KABLOSUZ İLETİŞİMDE GERÇEK ZAMANLI SİNYAL İŞLEME · 2014-05-03 · LİSANS BİTİRME...
Transcript of KABLOSUZ İLETİŞİMDE GERÇEK ZAMANLI SİNYAL İŞLEME · 2014-05-03 · LİSANS BİTİRME...
T.C.
KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
Mühendislik Fakültesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
KABLOSUZ İLETİŞİMDE GERÇEK ZAMANLI
SİNYAL İŞLEME
196064 Nezahat ÖZTÜRK
206397 Maksat YAZIYEW
Prof. Dr. Temel KAYIKÇIOĞLU
MAYIS 2012
TRABZON
T.C.
KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
KABLOSUZ İLETİŞİMDE GERÇEK ZAMANLI
SİNYAL İŞLEME
196064 Nezahat ÖZTÜRK
206397 Maksat YAZIYEW
Prof. Dr. Temel KAYIKÇIOĞLU
Mayıs 2012
TRABZON
LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU
196064 Nezahat ÖZTÜRK ve 206397 Maksat YAZIYEW tarafından Prof. Dr. Temel
KAYIKÇIOĞLU yönetiminde hazırlanan “Kablosuz İletişimde Gerçek Zamanlı Sinyal
İşleme” başlıklı lisans bitirme projesi tarafımızdan incelenmiş, kapsamı ve niteliği
açısından bir Lisans Bitirme Projesi olarak kabul edilmiştir.
Danışman : Unvanı Adı ve SOYADI ………………………………
Jüri Üyesi 1 : Unvanı Adı ve SOYADI ………………………………
Jüri Üyesi 2 : Unvanı Adı ve SOYADI ………………………………
Bölüm Başkanı : Unvanı Adı ve SOYADI ………………………………
ÖNSÖZ
Teknolojinin gelişmesiyle kablosuz iletişimde real time sinyal işleme konusu çok
önemli hale gelmiştir. Projenin konusu kablosuz iletişim tekniği kullanarak real time olarak
sinyal işlemeye dayanmaktadır. Sinyal işleme adı altında, vericinin bağlı olduğu
bilgisayarda modellenmiş çeşitli dalga formuna sahip grafiksel veriler kablosuz olarak
iletildikten sonra alıcı tarafından alınıp bilgisayarda işlenecektir.
Çalışmalarımız boyunca bize değerli zamanını ayıran ve verdiği fikirler ile bizi
yönlendiren hocamız Sayın Prof. Dr. Temel KAYIKÇIOĞLU’ na ve verdikleri fikirler
doğrultusunda bizi aydınlatan tüm araştırma görevlilerine teşekkür ederiz.
Ayrıca hayatımız boyunca her türlü maddi ve manevi desteklerini hiçbir zaman
esirgemeyen ailelerimize şükranlarımızı sunarız.
MAYIS 2012
Nezahat ÖZTÜRK
Maksat YAZIYEW
v
vi
İÇİNDEKİLER
Lisans Bitirme Projesi Onay Formu………………………………………………………..iii
Önsöz..………………………...............................................................................................v
İçindekiler…………………………………………………………………………………vii
1.Giriş………………………………………………………………………………............1
2. Temel Haberleşme Sistemi……………………………………………………………….3
2.1. Verici……………………………………………………………………………4
2.2. Kanal……………………………………………………………………………4
2.3. Alıcı……………………………………………………………………………..4
3. Sayısal Haberleşme Sistemi……………………………………………………………...6
3.1. Sayısal Sinyallerde Gürültü Etkisi……………………………………………..7
3.2. Sayısal Sinyallerde Gürültü Çeşitleri…………………………………………..9
3.2.1. Isıl Gürültü………………………………………………………………9
3.2.2. İntermodülasyon Gürültüsü……………………………………………..9
3.2.3. Diyafoni………………………………………………………………..10
3.2.4. Darbe Gürütüsü………………...………………………………………10
4. Gerçek Zamanlı (Real Time) İşaret İşleme…………………………………………….11
4.1. Gerçek Zamanlı İşaret İşleme Yöntemleri.……………………………………11
4.2. Matlab ile Real Time Analog Sinyal Üretme..………………………………..12
5. Kablosuz (Wireless) Haberleşme Sistem………………………………………………14
5.1. Kablosuz Haberleşme Sisteminde Çok Yollu Yayılım………………………..16
6. Seri Port Haberleşmesi………………………………………………………………….18
6.1. Seri Port Haberleşmesinde Hız………………………………………………..19
6.2. Seri Port Haberleşmesinde Data Bitleri………………………………………..19
6.3. Seri Port Haberleşmesinde Eşlik……………………………………………....19
7. Deneysel Çalışmalar…………………………………………………………………….20
7.1. eZ430-RF2500 Kiti Programlama……………………………………………..20
7.2. Matlab ile Sinyal Modellemeler……………………………………………….22
7.3. Matlab ile Seri Porttan Veri Okunması………………………………………..24
vii
7.4. Terminal Programı ile Kontrol Sağlama……………………………………………...27
8. Sonuçlar…………………………………………………………………………………28
9.Yorumlar………………………………………………………………………………...31
Kaynaklar………………………………………………………………………………….32
Ekler……………………………………………………………………………………….33
Özgeçmiş………………………………………………………………………………….37
viii
ix
ÖZET
Projede kablosuz iletişim tekniği kullanarak real time olarak sinyal işleme konusu
üzerinde çalışılmıştır. Projeyi gerçekleştirmek için işlemcili ve kablosuz iletişimi
sağlayacak verici-alıcı modülü kullanılır. Proje kapsamında verici taraftaki bilgisayarda
modellenmiş olan ECG işareti gibi çeşitli grafiksel veriler, sinüs işareti ve kare dalga
işareti gibi veriler verici olarak kullanılan mikroişlemci ile alıcı olarak kullanılan
mikroişlemciye kablosuz olarak haberleşme kanalından gönderilmektedir. Alıcı tarafta
alınan işaret matlab sayesinde bilgisayarın USB portuna erişilerek işlenilecek ortama
aktarılır ve gönderilmiş olan sayısal veriler tekrar grafiğe dönüştürülür. Gönderme işlemi
verici alıcı birbirini gördüğü sürece uzak mesafelerde başarım sağlamaktadır ancak verici
alıcı arasına duvar gibi engeller girdiğinde ise yakın mesafelerde gönderme işleminin ne
tür başarılar sağlayacağıda incelenecektir.
Bir haberleşme sistemi temel olarak veriyi gönderen kaynak, veriyi ileten haberleşme
kanalı ve veriyi alan hedeften oluşur. Haberleşme kanalı veriyi ileten ortamdır ve bu
ortamlar hava, kablo, deniz veya uzay olabilir. Kanalın bozucu etkilerinden biri olan
simgeler arası girişim (Inter Symbol Interference, ISI), kanalın gecikme içeren yayılmasına
bağlı olarak, birden fazla simgenin aynı anda kanalda bulunmasından kaynaklanmaktadır.
Alıcıda, kanaldan alınan her bir örnekte birden fazla simge yer aldığından, vericiden hangi
simgenin gönderilmiş olduğuna karar verirken hatalar meydana gelmekte ve sistem
başarımı düşmektedir.
Projedeki iletim ortamı hava olacaktır. Kaynağın, yani vericinin, gönderilecek veriyi
iletim ortamına uygun bir şekle dönüştürüp gönderilmesi gereklidir, kullandığımız
işlemciler 2.4 GHz’ de radyo dalgalarıyla haberleşmektedir. Bir haberleşme kanalının
analizi konusunada değinilmiştir.
x
xi
SEMBOLLER VE KISALTMALAR
ECG Elektrokardiogram (Electrocardiogram)
DAC Sayısal Analog Dönüştürücü (Digital Analog Converter)
ADC Analog Sayısal Dönüştürücü (Anologue Digital Converter)
FM Frekans Modülasyonu(Frequency Modulation)
AM Genlik Modülasyonu (Amplitude Modulation)
PM Faz Modülasyonu (Phase Modulation)
FSK Frekans Kaydırmalı Modülasyon (Frequecy Shift Keying)
ASK Genlik Kaydırmalı Modülasyon (Amplitude Shift Keying)
PSK Faz Kaydırmalı Modülasyon (Phase Shift Keying)
LOS Direk Görüş Hattı (Line of Side)
ISI Simgeler Arası Girişim (Intersymbol Interference)
xii
xiii
1.GİRİŞ
Haberleşme sistemleri anlamlı bilgi taşıma işlemlerini gerçekleştirir. Anlamlı bir
bilginin karşılıklı alışverişi yapılır. Elektronik cihazlarda haberleşme günümüzde çok
önemli hale gelmiştir. Teknolijinin hızla ilerlemesi, elektronik cihazların her geçen gün
gelişmesi, internet ve kablosuz iletişimin de yaygınlaşması ile elektronik cihazlarla
haberleşme ve verilerin işlenmesi, günümüzde iletişim kavramına evrensel bir anlam
katmış ve iletişimin büyük bir kısmı artık elektronik ortamda yapılır hale gelmiştir.
Haberleşme sisteminin başlıca elemanları:
1- Verici
2- İletim Ortamı
3- Alıcı
Projede kablosuz iletişim tekniği kullanarak real time olarak sinyal işleme konusu
üzerinde çalışılmıştır. Projeyi gerçekleştirmek için işlemcili ve kablosuz iletişimi
sağlayacak verici-alıcı modülü kullanılır. Verici alıcı modülü düşük güçlü uygulamalarda
kıllanılmak amacıyla geliştirilmiş bir modüldür. Kablosuz olarak veriler 2.4 GHz’ de
iletilmektedir. Göndereceğimiz grafiksel veriler matlab ile modellenmiş ve örnek değerleri
belirlenmiştir. Proje kapsamında verici taraftaki bilgisayarda modellenmiş olan ECG
işareti gibi çeşitli grafiksel veriler, sinüs işareti ve kare dalga işareti gibi veriler verici
olarak kullanılan mikroişlemci ile alıcı olarak kullanılan mikroişlemciye kablosuz olarak
haberleşme kanalından gönderilmektedir. Alıcı tarafta alınan işaret matlab sayesinde
bilgisayarın USB portuna erişilerek işlenilecek ortama aktarılır ve gönderilmiş olan sayısal
veriler tekrar grafiğe dönüştürülür. Şekil 1’ de projenin akış şeması verilmektedir.
Şekil 1. Projede izlenecek yöntemin blok diyagramı.
PC
+
MATLAB
U
S
B
İşlemci
+
verici
PC
+
MATLAB
U
S
B
Alıcı
+
İşlemci
Alıcı verici eğer birbirini görmüyorsa yakın mesafelerde haberleşme daha sağlıklı
olmaktadır. Bu uygulama ile bir hastanın ECG verileri kablosuz olarak iletilebilir ve alıcı
tarafta tekrar işlenerek grafiğe dönüştürülebilir veya istediğimiz herhangi bir grafiksel
veriyi kablosuz olarak iletebilir grafiğini çizdirebilir ve üzerinde işlem yapabiliriz. Projede
kullanılan malzemelerle benzer olarak bir ‘Chat’ programı yazılarak iki bilgisayarla
karşılıklı yazışma yapılmıştır. Ancak tezde yapılan çalışma yazışma değil, sayısal verilerin
program aracılığıyla işlenmesini kapsamaktadır. Çizelge 1’ de iş zaman grafiği
verilmektedir.
Çizelge 1. İş zaman çizelgesi
Aylar Görevler Nezahat ÖZTÜRK Maksat YAZIYEW
1.AY
ŞUBAT
Dijital ve analog
sinyallerdeki
bozulmaların
incelenmesi
Çeşitli makaleler okundu, konuyla
ilgili teorik bilgi araştırıldı,formüller
incelendi ve matlabda gürültülü
işaret uygulaması yapıldı.
İnternet araştırması yapıldı.
2. AY
MART
Ses kartı ile real time
sinyal uygulaması
yapılması
Matlab ortamında for döngüsü ile
ses kartına sürekli işaret gönderildi
ve osiloskop görüntüleri üzerinden
karşılaştırma yapıldı.
Teorik bilgi araştırması
yapıldı.
3.AY
NİSAN
4. AY
MAYIS
Kablosuz haber-
leşme sistemi ve
seri port haber-
leşmesine araş-
tırılması
İşlemcilerin
programlanması ve
Matlab program-
larının yazılması
Konunun teorik kısmı araştırıldı
mikroişlemci ile matlabın usb
üzerinden haberleşmesini
sağlayacak program yazıldı.
İşlemciler programlandı, matlab
programları yazıldı ve veriler işlendi
İnternetten araştırma
yapıldı.
-
2
2. TEMEL HABERLEŞME SİSTEMİ
Haberleşme sistemleri en temel olarak veriyi gönderecek bir verici kaynağı, verinin
iletileceği bir haberleşme kanalı ve verinin alındığı bir vericiden oluşmaktadır. Haberleşme
kanalı verici alıcı arasında fiziksel bir bağ oluşturmaktadır. Haberleşmenin amacı bir veriyi
bir noktadan başka bir noktaya en az hatayla ve en az güçle göndermektir. Verici
gönderecek olduğu veriyi modüle ederek gönderir bunun bir çok nedeni vardır. En önemli
nedenlerinden bir tanesi ileteceğimiz veriyi iletime uygun bir hale getirip öyle iletmektir.
Modülasyonda bilgi işareti bir taşıyıcıya bindirildikten sonra iletim ortamına verilir.
Modülasyon yapılmasının amaçları şöyle sıralanabilir;
Anten boyutlarını küçültmek
Transmisyon ortamına uymak
Frekans bandını verimli şekilde kullanmak
Verici alıcı maliyetleri
Düşük güç kaybı sağlama
Bozucu kanal etkisi azaltmak
Genel olarak bir haberleşme sistemi Şekil 2’ de gösterilmiş olan fonksiyonel bloklardan
oluşur. Bilgi kaynağı tarafından üretilen data resim formatında ses formatında veya yazı
formatında olabilir. Dönüştürücü olarak tanımladığımız kısım ise veriyi istediğimiz
formlara dönüştürür. Bir kameranın çektiği resimleri elektriksel işarete dönüştürmesi veya
mikrofonun ses işaretlerini elektriksel işarete dönüştürmesi buna örnek verilebilir. Alıcı
taraftaki sistem ise verici taraftaki dönüştürücünün yaptığı işlemin tam tersini yapar ve
elektriksel işaretler kullanıcıların istediği anlaşılabilir formlara dönüştürülür.
Çıkış
sinyali
Şekil 2. Bir haberleşme sisteminin fonksiyonel bileşenleri [1].
Bilgi Kaynağı
Dönüştürücü
Verici
Kanal
Çıkış dönüştürücüsü
Alıcı
2.1. Verici
Elektriksel işaretleri kanal veya iletim ortamına uygun bir forma dönüştürüp gönderen
sistemlere verici denir. Kablosuz haberleşme sistemleri radyo dalgaları ile çalışmaktadır.
Verici olarak nitelendirdiğimiz kısım sadece datayı modüle ederek gönderir alma işlemi
yapmaz. Modülasyon işlemi taşıyıcının genlik, faz veya frekansının değiştirilmesidir.
Örneğin bilgi işaretine genlik modülasyonu yapıyorsak bilgi işareti taşıyıcının genliğinde
istenilen frekans bandına aktarılır. Frekans modülasyonunda ise taşıyıcı işaretin frekansı
bildiri işaretiyle orantılı değişir. Vericiler radyo dalgalarını yaymak için çeşitli özelliklere
sahip antenler kullanırlar. Vericiler alternatif akımla radyo dalgaları üretirler ve bunu
antene uygulayarak uzaya yayarlar. Vericilere örnek olarak radyo vericisi ve televizyon
vericisi,telefon vericisi gösterilebilir.
Modülasyon ile birçok kullanıcının bilgisi aynı kanal üzerinden iletilebilmektedir. Her
bir verici istasyonu için toplam frekans bandı birçok alt banda bölünmüştür. Modülasyon
sayesinde gönderilecek veriler istenilen frekans bandına taşınır ve böylece her kullanıcının
kendi frekans bölgesinde faaliyet göstermesi mümkün kılınmaktadır. Birçok verici bu
yöntemle aynı anda yayın yapabilmektedir. Bu yöntem sadece kablosuz haberleşme yapan
sistemler için geçerli değildir. Kablolu sistemlerde de aynı kablo üzerinden değişik
frekansa sahip bilgiler gönderilebilmektedir.
2.2. Kanal
Haberleşme kanalı iletilecek işarate vericiden alıcıya göndermek için kullandığımız
ortamdır. Kablosuz haberleşme sistemlerinde kanal atmosfer veya diğer adıyla serbest
uzaydır. Haberleşme kanalları genellikle karmaşık olarak modellenir bunun nedeni ise
vericiden alıcıya gönderilen işaretin, kanalın gecikmeli yayılmasına bağlı olarak hem
genliğinin hemde fazının değişmesidir. Kanaldan gönderilecek işaretteki en önemli
bozulma işaretin alındığı alıcı kısmında kuvvetlendirme işleminin gerçekleştiği ön uçta
toplanır gürültü şeklinde meydana gelmektedir. Bu gürültü yükselteçlerin
karakteristiklerinin doğrusal olmamasından kaynaklanan ısıl gürültüdür. Kablosuz
haberleşmede diğer kullanıcıların kanalda olmasından kaynaklanan girişimde mevcuttur.
2.3. Alıcı
Veri alışverişinin yapıldığı haberleşme sistemlerinin en önemli kısımlarından bir tanesi
alıcı kısmıdır. Alıcıda işaretin alınmasına ek olarak gürültünün bastırılması ve süzgeçleme
4
gibi işlamlerde yapılır. Alıcı anten modüleli şekilde gelen işaretleri toplar ve
demodülasyon işlemine tabi tutar. Modüleli şekilde alınmış olan işaretten demodülasyon
sonucu bildiri işareti tekrar elde edilir. Demodüle edilen işaret gönderilen işaretin
bozulmuş şeklidir. Bu bozulmanın nedeni toplanır gürültü ve haberleşme kanalının bozucu
etkileri sonucu oluşmaktadır.
5
3. SAYISAL HABERLEŞME SİSTEMİ
Analog sinyaller sürekli zamanlı işaretlerdir. Analog haberleşme sisteminde bildir i
işaretinin dalga formu analogtur. Analog işaretler doğrudan taşıyıcıya bindirilerek bir
kanaldan iletilebilirler. Alıcı tarafta ise işaret taşıyıcıyla aynı frekansa sahip bir işaretle
çarpılıp alçak geçiren süzgeçten geçirilerse bilgi elde edilmiş olur.
Veri iletiminde sayısal haberleşme kullanılmak istendiğinde analog işaret sayısal forma
dönüştürülür. Ses işareti, biyomedikal işaretler, radar sinyalleri analog sinyallerdir. Sayısal
yönteklerle analog işareti işlemek için bu sinyalleri analog formdan sayısal forma
dönüştürmek gerekir. Bu işlem analogdan sayısala dönüştürücü tarafından yapılır[2].
Şekil 3’ de verildiği gibi analogdan sayısala dönüştürme işlemi 3 aşamalı bir işlemdir.
1. Örnekleme: Sürekli zamanlı bir işaretten belirli zaman aralıklarında örnekler alarak
ayrık zamanlı sinyale dönüştürme işlemidir. x(t) işareti örnekleyici girişine verildiğinde
çıkıştaki işaret x(nT)=x(n) olur. T örnekleme aralığını ifade etmektedir. Örnekleme
frekansı Fs=1/T olur. Örnekleme işlemi Denklem (3.1) ve Denklem (3.2)’ deki gibidir.
x(n) = x(nT) -∞ < n < ∞ (3.1)
t = n T = n / Fs (3.2)
x(t) x(n) xq(n) 010111…
Analog Sinyal Ayrık – Zamanlı Nicemlenmiş Sayısal
Sinyal Sinyal Sinyal
Şekil 3. Analogdan sayısala dönüşüm.
2. Kuantalama: Analog sinyalin örneklenmesiyle ayrık zamanlı hale dönüştürülen sinyaller
kuantalama ile ayrık zamanlı ayrık değerli hale dönüştürülür. Her bir örneğin değeri sonlu
sayıda değerler ile ifade edilir. Örneklenmiş işaretin değerleri ile işaretin kuantalama
Örnekleyici
Kuantalayıcı
Kodlayıcı
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
sonucu atandığı değerler arasındaki fark kuantalama hatasını verir. Bu hatanın küçük
olması arzulanır.
3. Kodlama: Kodlama işlemi kuantalanmış her düzeye birler ve sıfırlardan oluşan kod
sözcüğü atanması işlemidir. Kod sözcüğünün uzunluğu kuantalama düzey sayısından
bulunur. Denklem (3.3)’ de kuantalama düzey sayısıyla kod sözcüğü arasındaki ilişki ifade
edilmektedir. M kuantalama düzey sayısı, n kod sözcüğü uzunluğudur.
M (3.3)
3.1. Sayısal Sinyallerde Gürültü Etkisi
Herhangi bir haberleşme sisteminde alınan sinyal gönderilen sinyalin yayılım ortamı
boyunca zayıflamış halini ve sistem karakteristiği sebebiyle bazı bozulmaları içerir. Bu
değişimler alınan sinyalin gönderilen sinyalden birtakım farklılıklar içermesine neden olur.
Ayrıca verici ve alıcı arasındaki ortamda iletilecek sinyale istenmeyen işaretler yani
gürültü eklenir. Gürültü; haberleşme sisteminin performansını etkileyen ana faktördür.
Sayısal sinyale gürültünün nasıl bir etkide bulunacağının daha iyi anlaşılması için
matlab üzerinde aşağıdaki gibi bir uygulama yapılmıştır. Darbe modülasyonu yapılmış
sayısal sinyalin kodları program içinde dizi şeklinde oluşturulup aynı dizi boyutuna sahip
rastlantısal işaretler asıl işaretimize eklenip bozulmalar gözlemlenmiştir. Şekil 4’ de darbe
modülasyonu yapılmış işaret kodları, Şekil 5’ de eklenen rastlantısal gürültü, Şekil 6’ da
ise gürültünün sinyal üzerine eklenmesiyle ortaya çıkan bozulmalar gösterilmektedir.
Şekil 4. Darbe modülasyonu yapılmış işaretin kodları.
7
Şekil 5. Rastlantısal gürültü.
Şekil 6. İşarete eklenen gürültü.
İnceleme sonucunda gönderdiğimiz işarete gürültü eklenmesiyle bit hataları meydana
gelmektedir. Gürültü nedeniyle değişen genlik düzeyleri alıcı tarafta gönderilen işaretin bir
mi sıfır mı olduğu konusunda kararsızlığa neden olabilmektedir. Asıl işaretin elde
edilmesinde yani demodülasyon işleminin gerçekleştirilmesinde karar mekanizması
yanılgıya düşebilmektedir.
Gürültü konusu ve gürültüyü azaltma, haberleşme mühendisliği ve işaret işlemenin
yapıldığı tüm alanlarda üzerinde durulması gereken çok önemli bir konudur. Sistem
performansını sınırlayan en önemli unsurdur.
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02-3
-2
-1
0
1
2
3
4
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4Unipolar WRZ+gürültü
t [s]
A [V
]
8
3.2. Sayısal Sinyallerde Gürültü Çeşitleri
Sayısal haberleşmede gürültü çeşitlerini dört ana kategoriye ayırabiliriz[3]:
1. Isıl gürültü (thermal noise)
2. Modülasyonlar arası gürültü (intermodulation noise)
3. Diyafoni-Yan Ses (crosstalk)
4. Darbe gürültüsü (impulse noise)
3.2.1. Isıl Gürültü
Haberleşme sistemlerinde işaretin iletildiği değişik iletim ortamlarında ve
haberleşmenin yapıldığı elektronik cihazlarda meydana gelen bir gürültü çeşididir. Isının
etkisiyle serbest elektronlar hareket halindedir. Direnç, diyot, transistör gibi elektronik
elemanların karakteristiğin doğrusal olmamasından kaynaklanan bozulmalar ortaya
çıkmaktadır. Eğer sıcaklık mutlak sıfırın(-273 ) üzerinde ise ısıl gürültü daima vardır.
İletişim sistemlerinde alıcı tasarlanan sistemin duyarlılığını belirleyebilir. Termal gürültü,
işaretin bant genişliği ve sıcaklık arttıkça artmaktadır. Bir kaynak içerisinde meydana
gelecek ısıl gürültü gücünü denklem (3.4)’ deki gibi hesaplanabilir,burada bant genişliği 1
Hz’ dir[4] . Pn gürültü gücü yoğunluğunu ifade etmektedir ve birimi W/Hz’dir ve k
(1,3803· J/K) boltzman sabitidir. T Kelvin cinsinden mutlak sıcaklıktır. Denklemi
genelleştirecek olursak denklem (3.5)’ deki gibi ifade edebiliriz.
Pn= kT (3.4)
P =KTB= Pn.B (3.5)
3.2.2. İntermodülasyon Gürültüsü
Farklı frekanstaki sinyallerin aynı transmisyon ortamını paylaşması sonucu oluşur. İki
tane farklı sinyal birlikte yükseltildiklerinde bu frekansların harmonikleri de beraber yük
seltilirler. Yükseltilen bu harmonikler arasında yer alan iki harmonik frekansının biribirine
karışması, intermodülasyon gürültüsünü meydana getirir.
9
3.2.3. Diyafoni
Günümüzdeki haberleşme sistemlerinde birçok devre aynı sistem içerisinde yer alabilir.
İletişim sistemlerinde devreler arasında kublaj oluşması sonucu meydana gelir. Buna
telefonda konuşurken başkasının sesini duymayı örnek verebiliriz.
3.2.4. Darbe Gürültüsü
Bu gürültü tipi rastlantısal darbelerden oluşmaktadır, genellikle kısa süreli ve yüksek
genliklidir. Işık, araç ateşleme sistemleri, elektriksel sistemler ve haberleşme sistemindeki
bir takım hatalar gibi dış elektromagnetik bozulmalar bu gürültünün nedenidir.
10
ADC
örnekleme ve
tutma
4. GERÇEK ZAMANLI (REAL TIME) İŞARET İŞLEME
Günümüz teknolojisinde real time sinyal işleme konusu çok önemli bir yer edinmiştir.
Haberleşme sistemlerindeki işaret işlemede, tıbbi cihazlar kullanarak hastaların
biomedikal ölçümlerinin sürekli takibinde, telefon haberleşmesinde, sayısal kontrol
sistemlerinde, radar uygulamalarında, trafik lambalarında gerçek zamanlı işaret işleme
kullanılmaktadır.
Gerçek zamanlı işaret işlemede çıkış işareti giriş işareti uygulandığı zaman hemen
üretilmek zorundadır. Veriler her ne kadar birtakım gecikmelere sahipsede, bu gecikmeler
oldukça kısa süreli tutulmak zorundadır. Gecikmeler ne kadar kısa süreli tutulursa işaretin
gerçek zamanlı olma seviyesi bir o kadar artar.
Gerçek zamanlı işaret işlemede giriş sinyali önce bir filitreden geçirilir daha sonra
analog sayısal dönüştürücüden ( DAC ) geçirelerek işaretin sayısal karşılığı bulunmuş olur
ve işlemcide işlenecek duruma getirilir. İşaretin üzerinde istediğimiz değişiklikleri
yaptıktan sonra işareti analog forma çevirme ihtiyacı duyarız çünkü bu sayede veriler daha
iyi gözlemlenmiş olur. İşareti daha da düzeltmek için çıkışta tekrar bir filtre kullanılabilir.
Şekil 7’ de gerçek zamanlı işaret işleme blok diyagramı verilmiştir.
Şekil 7. Real-time işaret işleme blok diyagramı.
4.1. Gerçek Zamanlı İşaret İşleme Yöntemleri
Dairesel Tamponlama(Circular buffering):Filitre gerçek zamanlı olarak
gerçekleştirilmek istendiğinde çıkıştaki örneklerin hesaplanabilmesi için girişte var olan
örnek değerlerine ihtiyaç duyulur. FIR filitrede giriş sinyalinden belli sayıda örnek alınır
bu örnekler geçiriltikleri filitrelerin katsayılaı olan a, b, c, d gibi katsayılarla çarpılır ve en
son bu değerler toplanır. Denklem 4.1’ de gösterildiği gibi formüle edilebilir.
( 4.1 )
Giriş
Filtresi
Dijital
İşlemci
Sayısal Analog
Dönüştürücü
(DAC)
Çıkış
filtresi
4.2. Matlab ile Real Time Analog Sinyal Üretme
Gerçek zamanlı işaret işleme konusunun daha iyi anlaşılabilmesi için matlab ile basit
bir program yazarak gerçek zamanlı işaret görülmeye çalışılmıştır. Matlab ortamında real
time sinüs sinyali üretip, programın içinde üretilen bu sinyal bilgisayarın ses kartına
gönderilmiştir. Ses kartının kulaklık çıkışından veri alınıp osiloskoba bağlanılmış ve
değişimler gözlenilmiştir. Matlab programı aşağıda verildiği gibidir.
for k=0:1:100
f=10
t=k:0.01:k+1;
ft=5*sin(2*pi*t*f); (Zamanda sürekli değişen sinüs işareti)
hold on ( Girafikleri art arda ekleyip gösterecek program )
pause(0.1) (Osiloskopta rahat gözlem için 0.1 sn’lik gecikme)
plot(t,ft); (İşaretin çizdirilmesi)
sound(ft) (İşaretin ses kartına gönderilmesi)
end
Program çıktısı Şekil 8 de verildiği gibi gerçek zamanlı sinüs sinyalinin sadece 1-2 sn
arasındaki kısmıdır. Sinyal akışı 101 saniye devam etmektedir ve sonra durmaktadır. Bu
akışın daha uzun süre devam etmesi for döngüsünün aralığı değiştirilerek sağlanabilir.Şekil
9’ da bilgisayar osiloskop bağlantısı Şekil 10’ da ise işaretin osiloskop görüntüsü
görülmektedir.
Şekil 8. Gerçek zamanlı sinüs işareti.
1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
12
Şekil 9. Bilgisayar osiloskop bağlantısı. Şekil 10. Osiloskop görüntüsü.
Ses kartı çıkışından alınan sinüzoidal işaretin frekans ve genlik değerleri ölçülüp
program üzerinde ayarlanılan değerler ile birlikte Çizelge 2’ de verilmiştir.
Çizelge 2. Osiloskop değer ölçümleri
Bilgisayarın ses kartı normal işaret frekansını 83.3 kat yükseltiyor. Genliğin
işaretimizin genliği ile alakası yoktur osiloskopta görülen genlik tamamen ses kartının
değişken gerilimine bağlıdır. Yani ses seviyesi maksimum yaptığında genlik tepeden
tepeye V p-p = 0,8 V minimum yaptığında ise V p-p = 0 V olmaktadır.
Programdaki değer Ölçülen değer
Genlik 10 Hz 833 Hz
Frekans 20 Hz 1666 Hz
13
5. KABLOSUZ (WIRELESS) HABERLEŞME SİSTEMİ
Wireless haberleşme sistemi iki veya fazla nokta arasında fiziksel bağlantı olmadan
bilgi alışverişi yapmayı sağlar. Kablosuz iletişim sistemi günümüz teknolojisinde yaygın
olarak kullanılmaktadır. Bilgisayar, telefon, tıbbı veri aktarımı, uzaktan kumandalı modelli
uçaklar, güvenlik sistemleri yaygın radyo haberleşmesinde örnek verebileceğimiz
sistemlerdir. Haberleşmenin yapılacağı alan kısa olabilir; örneğin televizyon uzaktan
kumandası veya derin uzay radyo haberleşmesindeki (deep-space radio) mesafe binlerce
veya milyonlarca kilometre olabilir.
Elektromanyetik dalgalar elektrik ve manyetik alanlardan oluşurlar ve foton denilen
ayrık enerji paketlerine sahiptirler. Serbest uzayda fotonun hareketi boyunca elektrik ve
manyetik alanlar yer değiştirirler. Bir saniyedeki bu değişim veya titreşimlerin sayısı Hertz
olarak adlandırılır.
Çizelge 3 çeşitli ışınım türlerine göre, radyo frekans aralıklarını ve dalga boyu
aralıklarını görmekteyiz. Çizelge 4 tanımlı radyo frekans aralıklarını göstermektedir.
Çizelge 3. Işınım Türleri [5]
Işınım Türü
Gamma
X
Morötesi
Görünür
Kızılötesi yakını
Kızılötesi
Frekans Aralığı(Hz)
Dalga Boyu Aralığı
< 1pm
1 nm - 1pm
400nm - 1nm
750 nm - 400 nm
2.5 μm - 750 nm
Mikrodalga
Radyo
25 μm - 2.5 μm
1mm - 25μm
> 1 mm
Çizelge 4. Tanımlı Radyo Frekans Aralıkları [5]
3-30 KHz Very Low Frequences (VLF)
30-300 KHz Uzun Dalga Boyu(Long Wave, LW)
300-3000 KHz (3 MHz) Orta Dalga (Mediım Wave,MW)
3-30 Mhz Kısa Dalga ( Short Wave, SW)
30-300 MHz Yüksek Frekans(Very High Frequency,
VHF)
300-3000 MHz Ultra Yüksek Frekans(Super High
Frequency,SHF)
3 GHz-30 GHz Süper Yüksek Frekans (Super High
Frequency, SHF)
300-3000 GHz Mikrodalga Frekansları
Haberleşme sistemlerinin temellerinde çeşitli modülasyon teknikleri yer almaktadır. Bu
modülasyon teknikleri analog ve sayısal modülasyon olmak üzere ikiye ayrılır. Analog
modülasyon teknikleri olan FM, AM ve PM modülasyonlarına karşılık düşen 3 adet sayısal
modülasyon tekniği mevcuttur. Bunlar; Frekans Kaydırmalı Anahtarlama FSK, Genlik
Kaydırmalı Anahtarlama ASK ve Faz Kaydırmalı Anahtarlama PSK’dır. Bu yöntemlerde
taşıyıcı sinyalin frekansı, genliği veya fazı lojik 0 veya lojik 1’e karşılık düşecek şekilde
iki ayrı değer arasında anahtarlanır.
15
5.1. Kablosuz Haberleşme Sisteminde Çok Yollu Yayılım
Kablosuz haberleşme sisteminde verici antenden çıkan sinyal kanal üzerinde birçok
yoldan alıcı antene ulaşabilir. Bu literatürde çok yollu yayılım ( multipath propagation )
olarak bilinir. Antenlerin direkt olarak birbirlerini gördükleri birbirini yol ( LOS: Line of
Side ) haricinde binalardan, ağaçlardan veya başka yerlerden yansımalarla birlikte sinyalin
gecikmiş alımları gelebilir. Anten arasındaki her bir yola çoklu yol bileşeni denir ve her
yolun farklı bir zayıflatması ve zaman gecikmesi vardır. Bunların alıcı antene toplamı ise
alınan sinyali bozabilir bu olaya sönümleme yani işaret girişime uğramıştır intersymbol
interference etkisi mevcuttur. Böyle bir kanalı modellemek için zamanla değişen dürtü
cevabına sahip bir model ele alınır. İşaretin kanaldan çok yollu yayılımı Rayleigh
dağılımıyla modellenir.
Çok yollu yayılımın matemetiksel modeli doğrusal sistemler için birim vuruş tepkeleri
metoduyla ifade edilebilir. İletilen sinyal darbe şeklinde formül (5.1)’ de gösterildiği
gibidir.
x(t)=δ(t) (5.1)
Alıcıda, bir çok elektromanyetik yol sebebiyle birden fazla darbe alınacaktır (kanalı
sonsuz bantgenişliğine sahip kabul ettik böylece darbenin şekli değişmemiş oldu) ve her
darbe farklı zamanlarda alıcıya ulaşacaktır.Elektromanyetik dalgalar ışık hızıyla yayılırlar
ve her yolun geometrik uzunluğu birbirinden farklıdır(serbest uzayda ışık 3 km’lik yolu
1μs’de alır). N alınan darbe sayısıdır.T(n) n. darbenin gecikme süresidir ve p(n)
alınan sinyalin komplex olarak genlik ve faz şeklinde ifade edilmiş halidir. Sonuç olarak
y(t) çokyollu yayılımı h(t) nin birim vuruş tepkesi olarak ifade edilişi formül (5.2)’ de
olduğu gibidir.
–
(5.2)
5.2. Kanal Denkleştirme
Günümüzde veri iletişiminde kullanılan kablosuz iletişim kanalı geniş bantlı sistemlerde
sorun oluşturmaktadır.Çok yollu,zamanda yayılmış,bant sınırlı kanallar simgeler arası
girişime neden olur ve bunun sonucundada alıcıda istenmeyen bit hataları oluşur.
16
L i=0
Vk
ηk
ISI(intersymbol-interference) gezgin radyo kanalları üzerinden yapılan yüksek hızlı veri
haberleşmesinin önündeki en büyük engeldir. Bu bozucu kanal etkisini alıcı tarafta
gidermek için yapılan işlem kanal denkleştirmedir(Channel equalization).
Kanalın gecikmeli yayılmasına bağlı olarak birden fazla simgenin aynı anda kanalda
bulunmasından dolayı simgeler arası girişim olarak adlandırılan bozucu etkiler kanalda
mevcuttur. Alıcıda, kanaldan alınan her bir örnekte birden fazla simge yer aldığından,
vericiden hangi simgenin gönderilmiş olduğuna karar verirken hatalar meydana gelmekte
ve sistem başarımı düşmektedir. Xk vericiden gönderilen simge, Vk alıcıdan örneklenen
işaret hi kanal katsayıları olmak üzere alıcı girişindeki işaret formül (5.3) ve formül (5.4)
de verildiği gibidir[6].
Vk=ho . xk + h1. xk-1+h2.xk-2+.....+hLxk-L (5.3)
Vk=Σhi.xk-i+ηk (5.4)
Kanal denkleştirme işlemi yapılırken alınan işaret kanalın tersinden tekrar geçirilir. Bu
işlemi yaparken kanal hakkında bilgi sahibi olmamız gerekmektedir. Kanal hakkında bilgi
sahibi olduktan sonra denkleştirme işlemi için kanal katsayılarının tersinin alınması daha
kolay hale gelir. Eğer iletişim kanalı zamanla değişiyorsa uyarlanır kanal denkleştiricisi
kullanmak gerekir çünkü kanal denkleştiricilerin kanalda meydana gelen değişimleri takim
etmesi gerekmektedir[6]. Kanalın gecikme hattı süzgeç modeli Şekil 11’ de verildiği gibi
ifade edilebilir. Her bir kutucuk Ts süreli gecikmeyi göstermektedir.
xk x xk-1 xk-2 ................
h0 h1 hL-1
Şekil 11. Kanalın gecikme hattı süzgeç modeli.
+
Ts Ts Ts
17
6. SERİ PORT HABERLEŞMESİ
Seri haberleşme bilgisayarlarda kullanılan ve bilgi transferi sağlayan fiziksel bir
arayüzdür. Seri iletişimin en basit tanımını yapacak olursak sayısal bilgilerin 1 ve 0′ ların
tek bir hat üzerinden peş peşe iletilmesidir. Seri port haberleşmesinde her defasında bir bit
iletilir. Günümüzde kullandığımız bilgisayarların birçoğu diğer aygıtlar ile bu arayüz
üzerinden haberleşmektedir. USB üzerinden programlanan işlemciler, bilgisayara takılı
olan fare, çeşitli donanımsal aygıtlar, klavyeler bu arayüz üzerinden haberleşme
sağlamaktadır. Seri haberleşme günümüzde yerini daha çok USB üzerinden haberleşmeye
bırakmaktadır. Seri haberleşmede datayı gönderecek bir verici ile tek bir hat üzerinden
datayı bit bit alıcı tarafa göndermek mümkündür. Bu metot kullanıldığında datalar düşük
hızlarda ancak uzun mesafelere gönderilebilmektedir. Seri haberleşmenin yaygın olmasının
bir diğer nedenide bir bilgisayar üzerinde birden fazla seri port bulunmasındandır.
Fazladan bir donanım ihtiyacı duymadan cihazınızı bilgisayara takabilir veya iki
bilgisayarı birbirine bağlayabilirsiniz. Birçok mikrodenetleyicide seri port haberleşmesini
kullanmakta ve UART üzerinden haberleşmektedir.
Seri haberleşme yaparken beş parametre mutlaka dikkate alınmalıdır:
Hız
Data Bitleri
Eşlik
Durma Bitleri
Akış Kontrolü
6.1. Seri Port Haberleşmesinde Hız
Seri port haberleşmesinde portlar arasındaki haberleşmede iki seviyeli sinyalleşme
kullanılır. Seri haberleşmede haberleşme hızı ‘baud’ olarak ifade edilir. Asenkron
haberleşmenin başlayabilmesi için kullanılan saniyedeki bit hızları 300, 1200, 2400, 9600,
19600 olabilir[7]. Seri haberleşme yapılırken veriler genellikle geçici olarak bir tampon
belleğe yazılır. Bu tampon bellek sınırlı boyuta sahiptir. Verilerin bu sebeple kısa bir süre
içerisinde okunması gerekir. Bu sorunu aşmak için haberleşme hızı düşürülebilir.
Haberleşme hızını düşürmek amaca uygun düşmüyorsa veri okuması daha sık yapılabilir.
18
6.2. Seri Port Haberleşmesinde Data Bitleri
Günümüzde seri haberleşmenin yapıldığı cihazlarda daha çok 8 data biti kullanılır.
Ancak 5, 6, 7, 9 gibi alternatifleride mevcuttur. 8 data biti kullanılması herbir verinin 1
byte olduğu anlamına gelmektedir. “Small Endian” olarak adlandırılan tasarımda en
anlamsız bit(LSB) en önce gönderilir. ”Big Endian” ise en anlamlı bitin en önce
gönderilmesi anlamına gelmektedir[7].
6.3. Seri Port Haberleşmesinde Eşlik
Eşlik biti iletilen verilerin kontrolünü yapar ve hata olup olmadığını belirler. Eşlik
bitleri yaygın olarak “Parity Bits” olarak bilinir. Bir noktadan diğer noktaya veri
iletiminde her veri karakteri ile birlikte ek olarak 1 bit gönderilir. Karşılaştırma yöntemi
kullanılarak hatanın olup olmadığı anlaşılır[7].
19
7. DENEYSEL ÇALIŞMALAR
7.1. eZ430-RF2500 Kiti Programlama
eZ430-RF2500 kiti Texas Instrument firmasının radyo frekansında haberleşme
uygulamaları geliştirmek için ürettiği bir kittir. eZ430-RF2500 kiti USB üzerinden
bilgisayara bağlanabilmektedir. Üzerinde kablosuz haberleşmeyi sağlayacak tranceiver
modül mevcuttur. Bu tranceiver modülden iki adet kullanılmaktadır. Bu tranceiver modül
CC2500 serisidir ve 2.4 GHz’ de haberleşme sağlamaktadır. Ayrıca üzerinde MSP430’un
F serisinden MSP430F2274 mevcuttur. İşlemcinin frekans bandı ISM bandıdır. İşlemci
üzerinde iki adet led bulunmaktadır ve bir tanede buton vardır.CC2500 düşük güç
harcamaktadır. Kitin maliyeti Çizelge 3’ de verilmektedir.
Çizelge 5. Kullanacak malzemenin maliyeti
Kullanılacak malzeme
Texas Instrument
eZ430-RF2500 kitleri
Fiyat:100 $
İşlemci USB üzerinden bilgisayara bağlandıktan sonra Code Composer Studio veya
IAR Embedded Workbeanch üzerinden programlanabilmektedir. Tezdeki tüm
uygulamalarda işlemci IAR Embedded Workbeanch ile programlanmıştır. Şekil 12 IAR
Embedded Workbeanch ile programlama ekranını göstermektedir.
Şekil 12. eZ430-RF2500 kitini IAR Embedded Workbeanch ile programlama.
Kablosuz haberleşme uygulamasını gerşekleştirmek bir vericiye birde alıcıya ihtiyaç
vardır. Aynı işlemciden iki tane kullanılnılmıştır ancak işlemciler üzerinde tranceiver
modül yer aldığından bir modülü verici bir modülü alıcı olarak seçmek kolaylık
sağlamaktadır. ”Tranciever” modülü işlemciden takılıp çıkarılabilmektedir. Ana
bilgisayara takılı olan yani verilerin üzerinden gönderileceği işlemci verici işlemci
seçilmiştir.Verici işlemci programlandıktan sonra verici kısmı çıkartılır alıcı işlemcinin
verici kısmı yerine takılır. Sonra tekrar programlama işemi yapılır. Bu işlemler yapıldıktan
sonra verici ve alıcı modülleri tekrar aynı yerlerine takılır. Şekil 13 eZ430-RF2500 kitini,
Şekil 14 kitin verici alıcı parçasını göstermektedir.
Şekil 13. eZ430-RF2500 kiti. Şelil 14. Verici-Alıcı modülü.
Kitler kullanılarak kablosuz haberleşme yapıldığında veriler oldukça doğru
gönderilmektedir. Kit programlanırken kablosuz chat programı geliştirilerek veri
gönderimi sağlanmış ve hale getirilmiş ve defalarca veri program gönderilip alabilir
duruma getirilmiştir.
İşlemciler verileri paket paket gönderip paket paket alma sağlayabilmektedirler. Alış
süresi içerisinde bir paket birkaç kez gönderilebilmektedir. Verilerin grafiksel modelleri
Matlab üzerinde oluşturulup verici işlemcinin göndereceği paket içine yazılmıştır. Vericiye
gönder komutu verebilmek Hyper Terminal adında bir program kullanılmıştır. Bu terminal
programı açılıp enter tuşuna basıldığında veri paketi gönderilmektedir. Her entera basışta 1
paket gitmektedir. Aynı paketi defalarca karşı tarafa gönderebiliriz. Alıcı tarafta
istediğimizde bu verileri yine terminal programı kullanarak görmemiz mümkündür. Ancak
verilerin işlenebilmesi için matlab terminal programı gibi kullanılmış ve veriler yazılım
ortamına böyle aktarılmıştır.
21
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1gürültülü ECG sinyali
7.2. Matlab ile Sinyal Modellemeleri
Matlab projete grafiksel verilerin yazılım ortamında gerçekleştirilmesi için
kullanılmıştır. Matlab içinde bulundurduğu hazır fonksiyonlar sayesinde kullanımda
esneklik sağlamaktadır. ECG sinyali, sinüs sinyali, kare dalga gibi grafiiksel veriler matlab
ortamında oluşturulup örneklenmiştir. Bu örnek değerleri bir periyot için alınmış ve
işlemcideki paket programın içine yazılmıştır.
Yazılım ortamında öncelikle bir gürültülü ECG sinyali oluşturulmuştur. Yine yazılım
ortamında bu ECG işareti onuncu dereceden bir alçak geçiren süzgeçten geçirilmiştir. Daha
sonra örnek değerlerinin oluştuğu matrise bakılmıştır. Bir periyot için ECG işareti örnek
değerleri işlemcinin göndereceği paket için kaydedilmiştir. Şekil 15’ de gürültülü ECG
işareti, Şekil 16’ da filitreden geçirilmiş ECG işareti bulunmaktadır.
0 100 200 300 400 500 600 700 800-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1Butterworth Süzgeçli ECG
Şekil 15. Gürültülü ECG sinyali.
Şekil 16. Filitrelenmiş ECG sinyali.
22
İkinci olarak yazılım ortamında bir periyotluk sinüs sinyali üretilmiştir. (1x64)’ lük bir
matris oluşturulmuştur. Yani 64 örnek sinüs değeri vardır. Sinüs sinyali değerleri program
içine matrisel olarak yazılmıştır ve çizdirilmiştir. Şekil 17 sürekli sinüs sinyalini
göstermektedir. Şekil 18 ise örneklenmiş sinüsün 64 ayrık değerini göstermektedir.
Matlab ortamında farklı grafiksel formlar oluşturulabilir. Sinüs tercih edilmesinin
nedeni çok yaygın bir sinyal türü olmasındadır. İsteğe bağlı olarak sinüs sinyali birkaç
periyot için tekrar ettirilebilir. Şekillerin örnek değerleri mümkün olduğunca az tutulmaya
çalışılmıştır çünkü işlemcinin gönderebileceği paket boyutu sınırlıdır. Sınır aşılırsa
gönderme işlemi gerçekleşmemektedir.
0 10 20 30 40 50 60 700
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 10 20 30 40 50 60 7060
80
100
120
140
160
180
200
Şekil 17. Sürekli sinüs sinyali
Şekil 18. Sürekli sinüs sinyali
23
0 50 100 150 200 250 300 350-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Deneysel uygulamalarda üçüncü olarak seçtiğimiz işaret sıfır ve birlerde oluşan bir data
dizisidir. Data dizisindeki sıfır ve birlerin sırası rastlantısal olarak alınabilir. Herhangi bir
anlam ifade etmemektedir. Şekil 19 data dizisini göstermektedir.
7.3. Matlab ile Seri Porttan Veri Okunması
Matlabın seri porta erişme özelliği kullanılarak vericiden gönderilen işaretlerin alıcı
taraftan alındıktan sonra gösterilmesini sağlamaktadır. Program yazılırken alış hızı bit
sayısı ayallanmalıdır. Gönderdiğimiz işaret hızıyla matlabın verileri alış hızı aynı
seçilmiştir. Farklı programlar kullanıldığı için uyum problemi aşılmaya çalışılmıştır.
“BaudRate”, 9600, “DataBits” 8 seçilmiştir. Ayrıca programın içinde matlaba hangi porta
erişeceğini tanıtmak gerekir. Alıcı işlemcinin hangi porta takılı olduğunu bulmak için
bilgisayarda izlenecek yöntem:
1. Başlat
2. Denetim Masası
3. Aygıt Yöneticisi
4. Bağlantı noktaları
5. MSP430 Application UART(COM8)
Aşamalar gerçekleştirildikten sonra işlemcinin com portu artık tanınıyor demektir.
Programda uygun yere com portu numarasıyla birlikte yazılır. Şekil 20 portu bulma
aşamasını göstermektedir.
Şekil 19. Data dizisi.
24
Şekil 20. Portu bulma aşamaları.
Burada matlab programı aslında bir terminal programı olarak kullanılmıştır. Ancak
terminal programından farklı olarak verilerin işlenmesine bir şekilden başka bir şekle
dönüştürülmesini de sağlamaktadır. Program koşturulduktan sonra matlab verileri bir süre
okur vu süre içerisinde okunan verileri görmemize imkan yoktur ancak süre sonun da
okunmuş verileri görebiliriz. Buda işlemimizin tam olarak real time olmasını
engellemektedir. İyi durum ise bu okuma süresi içerisinde verici taraftan alıcı tarafa birkaç
kez veri paketi gönderilebilmektedir. Yazılan programda üç kez aynı paket gönderilmiştir.
Verilerin alınmasında yaşanılan bir diğer problem ise matlabın aldığı verileri karakter
olarak tanıması ve bu karakterlere karşılık gelen sayı değerlerini atamasıydı. Bu problem
alınan değerlerin önce “string” olarak taranması daha sonrada “floating point” olarak
tanıtılması ile çözülmüştür. Bu sorunla karşılaşılmasındaki en önemli neden işlemci
programlanırken kendi protokollerinden dolayı veri göndermesini karakter olarak
yapmasından kaynaklanmaktadır. Bu sorun alıcı kısmındaki programda uyarlama yapılarak
aşılmıştır.
Kitlerde bu özellik denenmeden önce yine MSP430’un başka bir kitinde bu özellikler
denenmeye çalışılmıştır. Öncelikle MSP430’a bir potansiyometre bağlanılmış ve matlab ile
potansiyometreyi değiştirdikçe değerlerin nasıl değiştiği gözlemlenmiştir. Programlar
25
koşturulurken önce matlabda yazılan program koşturulur daha sonra işlemci için yazılan
program koşturulur. İşlemci için yazdırılan programın 1 kere koşturulması yeterlidir ancak
matlab ile yazılan program her pot değişikliği gösterilmek istendiğinde yeniden koşturulur.
Yazılan matlab programı koşturulduktan sonra eğer potta değişiklik yapılmazsa çizimde
sabit bir değer görülür. Ancak matlabın verileri alış süresi içerisinde potansiyometreyi
değiştirdiğimizde bu değişimleride grafiksel olarak görebilmekteyiz. Şekil 21, Şekil 22,
Şekil 23 değişik potansiyometre değerlerine göre elde edilen sonuçları göstermektedir.
Şekil 21.Potansiyometre sabit. Şekil 22. Artan potansiyometre değeri .
Şekil 23. Önce artan sonra azalan potansiyometre değeri.
26
7.4. Terminal Programı ile Kontrol Sağlama
Terminal programı olarak Hyper Terminal seçilmiştir.Bu terminal programı USB
portuna erişebilmektedir. Hem veri gönderilmesinde hemde alınan verilerin görülmesine
olanak sağlar. Terminal programı proje kapsamında sadece veriyi gönderecek komutun
girilmesini sağlar. İşlemciler programlandıktan sonra terminal programı açılır gerekli com
port ayarları ve hızı ayarlanır. Daha sonra beyaz bir ekran gelir. Ekran üzerine fağrenin
sağıyla tıklanır ve imlecin ekrana gelmesi sağlanır. İmleç ekrandayken her entera basışta
veriler alıcı tarafa gönderilmiş olur. Verilerin gönderilip gönderilmediğini ve alınıp
alınmadığını gözlemleyebilmek için işlemciler üzerinde ledlere bakmak gerekir. Kırmızı ve
yeşil ledler gönderim ve alım yaptıkları zaman yanıp sönerler. Şekil 24 terminalin nasıl
ayarlandığını Şekil 25 ise ayarlandıktan sonraki ekranı göstermektedir.
Şekil 24.Terminal ayar programı.
Şekil 25. Terminal komut ekran.
27
ii
8. SONUÇLAR
Proje kapsamında verici taraftaki bilgisayarda modellenmiş olan ECG işareti gibi
çeşitli grafiksel veriler, sinüs işareti ve kare dalga işareti gibi veriler verici olarak
kullanılan mikroişlemci ile alıcı olarak kullanılan mikroişlemciye kablosuz olarak
haberleşme kanalından gönderilmektedir. Alıcı tarafta alınan işaret matlab sayesinde
bilgisayarın USB portuna erişilip işlenerek bilgisayar ortama aktarılır ve gönderilmiş olan
sayısal veriler tekrar grafiğe dönüştürülür. Gönderme işlemi verici alıcı birbirini gördüğü
sürece uzak mesafelerde başarım sağlamaktadır ancak verici alıcı arasına duvar gibi
engeller girdiğinde ise yakın mesafelerde gönderme işlemi başarı sağlamaktadır. İşlemciler
birbirini gördüğünde geniş bir ortamda veriler gönderilebilmektedir.
Veri paketinin boyu sınırlı olduğundan ECG işareti bir periyotluk seçilmiştir ve çok sık
örnek almamaya özen gösterilmiştir.Kablosuz olarak iletilen bir periyotluk ECG verisi
Şekil 26 gönderilen işareti göstermektedir. Alış süresi içerisinde aynı işaret birkaç kez
gönderilebilmektedir. Şekil 27 ise alınan işaretin gönderilen işaret ile aynı olduğunu
göstermektedir. Bu da verilerin düzgün gönderildiğinin bir kanıtıdır.
Şekil 26. Gönderilen ECG işareti.
Şekil 27. Alınan ECG işareti.
0 10 20 30 40 50 60-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 10 20 30 40 50 60-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Aynı şekilde sinüs dalga grafiği gönderilmiş ve eksiksiz olarak alınmıştır. Yalnızca
veriler yüklenirken bir süre gecikme yaşanmaktadır. Şekil 28 gönderilen sinüs işaretini
Şekil 29 ise alınıp matrise atanan örneklerin tekrar sinüs işaretine dönüştürülmüş halidir.
Şekil 28. Gönderilen sinüs işareti.
Şekil 29. Alınan sinüs işareti.
Bir diğer uygulama sonucu ise bir data dizisinin gönderilip alınmasıdır. Data dizisi
yalnızca bir ve sıfırlardan oluştuğu için daha çok örnek değeri gönderilebilmiştir. Şekil 30
gönderilen data dizisini Şekil 31 alınıp dönüştürülen data dizisini göstermektedir.
Şekil 30. Gönderilen data işareti
0 10 20 30 40 50 60 7060
80
100
120
140
160
180
200
0 10 20 30 40 50 60 7060
80
100
120
140
160
180
200
0 50 100 150 200 250 300 350-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
29
Şekil 31. Alınan data işareti.
0 50 100 150 200 250 300 350-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
30
9. YORUMLAR VE DEĞERLENDİRME
Veriler düşük güç kullanarak yüksek frekansta verici taraftan alıcı tarafa bozulma
olmadan iletilebilmiştir. Yalnızca verilerin yüklenip gösterilmesinde bir süre gecikme
mevcuttur. Bu yöntem bir ortamdan başka bir otama kablosuz olarak grafiksel verilerin
transferini sağladığından hastahanelerde biyomedical işaretlerin kaydedilip iletilmesini
sağlayabilr. Örneğin bir hastanın tansiyon değerleri veya ECG işaretinin doğrudan kendisi
iletilebilmektedir.
İşlemcilerin haberleşme aşamsında ise verici alıcı birbirini gördüğü sürece uzak
mesafelerde başarım sağlamaktadır ancak verici alıcı arasına duvar gibi engeller girdiğinde
ise yakın mesafelerde gönderme işlemi başarı sağlamaktadır. İşlemciler birbirini
gördüğünde geniş bir ortamda veriler gönderilebilmektedir. Daha da beliştirilerek veri
kapasitesi arttırılabilir veya yüksek yüçlere çıkılarak işaretlerin daha uzun mesafelere
gönderilmesi sağlanabilir.
İşlemcilerin haberleşirken kullandığı bant düşük güçlü radyo frekanslarında kişisel
uygulamalar için ayrılan bir bant olduğundan insan sağlığı üzerinde literatürde olumsuz bir
etkisine rastlanmamıştır.
KAYNAKLAR
[1]. J. G. Proakis and M. Salehi, Fundamentals of Communication Systems, 1nd ed. ,H.
Altun, E. Öztürk, Y. E. Yenice, Ed. İstanbul, Türkiye: Nobel Yayın Dağıtım, 2010 .
[2]. J. G. Proakis and D. G. Monolakis, Sayısal Sinyal İşleme İlkeler Agoritmalar ve
Uygulamalar, 4nd ed. ,Dr. Ö. Salor, Prof. Dr. A. Karamancıoğlu, Doç. Dr. N.
Karaboğa, Yrd. Doç. Dr. H. Altun, Yrd. Doç. Dr. R. Yıldırım, Ed. İstanbul, Türkiye:
Nobel Yayın Dağıtım, 2010 .
[3]. ( 2001-2012 ) TechnologyUK Telecominications Principles. [Online].
Available:
http://www.technologyuk.net/telecommunications/telecom_principles/noise.shtml
[4]. Haberleşme Teorisi. [Online]. Available:
http://akizilkaya.pamukkale.edu.tr/Bölüm1_haberlesme.pdf
[5]. Kablosuz LAN Teknolojileri. [Online]. Available:
http://www.yasinkaplan.com/tr/docs/WLAN.pdf
[6]. OFDM Sistemlerde Kanal Denkleştiriciler ve Başarım Analizi. [Online]. Available:
http://www.ursi.org.tr/2002-1.Ulusal%20Kongre/ursicd1/E06.pdf
[7]. Serial Port Communication.[online]. Available: http://tr.wikipedia.org/wiki/Seri_port
EKLER
EK-1. ECG Sinyali Üretme
%# Gürültülü ECG sinyali üretilmesi ve örneklenmesi
Fs=100; %Örnekleme frekansı
xa = repmat(ecg(Fs), 1, 8); %Hazır ECG sinyalinin yüklenmesi
xa = xa + randn(1,length(xa)).*0.18;
%Gürültülü ECG sinyalinin çizilmesi
figure
plot(xa), set(gca, 'YLim', [-1 1], 'xtick',[])
title('gürültülü ECG sinyali')
%Alçakgeçiren Butterworth süzgeci
fnormalize = 25 / (Fs/2); %kesim frekansının normalize edilmesi
[b,a] = butter(10, fnormalize, 'low'); %10. dereceden filitre seçilmiştir
y = filtfilt(b, a, xa);
plot(y), set(gca, 'YLim', [-1 1])
title('Butterworth Süzgeçli ECG')
33
EK-2. Matrisel Sinüs Sinyali
>> z=[134 140 147 152 158 164 169 173 177 181 184 187 189 191 192 192 192 191 189 187 184
181 177 173 169 164 158 152 147 140 134 128 122 116 109 104 98 92 87 83 79 75 72 69 67 65 64
64 64 65 67 69 72 75 79 83 87 92 98 104 109 116 122 128]
z =
Columns 1 through 18
134 140 147 152 158 164 169 173 177 181 184 187 189 191 192 192 192 191
Columns 19 through 36
189 187 184 181 177 173 169 164 158 152 147 140 134 128 122 116 109 104
Columns 37 through 54
98 92 87 83 79 75 72 69 67 65 64 64 64 65 67 69 72 75
Columns 55 through 64
79 83 87 92 98 104 109 116 122 128
>> plot(z(1,1:64),'DisplayName','z(1,1:64)','YDataSource','z(1,1:64)');figure(gcf)
>> plot(z(1,1:64),'DisplayName','z(1,1:64)','YDataSource','z(1,1:64)');figure(gcf)
>> stem(z)
>> plot(z(1,1:64),'DisplayName','z(1,1:64)','YDataSource','z(1,1:64)');figure(gcf)
34
EK-3. Kare Dalga Fonksiyonu
f=1;
c=0:.01:3;
x=1*SQUARE(2*pi*f*c); %matlabin hazir kare dalga fonksiyonu kullanıldı
plot(x);
35
EK-4. Seri Porta Erişme
clear all;
close all;
s = serial('COM9'); %Matlaba hangi porta erişeceğinin tanıtılması
set(s,'BaudRate',9600,'DataBits',8,'Parity','none','InputBufferSize', 1024); %Hız ve bit
ayarları
fopen(s);
s.ByteOrder = 'bigEndian';%En anlamlı bit önce alınır
data = fread(s); %alınan veriler okunur
values(1,:) = data; %sütün halindeki veriler satır haline dönüştürülür.
fclose(s) %sürekli okuma yapmasın diye açılan s dosyası kapanır
delete(s)
clear s
sdata= char(data)';
display(sdata);
ddata=sscanf(sdata,'%f'); %gerçek değerlerin okunması için alınan charlar floating pointe
dönüştürülür
ddata1=ddata(:)';
36
ÖZGEÇMİŞ
Nezahat ÖZTÜRK, 17 Ekim 1990 tarihinde Trabzonda doğdum. İlkokulu ve ortaokulu
Akçaabat Merkez İlköğretim okulunda bitirdim. Liseyi Akçaabat Lisesi’nde okudum. 2007
yılında üniversite sınavına girdim ve Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik Elektronik
Mühendisliği Bölümüne 2. olarak yerleştim. 2007-2008 yılları arasında Karadeniz Teknik
Üniversitesi’nde Yabancı Dil (İngilizce) Hazırlık okudum. Halen Karadeniz Teknik
Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümünde 4. sınıf öğrencisi olarak
öğrenimimi sürdürmekteyim.
Maksat YAZIYEW, 14 Ocak 1988 tarihinde Türkmenistan Devleti’nin Marı ilinde
doğdum. 1995-2004 yıllarda ilkokul ve ortaokul öğrenimimi tamamladım. 2006 yılında
girmiş olduğum TCS (Türk Cumhuriyetleri ile Türk ve Akraba Toplulukları Sınavı)
neticesinde Karadeniz Teknik Üniversitesi’nin Elektrik-Elektronik Mühendisliği
Bölümünü kazandım. 2006-2007 yılları arasında İzmir’de TÖMER okudum. 2007-2008
yılları arasında Karadeniz Teknik Üniversitesi’nde Yabancı Dil (İngilizce) Hazırlık
okudum. Halen Üniversitemizin Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümünün Elektronik
ve Haberleşme dalında 4. sınıf öğrencisi olarak öğrenimime devam etmekteyim.
Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
STANDARTLAR VE KISITLAR FORMU
Tasarım Projesinin hazırlanmasında Standart ve Kısıtlarla ilgili olarak, aşağıdaki soruları cevaplayınız.
1. Projenizin tasarım boyutu nedir? Açıklayınız. Projemiz kablosuz haberleşme tekniği kullanarak modellenen verilerin iletilmesi ve
alındıktan sonra tekrar işlenmesini içermektedir.
2. Projenizde bir mühendislik problemini kendiniz formüle edip, çözdünüz mü?
Var olan formülleri projemiz için kullandık.
3. Önceki derslerde edindiğiniz hangi bilgi ve becerileri kullandınız?
Digital Communication, Sinyaller ve Sistemler, İletişim Tekniği lisans derslerimizden teorik olarak
yararlandık.
4. Kullandığınız veya dikkate aldığınız mühendislik standartları nelerdir?
Kablosuz haberleşme için IEEE 802.11 standardı kullanılmıştır.
5. Kullandığınız veya dikkate aldığınız gerçekçi kısıtlar nelerdir?
a) Ekonomi
Çok yüksek maliyet gerektirmemektedir.
b) Çevre sorunları:
Çevre üzerinde herhangi bir etkisi bulunmamaktadır.
c) Sürdürülebilirlik:
Geliştirilebilir.
d) Üretilebilirlik:
Düşük güçlü uygulamalar için veri iletiminde kullanılabilir.
e) Etik:
Etik kurallarına uyulmuş, başkasının çalışmasından birebir kopya edilmemiştir.
f) Sağlık:
Sağlık açısından herhangi bir olumsuz etkisi yoktur.
g) Güvenlik:
Güvenlik açısından bir sıkıntı oluşturmamaktadır.
h) Sosyal ve politik sorunlar:
Sosyal ve politik sorunlar oluşturmamaktadır.
Not: Gerek görülmesi halinde bu sayfa istenilen maddeler için genişletilebilir.
Projenin Adı KABLOSUZ İLETİŞİMDE GERÇEK ZAMANLI SİNYAL
İŞLEME
Projedeki Öğrencilerin adları NEZAHAT ÖZTÜRK
MAKSAT YAZIYEW
Tarih ve İmzalar