| dc.contributor.advisor | Toker, Cenk | |
| dc.contributor.author | Kabasakal, Mehmet | |
| dc.date.accessioned | 2018-07-31T08:54:04Z | |
| dc.date.available | 2018-07-31T08:54:04Z | |
| dc.date.issued | 2018-07 | |
| dc.date.submitted | 2018-06-28 | |
| dc.identifier.citation | Kabasakal, M. Darbant ve Genişbant Sanal İyonosonda İçin Sinyal İşleme Teknikleri | tr_TR |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11655/4742 | |
| dc.description.abstract | One of the mostly used band for long range communication is High Frequency (HF)
band. Radio waves in the HF band range (3 − 30 MHz) are reflected from ionosphere
which is one of the layers of atmosphere. So, a communication link can be set between
two nodes which are thousands of kilometers away from each other. Hence, it is
important to characterize the ionosphere state of which depends on date, time, location,
sun activities etc. Ionosondes are used for this purpose. Ionosondes can be considered
as HF band radar, so the ionospheric layer heights can be calculated by measuring
the time delay between transmitted and received signals through the relation between
critical frequencies and reflection heights.
The construction of ionosonde stations are costly and requires special expertise. That’s
why, there are limited number of stations around the world and they are sparsely
distributed. So, there are still some blind zones. To compansate the missing data for blind
zones, tomographical methods using satellites and interpolation methods through earth
measurement points are utilized. In this thesis, this problem is handled by considering
ionosonde operation and the steps of ionosonde operations are realized in simulation
environment. Hence, 3D ray tracing, ITS channel model and IRI-Plas estimation tools
are integrated together to construct an ionosonde structure. Total Electron Content
(TEC), hmF2 and foF2 values are fed into IRI-Plas to improve the electron density estimation results. The ionosonde structure results are compared with the real ionosonde
measurement results for ionospheric stormy and calm days. The results show that, as
long as the ionosonde structure is fed by true hmF2, foF2 values, it is possible to take
similar results with real ionosonde measurements in terms of ionogram shape, layer
heights and maximum usable frequency (MUF) results.
Another problem about ionosondes is their high output power (i.e. around 100 − 600
W) and frequency sweep due to their narrow instantaneous bandwidth. Sweeping a
large band in HF with relatively high output power is a problem for other HF band
users, since it produces interference for other users. So in this thesis, wideband waveforms (1 MHz bandwidth), ITS channel model and time frequency analysis methods
are utilised to costruct ionogram trace with relatively low output power (20 W). For this
purpose, Barker, PN and Golay codes are investigated among phase coded waveforms.
Linear Frequency Modulation (LFM), Costas coded and Non Linear Frequency Modulation (NLFM) waveforms are investigated among frequency modulated waveforms.
All waveforms are evaluated in terms of their ambiguity functions and their effects on
ionogram traces. LFM waveforms are selected because of their flat spectral view along
their bandwidth, robustness to frequency variations and availability for long duration
pulses. Wigner-Viller Distribution (WVD), Short Time Fourier Transform (STFT) and
Reassignment methods are investigated for time frequency analysis. As a result, Reassignment method is selected due to its high resolution, distinction capability and cross
term features. In the simulations, the current narrowband ionosonde waveforms and
operations are compared with those of the proposed wideband method. The results
show that, for low SNR values the proposed method performs better than the current
narrowband method. One more comparison is performed for ionogram construction
durations and it is concluded that, wideband method is able to construct the ionogram
trace in 20 − 70 ms. As a result, it is shown that, in order to construct ionogram traces
with low output power, without interfering other HF band users and in very short time
duration is possible by using the proposed wideband method. This result emphasizes
that it can be easily adapted to track sudden changes in the ionosphere, especially for
stormy ionospheric days when rapid changes occur. | tr_TR |
| dc.description.tableofcontents | ÖZET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
ABSTRACT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv
TEŞEKKÜR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
İÇİNDEKİLER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii
ŞEKİLLER. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
ÇİZELGELER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
SİMGELER VE KISALTMALAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviii
SÖZLÜK DİZİNİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xx
1. GİRİŞ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1. Motivasyon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2. Literatürde Yer Alan Çalışmalar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3. Tez Çalışmasının Literatüre Katkıları . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2. İYONOSFER ÖZELLİKLERİ ve İYONOSONDALAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1. İyonosferin Özellikleri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2. İyonosondalar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1. İyonosondaların Tarihsel Gelişimi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.2. İyonosondaların Çalışma Prensipleri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.2.1. Darbeli İyonosonda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.2.2. Frekans Modülasyonlu İyonosonda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3. DARBANT İYONOSONDA BENZETİM ORTAMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1. Giriş . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2. Kullanılan Araçlar ve Yöntemler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.1. ITS Kanal Modeli. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.1.1. Gecikme Güç Profili. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.1.2. Belirlenimci Faz Fonksiyonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.1.3. Rasgele Modülasyon Fonksiyonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.2. IRI-Plas Modeli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.3. Üç Boyutlu (3B) Işın İzleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.4. İyonogram Oluşturma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.4.1. Aşama 1: Yol Özelliklerinin Hesaplanması . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.4.2. Aşama 2: Parametre Çıkarımı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.4.3. Aşama 3: Kanal Oluşturma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.4.4. Aşama 4: Analiz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3. Benzetim Çalışmaları ve Yorumlar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.4. Sonuç . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4. GENİŞBANT İYONOSFERİK KANAL KESTİRİMİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.1. Giriş . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2. Kullanılan Araçlar ve Yöntemler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.1. Kanal Modeli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.2. Geniş Bant İyonosferik Kanal Kestirimi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2.2.1. Yaklaşım . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2.2.2. Sistem Tanıma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.2.3. Kanal Kestirim Geometrisi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2.2.4. Bağ Bütçe Analizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2.3. Dalgaşekli İncelemeleri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.2.3.1. Faz Kodlu Dalga Şekilleri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2.3.2. Frekans Modülasyonlu Dalga Şekilleri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.2.3.3. Genişbant İyonosferik Kanal Kestirimi için Dalga Şeklinin Belirlenmesi118
4.2.4. Zaman Frekans Analiz Yöntemleri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.2.4.1. Wigner-Ville Dağılımı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.2.4.2. Kısa Süreli Fourier Dönüşümü . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.2.4.3. Yeniden Atama Yöntemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.3. Benzetim Çalışmaları ve Yorumlar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.4. Sonuç . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5. SONUÇ ve GELECEK ÇALIŞMALAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
KAYNAKLAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
EK-1: ITS KANAL MODELİ GECİKME GÜÇ PROFİLİ HESABI . . . . . . . . . . . 172
ÖZGEÇMİŞ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 | tr_TR |
| dc.language.iso | tur | tr_TR |
| dc.publisher | Fen Bilimleri Enstitüsü | tr_TR |
| dc.rights | info:eu-repo/semantics/openAccess | tr_TR |
| dc.subject | HF Bandı | |
| dc.subject | İyonosfer | |
| dc.subject | İyonosonda | |
| dc.subject | İyonogram | |
| dc.subject | IRI-Plas | |
| dc.subject | Zaman Frekans Analizi | |
| dc.subject | Kanal Kestirimi | |
| dc.title | Darbant ve Genişbant Sanal İyonosonda için Sinyal İşleme Teknikleri | tr_TR |
| dc.type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis | tr_TR |
| dc.description.ozet | Uzak mesafelerle haberleşme yapmak için sıklıkla kullanılan bantlardan biri Kısa Dalga
(KD) bandıdır. KD bandı frekans aralığındaki (3−30 MHz) radyo dalgalarının, atmosferin tabakalarından biri olan iyonosfer tabakasından yansıyarak yeryüzüne ulaşması
neticesinde, binlerce km uzaklıktaki iki nokta arasında iletişim gerçekleştirilebilmektedir. Bu sebeple, zamana, konuma, güneş aktiviteleri vb. etkilere bağlı olarak değişken
özelliklere sahip olan iyonosfer tabakasının iyi karakterize edilmesi önemlidir. Bu
amaçla iyonosonda adı verilen cihazlar kullanılmaktadır. İyonosondalar, KD bandında
çalışan bir tür radar olarak değerlendirilebilmektedir. İyonosferik katmanların kritik
frekansları ve yansıma yükseklikleri arasındaki ilişki kullanılarak, iyonosondalar tarafından oluşturulan sinyaller, iyonosfer tabakasına gönderilerek, alınan ve gönderilen
sinyal arasındaki zaman farkı üzerinden iyonosferik katman yüksekliklerini hesaplanmaktadır.
İyonosonda istasyonlarının kurulumu maliyetlidir ve işletilmeleri belirli bir uzmanlık
gerektirmektedir. Bu nedenle, dünya üzerinde belirli bölgelerde yoğunlaşmış, sınırlı
sayıda istasyon bulunmaktadır. Dolayısıyla, ölçüm sonucu alınamayan noktalar bulunmaktadır. Bu eksikliği gidermek adına, uydularla gerçekleştirilen tomografik ölçüm
yöntemleri ve yer ölçüm noktaları arası aradeğerleme yaklaşımları ile ölçüm alınamayan noktalar için veri oluşturulmaktadır. Tez çalışmaları kapsamında, bu problem onosonda operasyonu açısından ele alınmış ve iyonosonda operasyonunda gerçekle-
şen aşamalar benzetim ortamına aktarılmıştır. Bu amaçla, 3B ışın izleme yöntemi, ITS
kanal modeli ve IRI-Plas iyon yoğunluğu kestirim araçları bir araya getirilerek entegre
bir şekilde kullanılmıştır. IRI-Plas ile oluşturulan iyon yoğunluğu profilleri, TEİ, hmF2,
foF2 verileri ile beslenerek iyileştirilmiş ve oluşturulan iyonosonda benzetim altyapısı,
iyonosferik fırtınalı ve sakin günler için gerçek iyonosonda ölçümleri ile karşılaştırılmıştır. Sonuçta, oluşturulan benzetim altyapısı, gerçek ölçümlere yakın hmF2 ve foF2
değerleri ile beslenebildiği sürece, hem fırtınalı hem de sakin günlerde, iyonogram
şekli, katman yükseklikleri ve en büyük kullanılabilir frekans değerleri anlamında,
iyonosonda ölçüm sonuçları ile benzer sonuçların alınabildiği görülmüştür.
İyonosondalarla ilgili bir diğer problem, 100 − 600 W mertebelerinde çıkış güçlerine
sahip olmaları ve anlık dar bir bantgenişliğinde çalıştıklarından, sonuç oluşturmak için
belirli bir frekans bandını taramalarıdır. Yüksek çıkış gücü ile frekans bandının taranması, halihazırda kalabalık bir spektruma sahip olan KD bandı için istenmeyen bir
durum oluşturmaktadır. Tez çalışmaları kapsamında, genişbant (1 MHz bantgenişliği)
dalgaşekilleri, ITS kanal modeli ve zaman frekans analiz yöntemleri kullanılarak, iyonosonda çıktısı olan iyonogram verisinin düşük çıkış gücüyle (20 W) üretilebileceği
gösterilmiştir. Bu amaçla, faz kodlu dalgaşekillerinden Barker, PN, Golay, frekans modülasyonlu dalgaşekillerinden Doğrusal Frekans Modülasyonu (DFM), Costas kodlu
ve Doğrusal Olmayan Frekans Modülasyonu (DOFM) dalgaşekilleri belirsizlik fonksiyonları ve iyonogram çıktıları üzerinden karşılaştırılmıştır. İstenilen uzunlukta üretilebilmeleri, taradıkları frekans bandı içerisinde düz bir spektrum görüntüsüne sahip
olmaları ve frekans değişimlerine olan dayanıklılıkları nedeniyle DFM dalgaşekillerinin
kullanılmasına karar verilmiştir. Zaman frekans analiz yöntemleri içinse, Wigner-Ville
Dağılımı (WVD), Kısa Süreli Fourier Dönüşümü (KSFD) ve Yeniden Atama yöntemleri
incelenmiş, yüksek çözünürlük, sinyal ayırt edicilik ve çapraz terim oluşturmamaları
nedeniyle Yeniden Atama yöntemi tercih edilmiştir. Yapılan çalışmalarda, mevcut durumda kullanılan darbant iyonosonda yöntemi ve önerilen genişbant ölçüm yöntemi
benzetim ortamında farklı SNR değerlerinde karşılaştırılmış, düşük SNR seviyelerinde
genişbant ölçüm yönteminin daha yüksek başarıma sahip olduğu görülmüştür. Ayrıca her iki yöntem iyonogram oluşturma süreleri açısından karşılaştırılmış, önerilen geniş-
bant ölçüm yöntemi ile 20 − 70 ms sürede sonuç üretilebildiği gösterilmiştir. Sonuç
olarak, genişbant ölçüm yöntemi kullanılarak düşük çıkış gücüyle diğer KD bandı
kullanıcılarına girişim yaratmadan, yüksek hızlarda sonuç üretilebileceği görülmüştür.
Kısa sürelerde alınan iyonogram sonuçlarının, özellikle hızlı değişimlerin gerçekleştiği
iyonosferik fırtınalı günlerde kullanılabileceği değerlendirilmiştir. | tr_TR |
| dc.contributor.department | Elektrik –Elektronik Mühendisliği | tr_TR |
