T.C.

KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ

Mühendislik Fakültesi

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü

SUALTI AKUSTİK HABERLEŞME

210244 İsmet Yılmaz ERGUN

196096 Sefa ÖZLÜ

228487 Lütfullah DURNA

Danışman

Yrd. Doç. Dr. Salim KAHVECİ

Mayıs 2013

TRABZON

T.C.

KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ

Mühendislik Fakültesi

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü

SUALTI AKUSTİK HABERLEŞME

210244 İsmet Yılmaz ERGUN

196096 Sefa ÖZLÜ

228487 Lütfullah DURNA

Danışman

Yrd. Doç. Dr. Salim KAHVECİ

Mayıs 2013

TRABZON

ii

iii

LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU

İsmet Yılmaz ERGUN, Sefa ÖZLÜ ve Lütfullah DURNA tarafından, Yrd. Doç. Dr.

Salim KAHVECİ yönetiminde hazırlanan “Sualtı Akustik Haberleşme” Başlıklı lisans

bitirme projesi tarafımızdan incelenmiş, kapsamı ve niteliği açısından bir Lisans Bitirme

Projesi olarak kabul edilmiştir.

Danışman : Yrd. Doç. Dr. Salim KAHVECİ ……………………………..

Jüri Üyesi 1 : Doç. Dr. İsmail KAYA ……………………………..

Jüri Üyesi 2 : Yrd. Doç. Dr. Kadir TÜRK ……………………………..

Bölüm Başkanı : Prof. Dr. İsmail H. ALTAŞ ……………………………..

iv

v

ÖNSÖZ

Bu kılavuzun ilk taslaklarının hazırlanmasında emeği geçenlere, kılavuzun son halini

almasında yol gösterici olan kıymetli hocam Sayın Salim KAHVECİ’ye şükranlarımı

sunmak istiyorum. Ayrıca Sayın Oğuzhan ÇAKIR, Sayın Emin TUĞCU, Sayın Ayhan

YAZGAN ve Osman ÇAKMAK’a, bununla birlikte bu çalışmayı destekleyen Karadeniz

Teknik Üniversitesi Rektörlüğü’ne, Mühendislik Fakültesi Dekanlığına ve Elektrik-

Elektronik Mühendisliği Bölüm Başkanlığına en içten teşekkürlerimi sunarım.

Her şeyden öte, eğitimim süresince bana her konuda tam destek veren aileme ve bana

hayatlarıyla örnek olan tüm hocalarıma saygı ve sevgilerimi sunarım.

Mayıs 2013

İsmet Yılmaz ERGUN

Sefa ÖZLÜ

Lütfullah DURNA

vi

vii

İÇİNDEKİLER

Lisans Bitirme Projesi Onay Formu ..................................................................................... iii

Önsöz ..................................................................................................................................... v

İçindekiler ............................................................................................................................ vii

Özet ....................................................................................................................................... xi

Semboller ve Kısaltmalar ................................................................................................... xiii

1. Giriş ................................................................................................................................ 1

2. Sualtı Akustiği ve Temel Bileşenleri ............................................................................ 1

2.1. Ses ile İlgili Temel Bilgiler ............................................................................................ 1

2.1.1. Ses Nedir .............................................................................................................. 1

2.1.2. Sesin Yayılması .................................................................................................... 1

2.1.3. Ses ile İlgili Temel Terimler ................................................................................ 2

2.1.4. Dalga Hareketi ...................................................................................................... 3

2.1.5. Ses Basıncı ........................................................................................................... 4

2.1.6. Referans Yoğunluğu ............................................................................................. 5

2.1.7. Kaynak Düzeyi ..................................................................................................... 6

2.1.8. Yayılan Güç .......................................................................................................... 7

2.1.9. Projektör Hassasiyeti ............................................................................................ 7

2.1.10. Hidrofon Hassasiyeti .......................................................................................... 7

2.1.11. Deniz Suyundaki ve Havadaki Ses ..................................................................... 8

2.2. Ses Hızını Etkileyen Parametreler .................................................................................. 9

2.2.1. Sıcaklık ............................................................................................................... 10

2.2.2. Tuzluluk .............................................................................................................. 11

2.2.3. Basınç ................................................................................................................. 12

2.2.4. Yoğunluk ............................................................................................................ 13

2.3. Ses Yayılım Kaybı ........................................................................................................ 13

2.3.1. Sudaki Ses Zayıflaması ...................................................................................... 14

2.3.2. Taban Çökeltisinde Ses Zayıflaması .................................................................. 17

2.3.3. Yayılma Kayıpları .............................................................................................. 18

2.3.3.1. Silindirik Yayılma Kaybı ..................................................................... 18

2.3.3.2. Küresel Yayılma Kaybı ........................................................................ 19

viii

2.3.4. Soğurma Kayıpları ............................................................................................. 20

2.3.5. Yol Kaybı ........................................................................................................... 22

2.4. Gürültü .......................................................................................................................... 24

2.4.1. Ortam Gürültüsü ................................................................................................. 25

2.4.2. Kendinden Gürültü ............................................................................................. 26

2.4.3. Sürekli Olmayan Gürültü Kaynakları ................................................................. 27

2.4.4. Zayıflama ve Gürültü ......................................................................................... 28

2.5. BER ve SNR Arasındaki İlişki ..................................................................................... 31

2.5.1. Kanal Bant Genişliği .......................................................................................... 32

2.5.2. Kanal Kapasitesi ................................................................................................. 33

2.5.3. Sualtı Akustik Haberleşmede BER .................................................................... 34

2.6. Doppler Etkisi ........................................................................................................ 34

3. Modülasyon .................................................................................................................. 35

3.1. Modülasyonun Yararları ............................................................................................... 35

3.2. Modülasyon Türleri ...................................................................................................... 36

3.3. Dikgen Frekans Bölmeli Çoğullama ............................................................................ 37

3.3.1. Giriş .................................................................................................................... 37

3.3.2. Dikgen Frekans Bölmeli Çoğullama (OFDM) Temelleri .................................. 38

3.3.2.1. Vericinin Sinyal İşleme Adımları .......................................................... 41

3.3.2.1.1. Seriden Paralele Dönüştürme ................................................ 41

3.3.2.1.2. Veri Modulasyonu ................................................................. 41

3.3.2.1.3. Ters Fourier Transformasyonu .............................................. 41

3.3.2.1.4. Koruma Süresi ....................................................................... 41

3.3.2.1.5. Kanal ..................................................................................... 42

3.3.2.2. Alıcının Sinyal İşleme Adımları ............................................................ 42

3.3.2.3. OFDM Parametreleri ve Karaktesitikleri .............................................. 42

3.3.3. Matematiksel Analizler ...................................................................................... 43

3.3.4. OFDM’nin Avantajları ve Dezavantajları .......................................................... 47

3.3.5. OFDM Simulasyonu ........................................................................................... 48

3.3.5.1. OFDM Simulasyonu Sonuçları ............................................................. 52

4. Akustik Modem ........................................................................................................... 57

4.1. Sistem Alt Bileşenleri ................................................................................................... 59

4.1.1. Güç Kaynağı ....................................................................................................... 59

4.1.2. Dsp Kartı ............................................................................................................ 59

ix

4.1.3. Kuvvetlendirici Kartı .......................................................................................... 59

4.1.4. Projektör ............................................................................................................. 60

4.1.5. Hidrofon ............................................................................................................. 61

5. Uygulama Sonuçları .................................................................................................... 62

5.1. OFDM Gürültü Toleransı ............................................................................................. 63

5.1.1. QPSK Gürültü Toleransı .................................................................................... 63

5.1.2. 256PSK Gürültü Toleransı ................................................................................. 65

5.2. 256PSK ile Veri Ortalamasının Alınması .................................................................... 67

5.3. Tepe Güç Kırpması ....................................................................................................... 68

5.4. Elde Edilen Verilerin Analizi ....................................................................................... 71

5.4.1. Çokyollu Gecikme Yayılmasına Karşı Bağışıklık.............................................. 71

5.4.2. Maksimum Güç Kırpması .................................................................................. 71

5.4.3. Zamanlama Koşulları ......................................................................................... 72

5.4.4. Resim Gönderme Deneyi ................................................................................... 73

5.5. Sonuç ve Öneriler ......................................................................................................... 75

Kaynaklar ........................................................................................................................... 76

Ekler .................................................................................................................................... 78

Özgeçmiş ............................................................................................................................. 78

x

xi

ÖZET

Projemiz, OFDM kodlama tekniği kullanılarak işlenmiş veriyi elektriksel sinyalden, ses

dalgalarına dönüştürerek sualtında bir noktadan diğer bir noktaya haberleşme sağlanarak

iletmeyi amaçlamaktadır. Bu amaç doğrultusunda sistemimiz kısaca şöyle çalışmaktadır:

Alıcı verici tek yönlü çalışmaktadır. Bilgisayar ortamındabir kısmı işlenen veri dijital

sinyal işleyicide de gerekli işlemlere tabi tutulduktan sonra dijital analog dönüştürücüden

geçip işlemcinin ses çıkışından ses yükseltecine oradanda projektör aracılığıyla su

ortamına verilmektedir. Su ortamı bizim kanalımızdır. Bu kanaldan geçen verimiz

tamamen özgün tasarımımız olan hidrofon aracılığıyla alınıp tekrar kullanılabilecek sinyal

seviyesine yükseltilip alıcı kısımda dijital sinyal işleyiciden geçip analog dijital dönüşümü

yapılarak bilgisayar tarafından demodüle edilip gönderilen verimizi mümkün olduğu en iyi

kalitede almaktır.

Sonuç olarak elde edilen veriler ışığında sualtında haberleşmek için en verimli yöntem

ve cihazları araştırma–geliştirme çalışması yürütülmüş olup profesyonel sistemlere ön

çalışma yapılmış olunacaktır.

xii

xiii

SEMBOLLER ve KISALTMALAR

ADC ................................................Analog-Dijital Dönüştürücü (Analog-Digital Converter)

AUV ............................................. Otonom Sualtı Aracı (Autonomous Underwater Vehicle)

B .................................................................................................. Bant Genişliği (Bandwidth)

BER ....................................................................................... Bit Hata Oranı (Bit Error Rate)

BT ...................................................................................................... Taban Tipi (Base Type)

CODEC ........................................................... Sıkıştırıcı-Açıcı (Compressor-Decompressor)

CP ......................................................................................................... Ön Ek (Cyclic Prefix)

DFT .................................................. Ayrık Fourier Dönüşümü (Discrete Fourier Transform)

DKB ........................................................................................................ Dalış Kontrol Birimi

DSP ........................................................... Dijital Sinyal İşlemcisi (Digital Signal Processor)

FDM .................................. Frekans Bölmeli Çoğullama (Frequency-Division Multiplexing)

FFT .......................................................... Hızlı Fourier Dönüşümü (Fast Fourier Transform)

FHSS .............. Frekans Atlamalı Dağınık Spektrum (Frequency Hopping Spread Spectrum)

FSK ........................................... Frekans Kaydırmalı Anahtarlama (Frequency Shift Keying)

GKK ........................................................................................................ Görev Kontrol Kartı

IFFT .................................... Ters Hızlı Fourier Dönüşümü (Inverse Fast Fourier Transform)

ISI ........................................................ Semboller Arası Girişim (Inter-Symbol Interference)

KKS ........................................................................................... Küresel Konumlama Sistemi

MPSK ....................... M Seviyeli Faz Kaydırmalı Anahtarlama (M-ary Phase Shift Keying)

OFDM ............................................................................ Dikgen Frekans Bölmeli Çoğullama

(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)

xiv

PL ................................................................................... Yayılma Kaybı (Propagation Level)

PSK ......................................................... Faz Kaydırmalı Anahtarlama (Phase Shift Keying)

PWM .............................................. Darbe Genişlik Modülasyonu (Pulse Width Modulation)

QAM ................................ Karesel Genlik Modülasyonu (Quadratic Amplitude Modulation)

QPSK ...................... Karesel Faz Kaydırmalı Anahtarlama (Quadrature Phase Shift Keying)

QPSK ........................ Karesel Faz Kaydırmalı Anahtarlama (Quadratic Phase Shift Keying)

RF .................................................................................... Radyo Frekansı (Radio Frequency)

ROV ................................................ Uzaktan Kumandalı Araç (Remotely Operated Vehicle)

SBC ............................................................... Tek Kartlı Bilgisayar (Single Board Computer)

SER ............................................................................. Sinyal Hata Oranı (Signal Error Rate)

SIL ...................................................................... Ses Şiddeti Düzeyi (Sound Intensity Level)

SL .......................................................................................... Kaynak Düzeyi (Source Level)

SNR ....................................................................... İşaret Gürültü Oranı (Signal Noise Ratio)

SPL ...................................................................... Ses Basınç Düzeyi (Sound Pressure Level)

SUA ...................................................................................................................... Sualtı Aracı

SVT ........................................................................................................ Sualtı Veri Terminali

TL ..................................................................................... İletim Kaybı (Transmission Level)

UKİ .................................................................................................... Uzak Kontrol İstasyonu

UUV ................................................ İnsansız Sualtı Aracı (Unmanned Underwater Vehicle)

UVT ........................................................................................................ Uzak Veri Terminali

UWA .......................................................................... Sualtı Akustiği (Underwater Acoustic)

1

1. Giriş

Sualtı akustik haberleşme konulu projemizle ilgili bu tezde ilk önce sualtı akustiği ve

temel bileşenleri bölümünde sualtı kanalının yapısı, karakteristiği ve sesin bu kanalda

maruz kaldığı etkilerden bahsedeceğiz. İkinci kısım modülasyon ile ilgilidir. Bu kısımda

haberleşmede kullanılan modulasyon türleri belirtilip, bizim sualtında uygulamak üzere

tercih ettiğimiz Dikgen Frekans Bölmeli Çoğullama (OFDM) modulasyonu detaylı şekilde

incelenmektedir. Ayrıca OFDM kodlama tekniğinin MATLAB programı aracılığıyla

simulasyonu yapılarak, elde edilen verilerede yer verilmektedir. Üçünçü kısımda akustik

modem başlığı altında özgün şekilde tasarımını gerçekleştirdiğimiz akustik sualtı alıcı-

verici sistemi ve alt parçalarına yer verilerek özellik ve görevleri belirtilmektedir. Son

olarak, sistem kurulduktan sonra yapılan deneylerin sonuçları ve analizi yapılmaktadır.

2. Sualtı Akustiği ve Temel Bileşenleri

2.1. Ses ile İlgili Temel Bilgiler

2.1.1. Ses Nedir

Herhangi bir kaynakta oluşan titreşimin ortamda ilerleyerek alıcı tarafından algılanması

ile ses meydana gelir. Kaynaktan çıkan titreşimlerin işitebilmesi için sesin yayılabileceği

bir ortam ve bir alıcı gereklidir.[1]

2.1.2. Sesin Yayılması

Ses ileri geri süratle titreşerek etrafındaki ortamı hareket ettiren bir kaynaktan yayılır.

Örneğin bir geminin pervanesi, bir aktif sonar transdüseri, bir hoparlör. Kaynaktan yayılan

ses enerjisi onu ileten bir ortamdan geçer. Gaz, sıvı veya katı olan ortamdan geçen ses

dalgaları içinden geçtikleri ortamın moleküllerini hareket ettirerek yayılır. Kaynaktan

yayılan ses daha sonra alıcıya gelir. Örneğin: İnsan kulağı. Ses enerjisinin transferi, bir

masa üzerinde duran domino taşlarının devrilmesiyle birbirlerini etkileyerek hareket eden

bir olaylar zincirine benzer. Şekil 2.1.’de görüldüğü üzere, ses sinyali, belirli bir devire,

genliğe ve dalga boyuna sahiptir.

2

2.1.3. Ses ile İlgili Temel Terimler

Şekil 2.1. Devir, genlik ve dalga boyunun gösterimi

Şekil 2.1’de bir ses dalgası ve teknik özellikleri verilmiştir. Buna göre:

Devir: Bir genişleme olayının tamamıdır.

Frekans: Sesin bir ortamdan geçerken saniyedeki titreşim sayısıdır. Birimi Hertzdir.

Periyot: Tam bir devirin gerçekleşmesi için gereken birim zaman. Birimi saniyedir.

Dalga boyu: Art arda gelen iki tepe noktası arasındaki mesafedir. (1) numaralı denklem,

dalga boyunu ifade etmektedir.

λ =

(1)

Genlik: Dalganın dikey hareketinin yarısıdır.

Ses Şiddeti (I): Şiddet, ses dalgalarının taşıdıkları enerjiye bağlı olarak birim alan

uyguladıkları akustik güçtür. Sesin şiddeti, ses kaynağına olan uzaklığın karesi ile ters

orantılıdır. (2) numaralı denklem, ses şiddetini ifade etmektedir.

I =

(2)

3

Ses Basınç Düzeyi ve Ses Şiddeti Düzeyi: İlgili değerin referans değerlere bölünmesiyle

bulunur. (3) numaralı denklem ses basınç düzeyini, (4) numaralı denklemse ses şiddeti

düzeyini ifade etmektedir.

Ses Basınç Düzeyi (SPL) = 20log

(dB) (3)

Ses Şiddeti Düzeyi (SIL) = 10log

(dB) (4)

Pref : Hava için: 20 μPa, Su için 1 μPa

Iref : 1.10-12

W/m2

Desibel (dB): İnsan kulağı çok düşük ve çok yüksek şiddette sesleri duyabilme yeteneğine

sahiptir. İnsan kulağının algılayabileceği en düşük ses şiddeti, ‘eşik şiddet’ olarak bilinir.

Kulağa zarar vermeden işitilebilen en yüksek sesin şiddeti ise, eşik şiddetinin yaklaşık bir

milyon katı kadardır. İnsan kulağının şiddet algı aralığı bu kadar geniş olduğundan, şiddet

ölçümü için kullanılan ölçek de 10'un katları, yani logaritmik olarak düzenlenmiştir. Buna

‘desibel ölçeği’ denmektedir. Sıfır desibel mutlak sessizliği değil; işitilemeyecek kadar

düşük ses şiddetini (ortalama = 1.10-12

) gösterir.

2.1.4. Dalga Hareketi

Ses, bir cismin titremesi ve bu hareketini kendini çevreleyen ortama iletmesiyle

meydana gelir. Şekil 2.2’deki gibi düzenli titreşimli bir küre düşünülürse; bu küre

titreştiğinde çevreleyen ortamınbasıncını dönüşümlü olarak arttırır ve düşürür, bir seri

halinde devam eden bu artma ve azalmalar giderek merkezden uzaklaşır. Bunlar,

partiküllerin aynı genlikte ve dalga biçiminde hareket etmesinden dolayı boyuna dalgalar

olarak bilinirler (Enine dalga hareketi, bir titreşim dizesinin dalganın hareket yönüne dik

olduğu koşullarda oluşur.) [2]

4

Şekil 2.2. Elastik bir ortamda ses yayılımı[2]

2.1.5. Ses Basıncı

Bir dalganın düzlem dalga olabilmesi için, basınç sadece sesin yayılması yönünde

değişir; diğer bir deyişle, basınç bu yöne dik herhangi bir düzlemdeki tüm noktalarda

aynıdır.Dalga cepheleri, p’nin maksimum olduğu andaki bu dik düzlemlerdir. Bu

düzlemler λ dalga boyu ile birbirlerinden ayrılmıştır. Ses hızı, ortamdaki dalga cephelerinin

boylamsal hareketini ifade eder, frekans ve dalga boyu ile ilişkilidir. Denklem (5)’te ses

hızının ifadesi verilmiştir;

c = f.λ (5)

5

Ses hızı, ortamdaki moleküllerin hareket hızı “u” ile karıştırılmamalıdır. Bir düzlemsel

dalga göz önüne alındığında, basınç ifadesi denklem (6)’daki gibi olacaktır;

p =(ƍc)u (6)

p = basınç (Pa yada N/m2)

u = parçacık hızı (m/s)

ƍ = sıvı yoğunluğu = 103 kg/m

3deniz suyu için

c = ses dalgası yayılma hızı = 1,5 x 103 m/s deniz suyunda

ƍc = özgül akustik empedans, Z = 1,5 x 106 kg.m

-2.s

-1deniz suyu için

Ses dalgası, mekanik enerjiyi parçacıkların kinetik enerjisinin bir formu olarak ve

ortamdaki gerilme potansiyel enerjisi olarak taşır. Dalga yayıldığı için, saniye başına belli

miktar enerji yayılım yönüne dik olarak birim yüzey alana doğu saçılır. Bu, birim alanı

kesen saniye başına enerji (güç), dalganın yoğunluğu (birim alana düşen güç) olarak

bilinir. Bir düzlemsel dalga için, yoğunluğun basınçla ilişkisi denklem (7)’de verilmiştir;

I= p2 / ƍc (7)

2.1.6. Referans Yoğunluğu

Su altı sesinin referans yoğunluğu (Ir), basıncının karekök ortalaması (RMS) bir

mikropaskal (1 µPa) olan düzlemsel dalganın yoğunluğuna eşittir.

Yukarıdaki denklemde, p= 10-6

ve ƍc = 1,5 .106 yazarsak, I için denklem (8)’i elde ederiz;

Ir= 0.67 x 10-18

W/m2

(8)

Mikropaskal bir yoğunluk (birim alana düşen güç) birimi değil, basınç birimi

olduğundan, bu açıkça yanlıştır. Yoğunluklar, mutlaka 1 µPa 'lık basınç nedeniyle oluşan

yoğunluk referans alınarak belirtilmelidir.

6

2.1.7. Kaynak Düzeyi

Kaynak düzeyi (SL) denklem (9)’daki gibi tanımlanır;

SL = l0 log

(9)

Tek yönlü projektörün SL'i genellikle, akustik merkeziyle arasında olan standart mesafe

(1metre yada 1 yard) olarak ifade edilir. Tek yönlü kaynağın akustik merkezini 1 metre

mesafede küresel olarak çevreleyen yüzeyin alanı 4nr2 = 12.6 m

2’dir.Eğer tek yönlü güç

çıkışı P watt ve 1 metredeki kaynak yoğunluğu P/12.6 W/m2 ise, SL, denklem (10)’daki

gibi hesaplanır;

SL = l0 log (

) (10)

= l0 log (

)

= l0 log P + l0 log (1,1846 x 1017

)

= l0 log P + 170.8 dB

(Standart mesafe 1 yard olduğunda, SL = 10 log P + 171.5 dB.)

Eğer projektör yönlü ise, DIt denklem (11)’deki gibi hesaplanır;

DIt = l0 log (

) (11)

= Yönsel dizin iletimi

= Hüzme şekli boyunca yoğunluğu

= = Yönsüz projektör eşdeğerinin yoğunluğu

ve buradan, SL ifadesi denklem (12)’deki gibi hesaplanır;

SL = l0 log (P) + 170.8 + (12)

7

2.1.8. Yayılan Güç

“P” projektör tarafından yayılan toplam gücü, “Pe” ona sağlanan elektrik gücünden

daha az olan gücü, E ise bunların oranı olan projektör verimini ifade eder. Verim bant

genişliğine bağlıdır ve ayarlanmış, dar bant genişliğine sahip bir projektör için 0.2 ile 0.7

arasında değişebilir. Tipik sonarlarda yayılan gücün 1W ile 40W arasında, DIt değerlerinin

ise 10 ile 20 dB arasında değişebildiği söylenebilir.

Buradan da, SL uç değerleri (13) ve (14) numaralı denklemlerle ifade edilmiştir;

SL = l0 log (1) + 170.8 + 10 = 181 dB (13)

ve

SL = l0 log (40000) + 170.8 + 20 =237 dB (14)

bulunur.

2.1.9. Projektör Hassasiyeti

Projektörün uçları arasındaki gerilim v ise, db/V cinsinden tepke SV ve Sw ifadeleri (15) ile

(16) numaralı denklemde verilmiştir;

SV = l0 log (

) = SL - 20log (15)

Sw = SL- 10logP (16)

2.1.10. Hidrofon Hassasiyeti

Eğer hidrofondaki ses basıncı (mikropaskal cinsinden) p ve cihazın açık devre uçları

arasındaki gerilim v ise, hidrofonun hassasiyeti denklem (17)’deki gibi bulunur;

Sh = 20 log(v/p) = 20 log v - 20 log p (dB/V) (17)

8

2.1.11. Deniz Suyundaki ve Havadaki Ses

Tablo 2.1. ve 2.2.'de ses hızının - boyuna dalga hareketi - belirli bir ortam için hemen

hemen sabit, oysa partikül hızının basınçla doğrudan orantılı olduğuna dikkat ediniz.

Tablo 2.1. Havadaki ses parametreleri

HAVADAKİ SES

Ses Düzeyi

Yoğunluk

Basınç

)

Tanecik Hızı

u(m/s)

Tanecik

Yerdeğiştirmesi

u/ω

(m at 800 Hz)

Duyma Eşiği

0 dB re 20 µPa

Konuşma

60 dB re 20µPa

Zarar Eşiği

120 dB re 20µPa

1 20

Tablo 2.2. Deniz suyundaki ses parametreleri

SUALTI SES

Ses Düzeyi

Yoğunluk

Basınç

Tanecik Hızı

u(m/s)

Tanecik

Yerdeğiştirmesi

u/ω

(m at 800 Hz)

10 kHz’te

DSS2

40 dB re 1µPa

2-12 km’de

Tipik Yankı

dB re 1 µPa

1

Dizi: Kaynak

Seviyesi

220 dB re 1

µPa

(1 atm)

Not: İlginçtir ki, , bir hidrojen molekülün çapının sadece milyonda 3’üdür.

(0.28nm)

9

2.2. Ses Hızını Etkileyen Parametreler

Ses hızı suyun içinde havadakinin yaklaşık 5 katı hızıyla hareket eder ve çok uzak

mesafelere ulaşabilir, bu yüzden su altında bilgi taşımak için ses sinyalleri kullanılır.

Normal okyanus şartlarında ses hızı 1450 m/s ile 1550 m/s arasında değişir. [3] Okyanus;

yukarıda deniz yüzeyi, aşağıda ise deniz tabanıyla sınırlı olan bir akustik dalga kılavuzudur

ve bu bölgede yayılım yapan ses dalgalarının hızının değişiminde rol oynayan dört ana

etken vardır; sıcaklık, derinlik, tuzluluk ve basınç. Ses hızı bahse konu bu değerlerdeki

yükselmelerle birlikte artar; ancak yükselim hızı oranları farklıdır ve en az rolü tuzluluk

artışı oynar. Örneğin 10°C sıcaklık yükselmesi 40 m/s, 1000 m derinlik artışı 16 m/s ve

tuzlulukta %1 artış 1.5 m/s hızda artışa sebep olur ve aralarındaki bağlantı basit bir şekilde

(18) numaralı denklemde gösterilmiştir.

C = 1449.2 + 4.6T − 0.055T 2 + 0.00029T 3 + (1.34 − 0.01T)(S − 35) + 0.016Z (18)

Burada C hız m/s, T sıcaklık Celcius, S tuzluluk ve Z derinlik m olarak alınır. Denklem

(18)’e göre;

0° ≤ T ≤35°C

0° ≤ S ≤ 45 ppt

0° ≤ z ≤ 1000 m

Denklem (18) çoğu durum için doğrudur.Bununla birlikte, time-of-flight ölçümleri elde

edileceğinde, daha doğru ses hızı formülleri gerekebilir. (örn. ≤ 0.1 m/s). Bu ise hassas

hızölçerlerle sağlanır.

Çoğu durum için bu formül geçerli olurken, farklı koşullar için farklı formüller de

kullanılmaktadır. Basınç; yani derinlik değerlerinde gözlenen artış ise, akustik yayılım

hızının artmasına neden olur ve basıncın tek başına oluşturacağı ses hızı değişimi su yüzeyi

ile 3000 metre arasında yaklaşık 50 m/s kadardır [6]. Sudaki ses hızını etkileyen

parametreler aşağıda anlatılmıştır.

10

2.2.1. Sıcaklık

Sıcaklıktaki değişim, ses hızını diğer faktörlere göre 5 kat daha fazla etkilediği için, ses

hızı değişiminde bahsedilmesi gereken en önemli etkendir. Sıcaklık, moleküllerin sahip

olduğu kinetik enerjinin bir ölçüsüdür.

Deniz suyu sıcaklık ölçümlerinde, sıvıların sıkışması ve genleşmesiyle oluşan

potansiyel enerjinin hesaba katılması gerekir.[7]

Isı; suda, toprakta olduğundan daha derinlere inebilir çünkü suyun özgül ısısı

toprağınkinden çok fazladır, bu yüzden denizler, ısının dengelenmesinde önemli rol

oynarlar.

Güneşten gelen enerjinin büyük kısmı ilk 10 metre içerisinde emilmektedir, bu oran

berrak okyanus sularında %83 iken, bulanık sularda %99’u bulmaktadır. Bu sebeple, diğer

çevre faktörleri dışlanırsa, ısınma olayı ilk 10 metre içerisinde gerçekleşir.

Bazı özel durumlar dışında, deniz suyu sıcaklığı derinlikle azalır. Sıcak yüzey suları ile

dipteki soğuk su arasındaki ısı alışverişi, rüzgarın yüzey sularını karıştırması ve akıntılar

sonucunda meydana gelir.

Deniz suyunun ısınmasında rol oynayan diğer etkenler ise, güneş radyasyonları, yer iç

ısısının okyanus tabanından konveksiyonla alınması, kimyasal ve biyolojik olaylar sonucu

oluşan ısı, kinetik enerjinin ısı enerjisine dönüşümü ve suyun buharının yoğunlaşmasından

oluşan ısı olarak sıralanabilir. Buharlaşma ve atmosfere bağlı ısı konveksiyonları ile deniz

yüzeyinden yansıma gibi etkenler ise, deniz suyunda ısı kaybına yol açan faktörlerdir.

11

Şekil 2.3. ve şekil 2.4.’te tuzluluk oranındaki değişikliğin fazla olmadığı bir bölgede,

ses hızının sıcaklığa bağlı olarak değişimi görülmektedir.

Şekil 2.3. Sıcaklık – Derinlik

2.2.2. Tuzluluk

Deniz suyunun önemli özelliklerinden biri de tuzluluktur. Şekil 2.5’ de görülebileceği

gibi derin sularda derinlikle çok az değişir ve yatay değişimleri de ihmal edilebilecek kadar

küçüktür. Fakat kıyısal bölgelerde, özellikle fiyort ve buz sahalarında, tuzluluk etkisi

önemlidir.

Deniz suyunun birçok fiziksel özelliği tuzluluğa bağlı olarak değişir. Deniz suyu

yoğunluğu, elektrik iletkenliği, viskozitesi, genleşme katsayısı, osmotik basıncı ve sesin

yayılma hızı, tuzluluğun artmasıyla birlikte artarken, spesifik (özgül) ısısı, buhar basıncı,

ısı iletkenliği ve genleşme katsayısı gibi özellikler azalır.

Şekil 2.4. Ses hızı – Derinlik

12

Tuzluluğu azaltan ve arttıran bazı faktörler vardır ve bu faktörlerden en önemlileri

buharlaşma ve yağıştır. Buharlaşma tuzluluğu arttırırken, yağışla birlikte tuzluluk düşer ve

bu iki zıt etkenin tuzlulukla olan ilişkisi için (19) numaralı denklem kullanılır. Bu

denklemde; E, buharlaşma ve P ise yağış yüksekliklerini mm cinsinden göstermektedir.[7]

S (binde olarak) = 34.6 + 0.0175 (E-P) (19)

Şekil 2.5. Ses hızının tuzlulukla değişimi[5]

2.2.3. Basınç

Sıcaklık ve tuzlulukla birlikte, denizdeki ses hızına etki eden etkenlerden biri de

basınçtır. Sıvılarda moleküllerin ağırlığı nedeniyle, yüzeye dik olarak etki eden bir basınç

oluşur ve bu basınca “Hidrostatik Basınç” adı verilir ve denizlerde derinliğe bağlı olarak 1

metrede yaklaşık olarak 1 desibar kadar artmaktadır. Desibar (0.1 bar); basıncı ifade eden

en pratik birim olup, bir metre yüksekliğindeki deniz suyunun cm2’lik bir yüzeye yaptığı

basınca eşdeğerdir.

13

2.2.4. Yoğunluk

Yoğunluk (özgül kütle); bir cismin kütlesinin birim hacmine oranı olarak

tanımlanmıştır. Deniz suyunun yoğunluğu genelde, yaklaşık 1.026 gr/cm3 olarak alınır ve

sıcaklığın azalması veya tuzluluk ve derinliğin artmasıyla yükselir. Bu ifadeden de

anlaşılacağı gibi yoğunluk dağılımına etki eden faktörler, bu 3 etkende değişikliğe sebep

olan özelliklerdir. Sıcaklık ses hızında olduğu gibi, yoğunluk üzerinde de en çok etkisi olan

parametredir. Ayrıca yoğunluk, deniz suyunun kimyasal yapısıyla da alakalıdır.

2.3. Ses Yayılım Kaybı

Okyanusta ilerleyen bir akustik sinyal, ışın yollarının değişik yolları izlemesi nedeniyle

bozulmaya uğrar ve çeşitli kayıp mekanizmaları yüzünden zayıflar. Yayılma kaybı (PL)

veya iletim kaybı (TL) veya sinyal zayıflaması, kaynak ile uzak bir alıcı arasındaki ses

şiddetinin azalmasının niceliksel bir ölçüsüdür. Eğer Io akustik merkezden bir metre uzakta

bulunan kaynak yoğunluk yayılma faktörü ve Ir de alıcıdaki yoğunluğu ise, kaynak ile alıcı

arasındaki yayılım kaybı için (20) ve (21) numaralı denklemler kullanılır;

PL=k.10 log (Io/Ir) dB (20)

k = {

(21)

Deniz suyundaki akustik yayılım, atmosferdeki elektromanyetik yayılıma nazaran

frekansa önemli ölçüde bağımlı bir zayıflamaya ve nispeten daha yavaş yayılım hızına

sahiptir. Bu özellikler tüm okyanus ortamlarında mevcut bulunmaktadır.[22] Yayılma

kaybı, soğurma kaybı ve dağılma kaybı sualtı akustik sinyalleri zayıflatan üç ana

mekanizmadır. (Mesafenin fonksiyonu olmayan) diğer zararlar saçılma ve kırılma daha

sonra ele alınacaktır. [17]

14

2.3.1. Sudaki Ses Zayıflaması

Kapsamlı laboratuarlarda ve sahada yapılan deneylerde, deniz suyundaki zayıflama

katsayısı için aşağıdaki ampirik formüller elde edilmiştir:

a.) Thorp formülü, geçerli frekans için denklem (22)’de verilmiştir;

[

⁄ ]

Burada f [kHz] frekansı ifade etmektedir.

b.) Schulkin ve Marsh, geçerli frekans için denklem (23)’de verilmiştir;

(

) [

⁄ ] (23)

Burada;

A = 2,34.10−6 ,

B = 3,38.10−6 ,

S [ppt] tuzluluğu

P [kg/cm2] hidrostatik basıncı,

f [kHz] frekansı ifade etmektedir.

f T ifadesi ise, denklem (24)’te verilmiştir;

f T = 21,9.106-1520/ (T 273) [kHz ] (24)

(T [° C] sıcaklığındaki gevşeme frekansı. 0 ° ile 30 ° C sıcaklık aralığında, f T yaklaşık

olarak 59 ile 210 kHz arasında değişmektedir.)

(22)

15

c.) Francois ve Garnizon, geçerli frekans için denklem (25)’de verilmiştir;

⏟

⏟

⏟

[ ⁄ ] (25)

Denklem (25)’deki ilk terim şunlara karşılık gelir:

Borik asit B(OH)3 için, A1 ifadesi denklem (26)’da verilmiştir;

A1=

10

0,78ph-5 (26)

P1 = 1 için, f1 ifadesi denklem (27)’de verilmiştir;

f1 = 2,8√

10

4- 1245/(T+273) (27)

Magnezyum sülfat MgSO4 için, A2 , P2 ve f2 ifadeleri ise denklem (28), (29) ve (30)’da

verilmiştir;

A2 =21,44

(1+0,025T) (28)

P2 = 1- 1,37.10-4

zmax+ 6,2.10-9

z2

max (29)

f2 = 8,17. 108- 1990/(T+273)

/ 1+0,0018(S-35) (30)

Ses hızı yaklaşık olarak, denklem (31)’de ifade edildiği gibidir;

c=1412+3,21T+1,19S+0,0167zmax (31)

16

Saf su H2O için A3 ve P3 ifadeleri denklem (32) ve (33)’te verilmiştir;

A3={

(32)

P3 = 1- 3,83.10-5

zmax+ 4,9.10-10

z2

max (33)

f [kHz], T [° C], S [ppt] cinsindendir. Ve burada, sırasıyla, max z, pH ve c [m] derinliği

göstermektedir, pH değeri ve ses hızı [m / sn] cinsindendir.

Şekil 2.6.’da, frekansın değişmesiyle, bunlara uygun ampirik formüllerin de değişkenlik

gösterdiği görülmektedir.

Şekil 2.6. Farklı frekanslar için ampirik formüller belirten diyagram[3]

17

2.3.2. Taban Çökeltisinde Ses Zayıflaması

Tablo 2.3. ve tablo 2.4.’deki gibi çökeltideki ses zayıflaması başta taban tipine göre

değişir. Taban tipi, kısa ifadesiyle Bt, okyansun çökelti materyallerini belirtir. Aşağıdaki

tabloda, her çökelti türü için Bt değerleri mevcuttur.

Tablo 2.3. Çökelti türüne göre Bt değerleri

Çökelti Türü Bt değeri

Çok iri kum 0

İri kum 1

Orta irilikteki kum 2

İnce kum 3

Çok ince kum 4

Çok iri alüvyon 5

İri alüvyon 6

Orta irilikteki alüvyon 7

İnce alüvyon 8

Çok ince alüvyon 9

Kil 10

Denklem (34)’teki ampirik formül çökeltideki bt'ye bağlı ses zayıflamasını bulmak için

üretilmiştir.

s =

(

) [1/m] (34)

Burada,

s, çökelti zayıflamasıdır.

18

Tablo 2.4.’de, dört çökelti türü için K ve n değerleri mevcuttur.

Tablo 2.4. Çökelti türüne göre K ve n değerleri

Çökelti Türü K n

Çok ince alüvyon 0.17 0.96

İnce kum 0.45 1.02

Orta irilikteki kum 0.48 0.98

İri kum 0.53 0.96

2.3.3. Yayılma Kayıpları

Dalga cephelerinin genişlemesinin bir sonucu olarak ses enerjisinin yayılmasını ifade

eder. Yayılma mesafesi ile artar ve frekanstan bağımsızdır. İki genel geometrik yayılım

türü vardır: Küresel (tek yönlü nokta kaynak) ve silindirik (sadece yatay radyasyon).[5]

2.3.3.1. Silindirik Yayılma Kaybı

Kaynak h metre aralıklarla ayrılmış paralel düzlemlerle çevrelendiğinde, kaynağı

çevreleyen artan yarıçaptaki silindirik yüzeylerden geçen güç, denklem (35)’te verilmiştir;

= …. = (35)

şeklinde verilir ve = 1m ise, r mesafesindeki PL, denklem (36)’da verilmiştir;

PL = 10 log(

)) = 10 log r (36)

veya logaritmik biçimde yazılırsa, PL ifadesi (37) numaralı denklemdeki gibi ifade edilir;

PL= 10 log r (37)

burada r metre cinsindendir.

19

2.3.3.2. Küresel Yayılma Kaybı

Şekil 2.7.’de görüldüğü üzere kaynak sınırsız ve kayıpsız bir ortam içindeyken, güç her

yöne eşit olarak yayılır ve kaynağı çevreleyen artan yarıçaptaki silindirik yüzeylerden

geçen toplam güç mesafeyle değişmez.

Böylece, güç = yoğunluk x alan olduğundan, P ifadesi (38) numaralı denklemdeki gibi

ifade edilir;

= …. = (38)

şeklinde verilir ve = 1m ise, r mesafesindeki PL, denklem (39)’da verilmiştir;

PL = l0 log (

) = 10 log r

2 (39)

veya logaritmik biçimde yazılırsa, denklem (40) elde edilir;

PL =20 log r (40)

burada r metre cinsindendir.

Şekil 2.7. Yayılma kayıpları[2]

20

2.3.4. Soğurma Kayıpları

Soğurma enerji kaybı temsili bir akustik sinyal tarafından üretilen dalga olarak ortaya

çıkan viskoz sürtünme ve iyonik rahatlama nedeniyle ısı şeklinde dışarıya doğru yayılır ve

bu kayıp (41) numaralı denklemdeki gibi mesafeye göre lineer olarak değişir.

PLsoğurma = 10log( ( f )) × r(dB) (41)

Soğurma katsayısı için Thorp formülü (ampirik), denklem (42)’de verilmiştir;

Frekans birimi kHz iken,

10 log a(f) = 0.11 f2/(1+f2)+44 f2/(4100+f2)+0.000275 f2+0.003 dB/k (42)

Burada r kilometre olarak mesafedir ve soğurma katsayısıdır. Soğurma kaybına bağlı

frekans, iletişim kanalı bant aralığında azalan bir fonksiyonudur etkili bandlimitli ve

kullanılabilir olmasıdır. Bu karakteristiği önemli modülasyon ve çoklu erişim teknikleri

seçimi yanı sıra ağ topolojisi optimize sorunu etkileyebilir.

Viskozite: Tatlı su ve tuzlu suda viskozite nedeniyle kayıplar ortaya çıkar. Bu katkı,

frekansın karesiyle orantılıdır. Şekil 2.8.’da, tatlı ve tuzlu suda, frekansa bağlı soğurma

katsayıları görülmektedir.

Şekil 2.8.Tatlı ve tuzlu suda soğurma katsayısı[8]

21

Moleküler gevşeme: Moleküler gevşeme sebebiyle oluşan kayıplar sadece tuzlu suda

mevcuttur. Bu mekanizma, iyonlu moleküllerin ses basıncıyla azaltılmasından oluşur. Çok

yüksek frekanslardaki (yaklaşık olarak500 kHz’ten fazla) basınç değişiklikleri gevşemenin

gerçekleşmesi için çok hızlıdır ve dolayısıyla hiçbir enerji soğurulamaz. Magnezyum sülfat

gevşeme frekans aralığı 2 ile 500 kHz’te üstündür. 2 kHz'in altında borik asit gevşeme

kayıpları da bu kayıba eklenir. Bu kayıpların kapsamlı ölçümleri yapılmıştır ve frekans,

derinlik (basınç) ve tuzlulukla ilişkili olarak birçok ampirik formül elde edilmiştir. Toplam

kayıp, bir zayıflama katsayısı olarak verilir, dB / km cinsinden.

Zayıflama katsayısı, frekans ve sıcaklık değişiklikleri ile hızla artmaktadır. Ayrıca

derinlik ve tuzluluk ile de değişir, ama daha az bir şiddetle. Şekil 2.8.’deki grafikte

Francois ve Harrison formüllerine göre binde 35 oranındaki tuzlulukta (PPT) ve 10 ° C

sıcaklıktaki frekans değişimi verilmiştir.'Standart' bir deniz suyunda, 0.5 kHz ve 100 kHz

arasında kullanışlı bir yaklaşım denklem (43)’te verilmiştir;

a = 0,05 f 1,4

(43)

Tablo 2.5. ve şekil 2.9.’daki değerler yaklaşıma dayalı değildir, bir tasarımın

performans karşılaştırmalarında ve frekans değişikliklerin etkilerinin değerlendirilmesinde

kullanışlı olacak bir seçim sunar. Doğrusal interpolasyon diğer frekanslardaki değerleri

belirlemek için yeterince gerçekçi olacaktır. Ayrıca, sıcaklığa gore emme katsayısı da

değişkenlik göstermektedir.

Tablo 2.5. Yaklaşıma dayalı olmayan değerler

a (dB/km)

0.5

kHz

1

kHz

2

kHz

5

kHz

10

kHz

20

kHz

50

kHz

100

kHz

200

kHz

500

kHz

5 0.02 0.06 0.14 0.33 1.00 3.80 15 30 55 120

10 0.02 0.06 0.14 0.29 0.82 3.30 16 35 60 125

15 0.02 0.06 0.14 0.26 0.68 2.80 17 40 65 130

22

Şekil 2.9. Sıcaklığa göre soğurma (emme) katsayısı[18]

2.3.5. Yol Kaybı

Toplam yol kaybı hem yayılım hem de soğurma kayıplarının bileşkesidir. Mesafe ve

frekansla kayıplar artar ve bu kayıplar özellikle akustik enerjinin ısıya dönüşmesine bağlı

olarak soğrulmasıyla tetiklenir.Ayrıca saçılmaya ve yansımaya (kabaca, okyanus

yüzeyinde ve tabanında), kırılmaya ve dağılmaya (yüzeydeki rüzgar nedeniyle yansıma

noktasının yer değiştirmesine bağlı olarak) neden olur. Su derinliği zayıflamanın tespitinde

önemli bir rol oynar. Küresel yayılma ve soğurma kayıplarının toplamı ilk tasarım için ve

performans karşılaştırmaları için yararlı bir bağıntı, denklem (44)’te verilmiştir;

PaL = k.10 log(r) + r.10log( ( f )) (dB) (44)

Ölçülen yayılım kayıpları ve daha karmaşık yayılım modelleri için oldukça iyi bir form

hızlıca elde edilir.Tahmin edilebileceği gibi, genelde kısa mesafeler haricinde küresel

yayılımı engelleyen etkiler var olduğundan, bu genellikle biraz belirsizdir. Bazı

araştırmacılar küresel ve silindirik yayılım arasında bir uzlaşmaya varıp 15 logr kullanırlar.

23

Şekil 2.10. Yayılım kaybı eğrileri: Soğurmaya etkisi[20]

Şekil 2.10, tek başına küresel yayılım kaybını ve seçilmiş frekanslardaki soğurmanın da

eklenmesi ile oluşan grafiği göstermektedir. 1 Mhz altındaki soğurma 100 km'ye kadar

önemsizdir. Fakat 100 kHz civarındaki soğurma 2 km'lik mesafede engelleyici olmaktadır.

Denizdeki ses ve elektromanyetik radyal kayıpların karşılaştırılması (45) numaralı

denklemde ifade edilmiştir;

30 kHz’teki ses, a = 5 dB/km

30 kHz’teki EM dalga, aem= 7500 dB/km

(aem= 1.4 x 103f

1/2 dB/km) (45)

Bu şiddetli zayıflamaya göre elektromanyetik dalgaların düşük frekanslardaki değeriyle

sualtı akustik yayılımının iyi olduğu okyanuslardaki sistemler arasında karşılaştırma çok

zordur.

24

2.4. Gürültü

Şekil 2.11.’ de görüleceği üzere sualtı gürültüsüne katkı yapan üç önemli madde vardır:

Ortam veya okyanus arka plan gürültüsü; aracın kendi gürültüsü; karides yakalamak, buz

çatlaması ve yağmur gibi biyolojik sesler de dahil olmak üzere sürekli olmayan gürültü.

Doğru bir gürültü modeli hidrofondaki SNR’yi değerlendirmek için kritiktir bu yüzden bit

hata oranı (BER) protokol performansını değerlendirmek için saptanabilir olmalıdır. Tüm

bu bozucu etkilere karşın sayısal sinyallerin iletilmesi için verimli ve yüksek doğruluklu su

altı akustik haberleşme sistemlerinin tasarlanması mümkündür. Bozucu etki olarak gürültü,

etkisini deniz altı işaret haberleşmesinde de gösterir. Buradaki gürültü, insan tabanlı

akustik gürültü, midye, balık ve buna benzer deniz varlıklarının sebep olduğu gürültüler

olarak ifade edilebilir.

Şekil 2.11. Sualtı akustik çevresi

25

2.4.1. Ortam Gürültüsü

Urick Okyanusta ortam gürültüsü iyi tanımlanmıştır.[19] Gauss olarak temsil edilebilir

ve sürekli bir güç spektrum yoğunluğu (GSY) vardır. Şekil 2.12.‘de ve aşağıdaki ifadelerde

görüleceği üzere bu her frekans spektrumlarının farklı bölümlerinde hâkim bir etkiye sahip

dört bileşenden (aşağıda belirtilen) oluşur.

Türbülans gürültüsü sadece çok düşük frekans bölgelerini etkiler f <10Hz. İlgili bağıntı,

denklem (46)’da verilmiştir;

10logNturb(f) = 17 - 30.log(f) (46)

Nakliye gürültüsü 10-100Hz bölgesine hakimdir ve düşükten yükseğe sırasıyla

aktiviteler için 0 dan 1’e mesafe değerlerinin s nakliye aktivite faktörü ile tanımlanmıştır.

İlgili bağıntı, denklem (47)’deki gibidir;

10logNgemi (f) = 40 - 20.log(s-0,5) + 26.log(f) - 60.log(f+0,03) (47)

Rüzgar ve yağmur nedeniyle oluşan dalga ve yüzey hareketi 100Hz-100kHz orta

frekans bölgelerinde önemli bir faktördür. Rüzgâr hızı w m/s olarak verilir. İlgili bağıntı,

denklem (48)’da verilmiştir;

10logNrzgr(f) = 50 + 20.log(f) - 40.log(f+0,4) + 7,5.w1/2

(48)

Şekil 2.12.’de görüldüğü üzere, gürültü, frekansa göre değişiklik arz eder.

Termal gürültü 100 kHz üzerinde hakim olur. İlgili bağıntı, denklem (49)’daki gibidir;

10logNtrml(f) = - 15 + 20.log(f) (49)

26

Şekil 2.12. Gürültünün frekansa göre değişimi[10]

Rüzgâr hızı w, m/s (1 m/s yaklaşık 2 deniz milidir) ve f, kHz olarak verilir. Ortam

gürültü gücü, aynı zamanda yüzeyden mesafesi olarak derinlik artışı ile azalır ve bu

nedenle nakliye ve rüzgâr gürültüsü daha hafif olur. Ortam gürültüsünün, daha sığ sularda

derin sulardan 9dB yüksek olduğu görülmüştür.[23] Küme işlemleri, diğer sualtı ağ

işlemlerinin yanı sıra, kümedeki diğer araçların gürültüsü nedeniyle operasyonlarına ortam

gürültüsüne ek bir düzey eklenir nispeten yakın çalışma olacak SUA’ları dâhil olmak

üzere, iletişim düğümleri için bu durum söz konusudur.

2.4.2. Kendinden Gürültü

Kendinden gürültü sinyalleri almak için bir platform olarak aracın kendisi tarafından

oluşturulan gürültü olarak tanımlanır. Bu gürültü, mekanik yapısı ile veya üzerinden geçen

su yoluyla AUV üzerine monte edilen hidrofona ulaşabilir. Kendinden gürültü türbülanslı

akışların derecesi, dönüştürücünün montajı ve yönelticilik özelliklerine bağımlı olarak

değişir. Kendinden Gürültü de denizaltında İkinci Dünya Savaşı sırasında Urick[7]

tarafından yapılan çalışmalardan sunulan bir eşdeğer izotropik gürültü spektrumu olarak

27

görülebilir. Genel olarak, ortam gürültüsünde olduğu gibi, frekans artışları ile kendinden

40 gürültü düzeylerinde azalma vardır ancak kendinden gürültü gemilerin yavaş seyahat

ederken veya sabitken gürültü spektrumları azalması ile hızdan önemli ölçüde

etkilenir.[7,8,9]

Kinsler, düşük frekanslarda (<1kHz) ve düşük hızlarda makine gürültüsünün hakim

olduğunu ve çok yavaş hızlarda kendinden gürültünün ortam gürültüsünden genellikle daha

az önemli olduğunu belirtiyor. Oysa yüksek frekanslarda (10kHz) pervane ve akış

gürültüsü hakim olmaya başlar ve hız şiddetle arttığı anda hidrofon da hidrodinamik

gürültü artar ve makine gürültüsü daha önemli hale gelir. Bu, hava kabarcıklarının altında

veya pervane bıçak ucundaki sürüklenme nedeniyledir. Daha yüksek hızlarda, kendinden

gürültü, ortam gürültüsünden çok daha önemli olabilir ve sınırlayıcı bir faktör haline

gelebilir.

Farklı boyut ve türdeki araçların kendinden gürültüsü, araçların tasarımları ve küçük

güncel yayınlanan değerleri olduğu gibi, çeşitlidir. Her araç kendi hız ve çalışma koşulları

ile kendinden gürültü içinde büyük değişimler üretir.[9] Kendinden gürültü motor tipi

seçimi, yapılandırma, montaj ve motor sürücüleri ile kontrol edilebilir.

2.4.3. Sürekli Olmayan Gürültü Kaynakları

Sürekli olmayan gürültü kaynakları AUV’lerin yerlerinde veya işletim sürülerine yakın

meydana geldiği zamanlarda çok önemli olabilir. Araştırmalara göre iki önemli nokta

vardır: Deniz bio-akustik alanlarında ve yağmur damlaları tarafından oluşturulan yağmur

ve su kabarcıklarının etkisidir.

Sualtı bio-akustik gürültüsüne büyük katkı sağlayanlar;

Yumuşakçalar – Eklem bacaklı kabuklular– burada en önemlileri 500Hz ve 20kHz

arasında geniş spektrumlu bir gürültü üreten karides yakalamadır.

Balık – Balon balığı 10 – 50 Hz

Deniz memelilerinden – balinalar – yunuslar 20 – 120Hz içerir.

28

Yağmur, rüzgârdan farklı gürültü spektrumu oluşturur ve sabit bir gürültü kaynağı

olmadığından ayrı ayrı ele alınması gerekir. Urick[7], sağnak yağmur spektrumunun 5 ile

10 kHz bölümü içinde neredeyse 30 dB arttığı, sabit yağmurda 10 dB veya 2 den 6’ya

deniz durumuna göre artan gürültü örneklerini gösterdi. Eckart 17 ile 9 dB arasında

100Hz’den 10kHz’e yüzeyde yağmurun ortalama etkilerini sundu. Sürekli olmayan gürültü

kaynaklarına yapılan bu katkılar düşük frekanslı mesafelerinden 20 kHz’e kadar ağır 41

basmaktadır. Bu durumda, iletişim veri sinyallerinin çalışma frekanslarında etkileşimi

düşük olarak kabul edilir.

2.4.4. Zayıflama ve Gürültü

Akustik kanalların ayırt edici özelliği yol kaybının sinyal frekansına bağlı olmasıdır.

Buradaki bağımlılık dolaylı olarak emilimle orantılı denilebilir. Emilim kaybına ek olarak

da sinyalin mesafe kaybı mevcuttur. Bu kayıpların toplamı bize toplam kaybı verir.

Denklem (50)’de, toplam kayıp ifadesi verilmiştir;

PaL = k.10 log(r) + r.10log( ( f )) (50)

f sinyal frekansı, l iletim mesafesi, lr referans mesafesi, k yol kaybı üssü genel olarak

değeri 1 ile 2 arasında (silindirik ve küresel yayılıma göre). Akustik kanal gürültü, ortam

gürültüsü ve siteye özgü gürültülerin bütününden oluşur. Ortam gürültüsü olarak, sessiz ve

derin deniz arka planda sürekli olarak mevcuttur.

Siteye özgü gürültü ise aksine belirli yerlerde ve belirli durumlarda oluşur. Örnek olarak

kutuplarda buzların çatlaması, sıcak sularda karides yakalanması verilebilir. Ortam

gürültüsü dalgalar, yağmur, türbülans gibi kaynaklardan meydana gelir. Ortam gürültüsü

genellikle gauss olarak düşünülür ve beyaz değildir. Ortam gürültüsünün tersine siteye

özgü sesler gauss değildirler.

29

Frekansın artmasıyla gürültü spektrumu frekans ile bozunur,sinyalin bant genişliği

üstünden değişen bir sinyal gürültü oranı (SNR) elde edilir. Dar bir bant genişliği Δf

mesafesi kadar taşınmış bazı f frekansları etrafında tanımlanıyorsa, SNR bu bant olarak

ifade edilebilir. SNR, denklem (51)’de ifade edilmiştir;

SNR =

S1(f) iletilen sinyalin spektral güç yoğunluğu. Bu denklemden de anlaşılacağı gibi dar

bant SNR frekansın bir fonksiyonu olarak karşımıza çıkmaktadır. Akustik bant genişliği

iletim mesafesi ile bağlantılıdır. Şekil 2.13.’te olduğu gibi özellikle bant genişliği ve güç

ile SNR bağlantılıdır denilebilir. SNR hedefleri akustik yol kayıpları ve ortam gürültüsüne

bağlı olarak değişmektedir. Bant genişliği uzun mesafelerde sınırlıdır.

Örneğin 100 km için yaklaşık 1 kHz kullanılabilir. Kısa mesafelerde bant genişliği

beklendiği gibi ama sonuçta enerjini ortama aktarılma koşullarıyla ile sınırlı olacaktır. Bant

genişliğinin sınırlı olması verimli bant genişliği modülasyonlarının gerekli olduğu

anlamına gelmektedir. Bir diğer önemli nokta ise, akustik bant genişliğinin merkez

frekansı fc istek üzerine sık olmasıdır. Bu durum, dar bant üzerinde varsayım yapma

olasılığını engeller ve sinyal işleme yöntemleri için önemli sonuçlar taşır diyebiliriz.

Sonuç olarak, kullanılabilir akustik bant genişliği en temel olarak mesafeye bağlıdır.

Yüksek bit hızında mesafe artımı atlamaları arttırarak aktarımı zayıflatır dolayısıyla

kaynak ve hedef arasındaki toplam mesafenin kısa olmasıyla güçlü bir aktarım yapılması

sağlanır. Uzak mesafeli sistemlerde ise çok atlamalı iletişim sağlanır. Çok atlamalı

sistemler düşük toplam güç tüketimi sağlarlar.[11]

(51)

30

Şekil 2.13. SUAK kanalda bant genişliği ve frekans / mesafe arasındaki ilişki

Sadece büyük ölçekli sönümlenme dikkate alınarsa, sonar fonksiyonuna göre, alıcının

SNR’ı (signal to noise ratio) denklem (52)’deki gibidir;

SNR = SL - TL - NL - 10logB (52)

Burada, SL ses kaynağı seviyesi (dB), NL gürültü spectrum seviyesi, B bant

genişliğidir. NL = 45 dB Kabul edilirse, alıcının SNR’i ile frekans arasındaki ilişki şekil

2.13.’te verilmiştir. Şekillerde görüyoruz ki, alıcı iletim gücü ve SNR tanımlanmışsa,

sistem bant genişliği, mesafenin ve frekansın fonksiyonudur.[10]

31

2.5. BER ve SNR Arasındaki İlişki

PSK (Faz Kaydırmalı Anahtarlama), QAM (Karesel Genlik Modülasyonu) and FSK

(Frekans Kaydırmalı Anahtarlama) SUAK, UWA haberleşmede kullanılan yaygın

modülasyon modellerdir.

İletim sinyali olarak St (t)’yi düşünürsek, o halde AWGN ile alınan sinyal, denklem

(53)’te verilmiştir;

Sr (t) = St (t) + n(t)(0 t T) (53)

Buradan (t), güç spektrum yoğunluğu Φnn ( f ) = N0 / 2’ye sahip bir AWGN örneğidir. N0,

AWGN’nin ve ortalama güç spektrum yoğunluğudur. İyileştirilmiş alıcı ile sembol hata

oranı, bit hata oranı ve birkaç modülasyon modellerinin bant genişliği oranı tablo 2.6.’da

gösterilmiştir. εb bit başına sinyal gücüdür. Tablo 2.7.’ye göre; BER, Pb = 10-6

yada Pb =

10-4

olduğunda, M-ary modülasyonunun (MPSK) 1 bit bilgi iletmesi için gereken SNR

gösterilmiştir. SUAK UWA iletişimindeki kesme eşiği SNR tarafından tanımlanır.[25]

Tablo 2.6. SER, BER ve M-ary modülasyon modellerinin bant genişliği oranları

SER

BER

Band Genişlik

Oranı

PSK

(√

)

QAM

[√

]

{

FSK

(non-

coherent

detection)

∑

(

)

32

Tablo 2.7. M-ary modülasyonunun (dB) 1bit bilgiyi iletmesi için SNR

Pb = 10-6

Modulasyon

Modu

M=2 M=4 M=8 M=16 M=32

PSK 10.51 10.51 13.95 18.42 23.34

QAM 10.51 13.25 14.39 16.59

FSK 13.51 10.75 9.23 8.21 7.44

Pb = 10-4

PSK 8.39 8.39 11.71 16.14 21.01

QAM 8.39 11.28 12.19 14.41

FSK 11.39 8.77 7.35 6.43 5.76

SNR iki boyutlu kanalda modülasyonu ve bant genişliğini iyileştirmek için önemli bir

parametredir. İki hesaplama yöntemi vardır, birincisi test işlem dizisini göndererek, diğeri

ise doğrudan alınan sinyalleri hesaplayarak. Eski olanı düşük bant genişliği kullanımı için

verimsizdir, son olan SNR hesabının başlıca yöntemdir.

2.5.1. Kanal Bant Genişliği

Farklı mesafelerde sabit verici gücü ve projektör verimliliği varsayarak maksimum

SNR sağlayan optimum sinyal frekansı var olduğu tespit edildikten sonra, farklı mesafeler

için bu koşullar ile ilişkili bir kanal bant genişliği tablo 2.8.’de de görüleceği üzere,

bilinmektedir. Bu bant genişliğini belirlemek için 3dB civarında buluşsal bir optimum

frekans kullanılır. Bant genişliği merkez frekansı olarak seçilen optimum sinyal

frekansının fo(r) ±3dB çevresindeki frekans aralıklarına göre hesaplanır.[9]

Bu nedenle, fmin(r)’i veren ifade, denklem (54)’teki gibi bulunur;

PaL(r, d, t, fo(r)).N( fo(r)) − PaL(r, d, t, f )).N( f ) ≥ 3dB (54)

33

Benzer şekilde fmax(r) denklem (55)’te verilmiştir;

PaL(r, d, t, f )).N( f ) – PaL (r, d, t, fo(r)).N( fo(r)) ≥ 3dB (55)

Buradan sistem bant genişliği B(r,d,t), denklem (56)’daki gibi bulunur;

B(r, d, t) = fmax(r) – fmin(r) (41) (56)

Tablo 2.8. Sualtı akustiğinde farklı mesafeler için bant genişlikleri[5]

Mesafe [km] Bant Geniş [kHz]

Çok Uzak 1000 < 1

Uzak 10 - 100 2 - 5

Orta 1 - 10 ≈ 10

Kısa 0,1 - 1 20 - 50

Çok Kısa < 0,1 > 100

2.5.2. Kanal Kapasitesi

Sualtı veri iletişim kanalının daha gerçekçi bir performans değerlendirmesi için, ilgili

mesafeler için maksimum elde erişilebilir bit-hata oranı C Shannon-Hartley ifadesi

kullanılarak denklem (57) ile tespit edilebilir. Bu kanal kapasitesi hesaplamalarında, tüm

iletilen güç PTX ve Yol Kayıp Modelleri (PathLoss) ile ilgili kayıpları hariç hidrofona

transfer olduğu varsayılır.[11]

Shannon-Hartley ifadesi denklem ile tanımlanan Sinyal-gürültü oranı SNR(r) ile

denklem (57)’deki gibi tanımlanır;

C=B.log2(1+SNR(r)) (57)

Burada C bps olarak kanal kapasitesi ve B Hz olarak kanal bant genişliğidir.

34

2.5.3. Sualtı Akustik Haberleşmede BER

Önceki bölümde belirtilen maksimum kanal kapasite değerine ulaşmak için su altı

akustik haberleşmede önemli bir konu da budur. Sualtı akustik kanal, hızlı zaman

varyasyonları ile oluşan ciddi bozulmalar (fading) ile hidrofonda ISI ve bit hataları

nedeniyle karmaşık dinamiklere yol açar ve önemsenecek düzeyde çoklu-yol etkisi ortaya

koyar. Bit hata oranı BER, bu nedenle veri iletim bağlantı performansında bir önlem teşkil

eder.[12] İlgili bağıntı, (58) numaralı denklemde ifade edilmiştir;

Rb bps olarak verilmiştir, veri hızı ve Bc ise kanal bant genişliğidir.

2.6. Doppler Etkisi

Bir dalga kaynağı ve bir alıcı birbirine göre hareket ettiğinde alınan sinyalin frekansıyla

kaynak frekansı aynı olmaz. Birbirlerine doğru hareket ettiklerinde frekans artar,

uzaklaştıklarındaysa azalır. Bu olay, Doppler etkisi olarak adlandırılır. Doppler etkisine

dayalı frekans değişiminin miktarı, kaynakla alıcı arasındaki dalganın yayılma hızına

bağlıdır. Frekanstaki Doppler kayması denklem (59)’daki gibi tanımlanabilir;

Burada alıcı tarafında görülen kaynağın frekans değişikliği ∆f, kaynak frekansı fo,

kaynakla verici arasındaki hız farkı v, ve ışık hızı c ile belirtilmektedir.

Örnek olarak;

fo= 1GHz, and v= 60km/hr (16.7m/s) olsun. Buradaki Doppler kaymasını veren ifade,

denklem (60)’ta verilmiştir;

(58)

(59)

(60)

35

Taşıyıcı içerisindeki bu 55 Hz’lik kayma, iletimi genel olarak etkilemez. Fakat, iletim

tekniği, taşıyıcı frekans kaymalarına (örnek olarak, COFDM) veya yüksek bağıl hıza

(örnek olarak, düşük yörüngeli uydularda) duyarlı ise Doppler kayması önemli sorunlara

yol açabilir.

3. Modülasyon

Çeşitli kaynaklar tarafından üretilen temel bant sinyalleri, kanalda doğrudan iletimiçin

uygun değildir. Bu nedenle, gönderilecek bilgi işareti, iletim kanalına uygun bir biçime

donüştürülmelidir. Bu işlem, modülasyon olarak adlandırılır. Modülasyon işleminde iletim

kanalına uygun taşıyıcı bir dalga vardır. Modülasyon işlemi, bu taşıyıcı dalganın bir veya

birkaç özelliğini, bilgi işaretine göre değiştirmektedir. Haberleşme sisteminin alıcı ucunda

ise orijinal temel bant işaretinin tekrar elde edilmesi gereklidir. Bu işleme de

demodülasyon adı verilir. Demodülasyon, modülasyonun tersi bir işlemdir.[12] Şekil 3.1.’

de modülasyon türlerini görebiliriz.

3.1. Modülasyonun Yararları

Aşağıda modülasyonun yararları maddeler halinde sıralanmıştır;

• Yayılımı kolaylaştırır. Uygun şartlarda modüleli işaret dağ, tepe, çukur gibi doğal

engelleri kolaylıkla aşabilir.

• Gürültü ve bozulmanın olumsuz etkilerini azaltır.

• Kanal ayrımı sağlar. Modülasyon işlemi sayesinde, aynı iletim hattında birden çok bilgi

gönderilebilir.

• Çevresel etkilerin ortaya cıkardığı pek çok sınırlayıcı etkiyi ortadan kaldırır.

• Etkin bir elektromanyetik yayımı sağlamak için dalga boyunun en az 1/4 ´üne eşit antene

ihtiyaç vardır. Modülasyon, çalışma frekansını yukselteceğinden, çalışılan dalga boyu (λ)

ve buna bağlı olarak anten boyutunun küçülmesini sağlamaktadır.

36

3.2. Modülasyon Türleri

Farklı modülasyon türleri şekil 3.1.’de verilmiştir;

Şekil 3.1. Modülasyon türleri

37

3.3. Dikgen Frekans Bölmeli Çoğullama

3.3.1. Giriş

Son yıllarda gerek ses ve görüntü iletimi, gerekse yüksek hızlı internet uygulamalarında

olduğu gibi geniş band genişliği gerektiren uygulamalarda, yüksek veri hızlarında iletime

ihtiyaç duyulmaktadır. Ayrıca kullanılacak band genişliği sınırlı olduğu için aynı iletim

ortamında birden fazla kullanıcının aynı anda iletilmesi gerekmektedir. Bu gereksinimden

dolayı , aynı hattı birden fazla kullanıcının kullanması için çoğullama yöntemleri kullanılır.

Son yıllarda hem yüksek hızlı iletime cevap vermesi, hem de iletim hattını verimli bir

şekilde kullanarak hatta meydana gelebilecek girişimlere ve çoklu yok kayıplarına karşı

olan verimliliğinden dolayı Dikgen Frekans Bölmeli Çoğullama (OFDM) tekniği

kullanılmaktadır. OFDM tekniği, yüksek bit hızlı bir veri akışını birkaç adet paralel düşük

bit hızlı veri akışına bölen ve bu düşük bit hızlı veri akışlarını birkaç taşıyıcıyı modüle

etmek için kullanan bir veri iletim tekniğidir. Toplam band genişliğini kanallara bölerek

çoklu yol yayılımları yüzünden meydana gelebilecek gecikme yayılımları minimize

edilebilir. Bu sayede daha az maliyetle frekans seçici kanallarda yüksek veri hızlı iletim

sağlanır. Ayrıca dikgen alt taşıyıcılar, band genişliğini olabildiğince verimli bir şekilde

kullanmaktadırlar.[13] Biz de bu avantajlarından dolayı şekil 3.2.’de genel olarak verilen

akustik haberleşme sistemimizi OFDM tekniği ile tasarlamaya karar verdik.

Şekil 3.2. Akustik haberleşme genel blok şeması

38

3.3.2. Dikgen Frekans Bölmeli Çoğullama (OFDM) Temelleri

Frekans Bölmeli Çoğullama (FDM), frekans seçimli kanallarda sinyal iletimi için

yaygın bir şekilde kullanılan tekniktir. Temel olarak bu teknikte, kanal band genişliği

bölünerek her bir taşıyıcı için tahsis edilen frekanslarda düşük hızlardaki taşıyıcıların

çoğullanması sağlanır. Alıcıda sinyalleri birbirinden ayırmak için taşıyıcı frekans

boşluklarının birbiri üzerine binmemesi gerekmektedir. Bu zorunluluk, frekans

spektrumundan tam olarak verim alınmasını engellemektedir. Band genişliğinden daha

fazla yararlanmak için dikgen frekans bölmeli çoğullama tekniği (OFDM) önerilmiştir.[13]

OFDM, genel olarak veri akışını düşük hızlı alt taşıyıcılara bölerek paralel kanallarda

ileten bir modülasyon ve çoğullama tekniğidir. OFDM ile FDM arasındaki en temel fark;

OFDM sisteminde taşıyıcı spektrumları birbiri üzerine binmekte ve bu taşıyıcıların

birbirlerine dik olması sayesinde spektral verimlilik elde edilmektedir. Bu sayede elde

edilen band genişliği tasarrufu şekil 3.3.’de açıkça görülmektedir. Bu teknikte; sinyalin

düşük hızlarda iletilmesinden dolayı sinyal periyodu büyük olacak ve sinyaller arası

girişim (ISI) problemi azaltılacaktır. Ayrıca bu sistemdeki alt taşıyıcıların düşük hızlı

olmaları, çoklu yolun meydana getireceği olumsuz etkilerine karşı daha fazla dayanım

sağlayacaktır.

Şekil 3.3. OFDM kullanılarak sağlanan band genişliği tasarrufu.

39

OFDM, aynı zamanda kanalın etkisiyle pakette oluşan simgeler arası girişimi (ISI) yok

edebilme özelliğine sahiptir. Bunun için en uygun yöntem, ardarda gelen OFDM

çerçeveleri arasına periyodik ön ekin (CP) kanal gecikmesinden (delay spread) büyük

olacak şekilde seçilerek ilave edilmesidir. Ayrıca OFDM de ters ayrık Fourier dönüşümü

kullanılmakta ve bu sayısal işaret işleme tekniği sayesinde sistemdeki alt taşıyıcıların

birbirilerine dik olması sağlanmaktadır. Sualtında kanal gecikmesi büyük olduğu için CP

eki kullanılmayıp ektra güç sarfiyatı yapılmamış olunur.

Dijital iletişimlerde, bilgi bitlerle ifade edilir. Hâli hazırda var olan bandın genliğini

daha alt kanallara bölüp, örtüşmenin gerçekleştiği dik alt kanallardaki seri alt sembollerin

paralel halde taşınımı için alt bir taşıyıcı kullanırlar. Şekil 3.4.’te genel bir işleyiş

verilmiştir. Bu sayede alt sembollerin süresi hem alıcı hem de verici arası çokyollu

iletişimden kaynaklanan gecikme yayılımı etkisinden korunmak amaçlı çoğaltılır. Bu da,

frekans seçimli sönümlemeden çok, denkleştirmeyi basitleştiren düz sönümlemeye sebep

olur. Sönümlemenin düz olması nedeniyle, OFDM ile yüksek hız elde edilebilir.

Şekil 3.4. Çevrimsel Genişleme Toleransı[24]

OFDM bilgisi, M-PSK, QAM vb. kullanarak spektrum uzayındaki sembolleri alarak

üretilir. Sonrasında, Ters Ayrık Fourier Dönüşümü (IDFT) alarak oluşturulan zaman etkili

spektrumları dönüştürülür. Kullanım yerine göre değşmekle beraber, Ters Hızlı Fourier

Dönüşümünün (IFFT) uygulanması daha etkili sonuçlar verebilir. OFDM bilgisinin zaman

sinyaline modülasyonunun sağlanmasıyla tüm taşıyıcılar paralel iletim için kullanılabilir

bant genişliğini tamamen kaplarlar. Modülasyon sırasında, OFDM sinyalleri tipik olarak

karelere ayrılırlar, böylece bilgi, alınan sinyalle alıcının senkronizasyonu için kare kare

40

modüle edilir. Uzun sembol periyotları semboller arası girişim olma olasılığını azaltır, ama

yok edemez. Şekil 3.4.’te gösterildiği gibi [24], bir koruma süresi, bir diğer deyişle sıklık

uzantısı, bir sembol periyodunun başlangıç noktasını yakalamak için alıcının izin verilen

belirsizliğinin miktarına denir. Burada, FFT sonuçları hâlâ doğru bilgiye sahiptir. Genel bir

OFDM Sinyal Sistemi’nin blok diyagramı şekil 3.5.’te verilmiştir.

Şekil 3.5. Genel bir OFDM Sinyal Sistemi’nin blok diyagramı

41

3.3.2.1. Vericinin Sinyal İşleme Adımları

3.3.2.1.1. Seriden Paralele Dönüştürme

Giriş seri veri akışı, iletim için gerekli olan kelime büyüklüğüne formatlanır (örnek

olarak, QPSK için 2 bit/word) ve paralel formata geçirilir. Veriler daha sonra her bir veri

kelimesine iletimdeki bir taşıyıcının atanmasıyla paralel olarak iletilir.

3.3.2.1.2. Veri Modulasyonu

Her taşıyıcıdaki iletilecek veriler bir önceki sembollerle diferansiyel olarak kodlanır,

daha sonra da faz kaydırmalı anahtarlama formatıyla eşleştirilir. Diferansiyel kodlama bir

başlangıç faz referansı gerektirdiğinden, ilave bir sembol, bu amaç için başlangıcında ilave

edilir.Bu durumda, buradaki her sembol ile ilgili veriler modülasyon metoduna dayalı bir

faz açısıyla eşleştirilir. Örneğin QPSK için kullanılan faz açıları 0, 90, 180 ve 270

derecedir. Basitliğinden, sabit genliğe sahip bir sinyal ürettiğinden ve kaybolmaya bağlı

genlik dalgalanmalarına sahip sorunları azaltmak için faz kaydırmalı anahtarlama

seçilmiştir.

3.3.2.1.3. Ters Fourier Transformasyonu

Gerekli spektrum çalıştıktan sonra, zamana bağlı dalga şeklini bulmak için, ters fourier

dönüşümü kullanılır. Daha sonra, her sembolün başlangıcına koruma süresi eklenir.

3.3.2.1.4. Koruma Süresi

Kullanılan koruma süresi iki bölümden oluşur. Koruma süresinin bir yarısı zaman sıfır

genlikli iletimdir. Koruma süresinin diğer yarısı ise, iletilecek olan sembolün çevrimsel bir

uzantısıdır. Bu, zarf algılamayla kolayca geri kazanılmasını elde etmek için sembol

zamanlamasını sağlar. Ancakzamanlama gibi simülasyonların hiçbirinin gerekli

olmadığı,numunenin konumunun doğru bir şekilde tespit edilebilir olduğubulunmuştur.

Koruma ilâve edildikten sonra, semboller seri zamanlı dalga formuna geri dönüştürülür. Bu

da, OFDM iletimi için temel bant sinyalidir.

42

3.3.2.1.5. Kanal

Kanal daha sonra iletilmek istenen sinyalin uygulandığı ortamdır. Ortam

parametrelerine göre, gürültü oranı, çok yolluluğun ve kırpma tepe gücünün yapısı için

gereken özellikleri belirlenir. Ayrıca kanal katsayılarıda tespit edilmelidir .

3.3.2.2. Alıcının Sinyal İşleme Adımları

Alıcı, temel olarak, vericiyle ters çalışır. Her bir sembolün FFT'si, daha sonra, iletilen

orijinal spektrumu bulmak için alınır. Her bir taşıyıcı iletiminin faz açısı, daha sonra,

değerlendirilir ve alınan faz, demodüle tarafından veri kelimesine tekrar dönüştürülür. Veri

kelimesi daha sonra orijinal veri olarak aynı kelime boyutuna geri birleştirilir.

3.3.2.3. OFDM Parametreleri ve Karakteristikleri

Bir OFDM sistemindeki taşıyıcıların sayısı bulunan bant genişliği spektrumuyla ve

IFFT ile sınırlıdır.Aralarındaki bağlantı şu şekilde tanımlanır:

Taşıyıcıların sayısı

) ve B =∆F.N. Daha karmaşık olan OFDM sistemi

ise yüksek IFFT boyutlu olandır. Böylece, daha çok sayıda taşıyıcı kullanılabilir ve yüksek

veri iletim hızı elde edilebilir. M-PSK modülasyonunun seçimi, veri hızı ve bit hata oranını

(BER) değiştirir. Yüksek dereceden PSK, daha büyük sembol boyutuna yol açar ve

böylece daha az sayıdaki sembollerin iletilmesine ihtiyaç duyulur, daha yüksek veri hızı

elde edilir. OFDM sinyalleri, yüksek tepe-ortalama oranına sahiptir, bu nedenle iletim

sınırlamaları nedeniyle tepe kırpma gücünün nispeten yüksek bir toleransı vardır.

43

3.3.3. Matematiksel Analizler

OFDM siteminde kullanılacak frekans bandı, R istenen veri hızını, NSC alt taşıyıcı

sayısını ifade etmek üzere, (61) denkleminde verilmiştir.

OFDM kullanılması halinde sağlanacak frekans bandı tasarrufu ise (62) ve (63)

denklemlerinde ifade edilmiştir. (64) denkleminde görüldüğü gibi taşıyıcı sayısının limiti

sonsuza gittiğinde ise sağlanabilecek maksimum bant tasarrufu %50 olabilmektedir.[23]

–

(

)

İki işaretin birbirine dikgen olabilmesi için bir periyot boyunca (65) denklemindeki

şartın sağlanması gerekmektedir. Bir başka deyişle her bir alt taşıyıcının frekansının

OFDM sembol periyodunun tersinin tam katlarından oluşması gerekmektedir.[23]

∫

OFDM işareti N adet alt taşıyıcıdan oluşmaktadır. Her iki alt taşıyıcı arasındaki frekans

bandı aralığı Δf olmak üzere OFDM işaretinin kaplayacağı toplam bant genişliği (66)

denklemi ile hesaplanabilir.

Elde edilen her bir alt taşıyıcının genliğinin ve fazının bir sembol süresince değişmediği

varsayılırsa denklemler yazılabilir.

(61)

(62)

(63)

(65)

(64)

(66)

44

Şekil 3.6. Temel OFDM sinyalinin güç spektrumu

Şekil 3.6.’ deki gibi, OFDM alt taşıyıcıları arasında dikgenlik şartının sağlanabilmesi

için alt taşıyıcıların başlangıç fazlarının aynı olması yanında frekanslarının da birbirlerinin

tam katları olması gerekmektedir. Her bir alt taşıyıcı için diğer alt taşıyıcıyla eş fazlı ve

hassas bir osilatör gereksinimi düşünüldüğünde verici ve alıcı tasarımının karmaşıklıkları

ve boyutları artmaktadır. Bunlardan etkilenmemek için ayrık Fourier dönüşümü

kullanılmaktadır. Uygulamada Ayrık Fourier Dönüşümü (DFT) yerine algoritmadaki

toplam ve çarpım sayısını azaltıp hızlı çalışmasını sağlayan Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT)

kullanılmaktadır. OFDM işareti birçok sinüzoidal işaretin toplamından oluşmaktadır. Her

bir sinüzoidal işaret bir alt taşıyıcıya karşılık gelmektedir. Dolayısıylaher bir alt taşıyıcı

denklem (67)’deki gibi gösterilebilir.

Sc(t) = Ac(t) (67)

(68) denkleminde fc alt taşıyıcın frekansını, Ac(t) alt taşıyıcının zamanla değişen

genliğini, cpcf alt taşıyıcının zamanla değişen fazını göstermektedir. OFDM işareti NSC

adetalt taşıyıcıdan oluşmakta ve (68) ve (69) denklemleri bunu ifade etmektedir.

∑

(68)

45

fn = fo +n.∆f (69)

Elde edilen her bir alt tasıyıcının genliğinin ve fazının bir sembol süresince değismediği

varsayılırsa (70), (71) ve (72) denklemleri yazılabilir;

(70)

(71)

Elde edilen sürekli işaret fs = 1/ Ts ile örneklendiğinde;

{

√ ∑

Denkleminin ikinci kısmına göre k, 0 dan NSC -1 ’ e kadar tamsayıları göstermek üzere

denklem (73) ifadesi elde edilir.

∑

Bir sembol süresince isareti ifade etmek için sürekli isaretten NSC adet örnek

alınmaktadır.

Dolayısıyla simge süresi (74) denklemiyle ifade edilebilir.

TSYM = NSC .TS (74)

Eğer f0= 0 alınırsa örneklenmiş işaret (75) denkleminde ifade edildiği gibi olacaktır.

∑

∆f =

(73)

(75)

(76)

(72)

46

(75) ve (76) denklemlerindeki şart sağlanırsa OFDM sembolünü oluşturan işaret (77) ve

(78) denklemleri ile ifade edilebilir;

∑

(75) denklemi NSC elemanlı ve elemanları” olan bir dizinin ters ayrık Fourier

dönüşümüne karşılık gelmektedir. Bu durumda modülasyon ve demodülasyon için sırasıyla

Ters Ayrık Fourier Dönüşümü (IDFT) ve DFT kullanılabilmekte hatta DFT için daha hızlı

çalışabilen FFT tercih edilebilmektedir.

OFDM sisteminde gönderilecek işaret frekans bölgesinde tanımlanmaktadır. Seri olarak

gelen veri seri paralel dönüştürücüden geçtikten sonra veri alt taşıyıcısı kadar paralel hatta

ayrılır. Modülasyon işlemi gerçekleştirildikten sonra alıcıda devre uyumlu işaret algılamayı

ve kanal takibini sağlamak amacıyla pilot taşıyıcılar eklenir Daha sonra Ters Hızlı Fourier

Dönüşümü (IFFT) alınarak modülasyon işlemi gerçekleştirilmiş olur. Taşıyıcılar arasındaki

girişimi önlemek için de çevrimsel önek eklenir. Son aşama olarak paralel veri seri hale

getirildikten sonra dijital analog çeviriciden geçirilerek RF katına verilip kanala

gönderilir.[14,15,16]

OFDM işaretinin üretilmesi ve alıcıda tekrar elde edilebilmesi için gerekli elemanlar

şekil 2’de blok diyagramlar halinde gösterilmiştir. Çok yollu yayılımın oluştuğu kanallarda

alıcıya ilk ulaşan semboller ile gecikerek ulaşan semboller birbirine karışmakta ve

semboller arası girişim ortaya çıkmaktadır. Buna bağlı olarak sistem başarımı düşmektedir.

OFDM tekniğinde, semboller arası girişimi ortadan kaldırmak için en az kanalın gecikme

yayılması süresi kadar bir süreye sahip çevrimsel önek (cyclic prefix) kullanılmaktadır.

Çevrimsel önek, OFDM sembolünün sonundaki faydalı bir kısım örnek kopyalanıp

sembolün başına getirilerek oluşturulur. Bu sayede alt taşıyıcılar arasındaki girişim önlenir

ve aralarındaki dikgenlik korunmuş olur ve Semboller arası girişim (ISI) önlenmiş olur.

Alıcı tarafta ise oluşabilecek girişim miktarı çevrimsel önek süresini geçmediği için,

çevrimsel önek atıldığında veri kaybı olmadan girişimi ortadan kaldırmak mümkün

olmaktadır. Haberleşme kanalı sualtı olduğundan x(t) kanalın girişindeki işaret ve n(t)

eklenen gürültü ve vuruş tepkesi h(t) olmak üzere y(t) (kanalın çıkışındaki işaret) (79)

denklemiyle ifade edilebilir;

y(t) = x(t)*h(t) + n(t) (79)

(77)

(78)

47

3.3.4. OFDM’nin Avantajları ve Dezavantajları

* OFDM modülasyonunun pratik gerçekleme konusunda esas avantajı frekans domeninde

uygun kanal denkleştirme buna bağlı olarak şu avantajlarıda vardır:

Basit ve etkili kanal denkleştirme

Yüksek spektral etki

Zaman senkronizasyon hataları çin düşük hasasiyet

Taşıyıcılar arası enterferansa(ICI:Inter carrier interference) karşı dayanıklılık

Çok yollu kanaldan dolayı sönümleme etkisine ve semboller arası enterferansı (ISI)

karşı dayanıklılık

FFT kullanarak etkili gerçekleme, karışık ara kanal ihtiyacından kurtulmak

* OFDM nin başlıca dezavantajları:

Ofset frekans için hasasiyet

Ortalama oran için yüksek tepe değeri

48

3.3.5. OFDM Simulasyonu

Tablo 3.1.’ de simulasyon parametreleri verilmiştir. MATLAB’ın Ters Hızlı Fourier

Dönüşümü gerçekleştiren bir yerleşik işlevi "IFFT (Sinyal)" olduğundan, bu simülasyon

gelişimi için IFFT tercih edilmiştir. OFDM simülasyonunu gerçekleştirdiğimiz bu

MATLAB programı 6 adet m-files’dan oluşmaktadır. Bunlardan biri ana program script

dosyasıdır. Kaynak girişi olarak bir adet 256-grayscale bitmap resmi

kullanılmıştır.Simülasyonun sonunda ise, çıkışta bir diğer bitmap resmi

oluşturulacaktır.Simülasyon sırasında 3 adet veri depolama dosyası oluşturulmuştur

(hata_hesap.mat, ofdm_parametreleri.mat, iletilen.mat). “hata.mat”, iletimden önce

baseband verisini arşivlemek içindir ve simulasyon sonrasındaki hatayı hesaplamak

amacıyla kullanılmıştır. “ofdm_parametreleri.mat”, simulasyonun başında parametreleri

belirtmek için yazılmıştır ve bunu alıcı için daha sonra kullanmak amacıyla

tuttuk.Gerçekte, alıcı her zaman bu parametrelere sahipti; bu simulasyonda, başlangıçta

parametreler kullanıcı tarafından yapılandırılmıştı, fakat alıcıya önceden kendinde

tanımlanmışcasına iletilmiştir. “iletilen.mat”, kanaldan geçtikten sonra zaman sinyalini

saklar ve doğrudan okuması için alıcıya iletir. OFDM verici ve iletişim kanalı yoluyla

simülasyon devam ederken, kullanıcı için, alıcıya doğru iletime yönelik tetiklemeyi

durdurur ve bekletir. Son iki “.mat” dosyalarını kullanım nedeni, OFDM alıcısı işler

işlemez, programın MATLAB workspace’inde bulunan tüm dataları/değişkenleri silecek

olmasıdır. Bu, iletişim kanalının çıkışındaki alınan sinyalin haricinde hiçbir bilgiye sahip

olmayan OFDM alıcılarının gerçek durumunu simule etmek içindir.

Tablo 3.1. Simulasyon Parametreleri

Parametreler Değerler

Kaynak Resim Boyutu 800 x 600

IFFT boyutu 2048

Taşıyıcı Sayısı 1009

Modülasyon Boyutu QPSK

Tepe Güç Kesimi 9 dB

Sinyal Gürültü Oranı 12 dB

49

0.68 bir BER varkenki çıkış görüntüsünün yüzde piksel hatası 1.80%’dir. Bu, OFDM

sembol boyutunun kaynak verisinin kelime boyutuna eşit olmadığı durumlarda

gözlemlenir. Diğer bir deyişle, modülasyon yöntemi 256-PSK değildir. Bunun nedeni, 4

QPSK sembolünden oluşan bir setin 8 bit’lik bir kelime ile eşleştirilmiş olmasıdır ve bu 4

QPSK modülünden oluşan setteki herhangi bir modül yanlış kodlandığında tüm 8 bit’lik

kelimeler yanlış çevrilir. Bu nedenle, piksel hata yüzdesi göz önüne alındığında, 4 QPSK

sembolünün tamamını hata olarak değerlendirir. Fakat BER’in hesaplanmasında önemli

olan Tx ve Rx’in doğruluğudur. Böylece, sadece yanlış çözülen QPSK sembollerini

hesaplar.Ortalama faz hatasının 12.33° olması, 45° toleransla arasında hala belirli bir

mesafenin oduğunu göstermektedir.

Şekil 3.7. Program çalışma zamanı

1.80% piksel yüzde hatasıyla çıkış görüntüsü üzerinde gürültü hala kolayca

gözlemlenebilir, ancak alınan bilgi içeriği son derece kullanışlıdır. Bu, alınan fazın 45°

toleransa sahip bir QPSK’ya ait olmasından kaynaklanmaktadır. Başarılı bir QPSK’ya

örnek olarak şekil 3.7.’deki grafik görülmektedir.

50

Şekil 3.8. BER vs M-PSK

Şekil 3.8.’deki grafikte IFFT kutularının neredeyse tamamen taşıyıcılar tarafından

kullanıldığı gösterilmektedir. Şekil 3.9.’da ise, 4 seviyeye ayılmış QPSK’nın faz dağılımı

görülmektedir. Bu değerlerin biraz yayılmış olduğunu görmek manidardır. Alınan veriler

aynı desenlerini korurlarken, genliklerinin orjinali kadar düz olmadığını görmek de çok

manidardır.

Şekil 3.9. BER ve SNR

51

Diğer parametreler aynı kalırken, çalışma zamanları BPSK ile gerçekleştirilen bir

simülasyonda üç kattır. 16-PSK ve 256-PSK ile de bu teoriyi doğrular bir çizimi şekil

3.9.’da görüyoruz. Bununla birlikte, şekil 3.9.’da BER’in artmasıyla birlikte PSK’nın da

arttığını görmekteyiz.

SNR, hata oranıyla ters orantılıdır. Şekil 3.9’da tüm 4 M-PSK metodları için bu ikisi

arasındaki bağlantıyı görmekteyiz. Beklenildiği gibi, yüksek dereceden PSK’nın, BER’i

azaltmak için daha geniş SNR’ye ihtiyacı olduğunu görüyoruz.

Benzer olarak, şekil 3.10’da, PSK ve 16-PSK’nın kabul edilebilir bir hata oranıyla veri

iletimini gerçekleştirebilmesi için nisbeten daha geniş SNR gerektirdiği görülmektedir.

Şekil 3.11, şekil 3.12, şekil 3.13, şekil 3.14 ve 3.15.’te, orjinal resim ve alınan resim

arasındaki farkı değişik PSK ve SNR değerlerinde görüyoruz.

Şekil 3.10. Piksel hatası ve SNR

52

3.3.5.1. OFDM Simulasyonu Sonuçları

MATLAB kullanılarak, birçok parametreye bağlı bir OFDM sistemi modellenmiştir. Bu

simulasyonu gerçekleştirmenin amacı, farklı modulasyon oranlarında kanalın OFDM

performanslarını ölçmek ve bu değişik OFDM yapılandırmalarını test etmektir.

Simulasyonda Şekil 3.11’deki resim kullanılmıştır. Şekil 3.12, şekil 3.13, şekil 3.14,

şekil 3.15’ de görüleceği üzere bazı düşük SNR’lerde alınan resimler, özellikle 256-DPSK

modulasyonlu resimlerde, oldukça yüksek BER değerine sahip olunduğu; fakat alınan

bilgilerin çoğunun hala gözlemlenebilir olduğu görülmektedir. Örneğin, 15 dB’deki SNR,

256-PSK görüntüde 93.63%’lük bir BER olsa bile, görüntü hala gözlemlenebilir

durumdadır.Bir pikselin çözülmüş değeri gri düzeyde az sayıda kapalı ise, insan gözü bunu

kolayca gözlemleyemez, ama elbete bu ufak bir hata olarak sayılacaktır. Aslında, bu

durumda, orijinal ve alınan görüntü arasında geçiş yaparken, pikselin çoğunda gri

seviyesinin değişti açıktır, ama nispeten içeriği çok fazla bozulmamıştır. OFDM kullanarak

veri iletiminde, BER toleransı ve istenen veri oranı arasında bir denge kurulmalıdır.

Şekil 3.11. Orijinal resim

53

Şekil 3.12. BPSK kullanılarak alınan resimler

54

Şekil 3.13. QPSK kullanılarak alınan resimler

55

Şekil 3.14. 16-PSK kullanılarak alınan resimler

56

Şekil 3.15. 256-PSK kullanılarak alınan resimler

57

4. Akustik Modem

Akustik sualtı gönderme birimi olarak projektör görevinde piezo maddeden yapılmış

yüksek frekanslı projektör kullanacağız ve alma birimi olarak kendi tasarladığımız ktühid

hidrofonunu 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

yükseltecine gönderilir.Yükselteçtende 30W güç ile su kanalına gönderilmektedir. Alıcı

tarafta ise alınan ses isareti 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 4.1.’de sualtı haberleşme sisteminin genel blok seması yer

almaktadır. Şekil 4.2.’de ise tasarımı yapılan sistemimiz yer almaktadır.

Şekil 4.1. Sualtı haberleşme sistemi blok şeması

Şekil 4.2. Sualtı haberleşmesi için tasarladığımız sistem

58

Tablo 4.1. Akustik modem sisteminin alt bileşenleri

Sistem Alt Parçası Adet Açıklama

Güç Kaynağı 1 12 V, 5V izole güç kaynağı

Yazılım Yüklü Bilgisayar 2 Veri oluşturma ve işleme

TMS320C5515 DSP 2 Sayısal işaret işleme

Kuvvetlendirici Kartı 1 Ses işaretini kuvvetlendiren elektronik kart

Hidrofon 1 Sualtı alıcı birimi

Projektör 1 Sualtı gönderme birimi

Su Tankı 1 İçinde su bulunan tank

Şekil 4.3.’de blok gösterimi yapılmıştır. Tablo 4.1.’de ise, akustik modem sisteminin alt

bileşenleri verilmiştir. Bu alt parçalar ile oluşturulmuş gönderme alma birimlerine ait her

bir alt yapı, verici ve alıcı mantığı içerisinde sıra ile anlatılmıştır. Sualtı haberleşmesinde

elde edilen bulgu ve sonuçlar sonraki bölümlerde verilmiştir.

Şekil 4.3. Sualtı Akustik Haberleşme Sistemi

59

4.1. Sistem Alt Bileşenleri

4.1.1. Güç Kaynağı

Sistemin çalışması için ihtiyaç duyduğu gerilimler tablo 4.2.’de verilmiştir.

Tablo 4.2. Güç kaynağı özellikleri

Besleme Açıklama

12 V Ses işaretinin kuvvetlendirilmesi için projektör ve hidrofondaki entegre ve

pasif elemanlar için gerekli gerilim

+ 5 V Sistemin soğutulmasında ve ön yükselteç için gerekli gerilim

4.1.2. 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 kodek entegresi alt yapısıdır. Texas

firmasına ait TLV320AIC3204 kodek entegresi kullanılarak, alınan ses isaretinin sayısal

işareteçevrilmesi, gönderilecek olan ses isaretinin analog işarete dönüşümü, alınan ses

işaretine otomatik kazanç verilmesi ve ses işaretinin donanımsal olarak filtrelenmesi

islemleri gerçekleştirilmektedir.

4.1.3. Kuvvetlendirici Kartı

Vericinin ses çıkış kartı üzerinden alınan ses işaretinin, projektöre gönderilmeden önce,

yeterli güçseviyelerine çıkmasını sağlayan ve kanaldan alınan ses sinyalini tekrar yükseltip

alıcıya veren elektronik kart, şekil 4.4.’te görülmektedir. Kanala yaklaşık 30 W güçte ses

vermektedir. Alınan işareti de verimli bir şekilde yükseltmektedir.

60

Şekil 4.4. Kuvvetlendirici Şeması ve Kartı

4.1.4. Projektör

Ses sinyalini sualtına gönderen, ses gönderme birimidir. Piezolektrik malzemenin

karakteristiğini kullanan, ses işareti ile titreşime girerek, elektriksel işareti ses işaretine

çevirmektedir.

Bu çalışmada tasarımı yapılan sualtı haberlesme sisteminde kullanılan projektör şekil

4.5.’te yer almaktadır. Tablo 4.3.’te projektöre ait teknik özellikler yeralmaktadır.

Şekil 4.5. Projektör

61

Tablo 4.3. Projektörün teknik özellikleri

Gerilim [V] Gücü [W] Frekans [Hz] a [mm] Øb [mm] Ağırlık [kg]

12 90 10-50000 1.6 8.4 0.35

4.1.5. Hidrofon

Ses sinyalinisualtından alan transduserdir. Tamamen kendi tasarımımızdır. İsmini

ktühid olarak belirledik. Piezolektrik malzemeden oluşmaktave 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.

Bu çalışmada tasarımı yapılan sualtı haberlesme sisteminde kullanılan hidrofon şekil

4.6.’da yer almaktadır. Tablo 4.4.’te hidrofona ait teknik özellikler yeralmaktadır.

Şekil 4.6. Hidrofon

Tablo 4.4. Hidrofonun teknik özellikleri

Özellik Açıklama

Frekans Tepkesi 20 Hz – 40 kHz

Dahili Ön Yükselteç Yok

Yönlülük Geniş yönlü

Uzun Süreli Sualtında Kalabilme Özelliği Var

Maksimum Güç 150W

62

5. Uygulama Sonuçları

OFDM sinyali üzerinde gerçekleştirilen haberleşmemizde kullandığımız bir örnek tablo

5.1.’de parametreleriyle beraber verilmiştir. Küçük ses klibi OFDM iletimi için veri

kaynağı olarak kullanıldı. Burada çok sayıda taşıyıcıya sahibiz.Böylece, seçici sönümleme

frekansı nedeniyle birkaç taşıyıcı kaybolduğunda, kalan taşıyıcılar, ileri hata düzeltmesini

kullanılarak, kaybolan veriyi kurtarır. Bir sistemin daha büyük sayıda taşıyıcı içermesi,

daha büyük frekans kararlılığı gerektirir. Deneylerin çoğunda, üretilen sinyallerin herhangi

bir örnekleme oranı ölçeklenmemiştir. Bu nedenle, frekans normalizasyonu yapılmıştır. Üç

taşıyıcı, modülasyon yöntemlerinin performanslarını karşılaştırmak için test edildi. Bu,

sistem kapasitesi ve sistem sağlamlığı arasında bir oran yakalamanın gerekliliğini orataya

koymak için yapıldı. DBPSK 1bits/Hz spektral verimlilik verir ve en dayanıklı yöntemdir.

DQPSK (2bits/Hz) ve D16PSK (4bits/Hz) kullanarak sistem kapasitesi artmıştır ancak bu

daha yüksek BER’e neden olmaktadır. Kullanılan modülasyon yöntemi, simülasyon

grafikleri tümünde BPSK, QPSK ve 16PSK olarak gösterilir, çünkü diferansiyel kodlama,

OFDM iletiminin ayrılmaz bir parçasıdır.

Tablo 5.1. OFDM Sinyali için parametreler

Parametre Değer

FFT Büyüklüğü 1024

Taşıyıcı Sayısı 400

Koruma Periyodu 256 örnekleme

Koruma Tipi Yarım çevrim uzantı, yarım zero genlik

OFDM sinyal örnekleme oranı 44.1 kHz

Bant Genişliği 17.5 kHz

Şekil 4.7. İletilmek istenen orjinal küçük ses klibi parçası

63

Şekil 4.7.’deki gibi küçük bir ses klibi, OFDM iletimi için veri kaynağı olarak

kullanıldı. Dalga şekli, kanaldan geçirilerek, vericiden alıcıya transfer edildi. Bu, transfer

edilen verilere kanalın etkisi aşağıda incelenmiştir.

5.1. OFDM Gürültü Toleransı

5.1.1. QPSK Gürültü Toleransı

Şekil 5.1.’de verinin OFDM kodlama ile kodlanmış hali ve tablo 5.2.’de sinyal

parametreleri görülmektedir.

Şekil 5.1. Ses iletimi için tam bir OFDM sinyali (QPSK kullanılarak)

QPSK’lı OFDM sinyaline ait parametreler tablo 5.2.’de, 12 dB – 8 dB – 4 dB için

SNR’deki bit hata oranları ile toplam hata sayıları ise tablo 5.3, tablo 5.4, tablo 5.5. ve

şekil 5.2, şekil 5.3, şekil 5.4.’te verilmiştir.

64

Tablo 5.2. QPSK’lı OFDM sinyaline ait parametreler

Parametre Değer

Giriş Bilgisi Dalga Formatı 4.33 sn, Mono, 11 kHz, 8 bit

OFDM Sinyal Uzunluğu 15.26 sn

Tablo 5.3. 12 dB SNR’li veri sonuçları

Parametre Değer

SNR 12 dB

Bit Hata Oranı 0.000277

RMS Faz Hatası

Toplam Hata Sayısı 53

Şekil 5.2. 12 dB SNR’deki dalga biçimi

Tablo 5.4. 8 dB SNR’li veri sonuçları

Parametre Değer

SNR 8 dB

Bit Hata Oranı 0.02145

RMS Faz Hatası

Toplam Hata Sayısı 4105

Şekil 5.3. 8 dB SNR’deki dalga biçimi

65

Tablo 5.5. 4 dB SNR’li veri sonuçları

Parametre Değer

SNR 4 dB

Bit Hata Oranı 0.1591

RMS Faz Hatası

Toplam Hata Sayısı 3.044e+004

Şekil 5.4. 4 dB SNR’deki dalga biçimi

5.1.2. 256PSK Gürültü Toleransı

Şekil 5.5. Ses iletimi için tam bir OFDM sinyali (256PSK kullanılarak)

256PSK modülasyonu şekil 5.5.’te verildiği üzere, giriş veri ses dosyasının 8 bit

örneklemesinin gönderilmesiyle sağlanır ve her bir sembol için bir taşıyıcı oluşturulur. Bu

uygulamayla, giriş dalga dosyasının genliğiyle orantılı bir faz açısı eşleştirilir. Böylece, ses

dosyası üzerinde gürültü iletim sonuçlarında meydana gelen herhangi bir faz hatasının

analizi elde edilir.

256PSK’lı OFDM sinyaline ait parametreler tablo 5.6.’da ve 12 dB – 8 dB – 4 dB için

SNR’deki bit hata oranları ile toplam hata sayıları ise tablo 5.7, tablo 5.8, tablo 5.9. ve

şekil 5.6, şekil 5.7, şekil 5.8.’de verilmiştir.

66

Tablo 5.6. 256PSK’lı OFDM sinyaline ait parametreler

Parametre Değer

Giriş Bilgisi Dalga Formatı 4.33 sn, Mono, 11 kHz, 8 bit

OFDM Sinyal Uzunluğu 4.702 sn

Tablo 5.7. 12 dB SNR’li veri sonuçları

Parametre Değer

SNR 12 dB

Bit Hata Oranı 0.9534

RMS Faz Hatası

Toplam Hata Sayısı 4.561e+004

Şekil 5.6. 12 dB SNR’deki dalga biçimi

Tablo 5.8. 8 dB SNR’li veri sonuçları

Parametre Değer

SNR 8 dB

Bit Hata Oranı 0.9716

RMS Faz Hatası

Toplam Hata Sayısı 4.648e+004

Şekil 5.7. 8 dB SNR’deki dalga biçimi

67

Tablo 5.9. 4 dB SNR’li veri sonuçları

Parametre Değer

SNR 4 dB

Bit Hata Oranı 0.982

RMS Faz Hatası

Toplam Hata Sayısı 4.698e+004

Şekil 5.8. 4 dB SNR’deki dalga biçimi

5.2. 256PSK ile Veri Ortalamasının Alınması

256PSK modülasyonu kullanılarak her sembolün 4 kez tekrarı gönderildi. Bu, QPSK ile

aynı veri hızı ve bant genişliğidir. Alıcıda, her sembolün 4 kez tekrarının faz açısı

ortalaması alınmıştır ve böylece etkili bir şekilde 6dB’e kadar gürültüyü azaltır. SNR

koşulları için sinyalin QPSK’ya göre daha iyi performansa sahip olduğu görülür (<~ 9dB).

Şekil 5.9.’da 12 dB ve şekil 5.10.’da 4 dB için ortalaması alınmış sinyaller verilmiştir.

Şekil 5.9. SNR 12 dB’de, her sembolün 4 kez tekrarının faz açısı ortalaması alınmış biçimi

Şekil 5.10. SNR 4 dB’de, her sembolün 4 kez tekrarının faz açısı ortalaması alınmış biçimi

68

5.3. Tepe Güç Kırpması

Bu testte, OFDM sinyali kırpılır, böylece sinyalin tepe gücü azalır. OFDM sinyalinin

kırpılması bit hata oranının artışına yol açan intermodülasyon bozulmasına neden olur. Bu

test aynı zamanda kesmeden önce ve sonra OFDM sinyali için RMS gücü oranının tepe

noktasını gösterir. Kırpılmamış OFDM sinyali oldukça yüksektir (13.8 dB). Bu, 9 dB’e

varan sinyal kırpmasının hata oranı üzerinde çok az etkisi olmasını açıklıyor.

Şekil 5.11 kırpılmamış orijinal sinyaldir. Beyaz gürültüye benzemektedir.

Şekil 5.11. Orijinal OFDM sinyaline yakın sinyal

Şekil 5.12 kırpılmamış orijinal sinyaldir. Beyaz gürültüye benzemektedir.

Şekil 5.12. 12dB’e kadar kırpılmış OFDM sinyali

69

Tablo 5.10.’da normal bir dalga dosyasının kırpılma etkisi gösterilmiştir. Orijinal ses

dosyası, bir sinyalin kırpılmasından kaynaklanan bozulmanın ne kadar olduğu hakkında bir

fikir vermesi için, OFDM sinyaliyle aynı şekilde şekil 5.13 ve şekil 5.14’de sinyal kırpılıp

kanala verilmiştir. Tablo 5.11 ve şekil 5.15‘de 12dB kırpılma etkisi; tablo 5.12 ve şekil

5.16‘da ise 20 dB kırpılma etkisi ve sonuçları görülmektedir. Aslında kırpılma hata oranını

artırmıştır ama umduğumuz kadar etkisi olmamıştır. Ses dosyası hâlâ oldukça anlaşılabilir

bir durumdadır.

Şekil 5.13. Tepe güç baskısı 12 dB’de, kırpılmamış orijinal ses dosyası

Şekil 5.14. Tepe güç baskısı 20 dB’de, kırpılmamış orijinal ses dosyası

Tablo 5.10. Kırpılmamış, orijinal OFDM sinyaline ait değerler

Parametre Değer

Çokyollu Hiçbiri

Giriş Bilgisi Dalga Formatı 4.33 sn, Mono, 11 kHz, 8 bit

OFDM Maks. Sinyal Seviyesi 0.0889

OFDM RMS Sinyal Seviyesi 0.0182

OFDM’nin Tepe RMS Güç Oranı 13.7635 dB

OFDM Sinyal Uzunluğu 15.36 sn

12 dB’de ve 20 dB’de alınan sinyale ait değerler tablo 5.11, tablo 5.12.’de verilmiştir.

20 dB’de alınmış ve kırpılmış OFDM sinyaline ait şekiller ise şekil 5.15, şekil 5.16.’da

verilmiştir.

70

Tablo 5.11. 12 dB’de, alınan sinyale ait değerler

Parametre Değer

Tepe Güç Baskısı 12 dB

Bit Hata Oranı 0.003543

RMS Faz Hatası

Toplam Hata Sayısı 678

Maks. Sinyal Seviyesi 0.02174

RMS Sinyal Seviyesi 0.01393

Tepe RMS Güç Oranı 3.867 dB

Şekil 5.15. 12 dB’de, alınan sinyalin biçimi

Tablo 5.12. 20 dB’de, alınan sinyale ait değerler

Parametre Değer

Tepe Güç Baskısı 20 dB

Bit Hata Oranı 0.1205

RMS Faz Hatası

Toplam Hata Sayısı 2.306e+004

Maks. Sinyal Seviyesi 0.008691

RMS Sinyal Seviyesi 0.007097

Tepe RMS Güç Oranı 1.76 dB

Şekil 5.16. Kırpılmış OFDM sinyali (12 dB ile)

71

5.4. Elde Edilen Verilerin Analizi

5.4.1. Çokyollu Gecikme Yayılmasına Karşı Bağışıklık

Bu deneyler sonucunda, kanala gönderilen sinyal, tek bir yankı içeren çokyollu sinyal

ile test edilmiştir. Yansıyan sinyal, direkt sinyalden 10 dB daha azdır. Bu da, özellikle

BPSK’da ölçülebilir hatalara neden olmaz. Şekil 5.17.’de, sonuçlar verilmiştir.

Şekil 5.17. OFDM’ni gecikme yayılımı toleransı.

5.4.2. Maksimum Güç Kırpması

İletilen, modülasyonu yapılmış sinyalinin büyük ölçüde kırpılmış olarak alınan BER

üzerinde çok az bir bir etkiye sahip olduğu görülmüştür. Aslında, sinyal, BER’de önemli

bir artış olmaksızın, 9 dB’e kadar kırpılabilir. Bu, sinyal iletiminde kullanılan güç

yükseltecinin neden olduğu kırpmadan kaynaklanan bozulmalara karşı sinyalin yüksek

dirence sahip olduğu anlamına gelir. Bu ayrıca, sinyalin 6 dB’e kadar bilerek (kasten)

kırpılabileceğini ve böylece, RMS oranı tepe değerinde, iletilen gücün artmasını

sağlayacak bir azalmaya sahip olunabileceği anlamına gelmektedir. Tepe gücü kırpmasının

OFDM’ye etkisi şekil 5.18.’de verilmiştir.

72

Şekil 5.18. Tepe gücü kırpmasının OFDM’ye etkisi

5.4.3. Zamanlama Koşulları

Projenin deneyleri sırasında gönderilen sinyal alıcıda nasıl bir şekilde yakalanacağı

(senkronize edileceği), yakalanınca da oluşan başlangıç zamanı hatası için ne kadar

toleranslı olacağı bir sorun oldu. Yani bir senkronizasyon yöntemi gerekiyordu. Bizim

yöntemimiz kanala veriyi verirken başına bildiğimiz bir dizi eklemek ve alıcı girişinde

kanal kestirimi yaptıktan sonra koralasyonla veri başlangıcını yakalamaktı. Ayrıca OFDM

sinyalini gönderirken karelere (frame) bölünüp her bir karenin bir sembol iletmesiydi. Her

bir karenin başlangıcında boş bir sembol iletip, paket algılama kullanılarak bunların

tespitinin yapılmasıydı. Ancak paket algılama, sistemi içindeki gürültüye bağlı olarak,

sadece örnek bir çift içinde tespit edilmesini sağlar. Bu zamanlama doğruluğunun yeterli

olup olmadığı bilinmiyordu. Bu yöntem, gerçekleştirilen uygulama testlerinde

senkronizasyon için kullanılmıştır. Şekil 5.19.’da, alınan BER'in başlangıç zamanı hatasına

etkisi gösterilmektedir.

73

Şekil 5.19. Kare senkronizasyonu hatasının, iletilen OFDM sinyali üzerindeki etkisi.

5.4.4. Resim Gönderme Deneyi

Bu deneyde siyah beyaz bir balık resmini QPSK ve 256PSK modulasyon tekniği

kullanarak ilk önce ses dalgasına oradanda sualtından iletimini sağlayıp demodulasyonla

tekrar elde ettik. Şekil 5.20.’de, 256PSK sinyal performansının 9 dB’lik SNR kanalı

altındaki QPSK iletiminden daha iyi olduğu görünmektedir.

Şekil 5.20. QPSK ve 256PSK kullanılarak, iletilen görüntüyle iletim kanalındaki SNR’nin,

görüntüdeki gürültü oranına bağlı grafiği.

74

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

beklenebir. 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 verir.

Şekil 5.21.’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 5.21. Gürültülü koşullarda bir görüntü aktarımı için QPSK ve 256PSK

karşılaştırılması

75

5.5. Sonuç ve Öneriler

Projemizde akustik dalgalar kullanılarak sualtında ses işaretleri OFDM kodlama ile

gönderilmiş ve alıcı tarafta gönderilen ses işaretleri yine sualtı kanalından alınmıştır.

Gönderme ve alma modülasyon yapısı olarak OFDM tercih etme nedenimiz bant

verimliliği ve bilgi aktarım güvenliliğini yüksek olmasından dolayıdır. Verinin

modülasyonu ve demodülasyonu başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir.

Çalışma sırasında kullanılan akustik haberleşme sistemi tamamen özgün olarak

tasarlanmıştır ayrıca hidrofon kendi yaptığımız araştırma geliştirme çalışmaları sonucunda

haberleşme verimliliğini artıran özgün bir tasarımımızdır.

Uygulamalar sırasında mümkün olduğunca en yüksek verimlilikte veri iletimi

sağlanmaya çalışılmış haberleşme kalitesi artırılmıştır. Modüle edilip gönderilen verinin

bizim 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

gerekliliği anlaşılmıştır. Elde edilen verilere göre modülasyon türü olarak aynı işaret

gürültü oranında 256PSK QPSK’ ya göre daha hatalı veri iletimi gerçekleşmiş fakat veri

iletim hızı artmıştır. Bunu gidermek için 256PSK’da 4 kere verinin ortalaması alınarak

daha kaliteli veri iletimi sağlanmıştır.

Çalışmamızda kullanılan yükseltecin, hidrofonun ve projektörün uzun mesafeli

çalışmalarda haberleşmenin gerçekleşmesi için daha da geliştirilmei lazımdır. Bizim

çalışmamızda ileriki çalışmalar için bir altyapı oluşturmuştur.

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 kullanılabilir. Böylece ülkemizin denizlerini alternatif haberleşme kanalı olarak

kullanabileceğimizi öngörmekteyiz.

76

KAYNAKLAR

[1]. S. Franko, Sualtı Akustiğine Giriş.1nd ed, İstanbul, Türkiye, 2009.

[2]. A. D. Waite, Sonar for Practising Engineers. 3nd ed, Chichester, England, John

Wiley and Sons, 2002.

[3]. K. Pullarao, “Modelling and Simulation of an Underwater Acoustic

Communication Channel,” M. Eng. thesis, Hochschule Bremen University,

Bremen, Germany, Jan. 2006.

[4]. G. Burrowes, J.Y. Khan, “Short-Range Underwater Acoustic Communication

Networks” Intech open, pp. 173–198, Oct. 2011.

[5]. I. F. Akyildiz, D. Pompili, T. Melodia, “Challenges for Efficient Communication

in Underwater Acoustic Sensor Networks,” IEEE Communications Magazine,

pp. 114–119, Nov. 2001.

[6]. E. Sullivan, E. Taroudakis, Handbook of Signal Processing in Acoustics Volume.

1nd ed,Paris, France: Springer, 2008.

[7]. R. Urick, Principles of Underwater Sound for Engineers. 1nd ed, Boston, U.S

McGraw-Hill,1967.

[8]. L. Kinsler,A. Frey, A. & S. Coppens, Fundementals of Acoustics. 1nd Ed,

Londra, England: John Wiley and Sons, 1982.

[9]. C. Eckart, “Principles of Underwater Sound,” in National Research Council,

1952, pp. 25-36, p. 80.

[10]. S. Xiaohong, W.Haiyan, Z. Yuzhi, Z.Ruiqin, “Adaptive Technique for

Underwater Acoustic Communication” Intech open, pp. 61–77, Aug. 2009.

[11]. E.K. Akyazı, İ. Önder, M. Boyalı, S. Kahveci, “Su altı akustik haberleşme

Sistemi simülasyonu,” F. Eng. thesis, Karadeniz Teknik Üniversitesi,Trabzon,

Türkiye, May.2012.

[12]. M. Yılmaz, Modülasyon Teori. 1nd ed, Trabzon, Türkiye, Karadeniz Teknik

Üniversitesi Yayınları, 1986.

[13]. S. Akkaya, N. Taşpınar, “Dikgen Frekans Bölmeli Çoğullama (OFDM)

Sistemlerinde Konvolüsyon Kodlarını Kullanan II. Türden Kod Birleştirmeli

Karma Protokolü,” International Advanced Technologies Symposium, 2002,

pp. 100-103, p. 14.

77

[14]. B. Soysal, A. Özen ve İ. Kaya, “OFDM Sistemlerinde Kanal Denkleştiriciler ve

Başarım Analizleri,” URSI-Türkiye 2002 Bilimsel Kongresi ve Ulusal Genel

Kurul Toplantısı, 2002, pp. 292-295, p. 6.

[15]. L. Y. Geoffrey , L.S.Gordon, Orthogonal Frequency Division Multiplexing for

Wireless Communications,1nd ed, New York, U.S: Springer, 2006.

[16]. J.H. McClellan, R.W. Schafer, M.A. Yoder, Signal Processing. 1nd ed, Koln,

Germany, Pearson Prentice Hall, 2003.

[17]. M.Kuzlu, H. Dinçer, S. Öztürk. “ Sualtı Haberleşmesi Alıcı Ön Yükselteç

Tasarımı,” SIU2010 - IEEE 18 Sinyal İşleme ve İletişim Uygulamaları

Kurultayı, 2010, pp. 32-39, p. 50.

[18]. M.U. Altunkaya, “Bir Sualtı Aracının Atalatsel Özelliklerinin Algılanması

Yoluyla Yörünge Takibi,” F. Eng. thesis, İstanbul Teknik Üniversitesi,İstanbul,

Türkiye, Aug.2006.

[19]. G. Proakis, Digital Communications, 4th ed, New york, U.S :McGrawHill,2001.

[20]. B. Alpar, E.Doğan, “Deniz ve Göllerde Derinlik Ölçme Sistem ve Yöntemleri,”

F. Eng. thesis, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul, Türkiye, 1994.

[21]. J. Preisig, “Acoustic Propagation Considerations for Underwater Acoustic

Communications Network Development,” Mobile Computing and

Communications Review, vol.11, Nov. 2000.

[22]. J. Caruthers, Fundamentals of Marine Acoustics. 1nd ed, Londra, England,

Elsevier Scientific Publishing, 2005.

[23]. B. Soysal, “OFDM Tabanlı Kablosuz İletişim Sistemleri için Yüksek Başarımlı

Alıcı Tasarımı,” Ph.D.thesis, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon, Türkiye,

May.2004.

[24]. E.Lawrey, “ Adaptive Techniques for Multiuser OFDM,” Ph.D. thesis, James

Cook University, Townsville, Australia, 2001.

[25]. J. Llor, M.P. Malumbres, “Modelling Underwater Wireless Sensor Networks”

Intech open, pp. 1–20, Dec. 2010.

78

EKLER

EK-1: Standartlar ve Kısıtlar

EK-2: Çalışma Takvimi

ÖZGEÇMİŞ

Bu tezi hazırlayanlar Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik-

Elektronik Mühendisliği Bölümü öğrencileri İsmet Yılmaz ERGUN, Sefa ÖZLÜ ve

Lütfullah DURNA’dır.

İsmet Yılmaz ERGUN, 1989 yılında Mersin’de doğmuştur. İlköğrenimini Barbaros

İlköğretim Okulunda (1995-2000) tamamlamıştır. Ortaöğrenimini 3 Ocak İlköğretim

Okulunda (2000-2003) tamamlamıştır. Lise öğrenimini de İçel Anadolu Lisesinde (2003-

2007) tamamlamıştır. 2008 yılında, Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bülümü öğrencisi olmaya hak kazanmıştır.

Sefa ÖZLÜ, 1989 yılında Trabzon’da doğmuştur. İlköğrenimini Trabzon merkezde

İskenderpaşa İlköğretim Okulunda (1995-2003) tamamlamıştır. 2006 yılında yine Trabzon

merkezde bulunan Trabzon Lisesini bitirmiştir. 2007 yılında Karadeniz Teknik

Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bülümü öğrencisi

olmaya hak kazanmıştır.

Lütfullah DURNA, 1989 yılında Sivas’da doğmuştur. İlköğrenimini Sivas merkezde

Fatih İlköğretim Okulunda (1996-2000) ve Cumhuriyet İlköğretim Okulun’da (2000-2004)

tamamlamıştır. 2008 yılında yine Sivas merkezde bulunan Sivas (YDA) Lisesini

bitirmiştir. 2009 yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik-

Elektronik Mühendisliği Bülümü öğrencisi olmaya hak kazanmıştır.

1

EK1: Standartlar ve Kısıtlar

1. Projenizin tasarım boyutu nedir? Açıklayınız.

Projemizin teorik kısmı tamamlanmış durumdadır. Gerekli olan araç ve gereçler

belirlenerek malzeme listesi hazırlandı ve temin edildi. Temin edilen araç ve

gereçlerle üretim aşamasına geçildi ve üretim tamamlandı.

2. Projenizde bir mühendislik problemini kendiniz formüle edip, çözdünüz mü?

Piyasadaki örneklerine göre daha özgün bir ürün tasarımı yaparak problemleri

çözmeye çalıştık..

3. Önceki derslerde edindiğiniz hangi bilgi ve becerileri kullandınız?

Mikroişlemciler, C programlama, Mikrodalga Tekniği, İletişim Elektroniği ve

Sayısal Sinyal İşleme derslerinden edindiğimiz bilgilerden yararlandık.

4. Kullandığınız veya dikkate aldığınız mühendislik standartları nelerdir?

Projemizde, IES(International Engineering Standarts) , IEEE,ASA(Acoustical

Society of America)ve TSE standart tüzüğüne uygun hareket edilecektir.

5. Kullandığınız veya dikkate aldığınız gerçekçi kısıtlar nelerdir?

a) Ekonomi

1000 TL’yi aşmayacak şekilde bu haberleşmeyi gerçekleştirmeyi hedefliyoruz.

b) Çevre sorunları:

Sistemi uyarmak için akustik haberleşme yapılmakta ve bu yüzden deniz

canlıları üzerinde olumlu veya olumsuz etkisi olma durumu söz konusudur.

c) Sürdürülebilirlik:

Güç tüketimi sorununu aşmak için kendi enerjisini akıntı veya sudaki

hidrojenden sağlama gibi özellikler eklenmelidir.Ayrıca haberleşme güvenirliliği

ve performansı dahada arttırılmalıdır.

d) Üretilebilirlik:

Sistem üretilmeye oldukça uygun olup maliyet açısından gayet elverişlidir.

e) Etik:

Projemiz mühendislik standartlarında gerçekleştirileceğinden kişi haklarına

uygun bir proje olacaktır.

2

f) Sağlık:

Sağlık bakımından projemiz kesin olmamakla beraber deniz canlıları psikolojisi

hariç hiçbir sorun içermemektedir.

g) Güvenlik:

Sistemimizin güvenli ve doğru bir şekilde haberleşme yapabilmesi için

sinyallerinin iyi kodlanarak kanala verilmesi ve elektriksel sistemin kanaldan

izole edilmesi gerekmektedir.

h) Sosyal ve politik sorunlar:

Sosyal olarak hiçbir sorunu olmamakla beraber bilimsel ve sanatsal

araştırmalara katkıyla faydası bile olacaktır.Politik olarakta savunma sanayinde

kullanılmaya başlanırsa amacına uygun kullanıldığı taktirde hiçbir sorun

olmayacağı düşünülmektedir.

Projenin Adı Sualtı Akustik Haberleşme

Projedeki Öğrencilerin

Adları

210244 İsmet Yılmaz ERGUN

196096 Sefa ÖZLÜ

228487 Lütfullah DURNA

Tarih ve İmzalar

26.05.2013

II.Mekanik Gerçekleme

III.Sistem Testi

Proje Adımları

Proje Adı :

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

a.Teorik Tasarım

b.Simülasyon

c.Malzeme Teminin

a.

b.Devre Gerçeklemesi

a.Deney D. Hazırlama

b.Ölçümler

c.Eksiklik Giderilmesi

13 14 15 16 29 30 32 31

c.Montaj

d.Ürün Tanıtımı

IV.Ürün Teslimi

I.Araştırma

Ba

şla

ma

Ta

rih

i

Bit

iş T

ari

hi

Sü

res

i

2012 /I 2012/II /III /IV 2013 2013

EK2: Calisma Takvimi

Kasa Imalat

SUALTI AKUSTIK HABERLESME