FBE- Elektronik Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Son Başvurular
1 - 5 / 106
-
ÖgeStriatum ve bazal çekirdek devrelerinin hesaplamalı modeli(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2020)Sinirbilim çalışmaları beynin nasıl çalıştığını anlamanın yanısıra davranışın nasıl oluştuğu ve nörolojik hastalıkların nasıl ortaya çıktığı ve tedavilerinin nasıl olacağı konularını da içermektedir. Bu tez çalışmasında beynin altyapılarından striatum ve bazal çekirdek devreleri ele alınmış ve bir hesaplamalı modeli önerilmiştir. Striatum bazal çekirdek devrelerinde yer alan korteks altı yapılardandır. Striatum hareketlerin başlatılması, göz hareketleri, eylem seçimi, karar verme ve ödüle dayalı öğrenme gibi bilişsel süreçlerde yer alır. Bu işlevlerinden dolayı Parkinson, Huntington gibi motor aktivitelerdeki sorunlarla öne çıkan nörodejeneratif hastalıklar ve madde bağımlılığı, obsesif kompulsif bozukluk gibi nöropsikiyatrik rahatsızlıklar ile ilişkilidir. Striatum korteks ve talamustan aldığı bağlantılar nedeniyle bazal çekirdek devrelerinin girişi olarak kabul edilir. Striatum hücrelerinin sayısal olarak çoğunluğunu oluşturan orta boy dikensi sinir hücreleri iki ayrı yolak ile bazal çekirdek devrelerini oluştururlar. Orta boy dikensi sinir hücreleri korteks, talamus ve yerel arahücrelerden aldıkları bağlantıları striatonigral ve striatopallidal olarak adlandırılmış yolaklar ile bazal çekirdek devrelerinin farklı hedeflerine iletirler. Yerel ara hücreler, orta boy dikensi hücreler, kortikal piramidal hücreler ve diğer yerel ara hücrelerden bağlantı alırlar ve striatum hücreleri ile bağlantı kurarak striatumun iç devresini oluştururlar. Orta boy dikensi sinir hücreleri GABAerjiktir ve bağlandıkları hücreleri bastırırlar. Yerel ara hücreler GABAerjik ve kolinerjik sinir iletici taşırlar. Striatumdan çıkan iki aksonal demetin ilk kaynağı olan striatonigral hücreler D1 tipi dopamin almaçları taşırlar ve dopamin seviyesinin artması aktivitelerinin artmasına neden olur. İkinci aksonal demet ise striatopallidal hücrelerden başlar ve D2 tipi dopamin almaçları taşırlar. Dopamin seviyesinin artması ile striatopallidal hücrelerin aktivitesinde azalma görülür. Bu iki hücre grubundan başlayan yolaklar bazal çekirdek devrelerinin doğrudan ve dolaylı yolakları olarak adlandırılır. Doğrudan yolak iç pallidal/substantia nigra pars reticulata çekirdeklerle bağlantı kurarak talamusta sonlanır. Dolaylı yolak ise önce dış pallidal çekirdeğe sonra iç pallidal/substantia nigra pars reticulata çekirdeklere giderek talamusta sonlanır. Bazal çekirdek devrelerinin diğer bir girişi subtalamik çekirdek olarak değerlendirilir. Korteksten girişler alan subtalamik çekirdek, pallidal çekirdekler ile bağlantı kurar. Bu bağlantılar ise doğrudan üstü yolak (hyperdirect pathway) olarak adlandırılır. Bazal çekirdekler aynı beyin bölgesinde bulunmamalarına ve benzer yapılar olmamalarına rağmen yaptıkları yoğun bağlantılardan dolayı bir arada değerlendirilir. Bazal çekirdek devreleri işlevleri açısından beş farklı devre olarak sunulmuştur. Bu devreler hareketler, göz hareketleri, planlama ve eylem seçimi gibi dorsal striatumu içeren bazal çekirdek devreleri ile ventral striatumu içeren duygusal ve ödül devreleridir. Bu nedenle motor aktivitelere ilişkin bozukluk ve hastalıklar dorsal striatum ile ilişkilendirilirken, bağımlılık ve duygusal bozukluluklar ventral striatumda bulunan akumbens çekirdeği ile ilişkilendirilmektedir. Bu tez çalışmasında striatuma ve bazal çekirdek devrelerine ait bir hesaplamalı model sunulmuştur. Striatumda bulunan hücrelerin sinaptik bağlantıları, hücre zarı davranışları ve vuru frekansları gibi biyofiziksel özellikleri ele alınarak sinaptik akımların ve hücrelerin modelleri oluşturulmuştur. Konulan model hesaplama yükü açısından az ve birçok hücreyi birbirine bağlayabilecek basitlikte seçilmiştir. Striatumu oluşturan dorsal ve ventral tarafların farklılıkları ve özellikleri dikkate alınarak konulan modelde hücre zarı ve sinaptik akım davranışları literatür sonuçlarına uygun olarak elde edilerek verilmiştir. Dopamin sinir ileticisi hareketlere ilişkin hastalıklarda, duygusal süreçlerde ve bağımlılık gibi nöropsikiyatrik hastalıklarda önemlidir. Striatumda dopamin seviyesinin değişimi ile striatumu oluşturan hücrelerin davranışları ve senkronizasyonları gösterilmiş, frekans analizleri elde edilmiştir. Orta boy dikensi sinir hücreleri modeli oluşturulurken, hücrelerin ventral veya dorsal striatumda bulunmaları ve farklı dopamin almaçlarına sahip olmaları dikkate alınmıştır. Ventral stritumda bulunan orta boy dikensi sinir hücrelerinin hücre zarı gerilim değerleri dorsal striatumda bulunan orta boy dikensi sinir hücrelerin hücre zarı gerilimlerine göre daha yüksektir. D1 ve D2 tipi dopamin almaçlarına sahip hücrelerin uyaran akımı vuru frekansı ilişkisi birbirinden farklıdır. Bu biyofiziksel özellikler dikkate alınarak striatum için hücre modelleri oluşturulmuştur. Orta boy dikensi hücrelerin aldıkları sinaptik bağlantılara uygun olarak sinaptik dinamikler kullanılarak sinaptik akımlar modele konulmuştur. Sinaptik akımlar sinir ileticilerin baskılayıcı veya uyarıcı olmalarına göre oluşturulmuştur. Bazal çekirdek devrelerinin doğrudan ve dolaylı yolaklarının başladığı striatumda dopamin seviyesinin değişimi bazal çekirdek devrelerinin çıkışını etkilemektedir. Dopamin seviyesinin artması ile doğrudan yolağın başlangıcını oluşturan D1 tipi striatonigral hücrelerin aktivitesi artar ve talamusta aktivite artışı olur. Dopamin seviyesi azaldığında ise dolaylı yolağın başlangıcını oluşturan striatopallidal hücrelerin aktivitesi artar. Bu yolak üzerinden talamus aktivitesi bastırılır. Dorsal ve ventral striatumu içeren bazal çekirdek devreleri modeli ve dopamin seviyesinin değişimi ile talamus aktivitesinin değişimi bazal çekirdek devreleri yolakları üzerinden gösterilebilmiştir. Bazal çekirdek devreleri modelinin sonuçları striatum modelinin sonuçları ile birlikte verilmiştir. Dorsal striatum modeli ve ventral striatum modeli ayrı ayrı ele alınarak sunulmuştur. Striatumda dopamin değişimine göre yerel alan potansiyelerinde ortaya çıkan frekans bantları gösterilmiştir. Bunun yanı sıra bazal çekirdek devrelerinin yolaklarının çalışması ve talamus aktivitesinin değişimi vuru-zaman ve vuru hızları grafikleri ile gösterilmiştir. Böylece dorsal ve ventral striatumu içeren bütüncül bir striatum modeli ve striatumu içeren bazal çekirdek devreleri literatüre uygun olarak modellenmiştir. Ayrık bazal çekirdek devreleri modeli yerine ventral devreden dorsal devreye doğru bir bilgi akışının olduğu bütünleşik bazal çekirdek devreleri modeli ile gösterilmiştir. Sinaptik akımlar seviyesinden başlanarak, sinir ileticilerin etkisi ile elde edilen sinaptik akımların tek bir hücre dinamiği üzerine etkisi gösterilmiştir. Hücrelerin biyofiziksel davranışlarına gerekli parametreler eklenerek ve dallanma analizleri yapılarak uygun matematiksel modeller kullanılmıştır. Hücre modellerinden yararlanılarak çekirdek seviyesinde modeller elde edilmiştir ve buradan devre seviyesinde modeller gerçekleştirilmiştir ve sonuçları verilmiştir. Elde edilen model farklı seviyeleri içerdiğinden, farklı seviyeden literatür verileri ile kıyaslanarak, striatum ve bazal çekirdek devrelerinin matematiksel modeli elde edilmiştir. Sunulan metametiksel modelin hesaplama yükünün az olması ile getirdiği esneklik, modelin sinirbilim çalışmalarında bilişsel süreçlerin ve hastalıkların modellenmesinde kullanılmasının yanı sıra robotik ve öğrenme gibi mühendislik çalışmalarında da kullanılabilmesini sağlayabilecektir.
-
ÖgeOtonom Araçların Yöngüdümünde PAF Tabanlı EZKH Yönteminin Geliştirilmesi(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2018)Günümüzde özellikle askeri uygulamalarda operatörsüz platform kullanımı düşüncesi yaygınlaşmış olmakla birlikte özellikle insansız ya da otonom araçlar geliştirilme amaçlarına uygun olarak verilen görevin tamamını veya bir bölümünü kendi kendine yapması beklenen araçlar olarak ortaya çıkmıştır. Bu isteği karşılayarak güvenli bir otonom yöngüdüm yapabilmenin ön koşulu ise insansız aracının konumunun doğru şekilde bilinmesidir. Günümüzde konum belirlemenin en bilinen yöntemi Küresel Uydu Yönbulum Sistemlerinin (KUYS) kullanımıdır. KUYS'nin olmadığı veya erişilemediği ortamlarda araç konumunun ya da yöngüdüm yapılan bölgenin haritasının da bilenmemesi durumunda güvenli konum belirlemek oldukça zor bir problemdir. Eş Zamanlı Konumlama ve Haritalama (EZKH) aynı anda hem platform pozisyonu hem de ortam haritası belirlenmesi yöntemine verilen addır. Son çeyrek yüzyılda ortaya çıkan EZKH problemi, 2000'li yıllardan başlayarak kara, deniz, hava araçları için araştırılmış olmakla birlikte Kalman Filtresi (KF) tabanlı Genişletilmiş Kalman Filtresi (DKF) ve Dağıtılmış Kalman Filtresi (GKF) gibi parametrik filtre yaklaşımları yanında Parçacık Filtresi (PF) gibi non-parametrik metotlardan oluşan durum tahmin yöntemleri ve model ya da grafik tabanlı üst seviye kontrol amaçlayan ve özellikle de görüntü işleyen teknikler bu kapsamda kullanılmıştır. İnsansız sistemlerin; platform-araç, sensör tipi ve kara, deniz, hava gibi ortam türü başlıklarında oldukça fazla farklılıklar göstermesi nedeniyle, EZKH probleminde genel bir bakış sağlamak için sınıflandırma (taxonomy) yoluyla performans analizi ihtiyacından bahsedilebilir. Bu çalışmada belirsizlik altında tahmin araçlarının performans analizleri ile birlikte literatürde ilk kez olarak Parçacık Akış Filtresi (PAF) tabanlı bir EZKH yapısı filtrenin matematik temelleri, filtre analizleri, otonom araç sistemi ile sensör modellerini de içerecek şekilde verilmiştir. Benzetim sonuçlarına göre parçacık akış filtresi tabanlı EZKH performansının hesaplama maliyeti nedeniyle bazı gerçek zamanlı uygulamalardaki zorluklarına rağmen literatürde daha önce yer almış diğer tahmin yöntemleriyle karşılaştırıldığında özellikle belirsizlikleri daha düşük algılayıcılar kullanan ölçüm ortamlarında parçacık filtresi yapısında ortaya çıkan dejenerasyon sorununu ortadan kaldırarak daha başarılı sonuçlar verdiği ve bu nedenle tercih edilebileceği görülmüştür.
-
ÖgeElektrokardiyogram verilerinin iyileştirilmiş yapay arı kolonisi (MABC) algoritması ile analizi(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2017)Elektrokardiyogram (EKG) işaretlerinin analizi, çeşitli kalp hastalıklarının teşhisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Normalden farklı vurular olan aritmiler, ritm bozukluğu – düzensizliği anlamına gelmektedir. Hastane ortamında kısa süreli alınan kayıtlarda ortaya çıkmayan vuru düzensizliklerinin belirlenmesi amacıyla uzun dönemli elektrokardiyogram kayıtları alınmaktadır. Bir gün süreli bir kayıtta yüz binin üzerinde vuru yer alabilmektedir. Bu şekilde çok yüksek sayıda vurunun kardiyologlar tarafından incelenmesi zahmetli ve zaman alıcı bir işlem olduğu için, bilgisayar destekli, otomatik EKG analizi yapan yöntemler geliştirilmiş ve geliştirilmeye devam etmektedir. Normal ve aritmik vuru tiplerinin analizinde çeşitli sınıflama yöntemleri kullanılmaktadır. Sınıflama, öznitelik uzayındaki örnek vektörlerinden, sınıf etiketleri kümesine haritalama yapan, denetimli (supervised) bir sistemdir. Temel olarak, önceden tanımlı sınıf etiketlerini, örnek örüntülere atama işlemini gerçekleştirmektedir Sınıflama yöntemleri arasında uzun zamandır kullanılmakta olan k-en yakın komşu (K-NN), en yakın ortalama (NMC) gibi çeşitli klasik yöntemler olduğu kadar, son yıllarda geliştirilen yeni yöntemlerin de olduğu görülmektedir. Bunlara örnek olarak, yapay sinir ağlarını esas alan öz-düzenlemeli harita (SOM) yöntemi ve karınca kolonisi optimizasyonu (ACO), yapay arı kolonisi (ABC) gibi doğadan esinlenen (nature inspired) yöntemler verilebilir. Geliştirilen yöntemlerin performanslarının değerlendirilmesi amacıyla standart bir kaynak olarak çoğu defa Massachusetts Institute of Technology – Beth Israel Hospital (MIT-BIH) veri tabanı kullanılmaktadır. Tez kapsamında da kullanılan bu veri tabanı, PhysioNet tarafından açık kaynak olarak sunulmaktadır. Yapay zekâ algoritmalarının bir alt kümesi olan doğadan esinlenen yöntemler, son birkaç on yıllık dönemde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bal arısı kolonilerinin toplumsal davranışlarından, özellikle gıda kaynağı araştırma ve yararlanma sürecinden esinlenerek, yapay arı kolonisi algoritması geliştirilmiştir. Gerçek hayattaki çok çeşitli mühendislik problemlerinin çözümünde kullanılan yapay arı kolonisi algoritmasının, sınıflama amaçlı öbekleme probleminde de kullanılmasına yönelik çalışmalar literatürde mevcuttur. Ancak bu tez çalışmasına kadar, ABC algoritmasının EKG verilerinin analizine yönelik kullanımı bulunmamaktadır. Yapay arı kolonisi algoritmasının EKG verilerinin analizi ve kalp vurularının sınıflamasında kullanılırken iyileştirmelere ihtiyaç duyulduğu görülmüştür. Yapılan düzenlemelerle yöntemin performansı arttırılmış, elde edilen bu yönteme "İyileştirilmiş ABC (MABC)" adı verilmiştir. Orijinal ABC algoritmasındaki en iyi çözümü arama sürecinde kullanılan karar ölçütü, MABC algoritmasında sınıflama başarımını arttıracak şekilde iyileştirilmiştir. Ayrıca, yerel iyi çözümlere takılmadan global en iyi çözümün bulunabilmesini sağlamak için kullanılan işçi arı - izci arı dönüşüm mekanizmasına, izci arı dönüşüm eşiği oranı (SCTR) kontrol parametresi eklenmiştir. Bu sayede o ana kadar bulunmuş olan iyi çözümlerin hata ile terk edilmesi önlenmiştir. Kullanılacak olan öznitelik kümesinin belirlenmesi amacıyla, elektrokardiyogram işaretinin başlıca özelliklerinden hareketle zaman domeninde 38, frekans domeninde 60 farklı öznitelik çıkartılmıştır. Bunların içinden en yüksek ayırt ediciliğe sahip olan öznitelikler, diverjans analizi yöntemi ile belirlenmiş ve toplam 15 öznitelik kullanılmıştır. Tez çalışması kapsamında geliştirilen MABC algoritmasının performansının, eğitim aşamasında kullanılan örnek vektörlerinden bağımsız olduğu, K-Katlı çapraz doğrulama tekniği ile gösterilmiştir. Veri kümesindeki optimum öbek sayısı ise, geçerlilik indisleri analizi ile incelenmiş, sekiz sınıfa ait vuru tipleri için, sekiz öbek olarak doğrulanmıştır. MABC algoritması tabanlı sınıflayıcı EKG verilerinin analizine uygulandığında, yüksek sınıflama başarımı hızlı bir şekilde elde edilmiştir. Tez çalışmasında MIT-BIH veri tabanındaki "N, j, V, F, f, A, a ve R" tipi olmak üzere toplam sekiz farklı vuru tipi sınıflandırılmıştır. Sınıflama başarımının arttırılması amacıyla, zaman ve frekans domenine ait öznitelikler birlikte kullanılmıştır. Geliştirilen yöntem, EKG verileri analizi dışında, çeşitli diğer veri kümelerine de uygulanmış, olumlu sonuçlar elde edilmiştir. Bu şekilde tez çalışması kapsamında, hızlı çalışan ve yüksek sınıflama başarımına sahip bir genel amaçlı sınıflayıcı elde edilmiştir. Geliştirilmiş olan MABC algoritmasının, diğer araştırmacıların kolayca kullanmasını sağlamak amacıyla bir grafik kullanıcı arabirimi (Graphic User Interface – GUI) hazırlanmıştır.
-
ÖgeA novel symmetric lattice-based wideband-wide phase range digital phase shifter design(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019)Faz kaydırıcılar, radar uygulamalarında özellikle antene gelen veya antene gönderilecek olan ana sinyalin farklı açısal eşleniklerini oluşturmada kullanılan önemli yapı elemanlarıdır. Yeni nesil iletişim sistemleri, geniş bantlı, geniş faz aralığına sahip ve düşük kayıplı faz kaydırıcı devrelerine olan ihtiyacı arttırmıştır. Sayısal faz kaydırıcılar yaygın olarak akıllı anten dizimi uygulamalarında, elektronik işlemcilerle veya sürücülerle sağlanan 1 veya 0 durum değerleriyle fazın değerini değiştirme işlevinde kullanılırlar. Pratik olarak, her bir anten elemanının arkasına bir faz kaydırıcı modülü konmaktadır. Her bir faz kaydırıcı modülü ise ardışık dizilmiş faz kaydırıcı ünitelerinden oluşmaktadır. Bu faz kaydırıcı üniteleri, ideal olarak kayıpsız, resiprok, pasif iki kapılı eleman olup, reaktif elemanların birbiri ile bağlanmasından oluşur. Örneğin, üç bit dijital faz kaydırıcı modülü 450, 900 ve 1800 faz kaydırıcı ünitlerin ardışık birbiri ile bağlanması şeklinde oluşturulabilir. Buradaki sayısal faz kaydırıcı kavramı, faz kaydırıcı ünitelerin çalışma şekliyle belirlenir. Başka bir deyişle, her bir faz kaydırıcı birimi bir veya birden fazla CMOS transistör veya PIN diyot gibi katı hal anahtarlama eleman teknolojilerinden oluşabilir. Bu elemanların durumlarından birinde, mesela Durum-A, anahtarlama elemanları AÇIK durumda veya KAPALI durumda olabilir. Bu anahtarlama durumunda, belirli bir frekans değeri için, girişten çıkışa olan faz kaydırma miktarı θ_A olarak belirlenir. Benzer olarak, diğer anahtarlama durumunda, mesela Durum-B, girişten çıkışa olan faz kaydırma miktarı θ_B olarak belirlenir. Bu durumda, Durum-A ve Durum-B arasındaki girişten çıkışa net faz farkı miktarı ∆θ=θ_B-θ_A olarak tanımlanır. Her bir faz kaydırma birimi iki değerli anahtarlama durumundan oluşur, Durum-A ve Durum-B. Durum-A ve Durum-B arasındaki anahtarlama geçişleri, sayısal kontrol ile belirlenir. Yeni nesil iletişim sistemlerinde anten dizimlerinin fazını ayarlamak için binlerce faz kaydırıcının tek bir modüle girmesi öngörülmektedir. Bu yüzden, faz kaydırıcı devrelerinin güç tüketimi değerinin önemi artmıştır. Yazılım tanımlı telsiz, radar, elektronik harp ve benzeri sistem uygulamalarında, düşük kayıplı, düşük güç tüketimli, geniş faz kaydırma özellikli ve geniş bantlı pasif faz kaydırıcı devrelerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu yüzden, bu çalışmada özgün, pasif, geniş faz kaydırmalı, geniş bantlı sayısal faz kaydırıcı devre tasarımı hedeflenmiştir. Literatürdeki bazı çalışmalarda T ve Pi LC Ladder yapıları kullanılmıştır. Fakat bu çalışmalarda kullanılan faz kaydırıcı yapıları, her ne kadar düşük faz hatası ve düşük kayıp ile tasarlanmış olsa da, T ve Pi yapılarının faz kaydırma için kullanılması nedeni ile geniş bantta sonuç alınamamıştır. Bir başka makalede faz kaydırma çiftli bölümler ve üniform iletim hatları kullanılarak yapılmıştır. Bu faz kaydırıcı tasarımının geniş bantlı olabilmesi için çiftli bölümlerin birbiri ile yüksek eşlenikte olması gerekir ki bu da gerçekçi bir uygulama değildir. Yansıtıcı tipinde faz kaydırıcı devrelerinin de literatürde kullanımı oldukça yaygındır. Bu tasarımların bazılarında, toplu öğeli elemanlar hat kuple devreleri yerine kullanılmıştır. Ancak bu elemanlar, sonuç olarak düşük bant ve yüksek kayıpların olmasına neden olmaktadır. Literatürde, aktif vektör modülatörlere bağlı faz kaydırıcı devreleri de mevcuttur. Bu topoloji kullanılarak geniş bantlı bir sonuca ulaşılamamıştır. Ayrıca, monolithic microwave integrated circuit (MMIC) aktif faz kaydırıcılarda değişken rezonant devreleri de kullanılmaktadır. Bu tip aktif faz kaydırıcılar, sadece düşük bant ve yüksek giriş kaybı ile gerçeklenebilmektedir. Anahtarlama modu yapısı kullanan sayısal faz kaydırıcı devreleri de literatürde yer almaktadır. Bu çalışmalarda mikrostrip hatlar faz kaydırıcı elemanı olarak kullanılmış olup pin diyotlar anahtarlama elemanı olarak kullanılmıştır. Bu yöntem her ne kadar düşük kayıp ve düşük faz hatasına sahipse de, geniş bant gerçeklenmesi için uygun değildir. Bu çalışmada, geniş bantlı, düşük güç kayıplı, düşük faz hatalı, kompak, sayısal bir tasarım elde etmek için, literatürde ilk kez simetrik tüm geçiren kafes yapıları faz kaydırıcı birimleri olarak kullanılmıştır. Tüm geçiren simetrik LC kafes yapıları ikiye ayrılırlar, önde faz kaydırıcı yapısı (Tip-1) ve geride faz kaydrıcı (Tip-2) yapısı. Önde faz kaydırcı yapısı kullanıldığında sadece 00'den 1800'ye kadar olan faz kaydırma değerlerine ulaşmak mümkün iken, arkada faz kaydırıcıların kullanılması durumunda, 00 'den -1800'ye kadar olan faz kaydırma sonuçlarını almak mümkündür. Eğer bu iki faz kaydırıcı, aralarında anahtarlama yapılarak birlikte kulllanılırsa 00-3600 'ye kadar olan tüm faz çemberinde faz kaydırma işlemini yapabilir hale getirilebilir. Her iki faz kaydırıcı birimi, paralel olarak kullanılıp, giriş ve çıkıştaki elektronik anahtarlar ile birbiri arasında anahtarlanarak 00-3600 arasında faz kaydırıcı elde etmek mümkündür. Ancak bu uygulama, biri giriş bölümünde, diğeri çıkışta olmak üzere, iki adet tek giriş, çift çıkış anahtarlama devre elemanı gerektirmektedir. Ayrıca Tip-1 ve Tip-2 faz kaydırıcı devrelerinin ayrı ayrı kullanılması ve bu iki devrenin birbiri ile bağlanması için gerekli bağlantılar hem geniş bir serim alanı kaplamasına hem de bu bağlantı yollarından kaynaklı olmak üzere parazitik endüktans, kapasite ve direnç eklenmesine neden olur. Bu fazladan gelen parazitik elemanlar, devrenin elektriksel performansını çok ciddi şekilde etkilerler. Özellikle, bu parazitik elemanlardan kaynaklı performans düşüklüğü en çok geniş bant gereksinimini etkilemektedir. Bu sebeple, Tip-1 ve Tip-2 yapılarının giriş ve çıkışta anahtarlama ile kullanılma yöntemi yüksek performans ihtiyaçlarını karşılamak için uygun değildir. Bu sebeple, bu tezde uygulaması hem kolay olan, hem de faz kaydırıcı performansı var olan literatürden daha iyi olan özgün bir sayısal faz kaydırıcı yapısı önerilmiştir. Özgün ve yüksek performanslı sayısal faz kaydırıcı tasarımı, özgün bir anahtarlama yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Önerilen faz kaydırıcı yapısı, çip alanını azaltmakta ve parazitik elemanlardan kaynaklı etkileri en aza indirgemektedir. Bunun sonucunda devrenin kaybı azalmakta ve faz kaydırıcının kullanılabildiği frekans genişliği artmaktadır. Bu yeni yöntem geniş faz kaydırma özelliğini geniş bant içerisinde sağlamakta olup, düşük faz hatası ve kazanç kaybı ile yüksek performans elde edilmesini sağlamaktadır. Bu fikrin en temel özelliği, Tip-1 ve Tip-2 yapıdaki simetrik kafes faz kaydırıcı birimlerini tek bir devre altında birleştirmesidir. Bu devre, bu sebeple tez boyunca 'Basit ve Tekil-Simetrik Sayısal Faz Kaydırıcı' (Single and Single-Symmetrical Digital Phase Shifter ya da SSS-DPS ya da 3S-DPS) olarak adlandırılmıştır. Önerilen 3S-DPS yapısı, anahtarların AÇIK ve KAPALI konumuna göre ya Tip-1 tüm geçiren simetrik kafes yapısı ya da Tip-2 tüm geçiren simetrik kafes yapısı gibi davranmaktadır. Önerilen 3S-DPS yapısının her bir kolunda seri bir kondansatör ve bobin bulunur. Bu kondansatör ve bobinin her birinin paralelinde bir NMOS transistör bulunmaktadır. Bu NMOS transistör anahtarlama elemanı olarak kullanılmaktadır. NMOS transistör KAPALI hale getirilerek, paralelindeki bobin veya kondansatör kısa devre yapılabilir. Bu şekilde, simetrik kafes yapısının ilgili kolu sadece bobin olarak (kondansatörün paralel NMOS'u KAPALI iken) veya kondansatör olarak (bobinin paralel NMOS'u KAPALI iken) davranarak Tip-1 veya Tip-2 tüm geçiren simetrik kafes yapıları gibi davranışı, bir yapıyla sağlanmış olmaktadır. Bu tezde, 3S-DPS'nin Tip-1 gibi davrandığı durumuna Durum-1 hali, benzer şekilde, 3S-DPS'nin Tip-2 gibi davrandığı durumuna Durum-2 hali adı verilmiştir. Bu tezde, yeni bir buluş olan 3S-DPS yapısının tasarım denklemleri ayrıntılı olarak ele alınmıştır. Öncelikle yeni buluşun bütün devre elemanları ideal olarak düşünülmüş ve bu ideal elemanlı yapının devre çözüm denklemleri çıkartılmıştır. Bunun sonrasında ideal devrenin adım adım nasıl tasarlanacağı anlatılmıştır. Bunun üzerine, yapının algoritmik olarak tasarım adımları oluşturulmuş ve tasarım algoritması MATLAB ortamında denenmiştir. Sonrasında, ikinci aşamada yeni buluşun pratik devre elemanları ile tasarımı yapılmıştr. Bu tasarım için kolay bulunabilirlirliği ve kavram ispatı için yeterli olması nedeniyle TSMC 0.18µm CMOS prosesi kullanılmıştır. Bu ikinci aşamada, ilk olarak yapının devre çözüm denklemleri çıkartılmıştır. Sonrasında, devrenin çıkış fazını belirlemek için 3S-DPS devresinin Durum-1 ve Durum-2 hallerinin istenilen merkez frekansındaki fazlarının nasıl bir dağılımda olduğu, devrenin performansını ciddi bir şekilde etkilediği gözlemlenmiştir. Bu dağılım genel olarak üç durumda incelenmiştir. Birincisi merkez frekansta Durum-1 ve Durum-2 fazlarının eşit olma durumudur. İkincisi merkez frekansta Durum-1 ve Durum-2'nin fazlarının eşit olmama ve aynı zamanda Durum-2 fazının pozitif olma durumudur. Üçüncüsü ise, merkez frekansta Durum-1 ve Durum-2'nin fazlarının eşit olmama ve negatif olma durumudur. Bu üç durum da ayrıntılı olarak incelenmiştir. Pratik devre tasarım denklemleri ve algoritmaların kavram ispatı, 3 bit faz kaydırıcı blokları olan 450, 900 ve 1800 faz kaydırıcı devrelerini tasarlamakta kullanılmıştır. Öncelikle, devreye ait denklemlerin çıkarılmasından sonra oluşturulan algoritma MATLAB ortamında denenmiştir. İlk olarak 450 faz kaydırıcı tasarımlarının sonuçları karşılaştırılmıştır. Merkez frekansta Durum-1 ve Durum-2 fazlarının eşit olma durumunu kullanan algoritma en düşük frekans bandında çalışmakta olup, merkez frekansta Durum-1 ve Durum-2'nin fazlarının eşit olmamakla beraber her ikisinin de negatif olma durumu en geniş frekans bandında çalıştığı gözlemlenmiştir. Kavram ispatını silikon üzerinde göstermek için, Cadence ortamında TSMC 0.18µm CMOS proses PDK kütüphanesi kullanılarak şematik tasarımı ve benzetimi yapılmıştır. Şematik benzetim sonuçlarında, algoritmik olarak MATLAB ortamında alınan sonuçlara oldukça yakın sonuçlar elde edilmiştir. Bu deney sonucunda, hem önerilen devrenin üstün performansta çalıştığı gösterilmiş, hem de yeni buluşun teorik açıklaması ve bunun üzerine oluşturulan algoritmanın doğruluğu ispatlanmıştır. Yazılan algoritma, ilgili tasarımcının hızlı bir şekilde tasarlamak istediği devrenin eleman değerlerini bulmasına olanak sağlamaktadır. TSMC 0.18µm CMOS prosesinde tasarlanan şematik sonrasında proses ve Monte-Carlo analizleri yapılarak performansın ne kadar değiştiği gözlemlenmiştir. Devre, prosesten ve uyumsuzluktan etkilenmeyecek şekilde tasarlandığı için, sonuçlarda nominal değerlerden çok az sapma oluşmuştur. Yüksek frekans devrelerinde devre eleman tasarımı kadar, devrenin serimi önemlidir. Yüksek frekanslı uygulamalarda, devre seriminden kaynaklı parazitikler ve yollar arasndaki kuplajlar elektriksel performansı çok etkilemektedir. Bu sebeple, devrenin serimi çizilmiş ve çizilen serimin 3D EM analizi yapılmıştır. Devrenin serimi, yüksek frekans önceliklerine uyularak yapıldığı için, ciddi bir performans kaybı olmamıştır. Alınan sonuçları diğer son teknoloji tasarımlarla kıyasladığımızda, önerilen devrenin, benzer faz hatası oranında diğerlerinden çok daha geniş frekans bandında çalıştığı kavramsal olarak ispat edilmiştir. Sonuç olarak, bu tez çalışmasında, önerilen devrenin, hem teorik, hem de pratik olarak kavramsal ispatı gerçekleştirilmiştir. 'Basit ve Tekil-Simetrik Sayısal Faz Kaydırıcı' devrenin, geniş bantta düşük faz ve düşük kazanç kaybı ile gerçeklemesini sağlayarak, yeni nesil iletişim sistemlerinde kullanılabilecek önemli bir yapı elemanı olduğu kavramsal olarak ispatlanmıştır.
-
ÖgeA multibiometric cryptosystem for user authentication(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019)Şifreleme (Kriptografi), korunmak istenen bilginin sır olarak saklanmasını sağlayan bir bilim dalıdır. Burada temel sorun bu sırrı kimin çözebileceğini belirlemekle ilişkilidir. Kimlik doğrulama, bir kişinin kimliğini kanıtlarken veri kaynagının da doğrulanmasını sağlayan önemli bir kriptografi konusudur. Bu doktora tezinde, farklı yollarla kullanıcıların kriptografik ve biyometrik kimlik bilgilerinin dogrulamasını saglayan bir sistem önerilmektedir. Biyometrik kimlik doğrulama uygulamaları son yıllarda hızla yeni alanlara dogru yayılmaktadır. Biyometrik verilerle işletilen bir otomatik kimlik doğrulama sistemi; erişim kontrolü için güvenli bir kapı oluşturur. Ayrıca bu kilit ve yakalama sistemi kritik verilerin korunması veya isteyen istemcinin erişiminin kontrol edilmesi için bir mekanizma oluşturur. Kimlik doğrulama sayesinde gerçek istemciye ait olan özellikler ile sahte istemciye ait özellikler öznitelik belirleme ve sınıflandırma teknikleri ile ayrı¸stırılmaktadır. Böylece gerçek istemci büyük bir dogrulukla belirlenebilmektedir. Bu tezde biyometrik şablon güvenligi, gizlilik, karşılıklı kimlik doğrulama, kullanıcıların anonimligi ve kablosuz sensör ağlarda biyometrik kimlik doğrulama konularında temel katkılar yapılmıştır. Yapılan çalışmalarda tüm bireylerin mükemmel bir şekilde bilgilendirildigi temel bir güvenlik programı önerilmekle birlikte gizliligin korunmasında bazı zayıf taraflar bulunmaktadır. Bu çalışmada ise gizliligi koruyan kimlik doğrulama yöntemine dayanan bir özet önerilmektedir. Bu özet, istemcilerin biyometrik şablonlarının gizliligini koruyarak ve deterministik olmayan bir yarı özet üreterek istemciyi güvenli bir şekilde doğrular. Bu yöntemde kullanıcı gizliligine ve sunucu maskelenme saldırılarına karşı güvenlik açıklarını belirlemek ve kapatmak üzerine çalışılmıştır. Geli¸stirdigimiz planın saldırılara karşı güvenli olduğunu ve işlevsellik özelliklerini sağladıgı kanıtlanmıştır. Bu çalışmada tanımlanan özet, kimlik doğrulamasını onaylamak için kullanılan sistemin bir parçasıdır. Bu özet sayesinde protokol çıktısından yararlanılarak şifre çözülemeyecek ve istemcinin biyometrik kimlik bilgilerine ulaşılamayacaktır. Bu nedenle, istemcinin biyometrik örnekleri ile ilgili bilgiye, kimlik dogrulama sunucusu da dahil hiç kimse herhangi bir şekilde ulaşamaz, ancak güvenli şablon tabanlı programımız, istemcinin, kritik verilerinin korundugu veya erişimin kontrol edildigi sisteme giriş yapmasını sağlar. Biyometrik tabanlı sistem biyometrik bilgilerin sahibi olan kullanıcıların yasallaşmasını da sağlar. Güvenlik için böyle bir sistem tüzel kişilere ait tüm bilgileri ve izleme eyleminin gizliligini de korumalıdır. Bu amaçla biyometrik tabanlı kimlik doğrulama protokolünün araştırılması kapsamında kriptanaliz kriterleri ve bazı saldırılar açısından, önerilen temel yöntem aşagıdaki sorunları çözmek için genişletilmiştir: 1) Kimlik doğrulaması yapan tarafa karşı kullanıcı anonimligi sağlamak; 2) Mobil kullanıcıların şifrelerini offline sözlük saldırısına karşı korumak; 3) Protokolü, ortadaki adam saldırısına karşı güvenli hale getirmek. Ek olarak, istemcilerin şifrelerinin degiştirilebilmesine veya kurtarılmasına izin veren önemli bir fonksiyon kullanılmaktadır. Bu amaçla, her kullanıcı kayıt aşamasında üçüncü bir grup kullanarak kayıt yaptırmalıdır. İlgili çalışmalarla karşılaştırıldığında; tek yönlü karma hesaplama şifreleme sistemi çalışma zamanı gibi farklı metrikler kullanılan, anonimlik ve karşılıklı dogrulamaya dayanarak geliştirdigimiz şemayı göz önüne alıyoruz. İstemci dogrulama, istemci sunucu sistemlerinde önemli bir işlemdir. Böyle bir işlem bir istemciye göre bir dizi kimlik doğrulaması benzersiz doğrulanabilir veriler, yani biyometrik özellikler ile yapıldıgında son derece güvenlidir. Ancak biyometrik tabanlı sistemler, sağlam istemci kimlik doğrulaması için; düşük maliyetli, hassas biyometrik sensörler içeren ve hızlı işlem gücüne sahip özellikte olmalıdır. Böyle bir yöntem üç zorlukla karşı karşıyadır: 1) sisteme girilen biyometrik imgenin etkin şekilde tanınması, 2) sistemin güvenlik açıgını önlemek için yeterli güvenlik saglanması ve 3) kişisel mahremiyetin korunması. Birçok uzaktan biyometrik kimlik dogrulama ¸seması, cihaz dügüm noktası olarak konumlanan bir istemci ile güvenilmeyen bir kanal üzerinden haberleşen sunucu arasında sistemin karşılıklı ve güvenli iletişimini kurmak için geliştirilmiştir. Güvenli bir uzaktan biyometrik tabanlı kimlik dogrulama protokolü sayesinde, bir dügümde konumlanan bir istemci ile kaynaklar bulunduran sunucu, kablosuz sensör agları de dahil olmak üzere farklı istemci-sunucu tabanlı aglarda birbirlerini güvenli bir şekilde doğrulayabilir. Bazı pratik senaryolar sayesinde, istemciden, sunucudan ve ağ tarafından gelebilecek mahremiyete müdahale etmesi olasılıgı bulunan farklı saldırılar da göz önüne alınmıştır. Programımızın farklı saldırılara karşı direnmek, yasallıgını korumak ve bireylerin bilgi gizliligi için yeterince güvenli oldugu matematiksel ve pratik olarak kanıtlanmıştır. Son olarak, ilgili çalışmalara göre hesaplama ve hafıza verimliligimizin daha yüksek oldugu ortaya konmuştur. Önerilen protokol, tersinir olmayan fonksiyonun kullanld güvenli bir protokoldür. Hiç kimsenin girdiden çıktyla ilgili bilgileri kavrayamayacaı şekilde bir protokol oluşturulmutur. Bu şekilde, (şablon koruması) birçok saldırı önlenmi ve orijinal biyometrik özelliklere erişilmesi engellenmiştir. Ek olarak, burada hedeflenen yöntem sayesinde bir istemcinin birkaç ki¸siye yetki vermek istediinde deterministik olmayan bu yöntem, doru çalışan bir protokol ile benzersiz bir özet üretecektir. Bu yüzden gizliliin, kullanıcının kimliine ve etkinliine tam olarak saygı gösterilmeyen saldırı durumlarda geliştirilen yöntem kullanıcı sistemdeki bilgilerini iptal edebilecek özelliktedir. Ayrıca, kayıt sunucusu ve kimlik dorulama sunucusu olarak iki sunucu olduundan sırasıyla kullanıcıları kaydettirmek ve istemcileri yetkilendirmek için kullanılan istemci güvenilir olmayan sunucuları (güvensiz bir a üzerinden) kimlik dorulaması için yetkilendirme verilmesi kritik biyometrik bilgilerin sızdırılmasına neden olacaktır. Bu tezde gelitirilen koruma yolları ile her müşteri için bir özet üretilerek tezde belirtilen tüm ataklara karşı güvenli hale getirilmiştir. Tez aşağıdaki şekilde devam ediyor: İkinci bölümde çalımamzı üç bölümde açıklıyoruz; öncelikle temel gereksinimler ve biyometrik sistem yapısı açıklanıyor, önerilen protokol veriliyor ve son olarak da kriptoanaliz işlemleri anlatılıyor. Biyometrik sistem yapısında veri toplama, özellik çıkarma modülü, eşleştirme modülü, çoklu biyometrik sistem tanıma, biyometrik şablon koruması, önerilen protokol de ise, temel önerilen protokol, tanımlar, temel önerilen protokol açıklaması, performansla ilgili özellikler, önerilen protokol- 1 ve 2, ayrıca önerilen protokol: kayıt algoritması, kimlik dorulama algoritması, biyometrik kimlik dorulama kontrol akıı gibi konulara yer verilmiştir. Bölüm 3'te, uygulamalar yapılarak elde edilen sonuçları dikkate alınmıtır. Veri Kümeleri olarak CASIA-Iris-V1 ve UBIRIS ile çalışılmıştır. Çalışmanın performansı ise diğer çalışmalara göre verimlilik, hesaplama süresi, hassasiyet ve doruluk açısından tartışılmıştır. Son olarak, 4. Bölümde, çıkarılan sonuçlar verilmi¸s ve gelecekte çözülebilecek problemler önerilmiştir.