Geri Dön

Noise cancellation with adaptive filters on the public radio spectrum

Kamu telsiz spektrumunda gürültünün adaptif filtrelerle önlenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 795136
  2. Yazar: ÇAĞLAR ÖZÇETİN
  3. Danışmanlar: PROF. SEDEF KENT PINAR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Telekomünikasyon Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 85

Özet

Kablosuz haberleşme çalışmalarının başlamasıyla birlikte icat edilen telsizlerle beraber, telsiz iletişimi her dönemde tercih edilen haberleşme yöntemlerinden biri olmuştur. Yüksek altyapı kurulum ve bakım maliyetlerine ihtiyaç duymaması ve hareket kabiliyetinin yüksek olması tercih edilmesindeki temel motivasyonlardır. Telsiz kullanım alanları zamanla genişlemiş ve günümüzde afet yardım kuruluşları, itfaiye ve kolluk kuvvetlerinin tercihi haline gelmiştir. Hava durumu, yansıma, kırılma, kırınım, absorpsiyon, polarizasyon ve saçılma gibi çeşitli nedenlerle kamu telsiz spektrumunda gürültü meydana gelebilir ve bu da iletişim kalitesini olumsuz etkiler. Son araştırmalar, gürültüyü ortadan kaldırmak ve iletişim kalitesini iyileştirmek için gürültü önleyici uyarlanabilir filtre algoritmalarının kullanılabileceğini göstermiştir. Çeşitli uyarlanabilir filtre algoritmalarının avantajları ve dezavantajları, gürültü önleme performanslarını doğrudan etkileyebilir. Önceki çalışmalarda filtrelerin parametrelerinin yineleme hızı, yakınsama performansı, hesaplama karmaşıklığı gibi değişkenleri etkilediği vurgulanmıştır. Bu bildiride, gürültü gidermede kullanılan beş uyarlamalı filtre algoritmasının parametreleri incelenmiş ve belirlenmiştir. Bu algoritmalar kamuya açık radyolarda gürültü engelleme performansları analiz edilmiş ve uygunlukları tartışılmış ve karşılaştırılmıştır. İncelenen kamu telsiz haberleşme sistemleri, analog telsiz haberleşme sistemine göre daha yeni bir sistem olan sayısal sistemlere dayanmaktadır. Dijital sistemlerin avantajları, güvenilir ve hızlı veri iletişimi sağlaması, tüm kamu gruplarının tek bir altyapı üzerinden iletişim kurması ve frekans kaynaklarının daha etkin kullanılması olarak sıralanabilir. Dijital sistemler tüm dünyada ve ülkemizde aktif olarak kullanılmaktadır. Avrupa'da TETRA (Terrestrial Trunked Radio) ve TETRAPOL (Terrestrial Trunked Radio Police), Amerika Birleşik Devletleri'nde Project-25 (APCO-25) ve Kanada'da EDACS (Enhanced Digital Access Communication System) olarak kullanılmaktadır. Türkiye'de ise kamuda kullanılan kolluk kuvvetlerinin kullandığı telsiz sistemleri birbirinden bağımsız oluşturulduğu için koordinasyon sorunları olsa dahi son yıllarda yaygınlaştırma çalışmalarıyla kullanım kolaylığı sağlanmıştır. Tez kapsamında kullanılan telsiz APCO Project25 sayısal sistemini kullanmakta ve gürültü giderme analizleri APCO Project25 frekans değerleri kullanılarak yapılmıştır. APCO Project-25, Uluslararası Kamu Güvenliği Radyo Operatörleri Birliği (APCO) tarafından 1989 yılında geliştirilen açık mimarili bir dijital radyo iletişim sistemidir. Kamu güvenliği, ülke güvenliği ve acil durum yönetimi ihtiyaçlarını karşılamak üzere analog telsizlerin çalışma frekansını kapsayacak şekilde geliştirilmiştir. APCO Project-25, günümüze kadar olan yolculuğunda iki aşamaya ayrılmıştır. İki faz arasındaki temel fark, sistem kapasitesidir. Faz I, 4800 baud ile Sürekli 4 seviyeli FM (C4FM) kullanır ve ayrıca sembol başına 2 bit ile dördün faz kaydırmalı anahtarlama (CQPSK) modülasyonu kullanır. Faz I, 9600 bps'lik bir kanal verimi sağlar. Kanal erişim yöntemi başına bir kullanıcı kullanarak 12,5 kHz kanal aralığında çalışır. Faz I ayrıca FDMA ve IMBE ses codec bileşenini kullanır. Faz II standardı, 12,5 kHz'lik bir kanalda 6,25 kHz'lik iki slota sahip bir TDMA sinyalidir. Faz II, 12000 bps kontrol kanalı ve AMBE2 ses kodekini kullanır. Faz II, Faz I ile geriye dönük uyumludur. Bu tez kapsamında filtre, istenmeyen bileşenleri veya özellikleri bir sinyalden kaldıran işlem veya cihazdır. Filtre ile sinyallerin bir kısmı ya da tamamı baskılanarak beklenen sinyal elde edilebilir. Filtreler, frekans alanı dışında görüntü işleme, televizyon, kontrol sistemleri, radar gibi alanlarda da yaygın olarak kullanılmaktadır. Bir gürültü tarafından bozulan sinyali gürültüden arındırmak için bir filtreye ihtiyaç vardır. Böylece, orijinal sinyal korunur ve geri kazanılır. Bu yönteme doğrudan filtreleme denir. Doğrudan filtreleme, sabit ve uyarlanabilir filtreler olmak üzere iki tiptir. Adaptif filtreler, tüm sistemin giriş sinyalini ve çıkışından gelen yardımcı bilgileri değerlendiren ve belirli bir algoritma kullanarak katsayılarını sürekli değiştiren filtrelerdir. İncelenen filtreler sırasıyla LMS, NLMS, RLS, QRD-RLS, IQRD-RLS adaptif filtreleridir. Sırasıyla filtrelerden kısaca bahsetmek gerekirse, LMS, basit matematiksel temellere dayanması ve sağlam olması nedeniyle en yaygın kullanılan filtrelerden biridir. LMS algoritmasında başlangıç değerinden başlayarak bir sonraki parametre değerinin hesaplanmasında bir sonraki adımın boyutu ve yönü belirlenir. Bir sonraki adımın yönü, ortalama kare hata fonksiyonunun türevi ile belirlenir. Hata sinyali e(n), istenen sinyal d(n) ile çıkış sinyali y(n) arasındaki farktan hesaplanır. NLMS, LMS algoritmasının özel bir uygulaması olarak düşünülebilir. LMS algoritmasından temel farkı, adım boyutunun μ(n) zamanla değişmesidir. NLMS algoritması, LMS' e kıyasla ilişkili ve ilişkisiz girdi verileri için daha hızlı bir yakınsama oranına sahiptir. LMS algoritmasının en bariz dezavantajı, girdi ölçeklemesine duyarlı olmasıdır. NLMS denklemi ayrıca uyarlamalı filtrenin katsayılarını da günceller. QR ayrıştırma tabanlı RLS algoritması, adını en küçük kareler ağırlık vektörünün sonlu zamanlı dürtü yanıtı (FIR) filtreleme uygulamasında hesaplanması gerçeğinden alır. Standart RLS algoritması, yüksek hızlı yakınsama yeteneğine sahiptir. Ancak ters korelasyon matrisi P(n) pozitif keskinliğini kaybettiğinde sapma meydana gelir. Bu sapma, algoritmanın uygulanmasını sınırlar. QRD-RLS, QR ayrıştırmasını doğrudan giriş sinyalinin korelasyon matrisi üzerinde gerçekleştirir ve kararsızlığı ortadan kaldırır. Bu avantaj aynı zamanda hesaplama maliyetini artırarak bir dezavantaja da neden olabilir. RLS, katsayıları yinelemeli olarak bulan, giriş sinyallerinin ağırlıklı doğrusal en küçük kareler maliyet fonksiyonunu en aza indiren ve tahminini verimli bir şekilde güncelleyen bir filtre algoritmasıdır. Geliştirilmesindeki ana faktör, kareleri alınmış hataların toplamını en aza indirmekti. RLS türetmede, giriş sinyalleri deterministik olarak kabul edilirken, LMS ve benzeri algoritmalar stokastik olarak kabul edilir. RLS algoritması, LMS' e kıyasla daha başarılı bir yakınsama davranışı göstermektedir. Ancak bu avantaj, yüksek hesaplama karmaşıklığı ile gelir. RLS, birden küçük bir pozitif sabit olarak  adlı bir ağırlık vektörü kullanır. IQRD-RLS algoritması, ağırlık vektörünün geri ikame olmadan hesaplanmasına izin verir. Uyarlanabilir filtre algoritmasının seçiminde sadece tahmin hata fonksiyonu e(n) gerektiğinde QRD-RLS tercih edilir. Deney ortamı için Gnu Radio uygulaması kullanılmıştır. Gnu Radio, çok çeşitli iletişim arayüzleri, filtreler, sinyal kaynakları, matematiksel hesaplamalar, grafiksel arayüzler, yazılım tabanlı radyo arayüzleri gibi hazır bloklar içeren tamamen açık kaynaklı bir simülasyon aracıdır. Bir GitHub deposuyla Gnu Radio, gönüllü geliştiricilerin katkıda bulunduğu bir Python ve C++ kaynak kodu projesidir. Gnu Radio, ses işleme, mobil iletişim, uydu izleme, radar sistemleri, GSM trafiği, sinyal işleme, havayolu iletişim trafiği gibi birçok gerçek dünya radyo uygulamasında kullanılmıştır. Linux veya Windows işletim sistemine kurulabilir ve derlenebilir. Bu yönüyle öğrencilere, araştırmacılara ve mühendislere büyük kolaylıklar sağlayan bir araç haline gelmiştir. Bu makaledeki deneysel ortamda, yazılım tanımlı radyolarla rahat çalışmak üzere geliştirilmiş ve birçok radyo uygulamasına sahip Lubuntu 20.04 tabanlı bir x86_64 işletim sistemi olan Dragon OS Focal üzerinde Gnu Radio sürüm 3.8 kullanılmıştır. Gnu Radio, blok ve flow graph terimleri üzerine inşa edilmiş bir uygulamadır. Bloklar, geliştirilen uygulamada temel görevleri üstlenen girdi ve çıktı değerlerine sahip işlem birimleridir. Hazır blokların yanı sıra derleyiciler yardımıyla derlenerek kullanıcıların ihtiyaçlarına göre geliştirilebilen özel blokları kullanmak mümkündür. Bu tezde, uyarlamalı filtreler için özel bloklar oluşturulmuş ve derleyici olarak Cmake aracı kullanılmıştır. Uyarlanabilir filtrelerin kullanımı için ek araçlar kullanılmıştır. SWIG (Simplified Wrapper and Interface Generator), C veya C++ ile yazılmış programları Perl, PHP, Python gibi programlarda kullanıma uygun hale getiren açık kaynaklı bir yazılım aracıdır. VOLK, Linux Çekirdeğinin Vektör İçin Optimize Edilmiş kitaplığıdır. Armadillo, C++ için yüksek kaliteli bir doğrusal cebir kitaplığıdır. Başka bir Gnu Radio terimi olan akış grafiği, blokların işlevsel bütünlüğünü oluşturan projenin tüm durumunu tanımlar. Bir bloğun çıkış değeri başka bir bloğun giriş referansı olabilir. Kaskad bloklarının nihai çıkış parametreleri, frekans grafikleri veya zaman grafikleri ile de görüntülenebilir. Tez kapsamında giriş olarak iki farklı sinyal kaynağı kullanılmıştır. İlk kaynak, uyarlanabilir filtrelerle gürültü gidermeyi daha net göstermek için seçilen Kosinüs dalga biçimindeki bir sinyal kaynağıdır. Sinyal kaynağına Gauss gürültüsü eklenir. Gürültülü sinyal, Uyarlamalı filtrenin girişinden önce bir kısma bloğundan geçirilir. Throttle bloğu, örneklerin üretildiği hızı sınırlamak için doğrudan kaynağın çıkışına eklenir. Noise-correlation referans sinyali elde edilemediğinden, gürültülü sinyal desimasyon FIR filtresinden geçirilir ve adaptif filtrenin referans girişine gecikmeli olarak eklenir. Gecikme eklenmesinin nedeni, QT GUI Time Sink ile gürültü giderme işlemini kolayca gözlemleyebilmektir. Zaman alanı grafik bloğunun üç girişi vardır; gürültü sinyali, uyarlamalı filtrenin çıkışı ve hata değerleri. Başka bir sinyal kaynağı olarak APCO radyodan yapılan yayını dinlemek için oluşturulan HackRF One SDR bloğu akış grafiğine eklenmiştir. Telsiz ile aynı olması için örnekleme hızı 32 Khz, dinlenen merkez frekansı 150.55 MHz seçilmiştir. Osmocom kaynak çıkışına, farklı frekanslarda çalışan DSP sistemleriyle arayüz oluşturmak için kullanışlı bir Rational Resambler eklendi. Alçak geçiren filtre, istenen sinyalin izlenebilmesi için düşük frekansları geçirip yüksek frekansları bloke ederek çalışır. WBFM Receiver ise gürültü sinyal üzerine bindirilmeden hemen önce taşıyıcı sinyali ve bilgi sinyalini demodüle etmeyi amaçlar, ardından bilgi sinyali bir sonraki bloğa ilerler. Bahsedilen akış grafiği oluşturulduktan sonra her filtre için deney gerçeklenmiş ve sonuçlar elde edilmiştir. Kamu telsiz spektrumundaki gürültüyü gidermek için beş filtre incelenmiş ve tüm filtrelerin gürültü engellemede başarılı olduğu görülmüştür. Ancak, algoritma parametreleri, yakınsama oranları ve matematiksel karmaşıklık göz önüne alındığında, gürültü engellemede her filtrenin belirli avantajları ve dezavantajları vardır. İterasyona göre yakınsama oranı en yüksek algoritmanın radyo gürültüsünü ortadan kaldırırken QRD-RLS olduğu, zaman domeninde ise hata grafiği değerinin en yüksek olduğu görülmektedir. İkinci hızlı yakınsama gözlenen algoritma, IQRD-RLS ile RLS idi. Bu algoritmaları NLMS ve son olarak LMS algoritması takip etmektedir. Özyinelemeli en küçük kareler tipi algoritmalar hata karşılaştırma ve yakınsama hızında daha başarılı olmasına rağmen hesaplama maliyetleri diğer filtrelere göre daha yüksektir. Hesaplama maliyeti en yüksek olan algoritma RLS olup, bunu IQRD-RLS ve ardından QRD-RLS takip etmektedir. NLMS algoritması, QRD-RLS' e kıyasla daha az hesaplama maliyeti oluşturur. LMS, algoritmanın en düşük hesaplama maliyeti ve basitliği ile avantaja sahiptir. Hata performansı, yakınsama oranı ve hesaplama maliyeti parametreleri göz önüne alındığında, IQRD-RLS' in genel radyo spektrumundaki gürültüyü gidermede diğer filtrelerden biraz önde olduğu söylenebilir.

Özet (Çeviri)

Along with the radios invented with the beginning of wireless communication studies, radio communication has been one of the preferred communication methods in every period. The main motivations in its preference are that it does not need high infrastructure installation and maintenance costs, and its mobility is high. Radio usage areas have expanded over time and today it has become the choice of disaster relief agencies, firefighters, and law enforcement. Noise may occur in the public radio spectrum for various reasons such as weather, reflection, refraction, diffraction, absorption, polarization, and scattering which adversely affects the communication quality. Recent studies have shown that noise canceling adaptive filter algorithms can be used to eliminate noise and improve communication quality. The advantages and disadvantages of various adaptive filter algorithms can directly affect their noise canceling performance. In previous studies, it was emphasized that the parameters of the filters affect variables such as iteration rate, convergence performance, computational complexity. In this thesis, the parameters of five adaptive filter algorithms used in noise cancellation are examined and determined. These algorithms are noise canceling performances in public radios are analyzed and their suitability is discussed and compared. The public radio communication systems that have been examined are based on digital systems, which are a newer system compared to the analog radio communication system. The advantages of digital systems can be listed as providing reliable and fast data communication, communication of all public groups over a single infrastructure, and more effective use of frequency resources. Digital systems are actively used throughout the world and in our country. In Europe, TETRA (Terrestrial Trunked Radio) and TETRAPOL are used as Project-25 (APCO-25) in the United States and EDACS (Enhanced Digital Access Communication System) in Canada. In Turkey, on the other hand, since the radio systems used by law enforcement officers used in the public are created independently from each other, even if there are coordination problems, ease of use has been provided with the dissemination efforts in recent years. Aselsan brand 4700 handheld radio model with APCO support was used for the experimental environment and the same transmission frequency was chosen for fair performance analysis in all adaptive filters. Open source HackRf One software defined radio is used as the receiver circuit. Among the filters used, the LMS algorithm is widely used due to its simplicity. However, it has a very slow convergence rate. The NLMS algorithm offers better convergence than LMS and the noise removal performance is better. The RLS algorithm offers a faster convergence scheme. RLS algorithms create less errors than LMS algorithms. However, the computational cost and CPU usage are higher. QRD-RLS and IQRD-RLS algorithms optimize the instability in RLS as they perform QR decomposition directly on the correlation matrix of the input signal compared to RLS.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    395512

    Noise cancellation using adaptive filter algorithms

    Uyarlamalı filtre uygulamalarının kullanılması ile gürültünün yok edilmesi

    OMAR MOHYALDEEN ALMALLAHMED

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolÇankaya Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MÜSLİM BOZYİĞİT

  2. Tez No

    453504

    Robust adaptive learning approach of artificial neural networks

    Yapay sinir ağları için sağlam adaptif öğrenme yaklaşımı

    ALAA ALI HAMEED HAMEED

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSelçuk Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. BARIŞ KOÇER

  3. Tez No

    139809

    NLMS algoritması ile uyarlamalı gürültüden arındırıcı

    Adaptive noise cancellation with NLMS algorithm

    ULAŞ GÜNTÜRKÜN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2003

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ÜNAL KÜÇÜK

  4. Tez No

    400231

    Recursive inverse adaptive filtering techniques and applications

    Başlık çevirisi yok

    MOHAMMAD MUSTAFA SHUKRİ AHMAD

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiDoğu Akdeniz Üniversitesi-Eastern Mediterranean University

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AYKUT HOCANIN

    PROF. DR. OSMAN KÜKRER

  5. Tez No

    46986

    Özyineli en küçük kare kafes algoritması kullanarak kanal dengeleme

    Başlık çevirisi yok

    RECEP TÜRK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1995

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Y.DOÇ.DR. SONER ÖZGÜNEL

Geri Dön