonuna bağlı olan üyelk derecelernden oluşmaktadır ve 2.katmandan elde edlen üyelk dereceler µ ( x) ve µ ( y) şeklnde gösterlr. Aj 3.Katman: Kural katmanıdır. Bu katmandak her br düğüm, Sugeno bulanık mantık çıkarım sstemne göre oluşturulan kuralları ve sayısını fade etmektedr. Her br kural düğümünün çıkısı µ, 2. katmandan gelen üyelk derecelernn çarpımı olmaktadır. µ değerlernn elde edlş se, (j=,2) ve (=,.,n) olmak üzere, 3 y = Π = ( x) ( y) = () Bj µ µ µ Aj B j 3 Şeklndedr. Burada, y, 3. katmanın çıkış değerlern; n se, bu katmandak düğüm sayısını fade etmektedr. 4.Katman: Normalzasyon katmanıdır. Bu katmandak her br düğüm, kural katmanından gelen tüm düğümler grş değer olarak kabul etmekte ve her br kuralın normalleştrlmş ateşleme sevyesn hesaplamaktadır. Normalleştrlmş ateşleme sevyes µ nn hesaplanması se, 4 µ y = N = = µ, (=,n) (2) n µ = Formülüne göre gerçekleştrlr. 5.Katman: Arındırma katmanıdır. Arındırma katmanındak her br düğümde verlen br kuralın ağırlıklandırılmış sonuç değerler hesaplanmaktadır. 5 katmandak.düğümün çıkış değer se, 5 y µ px q x2 r = [ + + ], (=,n) (3) Şeklnde olmaktadır. Buradak (p, q, r ) değşkenler,. kuralın sonuç parametreler kümesdr. 6.Katman: Toplam katmanıdır. Bu katmanda sadece br düğüm vardır ve Σ le etketlenmştr. Burada, 5.katmandak her br düğümün çıkış değer toplanarak sonuçta, ANFIS sstemnn gerçek değer elde edlr. Sstemn çıkış değer olan y nn hesaplanması se, n µ [ 2 ] (4) = y = p x + q x + r 34

3 Fırat Ünverstes-Elazığ denklemne göre olmaktadır [0]. 3. FİLTRE TASARIM PARAMETRELERİ RF devre tasarım ve benzetm çn endüstrde çeştl yazılım paketler bulunmaktadır. Bu çalışmada, Moment Metodu kullanan Advanced Wreless Revoluton Mcrowave Offce (AWR) programı, tasarım şlemnde daha fazla esneklk sağladığı çn seçlmştr. Fltre seçmnde çalışma özellkler (gerlm, akım ve sıcaklık), güvenlrlk (maksmum sızıntı akımı, rutubet sınırları, aşırı yük akımı), elektrksel özellkler (yüksek gerlm karakterstkler, yalıtma drenc, Return Loss, Inserton Loss, Gürültü Şekl (N.F.) v.b.) ve mekank özellkler (boyutlar, montaj sorunları) en öneml seçm parametrelerdr. Tablo de Fltre tasarımında kullanılan taban malzemesnn malzeme özellkler verlmştr. Varaktor dyot gerlm kontrollü kapastördür ve blyoruz k delektrk artarsa kapastörde kapastans azalır ve dlelektrk genşlğ azalırsa kapastörde kapastans değer artar. Bz bu etky varaktor dyotta br avantaj olarak kullanablrz. Bu çalışmada varaktor dyot olarak BB72 kullanılmıştır. Ters kutuplamanın artması varaktorde depleton bölgesnn kalınlığını artırır ve bu bölge delektrğe benzetlrse dyot kapastansı azalır. Genelde gerlm kontrolü oslator de kullanılır. Varaktor dyotun bu özellkler kullanılarak Şekl- 3 de gösterldğ gb varaktor dyota farklı gerlm değerler uygulandığında 280 MHz frekansında çalışan, aktf bant geçren fltre analz ve tasarımı yapılmıştır. Tablo : Alt Taban Malzeme Özellkler Alttaş Malzemes FR4 Cam elyaf Delektrk Sabt tanδ Delektrk Kalınlığı Bakır Kalınlığı mm µm En temel bant geçren fltre tasarımı, yüksek ve alçak geçren ftrelern ser bağlanması le yapılablr ve brnc dereceden br AGF le YGF knc dereceden br BGF oluşturur. Rezonans devrelernde Q faktörü merkez frekansı fm n bant genşlğne (B) oranı olarak fades denklem (5) de verlmektedr. f Q m m = = B f f 2 f İknc dereceden br BGF nn frekans cevabı bulunurken denklem (6) kullanılır. A s (5) 0 = (6) + Ω ve Ω 2 3 db düşüm köşe frekansları olmak üzere; Ω = Ω 2 - Ω (7) İknc dereceden br BGF nn transfer fonsyonu denklem(8) tek gbdr. A. Ω. s. s s 0 = (8) + Ω + 2 Br BGF tasarlanırken göz önüne alınan parametreler; merkez frekanstak kazancı A m ve kalte faktörü Q dur. Bu parametreler cnsnden transfer fonksyonu fades (9) tek gbdr. Am. s Q = +. s + s Q 2 (9) Şekl 3: 280 MHz Aktf Bant geçren Fltre AWR eleman yerleşm Çalışmada lumped elemanlar kullanılarak düşük kayıplı br ortam oluşturulmuştur. Sstemdek varaktor dyotların kapaste değerler gerlmle kontrol edlerek fltremzn farklı frekans bantlarında da verml br şeklde çalıştığı gözlenmştr. 3.. ANFIS le Optmze Edlmş Band Geçren Fltre Tasarımı Bu çalışmada özellkle 280MHz bant geçren fltrenden daha y performans elde edeblmek çn ANFIS le varaktor dyotun deal değer belrlenmeye çalışılmıştır. Varaktor dyot olarak BB72 kullanılmıştır. Bu dyotla pf dan 30 pf a kadar değşen br aralık kullanılablmektedr. Neuro-Fuzzy optmzasyon mühendslk uygulamalarında sıklıkla kullanılmaktadır. Bu Çalışmada MATLAB-ANFIS (Adaptve Neuro-FuzzyInference System) Toolbox kullanılmıştır. 3 grşl, çıkışlı sstem çn sub clusterng, gaussan MF 4 seçenekler le ağ eğtlmş ve 0 hataya erşlmştr. Brnc grş değşken olarak varaktor dyotun kapaste değer knc değşken olarak fltrenn rezonans frekansı ve son değşken olarak ger dönüş kaybı kullanılmıştır. Çıkış değşken olarak Ekleme Kaybı (S 2 ) ve ger dönüş kaybı (S ) parametres seçlmştr. Amaç grş değşkenlernn çıkış değşken le ve brbrler arasındak etkleşm gözlemek ve stenen performans değerler çn seçleblecek uygun parametreler belrlemektr. Önce öneml devre parametreler çn benzetm yapılarak benzetm değerler 4 farklı varaktor değer çn elde edlmş ve elde edlen verler EXCEL tablosuna şlenmştr. Tablo 2 de ANFIS modelnde kullan EXCEL tablosunun br kısmı bulunmaktadır. Bu verlern MATLAB ortamına eklenmes le de ağ eğtlmştr. ANFIS grş çıkış parametreler arasındak lşk Şekl 4 te görülmektedr. 35

4 Elektrk-Elektronk ve Blgsayar Sempozyumu 20 Şekl 4: ANFIS grş çıkış parametreler Tablo 2: ANFIS Model çn Grlen Örnek Değerler Varaktor (pf) Rezonans frekansı (MHz) Ekleme Kaybı (db) Ger Dönüş Kaybı (db) Tablo-2 de baskı devresnde gösterlen varaktor dyotların kapaste değerler değştrlerek rezonans frekansı, ger dönüş kaybı, ekleme kayıpları ncelenmştr. Ölçüm sonuçları Şekl 5 te ekleme kayıplarının varaktor dyotun farklı gerlm değerlerndek değşm gösterlmektedr. Şekl 6: 280 MHz Aktf Bant Geçren Fltre Ölçüm Sonuçları Yapılan ölçümler le fltremzn çalışma frekansı ve S parametreler değerlernde başlangıçtak hedeflere ulaşılmıştır. Beklenldğ gb etkleşmler non-lneer olup bazı aralık değerlernde çok, bazı aralık değerlernde az olmaktadır. Lneer olmayan etkleşm fonksyonları Şekl-6 da verlmştr. (a) (b) (c) Şekl 5: Farklı Gerlm Değerler çn Ekleme Kaybı Ölçüm Sonuçları Şekl 6 da se varaktor dyotun 0.5V besleme gerlm altındak ger dönüş kaybı ve ekleme kaybı gösterlmektedr. (d) Şekl 7: ANFIS Modelleme Sonuçları Elde edlen tasarım ölçütler çn başlıca sonuçlar söyle sıralanablr: 36

5 Fırat Ünverstes-Elazığ Şekl- 7(a) da ger dönüş kaybının optmum değernn elde edleblmes çn S2 değernn -5.5dB ve altında olması gerektğ görülmektedr. Şekl-7(b) de ekleme kaybı değernn mnmum değer elde edeblmes çn varkabın kondansatör değernn 2pF a kadar arttılableceğ görülmektedr. Şekl-7(c) de ekleme kaybı değernn mnmum değer elde edeblmes çn Rezonans frekansının MHz arasında mnmum değer ve bu frekanslarda vermnn yüksek olduğu gözlenmştr. Şekl-7(d) ekleme kaybı değer le ger dönüş kaybı arasında non-lneer br değşme olduğu ve mnmum S değer çn S 2 değernn -5.4dB le 5.8dB arasındak değer uygun olacaktır. Bu çalışmada tasarlanan aktf fltrenn özellkler: Az sayıda eleman çermes: 9 pasf eleman Düşük ger dönüş kaybı: S= -6.64dB Koşulsuz kararlılık Ucuz malyet Şeklnde özetleneblr. 4. SONUÇLAR Bu çalışmada, 280MHz frekans bandında çalışan, ISM bandı kablosuz haberleşme alıcı verc sstemlernn alt bloklarından br olan, bant geçren fltrenn (BPF) tasarımı ve benzetm yapılmıştır. Burada varaktor (BB72) dyot kullanılarak tasarlanan aktf bant geçren fltre devresnde, 5V a kadar varaktor dyota gerlm uygulanmıştır ve aktf fltrenn ölçüm sonuçları Şekl-5 ve Şekl-6 da gösterlmştr. Ger dönüş kaybı ve ekleme kabı değerler çn başlangıçtak hedeflere ulaşılmıştır. Tasarlanan aktf fltrenn performans parametreler Mcrowave Offce benzetm programı kullanılarak değerlendrlmştr. Benzetm ve ölçüm sonuçları, tasarlanan aktf fltrenn 802.b standardı le uyumlu alıcı-verc sstemlernde etkl olarak kullanılableceğn göstermştr. 280MHz frekans bandı çn düşük ger dönüş kaybına sahp (- 6.64dB) olduğu ve farklı varaktor besleme gerlm değerler çn aktf fltrenn başka rezonans frekanslarında da verml br şeklde çalışableceğ gözlenmştr. Sonuçta ANFIS kullanılarak yapılan tasarımda performans artmıştır. Elde edlen sonuçlar bze kontrollü sstemde boyutları uygun seçlmş br aktf bant geçren fltrenn etkl br şeklde kullanılableceğn göstermektedr. Bunu da ger dönüş kaybı, ekleme kaybı gb lgl parametreler yleştrlerek sağlanmaktadır. [2] Ka Chang, RF & Mcrowave Wreless Systems, Wley seres n Mcrowave & Optcal Engneerng, 2000 [3] Kaya,A.,M.A.,Belen "2.4 GHz Drekt Entegre Verc Sstem Tasarımı" 3. Mühendslk ve Teknoloj Sempozyumu p , ANKARA,Nsan 200. [4] W. Kluge, L. Dathe, R. Jaehne, S. Ehrenrech, and D. Eggert, A 2.4GHz CMOS transcever for 802.b wreless LANs, n IEEE ISSCC Dg. Tech. Papers,2003, pp [5] Doddaman, N.D.; Harshchandra; Nand, A.V. Desgn of SPDT Swtch, 6 Bt Dgtal Attenuator, Bt Dgtal Phase Shfter for L-Band T/R Module usng 0.7 um GaAs MMIC Technology, Internatonal Conference on Sgnal Processng, Communcatons and Networkng, ICSCN '07. pp , [6] Esame, O., Kaynak, M., Kavlak, C., Bozkurt, A.,Tekn, I., Gürbüz, Y., IEEE 802.a Standard Uyumlu, RF Alıcı-Verc Alt-Blok Devrelernn Gerçeklenmes, URSI, Hacettepe Ünverstes, 2006 [7] Lee, J. R., Chun, Y. H., And Yun, S. W., 2005 [8] E. Bokshten, D. Shmaltz, O. Herbst, H. Bunke, and A.Kandel, Monopulse ampltude drecton-fndng usng neuro-fuzzy approach Robotcs Autonomous Syst , 2000 [9] Özçalık, H. R. ve Uygur, A. F., Dnam Sstemlern Uyumlu Snrsel-Bulanık Ağ Yapısına Dayalı Etkn Modellenmes, KSÜ Fen ve Mühendslk Dergs 6() 2003,s [0] Jang, J.S.R., Sun, C.T. ve Mzutan, E., Neuro Fuzzy and Soft Computng A Computatonal Approach to Learnng and Machne Intellgence, Prentce Hall,997 [] Jang, J. S. R., ANFIS: Adaptve-Network Based Fuzzy Inference Systems, IEEE Trans. on Systems, Man, and Cybernetcs, 23 (03), 993,s Ayrıca tasarlandığımız aktf fltremz RF ön uç modüllerde kullanılarak blmsel araştırmalarda ve tcar ürün uygulamalarında kullanılmak üzere değşk uygulamalara kolayca entegre edleblmektedr. 5. KAYNAKLAR [] W. Kluge, L. Dathe, R. Jaehne, S. Ehrenrech, and D. Eggert, A 2.4GHz CMOS transcever for 802.b wreless LANs, n IEEE ISSCC Dg. Tech. Papers, 2003, pp