Sayısal İşaret İşleme

Tanım ve Kullanım Alanları

 

Sayısal İşaret İşleme Nedir?. 3

Sayısal & Analog İşaretler 4

İşaret İşleme Tarihi 4

İşaret İşleyiciler 4

Sayısal İşaret İşlemenin Kullanım Alanları 5

Ses İşleme. 6

Görüntü İşleme. 6

Biyomedikal 7

Askeri 7

Haberleşme. 8

Sonuç. 8

 

Sayısal İşaret İşleme Nedir?

 

Sayısal İşaret(Sinyal) İşleme bir diğer adıyla Digital Signal Processing(DSP), isminden de anlaşılacağı üzere sayısal(dijital) olarak sinyaller ile inceleyen bir bilim dalı olarak belirtilebilir. Burada önemli olan, sinyallerin analog olarak değil de sayısal olarak işlenmesidir. Sinyal veya bir diğer adıyla işaret, fiziksel bir durum hakkında bilgi taşıyan, bir veya birden fazla değişkene bağlı fonksiyon[1] olarak tanımlanır. Bir telefon kablosundan geçen sesi taşıyan bilgi parçacıkları veya bir radyonun dalgaları üzerinde taşınan işaretler bunlara örnek verilebilir.[2] Şekil 1’de işaret işlemenin genel yapısı belirtilmiştir.

 

Şekil 1 İşaret İşleme Genel Yapı

 

 

Eskiden daha çok elektrik mühendislerinin ilgi alanına giren bu konu, günümüzde birçok alana hitap eden bir yapı halini almıştır. Nükleer enerji istasyonları, ses-video işlem laboratuarları, GSM altyapısını oluşturan sistemler, Biyotıp uygulamaları hep Sayısal İşaret İşlemenin ilgi alanlarını oluşturur. Şekil 4 üzerinde görüldüğü üzere çok geniş bir alana hitap etmektedir.

 

 

Şekil 2 Sayısal İşaret İşlemenin Kullanım Alanları

 

Sayısal & Analog İşaretler

 

İşaretler en temelde iki kısma ayrılabilir. Bunlar analog ve sayısaldır. Analog işaret, sürekli anlamındadır. Yani bu işaretin aldığı değerler süreklidir, sınırsızdır. Ama sayısal sinyalde durum böyle değildir. Verilen değerler dışında herhangi bir değer alması beklenemez. Sayısal bir işaret için 2,00 veya 2,25 anlamlı iken; analog için 2,1736695 anlamlı olabilir.[3] Sayısal işaret işlenirken alınan analog işaret öncelikle sayısala dönüştürülür. Sonra üzerinde işlemler yapılır. Aşağıda analog ve sayısal işaret işaretlerin karşılaştırılması belirtilmiştir. Buradan da anlaşılacağı üzere analog işaretler sürekli bir yapıyı ifade ederken; sayısal işaretler ise süreksiz(kesikli) yapıyı belirtir.

Şekil 3 Analog ve Sayısal İşaretler[4]

 

 

Dikkat edilirse, analog bir yapı yerine sayısal bir yapı kullanılmaktadır. Bunun birçok nedeni vardır. Bu sayede Lineer olan ve olmayan matematiksel işlemlerin yapılmasında geniş bir değer aralığı bulunmakta, veriler yazılımlara daha kolay bir şekilde aktarılmakta, veri sıkıştırması daha kolay yapılmaktadır. Bu ve buna benzer avantajlar işaret işlemede sayısal yöntemin kullanılmasını sağlamıştır.[5]

 

İşaret İşleme Tarihi

 

İşaret işleme tarihi 1965[6] yılına dayanır. Mainframe gibi yüksek kapasiteli bilgisayarlar ile FFT(Fast Fourier Transform) işlemleri sinyal frekans spektrumlarını hızlı bir şekilde hesaplanması ile kullanım alanı bulan DSP, o tarihten bu yana yapılan çalışmalar ile günümüze kadar gelmiştir.[7]

 

İşaret İşleyiciler

 

İşaret İşleyiciler( Digital Signal Processor, DSP), sinyal üzerinde işlemleri yapan donanımsal çözümlerdir. 1970’li yılların sonu ve 1980’li yılların başında mikroişlemcilerin doğuşu ile birlikte DSP yöntemleri daha yaygın uygulama alanları bulmaya başlamıştır. Genel amaçlı mikroişlemcilerin yüksek miktarda hesap gücü gerektiren DSP uygulama ihtiyaçlarına cevap verememesi nedeniyle 1980’li yıllardan itibaren Texas Instruments[8]™, Analog Devices[9]™ ve Motorola[10]™ gibi büyük üreticiler yapısı özel olarak sayısal işaret işleme uygulamalarının ihtiyaç duyduğu işlemleri yerine getirecek Sayısal işaret işleyiciler geliştirmektedir.[11]

 

Şekil 4 DSP, Sayısal İşaret İşleyici[12]

 

 

Sayısal İşaret İşlemenin Kullanım Alanları

 

Sayısal işaret işleme birçok alanda kullanılmaktadır. Mobil telefonlar, mültimedya bilgisayarlar, video kaydedicileri, CD okuyucular, hard disk sürücü kontrol kafaları ve modemler, ve çok yakın bir zamanda TV ve telefonların devre yapıları yerini alacaktır. Sayısal işaret işlemenin kullanıldığı bir diğer önemli alan da işaret sıkıştırma(compression) ve çözmedir(decompression).[13]

 

Aşağıda sayısal işaret işlemenin kullanıldığı alanları tablo ile şematize edilmiştir.[14]

 

General Purpose	Graphics
Filtering (Convolution)	Rotation
Detection (Correlation)	Image transmission/compression
Spectral analysis (Fourier transform)	Image recognition
Adaptive filtering	Image enhancement
Instrumentation	Control
Waveform generation	Servo control
Transient analysis	Disk control
Steady-state analysis	Printer control
Biomedical instrumentation	Engine control
Information and Communication Systems	Guidance and navigation
Speech processing	Vibration (modal) control
Audio processing	Power system monitors
Voice mail	Robots
Facsimile [FAX]	Others
Modems	Radar and sonar
Cellular telephones	Radio and television
Modulators, demodulators	Music and speech synthesis
Line equalizers	Entertainment
Data encryption
Spread-spectrum
Digital and LAN communications

Ses

Ses işleme için sayısal işaret işlemeden yararlanılmaktadır. Ses tanıma, sıkıştırma, sentezleme, kodlama işlemleri için sanayi ve araştırma kurumlarında işaret işleme yöntemleri kullanılmaktadır.[15] Örnek bir ses dalgası aşağıda verilmiştir.

 

Şekil 5 Ses Yapısı

 

Görüntü

Görüntü işleme alanında işaret işlemeden faydalanılmaktadır. Bunun için öncelikle görüntülerin sinyal gibi ele alınması gerekir. Sinyalleri uzayda değişen değerler olarak kabul edebiliriz. Burada spatial ve frekans düzlemlerinden yararlanılır.[16]

Görüntü verisinin sıkıştırılması, filtrelenmesi, iyileştirilmesi, tanınması ve analiz edilmesi ve yüz, karakter(OCR), imza tanıma işlemleri, görüntü üzerinde işaret işleme kullanılarak yapılan işlemlerden bazılarıdır. Bu sayede işaret işlemenin özelliklerinden faydalanılarak daha hızlı ve kolay çözümler üretilebilmektedir.

 

 

Şekil 6 Görüntü İşleme, Sıkıştırma

 

Biyomedikal

Biyotıp uygulamaları üzerinde işaret işlemenin artılarından faydalanılmaktadır. Uzaysal(Spatial) görüntü iyileştirme(X Ray), Spektral analiz çalışmalarında ve 3 boyutlu görüntü işlemlerinde ve sayısal filtreleme ve veri sıkıştırma işlemlerinde kullanılmaktadır. Bir bakıma görüntü işleme çalışmalarının benzeri bir yaklaşım bulunmaktadır.[17]

 

Şekil 7 Biyomedikal Uygulamaları[18]

 

Askeri

İşaret işleme, belki de en çok askeri alanlarda kullanılarak ilerleme kaydetmiştir. Radio Detection And Ranging (RADAR) sistemlerinde önceleri analog olarak kullanılan sistemler, sayısal işlemenin üstünlükleri anlaşıldıktan sonra sayısal olarak kullanılamaya başlanmıştır. Aynı şekilde veri iletişimi(transmisyon) için de sayısal işaret işleme kullanılmaktadır.[19]

 

Haberleşme

Veri transferi ve navigasyon sistemlerinin yapısında genel olarak kullanılan yapılardandır sayısal işaret işleme. Kablosuz iletişimin yaygınlaştığı günümüzde, sayısal işaret analizi kullanılmaktadır.

Şekil 8 İşaret İşleme - Kablosuz

 

Sonuç

Sayısal işaret işleme, günümüz teknolojisinde oldukça sık kullanılmaktadır. Askeri alandan biyomedikale birçok alanda işaret işleme teknolojilerinden faydalanılmaktadır. Gelecek kablosuz iletişim çağında da kendinden daha bir çok söz ettireceği görülmektedir.