Student Theses by Electronic Measurements and Signal Processing Research GroupStudent Theses by Electronic Measurements and Signal Processing Research Group

Student Theses

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Vogel, Martin;
M-Sequenz Netzwerkanalysator für den Zeit- und Frequenzbereich. - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

Im Hochfrequenzbereich werden Messobjekte üblicherweise mit einem Netzwerkanalysator charakterisiert. Die ermittelten S-Parameter vermögen durch die sequentielle Messung schnell variierende Messobjekte nicht ausreichend zeitlich aufgelöst zu charakterisieren. Eine breitbandige Messung ermöglicht es, vergleichbare Messungen schneller durchzuführen. Die M-Sequenzgeräte des Fachgebiets Elektronische Messtechnik der Technischen Universität Ilmenau können durch ihre hohe Signal- und Zeitbasisstabilität zeitvariante Messobjekte effektiv untersuchen. Eine Kalibrierung ist dabei zwingend notwendig. Diese M-Sequenzgeräte erfordern zur Messung von S-Parametern zusätzliche Komponenten. Kalibrierung und aktiver Messport müssen manuell durchgeführt bzw. geändert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Mess- und Kalibriereinheit entworfen, implementiert und getestet, die alle benötigten Komponenten für eine 2-Tor-Messung von S-Parametern, eine Kalibriervorrichtung für beide Ports, eine Temperaturerfassung, sowie eine Ansteuerungsplatine integriert. Die Messung der S-Parameter erfolgt mit zwei Messstellen. Ein gesamtheitliches Softwaresystem wurde zur Gerätesteuerung, Datenverarbeitung und Visualisierung in Matlab implementiert. Beim Entwurf wurde besonders auf die Wiederverwendbarkeit des Quellcodes durch Klassen und einfache Benutzerinteraktion geachtet. Ressourcenoptimierte Funktionen erlauben die Auswertung zeitlich schnell variierender Messobjekte. Ein hierarchisches Steuerkonzept wurde genutzt, welches Zuständigkeiten in der Software klar voneinander abgrenzt. Eine ausführliche Analyse der Mess- und Kalibriercharakteristika schließt die Arbeit ab. Durch die verwendeten Koppler wurde der Messbereich auf ca. 0,3 bis 3 GHz beschränkt. Nach einer Warmlaufzeit liegt hier eine geringe Drift der Messergebnisse vor, sodass auch Langzeitmessungen möglich sind. In Beispielmessungen im Zeit- und Frequenzbereich wurde die Leistungsfähigkeit des Messsystems demonstriert. Die Netzwerkanalyse mit breitbandigen M-Sequenzen ist zwar konstruktionsbedingten Einschränkungen unterworfen, ermöglicht jedoch neue Messszenarien zu untersuchen.



Hein, Anna;
Investigation of software-defined radio transceiver I/Q balance impairments. - Ilmenau. - 88 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017

Diese Bachelorarbeit untersucht I/Q imbalance Schätzverfahren und kann als Basis für darauf aufbauende Kompensationsverfahren herangezogen werden. Insbesondere vergleicht die Arbeit zwei Schätzverfahren, die sich \emph{Händel Estimation} und \emph{DFT Estimation} nennen, anhand von Simulationsergebnissen. Beide Algorithmen schätzen die Frequenz des Signals, die I/Q imbalance in Amplitude und Phase, als auch den DC-Offset. Für übliche Software Defined Radio Systeme kann ein Signal-Rausch-Verhältnis von etwa 60 dB angenommen werden. Ein Signal der Länge 64 Kilosamples, wird mit einer Abweichung von ungefähr $10^{-3}$ (Wurzel des mittleren quadrati\-schen Fehlers, RMSE) für I/Q imbalance (Amplitude und Phase) und DC Offset geschätzt. Für die Frequenzschätzung wird eine ungefähre Abweichung von $10^{-10}$ (RMSE) erreicht. Die \emph{DFT Estimation} benötigt etwa ein Zehntel der Rechenzeit der \emph{Händel Estimation} bei nur leicht schlechteren Schätzergebnissen.



Kar, Debraj;
Development of 30 GHz and 60 GHz antenna elements for a broadband dual-polarized measurement antenna array for 5G channel sounding. - Ilmenau. - 97 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

Für die Entwicklung zukünftiger breitbandiger Funktechnologien wie z.B. die fünfte Generation der Mobilfunktechnologie (5G) oder von Wireless Local Area Networks (WLAN, NG60 bei 60 GHz) müssen umfassende breitbandige Kanalmessung im millimeter-Wellenbereich durchgeführt werden. Um hier Analysen für verschieden Ansätze im Beamforming-Bereich ausführen zu können, werden richtungsaufgelöste, breitbandige und dual polarisiert Kanalmessungen benötigt. Um dies zu erreichen werden derzeit Messungen mit Richtantennen und Positionieren durchgeführt. Diese benötigen aufgrund der mechanischen Bewegung des Messsystems einen hohen Zeitaufwand und bietet keine Möglichkeit in dynamischen Szenarien zu messen. Um alle Herausforderungen für die Kanalmessungen für zukünftige Funkstandards zu erfüllen, wäre eine optimale Systemkonfiguration eine voll parallele Struktur am Sender (Tx) und am Empfänger (Rx). Da dies einerseits ineffizient am Tx in Hinsicht auf das SNR ist und zweitens sehr hohe Kosten aufgrund der hohen Frequenzen und Breitbandigkeit der Systemarchitektur erzeugt, soll für die in dieser Arbeit entstehenden Antennenarrays ein Schalter zum einsatzkommen. Um alle Raumrichtung am Tx und Rx erfassen zu können, soll hier ein räumliche angeordnetes, breitbandiges und dual polarisiertes Antennenarray bei ca. 30 GHz entstehen, welches später durch die Nutzung eines Hochauflösenden Breitband Schätzers es ermöglicht, die Ausbreitungspfade in Hinsicht auf ihren Verlust und Richtung voll zu parametrisieren. Dies ermöglicht gleichzeitig auch weiterführende Analysen in dynamischen Messsituationen wie z.B. Dopplereinfluss oder "fast fading".Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung der 30 GHz und 60 GHz Antennenelemente und eines zirkularen gestockten Antennenarrays für 30 GHz als eine Realisierung für ein Messarray. Es handelt sich um zwei neuartige Designs von dual-polarisierten gestockten aperturgekoppeltenPatchantennen.Eine wesentliche neue Designkomponente ist die aus Aluminium gefertigte Fassung mit doppeltem Hohlraum zur Montage der Antennen. Dies führt zu einem Luftspalt zwischen der Antenne und parasitären Elementen. Zusätzlich erfolgte eine Abrundung der übliche quadratische Patchantennendesigns um eine höhere Bandbreite zu erzielen. Durch die hier eingesetzten Neuerungen kann eine kostengünstige Herstellung der Elemente aber auch des Antennenarrays gewährleistet werden.



Guo, Binghua;
Low complexity schemes to semi-blind joint channel and symbol estimation in MIMO-OFDM. - Ilmenau. - 107 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

Um das begrenzt zur Verfügung stehende Frequenzspektrum effizient zu nutzen, werden in 4G- und 5G-Kommunikationssystemen und deren drahtlose Kommunikationsgeräte Antennenarrays integriert. Neben einer Erhöhung der Datenrate kann durch Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) Systeme auch die Verbindungssicherheit verbessert werden. MIMO-OFDM-Systeme können aufgrund der multidimensionalen Struktur der empfangenen Daten aus den Dimensionen Raum, Frequenz, Zeit und Konstellation eine verbesserte Leistung im Vergleich zu ihrem SISO-OFDM-Gegenstück bieten. Ein kürzlich vorgeschlagenes Verfahren für die semi-blinde Kanalschätzung in MIMO-OFDM-Systemen basiert auf der Least Squares Khatri-Rao Factorization (LSKRF) und der Symboldetektion auf der Basis von vorkodierten multi-layered space-frequency codes (MLSFC). Verglichen mit dem iterativen Alternating Least Square (ALS) Ansatz wird dabei eine geringere Komplexität erreicht. Obwohl LSKRF ein algebraisch geschlossene Lösung bietet, ist seine kubische Rechenkomplexität für Massive-MIMO-OFDM-Systeme unerschwinglich. Daher wurde für MIMO-OFDM-Systeme ein average vector and Hadamard ratio rank one approximation (AVEH) Verfahren vorgeschlagen, um eine lineare Komplexität zu erreichen. AVEH ist jedoch beschränkt auf Szenarien in denen Kanäle und übertragene Symbole ein Offset besitzen. In dieser Arbeit werden fünf neuartige MIMO-OFDM-Verfahren für Massive-MIMO-Systeme vorgestellt. Bei allen liegt der Fokus auf einer geringen Komplexität und einer hohen Genauigkeit. Das vorgeschlagene Vector Selection Initialization (VSI) Schema bietet die geringste Komplexität, weist aber eine begrenzte Genauigkeit auf. Es eignet sich daher als Initialisierung für iterative Ansätze. Das vorgeschlagene Alternating Least Squares with Vector Seletion Initialization (ALSVSI) Schema übertrifft das Standard-ALS-Verfahren durch eine optimierte Initialisierung mit geringer Iterationsanzahl. Aufgrund seiner verbesserten Schätzgenauigkeit in allgemeineren Szenarien und der linearen Komplexität dient das vorgeschlagene Vector Projection Rank One Approximation including Vector Selection Initialization (VPVSI) Verfahren als Alternative, um AVEH zu ersetzen. Des Weiteren kann VPVSI durch das Hinzufügen von mehreren Iterationen eine höhere Genauigkeit erzielen. Das vorgeschlagene Factorization based on Eigenvalue Decomposition and Vector Projection (FEVP) Verfahren eignet sich für ein Massive-MIMO-OFDM-Szenario. Hierbei wird die gleiche Genauigkeit des maßgebenden LSKRF-Verfahrens erreicht, jedoch mit einer wesentlich geringeren Rechenkomplexität. Das vorgeschlagene Factorization based on sectional Singular Value Decomposition and Vector Projection (FsTSVP)Verfahren eignet sich für ein Massive-MIMO-OFDM-System, um eine hohe Genauigkeit mit geringer Komplexität zu erhalten. Das vorgeschlagene Factorization based on Eigenvalue Decomposition and Vector Projection with Vector Iteration (FEVI) Verfahren kombiniert Datensegmentierung mit den Vorteilen einer neuen Matrix-Faktorisierung, um eine signifikant geringere Komplexität im Vergleich zum LSKRF-Verfahren in Massive-MIMO-ODFM-Szenarien zu erhalten.



Bauer, Julia;
Analysis of reference signal stability for the synchronization of distributed measurements. - Ilmenau. - 102 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017

In dieser Arbeit wird ein auf Software Defined Radio (SDR) basierendes Messsystem zur Analyse von Referenzsignalen untersucht. Die Betrachtungen beziehen sich auf die 10 MHz und 1 PPS Referenzsignale, welche z.B. von Rubidium-Referenzen oder GPSDOs bereitgestellt werden können. Diese Signale weisen Unzulänglichkeiten auf, wie beispielsweise Phasen- und Frequenzabweichungen oder Flankenjitter. Um diese Fehler kostengünstig zu beurteilen, wird ein auf SDR basierendes System vorgestellt, welches eine Bewertung und Kalibrierung der Referenzsignalquellen ermöglicht. Das vorgestellte SDR Messsystem wird mithilfe von USRP N210 der Firma Ettus Research realisiert. Um Fehlereinflüsse beim Messen zu bewerten, wird ein Computermodell des Messsystems entwickelt, welches es ermöglicht den Einfluss folgender Parameter zu untersuchen: Filter, ADC Quantisierung, Abtastrate, SNR und DSP Algorithmen (z.B. Interpolation, Rechengenauigkeit, Trigger). Dieses Computermodell wird mit simulierten Eingangssignalen gespeist, die 10 MHz und 1 PPS Signale mit bekannten Parametern darstellen. Dabei zeigt sich, dass das auf SDR basierende Messsetup folgende Eigenschaften aufweist: Die Flanken des 1 PPS Signals können mit einer Genauigkeit von 17 ps (Standardabweichung des normalverteilten Fehlers) erfasst werden, während der Zeitfehler des 10 MHz Signals (ermittelt aus der Phase) eine Genauigkeit von 130 fs aufzeigt. Diese Simulationen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit bereits veröffentlichten Messungen auf Basis eines USRP N210 Messsystems auf, mit dem zwei Rubidium-Referenzen kalibriert worden sind.



Qayyum, Usama;
Measurement of the permittivity for bulk materials. - Ilmenau. - 78 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

Die Kenntnis der elektrischen Permittivität bei verschiedenen Bodenfeuchtigkeiten ist von besonderen Bedeutung zur Geolokalisierung der Tiefe von unkonventionellen Spreng- und Brandvorrichtungen. Diese Abschlussarbeit evaluiert die Methoden der elektrischen Permittivitätsmessung und wendet schließlich eine dieser Methoden experimentell auf Schüttgut an, um die Auswirkungen des Feuchtigkeitsgehalts in Quartzerde zu untersuchen. Die Zellen Streifenleitungen Microstrip Line (MSL) und Grounded Coplanar Waveguide (GCPW) werden vorgeschlagen, modelliert und hergestellt und zur Messung der \textit{S}-Parameters der zu testenden Materialien benutzt. Eine Transmission/Reflection Line (TRL) Methode wurde implementiert. Des Weiteren, wurde eine modifizierte Version namens Nicolson-Ross-Weir (NRW) Konversionsprozedur angewendet mit einer Grenzfrequenz von Null. Diese Konversionsprozedur kann für Quasi-Transverse Electromagnetic (QTEM) modes von Ausbreitungszellen für EM Wellen wie Streifenleitungen oder Coplanar Waveguides erweitert werden. High Frequency Structural Simulation HFSS\texttrademark\ by ANSYS .Inc wurde für die Modellierung, die EM-Parametrisierung und die Simulationen für die Abschätzung der \textit{S}-Parameters verwendet. Des Weiteren, wurde ein Rohde & Schwarz ZVK 1127-8651 (10MHz - 40GHz) VNA für die Messung der \textit{S}-Parameters und der Datenextrahierung benutzt. Die Zeitbereichsreflektometrie (TDR) wurde auf einem Tektronics$^\textregistered$\ CSA 8000 Communication Signal Analyser durchgeführt. Der Quellcode für die Implementierung der Permittivitätsmessungen wurde in MATLAB$^\textregistered$\ von MathWorks, Inc. erstellt. Die gemessenen und simuliereten $\epsilon_{r}^*$ Werte werden schließlich mit in der Fachliteratur veröffentlichten Werten verglichen und verifiziert.



Pandianrajan, Pragadeeshwaran;
CDACS - design of a data link for unmanned aircraft. - Ilmenau. - 93 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

Für die kommenden Jahrzehnte wird erwartet, dass viele Tausend Unmanned Aerial Vehicle (UAV) gleichzeitig in der Luft sein werden, um zum Beispiel Frachttransporte durchzuführen. Eine Vielzahl an UAVs wird deshalb gemeinsam mit bemannten Luftfahrzeugen im zivilen Luftraum fliegen. Ein wichtiges Element für die nahtlose Integration von UAVs in den Luftraum ist der Kommunikationslink (Command and Non-Payload Communication, CNPC) für den Austausch sicherheitskritischer Daten zwischen dem Piloten in der Bodenstation und dem UAV in der Luft L-Band Digital Aeronautical Communications System (LDACS) ist ein am DLR entwickeltes System für die zivile Luftfahrt, welches die Anforderungen an die Kapazität zukünftiger digitaler aeronautischer Kommunikation erfüllt. Es basiert auf OFDM, einer heutzutage weit verbreiteten Technologie in modernen Kommunikationssystemen. Das Ziel dieser Masterarbeit ist die Entwicklung eines neuen OFDM-Systems im C-Band (5030 - 5091 MHz) namens CDACS für den Kommunikationslink zwischen Pilot und UAV basierend auf LDACS. Das System soll die Anforderungen der aeronautischen Kommunikation im C-Band erfüllen und auch bei hohen Geschwindigkeiten und großen Signallaufzeiten arbeiten. Hierfür werden die Ausbreitungsbedingungen im C-Band genau studiert. Aufgrund der unterschiedlichen Ausbreitungsbedingungen wird das zugrundeliegende OFDM-System neu entworfen. In dieser Arbeit werden zudem weitere Verbesserungen des CDACS-Systems vorgeschlagen. Zunächst werden simple MIMO Anordnungen mit mehreren Antennen an der Bodenstation für die Kommunikation außerhalb der Sichtlinie vorgeschlagen. Die Simulationsergebnisse zeigen signifikante Leistungsverbesserungen durch die erhöhte Diversität. Ein Nachteil der OFDM-Übertragungstechnik sind relativ hohe PAPR-Werte. Zur Reduzierung des PAPR wird in dieser Arbeit deshalb alternativ der Einsatz von DFT-spread-OFDM vorgeschlagen. Schließlich wird der momentan verwendete verkettete Reed-Solomon Faltungscode durch einen Turbocode ersetzt, der den Codiergewinn für OFDM und DFT-spread-OFDM verbessert.



Rudnik, Philipp;
Lokalisierung von UAVs unter Verwendung eines SDR-basierten RADAR-Systems. - Ilmenau. - 71 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017

In dieser Arbeit wird die Detektion kleiner Flugobjekte (UAVs) mit Hilfe eines multistatischen RADAR-Systems untersucht. Dabei geht es einerseits um grundlegende Machbarkeitsuntersuchungen, andererseits um Aspekte zur prototypischen Umsetzung des Systems mit USRPs. Ziel ist, Objekte von der Größe einer Hobby-Drohne (z.B. Quadrocopter) mit einer RCS von -40 dBsm bei einer Frequenz von ca. 2,4 GHz über einer halbkugelfömrigen Sperrzone von 10m Durchmesser mit einer Vorwarnzeit von 2 s zu detektieren und mit einer Ortsauflösung von 6m zu lokalisieren. Dafür müssen mindestens drei Sender (Tx) und ein Empfänger (Rx) auf der Grundfläche der Detektionszone platziert werden. Um die gewünschte Ortsauflösung von 6m zu erreichen, wird für die Wellenform des RADAR-Signals ein Multisinus (mit minimiertem Crestfaktor) mit 50 MHz Bandbreite vorgeschlagen. Im multistatischen Fall müssen die einzelnen Sender und Empfänger gemäß einem TDMA-Verfahren arbeiten und entsprechend synchronisiert werden. Da die Genauigkeit von GPS-basierter Synchronisation bei nur ca. ±50 ns liegt, ist sie nicht für die geforderte Ortsauflösung von 6 m ausreichend. Als Lösung wird ein separater Kanal vorgeschlagen, mit dem die Sender und Empfänger sehr genau synchronisiert werden können. Für die prototypische Systemumsetzung wird untersucht, inwieweit sich USRPs vom Typ X310 eignen. Besondere Anforderungen liegen dabei in den geforderten Schaltzeiten von 1 [my]s am GPIO Port, um die Synchronisationsantenne zwischen den einzelnen Kanälen umzuschalten. Dabei stellt sich heraus, dass eine Host-basierte Steuerung über die Ethernet- Schnittstelle mit Schaltzeiten von minimal 13 [my]s nicht geeignet ist. Vorgeschlagen wird deshalb eine Steuerung über den im USRP integrierten FPGA, welche durch Erweiterung der Verilog-Quelldateien der USRP-Firmware erreicht wird. Umgesetzt wird das Schaltverhalten in Form einer Statemachine mit Triggerung durch das Anliegen eines Empfangssignals. Im Ergebnis werden Umschaltzeiten von 1 [my]s erreicht.



Döbereiner, Michael;
Erhöhung der Lokalisierungsgenauigkeit von Multilateration-basierten RADAR-Verfahren mittels hochauflösender Parameterschätzung. - Ilmenau. - 57 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017

Diese Arbeit behandelt die Erhöhung der Lokalisierungsgenauigkeit bei Multilateration-basierten RADAR-Verfahren mittels eines hochauflösenden Parameterschätzers. Zur Parameterschätzung wird dabei ein gradientenbasiertes Suchverfahren verwendet. Zunächst wird die grundsätzliche Laufzeit- und Positionsbestimmung bei Lateration-basierten Verfahren beleuchtet. Dabei werden Probleme eines einfachen Korrelationsempfängers, welche durch die Verwendung eines hochauflösenden Verfahrens aufgehoben werden sollen, dargelegt. Anschließend erfolgt ein Einblick in die Theorie des Dopplereffekts, da in dieser Arbeit auch die Laufzeitbestimmung bei bewegten Objekten berücksichtigt wird. Da im Rahmen dieser Arbeit keine RADAR-Messdaten aufgenommen werden, wird für die Signalgenerierung eine Simulationsumgebung in MATLAB verwendet. In diesem Abschnitt werden auch die Signalparameter des verwendeten Sendesignals erläutert. Ein weiteres Augenmerk liegt auf der Begründung zweier Modelle zur Beschreibung der Ausbreitung des Signals und der daraus resultierenden Empfangssignale. Es wird zwischen einem Modell mit Mehrwegausbreitung und einem mit Berücksichtigung des Dopplereffekts unterschieden. Darauffolgend wird die mathematische Herleitung der Definition des Parameterschätzers durchgeführt. Dabei werden die zuvor erläuterten Modelle aufgegriffen. Zur Suche der optimalen Parameterwerte werden ein rasterbasiertes und ein gradientenbasiertes Suchverfahren vorgestellt. Schließlich werden die beschriebenen Methoden an verschiedenen Szenarien getestet und bewertet. Es wird auf mögliche Probleme und deren Auswirkungen auf das Ergebnis des Parameterschätzers eingegangen.



Tyagaraj, Swathi;
Airborne broadband connectivity based on LTE between mobile terrestrial networks. - 83 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

Diese Masterarbeit befasst sich mit der Untersuchung von breitbandigen Datenübertragungen im Flugzeug/Hubschrauber mittels terrestrischer Netzinfrastruktur. Ein wesentlicher Schwerpunkt bildet der Mobilfunkstandard „Long Term Evolution“ (LTE) und die Verwendung der bereits vorhandenen LTE Basisstations-Infrastruktur der Mobilfunkanbieter. Zur Analyse der LTE-Übertragungseigenschaften wurde ein Testflugzeug mit handelsüblichen LTE Modems mit verschiedenen externen Antennen, wie Monopol, Dipol und MIMO-Antenne ausgestattet. Während des Fluges in Höhen von 1000 bis 3000m wurden ausgewählte LTE-Leistungsparameter, wie beispielsweise das RSSI, SNR und RSRQ kontinuierlich aufgezeichnet. Die Auswertung der aufgenommen Leistungsparameter wurde offline durchgeführt. Anhand der Messergebnisse zeigt sich, dass alle Antennentypen eine stabile LTE-Verbindung mit Datenraten zwischen 2 und 30 MBit/s im Up- und Downlink gewährleisten. Anhand der Messergebnisse wurden auch Analysen zur Antennenauswahl und Antenneninstallation am Flugzeug durchgeführt und erste Ergebnisse zu Antennentyp und Platzierung vorgestellt.