MATLAB ile Sınırsız İletişim Sistemlerinin Simülasyonu (Dr Shehata) Eğitimi

• Bu kursun sonuçları
Kursun tamamlanmasından sonra öğrenci, iletişim mühendisliği alanındaki şu an açık olan birçok araştırma sorununa girişebilmelidir çünkü en az aşağıdaki becerileri kazanmış olmalıdır:

• İletişim mühendisliği literatüründe sıkça karşılaşılan karmaşık matematiksel ifadeleri haritalamayı ve manipüle etmeyi bilen.

• MATLAB'in sunulan programlama yeteneklerini kullanarak diğer makalelerdeki benzetim sonuçlarını yeniden üretme veya en azından bu sonuçlara yaklaşma becerisini kazanmış olmalıdır.

• Kendi önerilen fikirlerinin benzetim modellerini oluşturabilmesi.

• Kazandığı benzetim yeteneklerini MATLAB'in güçlü kapasiteleriyle birlikte etkin şekilde kullanarak, kod çalıştırma süresinde optimize edilmiş ve bellek alanını tasarruf eden MATLAB kodları tasarlamayı bilen.

• Verilen bir iletişim sisteminin temel benzetim parametrelerini belirlemeyi, sistem modelinden çıkarmayı ve bu parametrelerin incelenmesini gerçekleştirebilme yeteneğine sahip olmalıdır.

• Kurs Yapısı

Kurs içinde sunulan malzeme oldukça ilişkilidır. Öğrencinin bir düzeyi tam anlamıyla anlayıp, kazanılan bilginin devam etmesini sağlamak için ondan önceki düzeyi izlemesi önerilmezse kursun belirli bir düzeyine katılmaması tavsiye edilir. Kurs, MATLAB programlama girişinden başlayarak tam sistem benzetimine kadar üç düzeyle düzenlenmiştir.

Düzey 1: MATLAB ile İletişim Matematiği
Bölüm 01-06

Bu bölümün tamamlanmasından sonra öğrenci karmaşık matematiksel ifadeleri değerlendirebilir ve zaman ve frekans örtüsü çizimleri; hata oranı (BER) çizimleri, planar anten ışınım desenleri gibi farklı veri temsillerini oluşturabilir.

Temel kavramlar

1. Benzetimin kavramı
2. İletişim mühendisliğinde benzetimin önemine
3. MATLAB'in bir benzetim ortamı olarak kullanımı
4. İletişim matematiğinde skaler sinyallerin matris ve vektör temsili hakkında bilgi
5. MATLAB'da karmaşık bazband sinyallerin matris ve vektör temsilleri

MATLAB masaüstü

6. Araç çubuğu
7. Komut penceresi
8. Çalışma alanı
9. Komut tarihi

Değişken, vektör ve matris bildirimi

10. MATLAB önceden tanımlanmış sabitleri
11. Kullanıcı tanımlı değişkenler
12. Diziler, vektörler ve matrisler
13. El ile matris girişi
14. Aralık belirtimi
15. Lineer uzay
16. Logaritmik uzay
17. Değişken isimlendirme kuralları

Özel matrisler

18. Birler matrisi
19. Sıfırlar matrisi
20. Birim matris

Elemanlar ve matris işlemleri

21. Belirli elemanlara erişim
22. Elemanları değiştirme
23. Seçik elemanların kaldırılması (Matris kısaltması)
24. Eleman, vektör veya matris ekleme (Matris birleştirme)
25. Bir vektör veya matristeki bir elemanın indeksini bulma
26. Matris şekillendirme
27. Matris kısaltması
28. Matris birleştirme
29. Soldan sağa ve sağdan sola çevirme

Birli matris operatörleri

30. Toplam operatörü
31. Beklenen değer operatörü
32. Minimum operatörü
33. Maksimum operatörü
34. İncelemeli toplam operatörü
35. Matris determinantı |.|
36. Matris tersi
37. Matris transpozesi
38. Matris Hermitian'i
39. … vb.

İkili matris işlemleri

40. Aritmetik işlemler
41. İlişkisel işlemler
42. Mantıksal işlemler

MATLAB'da karmaşık sayılar

43. Geçiş bant sinyallerinin kompleks bazband temsili ve RF yukarı dönüştürme, matematiksel bir gözden geçirme
44. Karmaşık değişkenler, vektörler ve matrisler oluşturma
45. Karmaşık üstel fonksiyonlar
46. Gerçek değer operatörü
47. Sanal değer operatörü
48. Eş conjugate operatörü (.)*
49. Mutlak değer operatörü |.|
50. Faz veya argüman operatörü

MATLAB yerleşik fonksiyonları

51. Vektör vektör ve matris matrisi
52. Karekök fonksiyonu
53. İşaretleme işlevi
54. "Tamsayıya yuvarlama" işlevi
55. "En yakın alt tamsayı işlevi"
56. "En yakın üst tamsayı işlevi"
57. Faktöriyel işlevi
58. Logaritmik fonksiyonlar (exp, ln,log10,log2)
59. Trigonometrik fonksiyonlar
60. Hiperbolik fonksiyonlar
61. Q(.) işlevi
62. erfc(.) işlevi
63. Bessel işlevleri Jo (.)
64. Gamma işlevi
65. Diff, mod komutları

MATLAB'da polinomlar

66. MATLAB'daki polinomlar
67. Rasyonel fonksiyonlar
68. Polinom türevleri
69. Polinom integralleri
70. Polinom çarpımı

Doğrusal ölçekli çizimler

71. Sürekli zaman-sürekli amplitud sinyallerinin görsel temsilleri
72. Basamak yaklaşım sinyallerinin görsel temsilleri
73. Kesikli zaman-kesikli amplitud sinyallerinin görsel temsilleri

Logaritmik ölçek çizimleri

74. dB-ondalık çizimler (BER)
75. ondalık-dB çizimleri (Bode grafikleri, frekans yanıt, sinyal spektrumu)
76. ondalık-ondalık çizimler
77. dB-doğrusal çizimler

2D kutupsal çizimler
78. (planar anten ışınım desenleri)

3D Çizimler

79. 3D ışınım desenleri
80. Karteziyen parametrik çizimler

Tamamlanabilir Optional Bölüm (öğrencilerin talebi üzerine sunulur)

81. MATLAB'da sembolik türev ve sayısal fark hesaplaması
82. MATLAB'daki sembolik ve sayısal integrasyonlar
83. MATLAB yardım ve belgeleme

MATLAB dosyaları

84. MATLAB betik dosyaları
85. MATLAB işlev dosyaları
86. MATLAB veri dosyaları
87. Yerel ve küresel değişkenler

MATLAB'da döngüler, koşullar, akış kontrolü ve karar alma

88. for end döngüsü
89. while end döngüsü
90. if end koşulu
91. if else end koşulları
92. switch case end deyimi
93. Yinelemeler, yakınsama hataları ve çok boyutlu toplam operatörleri

Giriş ve çıkış görüntüleme komutları

94. input(' ') komutu
95. disp komutu
96. fprintf komutu
97. Mesaj kutusu msgbox

Düzey 2: Sinyal ve Sistem Operasyonları (24 saat)
Bölüm 07-14

Bu bölümün ana hedefleri şunlardır:

• Farklı iletişim sistemlerinin performansını test etmek için gereken rastgele test sinyallerini oluşturma.

• Kapsamlı bir iletişim işlevi gerçekleştirmek için transmitter'da (ve alıcıda karşılıkları) kodlayıcılar, rastgeleleştiriciler, karıştırıcılar, yayma kod üreticileri gibi birçok temel sinyal işleme fonksiyonunu uygulama.

• Bu blokların doğru bir şekilde bağlantı kurulmasıyla iletişim işlevini sağlamak.

• Deterministik, istatistiksel ve yarı-rastgele iç ve dış genleşik yolları modelleme ve benzetim.

Kommunikasyon test sinyallerinin oluşturulması

98. Rastgele ikili dizi oluşturma
99. Rastgele tamsayı dizileri oluşturma
100. Metin dosyalarının içe aktarılması ve okunması
101. Ses dosyalarının okunması ve oynatılması
102. Görüntülerin içe ve dışa aktarılması
103. Görüntünün 3D matris olarak kullanımı
104. RGB'den gri tonlama dönüşümü
105. 2B gri tonlamalı görüntü için seri bit akışı
106. Görüntü sinyallerinin alt çerçevelendirmesi ve yeniden oluşturma

Sinyal işleme ve manipülasyonu

107. Amplitud ölçeklendirme (gain, azaltma, amplitud normalizasyon... vb.)
108. DC seviyesi kaydırma
109. Zaman ölçeklendirme (zaman sıkıştırma, genişleme)
110. Zaman kaydı (zaman gecikmesi, zaman ilerlemesi, sola ve sağa çevrili zaman kaydı)
111. Sinyal enerjisini ölçme
112. Enerji ve güç normalizasyonu
113. Enerji ve güç ölçeklendirme
114. Seri-parallel ve parallel-seri dönüşümü
115. Multiplexing ve demultiplexing

Analog sinyallerin dijitalizasyonu

116. MATLAB'da sürekli zaman bazband sinyallerinin zaman etki alanındaki örneklemesi
117. Analog sinyallerin amplitud quantizationı
118. Kuantize edilmiş analog sinyallerin PCM kodlaması
119. Ondalık-tamsayı ve tamsayı-ondalık dönüşümü
120. Dalga şekli şekillendirme
121. Uygun dalga genişliğini hesaplama
122. Bir dalga başına örnek sayısı seçimi

123. conv ve filter komutları ile konvolüsyon
124. Zaman sınırlı sinyallerin otokorelasyonu ve krosseleksiyonu
125. Hızlı Fourier dönüşümü (FFT) ve IFFT işlemleri
126. Bazband sinyal spektrumunun görüntülenmesi
127. Örnek frekansının etkisi ve uygun frekans penceresinin belirlenmesi
128. Konvolüsyon, korelasyon ve FFT işlemlerinin ilişkileri
129. Frekans alanındaki filtreleme, sadece düşük geçiren filtreler

Yardımcı iletişim fonksiyonları

130. Rastgeleleştiriciler ve rastgeleleştirme kaldırıcılar
131. Punktörler ve puncting kaldırıcılar
132. Kodlayıcılar ve kod çözücüleri
133. Karıştırıcılar ve karıştırma kaldırıcılar

Modülatörler ve demodülatörler

134. MATLAB'daki digital bazband modülasyon şemaları
135. Dijital olarak modülasyonlu sinyallerin görsel temsilleri

Kanal Modelleme ve Benzetimi

136. Kanalın gönderilen sinyale etkisini matematiksel modelleme.

• Toplama – toplam beyaz Gauss gürültülü kanallar (AWGN)
• Zaman etki alanında çarpma – yavaş kaybolan kanallar, araç kanallarındaki Doppler kayması
• Frekans etki alanında çarpma – frekans seçici kaybolan kanallar
• Zaman etki alanında konvolüsyon – kanal tepki sinyali

Temel kanal modelleri örneği

137. Uzaysız yol kayması ve çevreye bağlı yol kayması
138. Dönemeç engelleme kanalları

Ortak istasyoner ve yarı-istasyoner çok yolları kaybolan kanalların istatistiksel tanımlama

139. Homojen dağılıma sahip RV oluşturma
140. Gerçek değerli Gauss dağılıma sahip RV oluşturma
141. Karmaşık Gauss dağılıma sahip RV oluşturma
142. Rayleigh dağılıma sahip RV oluşturma
143. Ricean dağılıma sahip RV oluşturma
144. Lognormal dağılıma sahip RV oluşturma
145. İstenen herhangi bir dağılıma sahip RV oluşturma
146. Bir RV'nin bilinmeyen olasılık yoğunluk fonksiyonunun (PDF) histogram ile yaklaşımı
147. Bir RV'nin kümülatif dağılım fonksiyonunun (CDF) sayısal hesaplanması
148. Gerçek ve karmaşık toplam beyaz Gauss gürültülü kanallar (AWGN)

Kanal Karakterizasyonu ile Güç Gecikme Profili

149. Kanalın güç gecikme profiliyle karakterizasyonu
150. PDP'nin güç normalizasyonu
151. PDP'den kanal tepki sinyali çıkarılması
152. Bir kanal tepki sinyalinin gelişigüzel örnek frekansıyla örneklenmesi, uyumsuz örneklem ve gecikme nicelendirme
153. Genleşik yolları kanalların kanal tepki sinyali için uyumsuz örneklemenin sorunu
154. PDP'nin gelişigüzel bir örnek frekansıyla örneklenmesi ve kesirli gecikme düzeltmesi
155. IEEE standartlı iç ve dış kanal modellerinin uygulanması
156. (COST – SUI - Ultra genleşik yolları Kanal Modelleri... vb.)

Düzey 3: Pratik İletişim Sistemlerinin Bağlantı Seviyesinde Benzetimi (30 saat)
Bölüm 15-24

Kursun bu bölümü, araştırma öğrencileri için en önemli sorunlardan birine ilgi gösteriyor yani diğer yayımlanan makalelerin benzetim sonuçlarını nasıl yeniden üretme.

Baseband Digital Modülasyon Şemalarının Hata Oranı Performansı

1. AWGN kanallarında farklı baseband digital modülasyon şemalarının performans karşılaştırması (Teorik ifadeleri doğrulamak için benzetim üzerinden kapsamlı bir karşılaştırma çalışması); yaylı gösterimler, bit hata oranı
2. İstatistiksel ve yarı-istatistiksel kaybolan kanallarda farklı baseband digital modülasyon şemalarının performans karşılaştırması; yaylı gösterimler, bit hata oranı (Teorik ifadeleri doğrulamak için benzetim üzerinden kapsamlı bir karşılaştırma çalışması)
3. Doppler kayma kanallarının baseband digital modülasyon şemalarının performansına etkisi; yaylı gösterimler, bit hata oranı

Helikopter-Satellite İletişimi

4. Makale (1): Havacılık Mobil Uzay Hizmeti (AMSS) için düşük maliyetli gerçek zamanlı ses ve veri sistemine giriş – Sorun tanımı ve analizi
5. Makale (2): Helikopter uydu iletişimleri için hassas AFC ile pre-detection zaman çeşitliliği birleştirmesi – İlk önerilen çözüm
6. Makale (3): Helikopter-uydu iletişimleri için uyarlanabilir modülasyon şeması – Performans iyileştirme yaklaşımı

Genleşen Spektrum Sistemlerinin Benzetimi

1. Genleşen spektrum tabanlı sistemlerin tipik mimarisini ele alır
2. Doğrudan dizi genleşen spektrum tabanlı sistemleri
3. Pseudo rastgele ikili diziler (PBRS) üreteçleri
• Maksimal uzunluk dizilerinin oluşturma
• Altın kodların oluşturulması
• Walsh kodlarının oluşturulması

4. Zaman atlama genleşen spektrum tabanlı sistemler
5. AWGN kanallarda genleşen spektrum tabanlı sistemlerin bit hata oranı performansı
• Kodlama hızı r'nin etkisi
• Kodun uzunluğunun etkisi

6. Çok yolları yavaş Rayleigh kaybolma kanalları ile sıfır Doppler kayması durumundaki genleşen spektrum tabanlı sistemlerin bit hata oranı performansı
7. Yüksek hareketlilikteki kaybolma ortamlarında genleşen spektrum tabanlı sistemlerin bit hata oranı analizi
8. Çok kullanıcı interferansının varlığında genleşen spektrum tabanlı sistemlerin bit hata oranına etkisi
9. Spread spectrum sistemleri üzerinden RGB resim aktarımı
10. Optical CDMA (OCDMA) sistemleri
• Optik dikdörtgen kodları (OOC)
• OCDMA sistemlerinin performans sınırları ;yaygın ve asenkron OCDMA sistemlerin bit hata oranı performansı

Ultra genleşen spektrum SS sistemleri

OFDM tabanlı sistemler

11. Hızlı Fourier dönüşümünü kullanarak OFDM sistemlerinin uygulanması
12. OFDM tabanlı sistemlerin tipik mimarisi
13. AWGN kanallarda OFDM sistemlerinin bit hata oranı performansı
• Kodlama hızı r'nin etkisi
• Döngü ön ek (cyclic prefix) etkisi
• FFT boyutu ve alt karaşı ayarlarının etkisi

14. Çok yolları yavaş Rayleigh kaybolma kanalları ile sıfır Doppler kayması durumundaki OFDM sistemlerinin bit hata oranı performansı
15. OFDM sistemlerinde frekans farklılığı kaynaklı hatalar (CFO) durumundaki bit hata oranının performans analizi
16. OFDM sistemlerinde kanal tahmini
17. OFDM sistemlerde frekans etki alanında eşitleme
• Sıfır Zorlama Eşitleyici (Zero Forcing Equalizer)
• Ortak Karesel Azaltıcı Eşitleyici (MMSE Equalizers)
18. OFDM tabanlı sistemlerde diğer yaygın performans ölçümleri (Dereceli-Orta Güç Oranı, Taşıyıcı-Ara Bozucu Güç Oranı... vb.)
19. Yüksek hareketlilikteki kaybolma ortamlarında OFDM tabanlı sistemlerin performans analizi (üç makale içeren bir benzetim projesi olarak)
20. Makale (1): Çevresel dalga interferansının azaltılması
21. Makale (2): MIMO-OFDM Sistemleri

MATLAB Benzetimi Projesinin Optimizasyonu

Bu bölümün amacı, genel benzetim sürecini basitleştirmek ve düzenlemek için MATLAB benzetim projesi nasıl oluşturulup optimize edileceği öğrenmektir. Ayrıca bellek alanı ve işlem hızı da birincil hafızalı sistemlerde bellek aşımları veya yavaş işlemlerden kaynaklanan uzun çalışma süreleri gibi sorunların önüne geçmek için göz önünde bulundurulmalıdır.

1. Küçük ölçekli benzetim projesinin tipik yapısı
2. Benzetim parametrelerinin çıkarılması ve teorik-benzetim eşleme
3. Bir benzetim projesi oluşturma
4. Monte Carlo benzetimi tekniği
5. Tipik bir benzetim projesini test etme yolu
6. Bellek alan yönetimi ve benzetim süresinin azaltma teknikleri
• Baseband vs. Passband Benzetimi
• Daha önce belirtildiği gibi kesilmiş rastgele dalga şekilleri için uygun dalga genişliğinin hesaplanması
• Sembol başına uygun örnek sayısı hesaplama
• Bir sistem test etmek için gereken ve yeterli bit sayısının hesaplanması

Grafiksel Kullanıcı Arayüzü (GUI) Programlama

Bir MATLAB kodunun hata içermeden doğru sonuçlar üretmesi, bir başarıdır. Ancak bir benzetim projesinde kontrol edilecek önemli parametreler bir dizi komutla dolu uzun kaynak kodlara dalınmak yerine GUI programlaması hakkında ek bir derste bahsedilmiştir. Ayrıca MATLAB kodunuzun GUI ile gizlenmesi, çalışmalarınızı çoklu sonuçları tek ana pencerede birleştirip verilerin karşılaştırılmasını kolaylaştıran bir şekilde sunmanıza yardımcı olur.

1. MATLAB GUI'nin ne olduğu
2. MATLAB GUI işlev dosyasının yapısı
3. Ana GUI bileşenleri (önemli özellikler ve değerler)
4. Yerel ve küresel değişkenler

Açıklama: Bu kursun her düzeyinde kapsanan konular, belirtilenlerden sadece sınırlı değildir. Ayrıca her bir dersin içeriği, öğrencilerin ihtiyaçlarına ve araştırma ilgi alanlarına bağlı olarak değişebilir.