URSI-Türkiye-2006 Bildirilerinin Yazım Kuralları

URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Sualtı Akustik Haberleşmesi Uygulaması
Lütfullah DURNA, İsmet Yılmaz ERGUN, Sefa ÖZLÜ ve Salim KAHVECİ *
*Karadeniz Teknik Üniversitesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
61080, Trabzon
[email protected]
Özet: Çalışmamız OFDM kodlama tekniği kullanılarak işlenmiş veriyi, elektriksel sinyalden ses dalgalarına
dönüştürerek sualtında bir noktadan diğer bir noktaya haberleşme sağlanarak iletmeyi amaçlamaktadır.
Önerilen sistemde alıcı ve verici tek yönlü olarak çalışmaktadır. Bilgisayar ortamında bir kısmı işlenen veri
dijital sinyal işleyicide de gerekli işlemlere tabi tutulduktan sonra dijital analog dönüştürücüden geçirilip
işlemcinin ses çıkışından ses yükseltecine oradan da projektör aracılığıyla su ortamına verilmektedir. Su ortamı
iletim kanalıdır. Bu kanaldan geçen veri tamamen özgün tasarım olan hidrofon aracılığıyla alınıp tekrar
kullanılabilecek sinyal seviyesine yükseltilip alıcı kısımda dijital sinyal işleyiciden geçirilip analog dijital
dönüşümü yapılarak bilgisayar tarafından demodüle edilip gönderilen veriyi mümkün olabildiğince en iyi
kalitede almaktır. Sonuç olarak elde edilen veriler ışığında sualtında haberleşmek için en verimli yöntem ve
gerekli cihazları araştırma–geliştirme çalışması yürütülmüş olup profesyonel sistem tasarımcıları için bir ön
çalışma niteliği taşımaktadır.
Abstract: Our aim is to communicate processing data using OFDM coding technique under the electrical signal
to convert voice wave at the point to the other point in the underwater. In the proposed system, transmitter and
receiver can work only one-way. Data converting digital to analog form is entered the voice amplifier and water
environment with projector. Underwater is the communication channel. The data taken by the hydrophone
special designed is amplified and converted analog form. As a result the given work is to aim to pre-work for
professional system designer.
1. Giriş
Ülkemizde, son yıllarda özellikle savunma alanındaki kamu kuruluşlarınca ilgi görmeye başlayan sualtı akustiği
ve diğer sualtı teknolojileri dünya genelinde değerlendirildiğinde bir hayli gelişmiş ve gelişmeye devam eden bir
alandır. Birçok ülkede bu alanda faaliyet gösteren uzman üniversite birimleri ve uzman endüstriyel kuruluşlar
bulunmaktadır. Yakın zamana kadar ülkemizde ilgi görmediği için bu alanda istenilen düzeyde bir gelişme
sağlanamamıştır. Örneğin, sualtı akustik sistemleri konusunda Türkiye’de sadece birkaç uzman vardır. Bu alanda
tecrübeli uzman sayısı ise daha azdır. Bu bakımdan çalışmamızın özel bir durumu bulunmaktadır.
Geliştirdiğimiz haberleşme tekniği neticesinde, hızlı ve kaliteli bir sualtı haberleşme sistemi oluşturulmuştur.
Böylece, akustik ve sualtı teknolojileri konusunda heyecan yaratılmak için bir adım atılmıştır.
2. Sualtı Akustiği ve Akustik Modem
Su altı akustiği, temel olarak su içerisinde ses dalgasının, doğrusal ve doğrusal olmayan yayılmasını inceleyen,
buna dayalı pratik uygulama alanları geliştiren bir akustik dalıdır[1, 2]. Okyanusta ilerleyen bir akustik sinyal,
birçok yol izlemesi nedeniyle bozulmaya uğrar ve çeşitli kayıp etkenleri yüzünden zayıflar. Sualtı akustik
sinyalleri zayıflatan bu etkenlerin başında, yayılma kaybı, soğurma kaybı ve dağılma kaybı gelir [3, 4]. Bunlara
ek olarak, insan kaynaklı ve doğa kaynaklı gürültüler de sualtı akustik haberleşmeyi olumsuz yönde etkiler.
Fakat, tüm bu zayıflatıcı ve bozucu etkilere karşın sayısal sinyallerin iletilmesi için verimli ve yüksek doğruluklu
sualtı akustik haberleşme sistemlerinin tasarlanması mümkündür. Bizim çalışmamızda ekonomik, pratik ve
başlangıç için mümkün olduğunca iyi performanslı bir sistem tasarlanmıştır. Kodlama tekniği, projektör,
hidrofon ve yükselteç sistemin en önemli parametreleridir. Hidrofonun hassasiyeti ve ön yükselteç kazancımız
ve projektör hüzmesi ne kadar yüksek olursa uzak mesafeden alınacak işaretler o kadar iyi seviyede olur [5].
Kodlama tekniği de ne kadar iyi seçilirse alınan bilgi daha anlamlı, kullanılabilir ve hızlı hale gelir.
2.1 Akustik Modem
Akustik sualtı gönderme birimi olarak projektör görevinde piezo maddeden yapılmış yüksek frekanslı projektör
kullanılmış ve alma birimi olarak kendi tasarladığımız “ktühid” hidrofonu kullanılmıştır. Gönderme işlemi verici
tarafta PC’den Matlab programında IFFT’ye kadar işlemler yapılıp sonrası TMS320C5515 DSP işlemcisiyle
yürütülüp elde edilen bilgi ses işaretine çevrilerek dijitalden analoga dönüşümü ile ses çıkışından, çıkış
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
yükseltecine gönderilir.Yükselteçtende 30W güç ile su kanalına gönderilmektedir. Alıcı tarafta ise alınan ses
işareti kuvvetlendirilerek, filtre edilip, TMS320C5515 DSP analog sinyal dijitale çevrilir ve FFT’si alınıp
bilgisayarda geri kalan işlemler yapılıp istenen bilgi tekrar elde edilmiş olunur. Şekil 1’de gerçekleştirilen sualtı
haberleşme sistemimiz, Şekil 2’de ise tasarımı yapılan sistemimiz yer almaktadır.
Şekil 1. Sualtı haberleşme sistemi (Akustik modem).
Şekil 2. Sualtı haberleşmesi için tasarladığımız sistem.
2.2 Güç Kaynağı
Sistemin çalışması için ihtiyaç duyduğu gerilimler Tablo 1’de verilmiştir.
Besleme
12 V
Tablo 1. Güç kaynağı özellikleri
Açıklama
Ses işaretinin kuvvetlendirilmesi için projektör ve hidrofondaki
entegre ve pasif elemanlar için gerekli gerilim
+5V
Sistemin soğutulmasında ve ön yükselteç için gerekli gerilim
2.3 Dsp Kartı
Tasarımı yapılan sistemin, sinyal işlemcisini ve yazılımını taşıyan elektronik karttır. Projenin IFFT ve FFT
aşamalarında TMS320C5515 Texas İnstrument firmasına ait DSP kartı kullanılmıştır. DSP kartı üzerinde
bulunan “codec (kodlama/kod çözme)” entegresi alt yapısıdır. Texas firmasına ait TLV320AIC3204 codec
entegresi kullanılarak, alınan ses işaretinin sayısal işarete çevrilmesi, gönderilecek olan ses işaretinin analog
işarete dönüşümü, alınan ses işaretine otomatik kazanç verilmesi ve ses işaretinin donanımsal olarak
filtrelenmesi işlemleri gerçekleştirilmektedir.
2.4 Kuvvetlendirici Kartı
Vericinin ses çıkış kartı üzerinden alınan ses işaretinin, projektöre gönderilmeden önce, yeterli güç seviyelerine
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
çıkmasını sağlayan ve kanaldan alınan ses sinyalini tekrar yükseltip alıcıya veren elektronik karttır. Kanala
yaklaşık 30 W güçte ses vermektedir. Alınan işareti de verimli bir şekilde yükseltmektedir.
2.5 Projektör
Ses sinyalini sualtına gönderen, ses gönderme birimidir. Piezolektrik malzemenin karakteristiğini kullanan, ses
işareti ile titreşime girerek, elektriksel işareti ses işaretine çevirmektedir. Tablo 2’de projektöre ait teknik
özellikler yer almaktadır.
Tablo 2. Projektörün teknik özellikleri
Gerilim [V]
12
Gücü [W]
90
Frekans [Hz]
10-50000
a [mm]
1.6
Øb [mm]
8.4
Ağırlık [kg]
0.35
2.6 Hidrofon
Ses sinyalini sualtından alan transduserdir. Tamamen kendi tasarımımızdır. İsmini “ktühid” olarak belirledik.
Piezolektrik malzemeden oluşmakta ve piezonun üzerine ilk önce huni ve onunda üzerine 180˚ hüzme genişliği
sağlamak ve elde edilen sinyali içerideki huni yapının merkezine odaklamak için yarım küre şeklinde malzeme
kullandık. Ses işareti ile titreşime girerek, elektriksel işaret elde edilmektedir. Tablo 3’te hidrofona ait teknik
özellikler yer almaktadır.
Tablo 3. Hidrofonun teknik özellikleri
Özellik
Açıklama
Frekans Tepkesi
20 Hz – 40 kHz
Dahili Ön Yükselteç
Yok
Yönlülük
Geniş yönlü (180º)
Uzun Süreli Sualtında Kalabilme Özelliği
Var
Maksimum Güç
150W
3. Uygulama Sonuçları
Şekil 3. Gürültülü koşullarda bir görüntü aktarımı için QPSK ve 256PSK karşılaştırılması.
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Bir uygulama olarak iki metre mesafede siyah beyaz bir balık resmini QPSK ve 256PSK modulasyon tekniği
kullanarak ilk önce ses dalgasına oradan da sualtından iletimini sağlayıp demodulasyonla tekrar elde ettik. Şekil
4’de, 256PSK sinyal performansının 9 dB’lik SNR kanalı altındaki QPSK iletiminden daha iyi olduğu
görünmektedir. 0-6 dB’deki SNR kanalında, 256PSK sinyali QPSK sinyalinden ortalama yaklaşık olarak 7-9 dB
daha iyi resim kalitesine sahiptir. Bu kazancın geliştirilmesi için iki neden beklenebilir. İlk olarak, sinyalin
ortalaması alınmıştır (böylece, faz gürültüsü azaltılmıştır), ve 256PSK için kullanılan faz açısı eşlemesi (sinyalin
4 tekrar üzerinden ortalaması alınarak) SNR kanalı ile karşılaştırıldığında yaklaşık 6 dB iyileşme vermektedir.
Şekil 3’de, alınan resimlerden bazıları gösterilmiştir. Kolayca görülebiliyor ki, 256PSK kullanılarak iletilen
sinyalin kalitesi QPSK kullanılarak iletilenden çok daha iyidir, fakat hız yönünden bu pek söylenemez.
Şekil 4. QPSK ve 256PSK kullanılarak, iletilen görüntüyle iletim kanalındaki SNR’nin, görüntüdeki gürültü
oranına bağlı grafiği.
4. Tartışma ve Öneriler
Modüle edilip gönderilen verinin tasarladığımız haberleşme sistemi ile en fazla 5 metreye kadar iletimi
sağlanmıştır. Bu nedenle verici kısmında 5 kHz ile 40 kHz bandında uzun mesafe yüksek güçlerde ses işaretinin
gönderimi için daha az bozunumlu yükselteç devresi, projektör ve hidrofon kullanmanın gerekliliği anlaşılmıştır.
Bu sistem sualtı araştırmalarında dalgıçlar için sualtı telsizi, sualtı araçları için akustik modem ve sismik
araştırmalar için kullanılan sualtı cihazları için kablosuz haberleşme ağı kurmada, savunma sanayi amaçlı da
kullanılabilir. Ayrıca ülkemizin denizlerini alternatif haberleşme kanalı olarak kullanabileceğimizi
öngörmekteyiz.
Kaynaklar
[1] Penn, S., “Underwater Acoustics and Signal Processing”, Underwater Acoustics and Signal Processing
Short Course, Penn State University, Pennsylvania 3-56, Ekim (2006).
[2] L. Kinsler, A. Frey, A. S. Coppens, Fundamentals of Acoustics, 1nd Edition, John Wiley and Sons, Londra,
England, 1982.
[3] C. Eckart, “Principles of Underwater Sound,” in National Research Council, 25-36, 1952.
[4] Boyalı, M., Önder, İ., Akyazı, E. K., Kahveci, S., “Sualtı Akustik Haberleşme Sistemi Simülasyonu”, URSI
2012, VI. URSI-Türkiye’2012 Bilimsel Kongresi ve Ulusal Genel Kurul Toplantısı, 2-5 Eylül 2012, Doğuş
Üniversitesi, İstanbul.
[5] G. Burrowes, J. Y. Khan, “Short-Range Underwater Acoustic Communication Networks,” Intech open, Oct.
2011, 173-198.