In-situ calibration for electromagnetic wave field synthesis. - 81 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Elektromagnetische Wellenfeldsynthese ermöglicht die Emulation von elektromagnetischen Feldern. Wellenfeldsynthese funktioniert durch kohärente Überlagerung der Signale von verschiedenen OTA Antennen, jede mit spezifischer Amplitude und Phase. Es ist wichtig sicherzustellen, dass die von den OTA Antennen abgestrahlten Signale tatsächlich mit der richtigen Phase und Amplitude ankommen. Hierzu ist eine Kalibrierung notwendig. Die Kalibrierung konzentriert sich auf den "Sweet Spot". Diese Masterarbeit gibt einen Überblick über die Parameter der elektromagnetischen Wellenfeldsynthese und die Fähigkeit eines zweidimensionalen kreisförmigen Array, Störungen auszugleichen. Ein Modell des OTA Testaufbaus in FORTE wurde in MATLAB implementiert und für Simulationen eingesetzt. Die Referenzmuster Kreuz, Ring-und Scheibe wurden ausgewertet. Wenn ein Referenzfeld kleiner als der Sweet Spot verwendet wird, können gute Ergebnisse mit wenigen notwendigen Bezugspunkten erzielt werden. Es wurde beobachtet, dass die Verwendung einer größeren Anzahl von OTA Antennen die Verwendung von mehr Referenzpunkten für gleiche Feldqualität erfordert. Die besten Ergebnisse wurden erzielt, wenn sich das synthetisierte Feld direkt über eine OTA Antenne ausbreitete, die schlechtesten, innerhalb der Ebene der Anordnung, bei einer Ausbreitungsrichtung mittig zwischen zwei Antenne. Reflexionen innerhalb eines Modells des OTA Aufbaus wurden betrachtet. Es wurde festgestellt, dass die Ansteuerung des OTA Antennen Array im Stande ist, die vom Aufbau selbst verursachten Reflexionen zu kompensieren. Die vertikale Polarisation zeigt hierbei bessere Ergebnisse in der Error Vector Magnitude, während horizontale Polarisation bessere Ergebnisse bezüglich des Wellenfrontfehlers liefert. Die erarbeiteten Erkenntnisse können für künftige Forschungen in FORTE Anwendung finden, wie beispielsweise die ausstehende Kalibrierung des OTA Aufbaus oder die Entwicklung und Optimierung von Testszenarien. Auch sind weitere Forschungen auf dem Gebiet der elektromagnetischen Wellenfeldsynthese denkbar.
Entwurf und Implementierung einer kaskadierbaren automatischen Kalibriereinheit für M-Sequenz UWB Sensoren. - 150 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Am Fachgebiet Elektronische Messtechnik der Technischen Universität Ilmenau entwickelte ultra-breitband Sensoren nach dem M-Sequenzverfahren eignen sich aufgrund der extrem hohen Signal- und Zeitbasisstabilität für die gleichen Kalibrierverfahren, wie sie bei vektoriellen Mehrtornetzwerkanalysatoren Anwendung finden. Aufgrund der breitbandigen Hochfrequenz-Elektronik sind systematische Messfehler nicht vermeidbar und für genaue Messungen ist daher eine Kalibrierung obligatorisch. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Entwurf einer automatischen Kalibriereinheit im Frequenzbereich von 10 MHz bis 10 GHz vorgestellt, welche die Kalibrierung im Praxiseinsatz erleichtert und durch die Erzeugung virtueller Transferstandards im Messaufbau verbleiben kann. Das ausgewählte Kalibrierverfahren erlaubt eine Reduzierung der Durchverbindungen zwischen den Messtoren und eignet sich daher für eine aufwandsgünstige Kaskadierung der Kalibriereinheiten zur N-Tor Kalibrierung. Unter Berücksichtigung der Gehäuse- und Bauelementeeigenschaften erfolgen Schaltungsentwurf und Layoutgestaltung in der Software EAGLE und werden mittels Lagenexport durch 3D-Feldsimulationen in HFSS unterstützt. Auf Basis des Substrats Rogers 4003C werden zunächst verschiedene Leitungsstrukturen hinsichtlich ihrer charakteristischen Eigenschaften untersucht und die Struktur ausgewählt, welche mit der Referenzwellenimpedanz des Systems am besten übereinstimmt. Ausgehend davon werden Entwurfskriterien zur Realisierung planarer Kalibriernormale festgelegt, und Untersuchungen zur Kompensation virtueller Längenerweiterungen und parasitärer Blindanteile angestellt. Unter Berücksichtigung von Gehäuseresonanzen und Koppeleffekten werden die Kalibriernormale im Schaltungslayout integriert und die automatische Kalibriereinheit gefertigt. Den Abschluss der Arbeit bildet eine messtechnische Untersuchung und Bewertung der erreichten Eigenschaften hinsichtlich Qualität der Kalibrierung, Langzeitstabilität der Kalibriernormale und Wiederholgenauigkeit der Konnektierung von Messobjekten am Ausgang. Hierzu werden für verschiedene Messobjekte die Ergebnisse einer automatischen Kalibrierung mit denen eines kommerziellen koaxialen Kalibriersatzes verglichen. Um ein genaues Messergebnis zu erzielen erfolgen die Messungen an einem Zweitor-Netzwerkanalysator der Firma Rohde & Schwarz (Modell: ZVK).
Channel modeling and measurements for wireless sensor nodes in critical channel conditions. - 64 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Das Thema der Arbeit ist die Charakterisierung des Funkkanals für Drahtlose Sensornetze im 868 MHz Band. Dazu werden exemplarisch kritische Kanalszenarien ausgewählt, und die Mehrwegeausbreitung in diesen Szenarien untersucht. Der Ansatz der Arbeit beinhaltet dabei Simulationen an einem typischen Scenario sowie Messungen an beispielhaft ausgewählten Sensorknoten. Die Simulationen werden mit der Ray-Tracing-basierenden Software WinProp Suite von AWE Communications, durchgeführt. Das 3D Design des beispielhaften Innenraums wurde mit dem Modul WallMan erstellt. Zur Simulation und Generierung der komplexen polarimetrischen Pfadgewichte wurde das Modul ProMan verwendet. Zusätzliche Kanalparameter, wie Ein- und Ausfallsrichtung von Funkwellen (DoA, DoD), wurden mit MATLAB aus der Simulation extrahiert und analysiert. Dabei wird der Einfluss auf die Feldstärke am Empfänger näher betrachtet. Parameter für diese Analyse sind die Antennencharakteristik am Sender, die Position des Senders und zusätzliche Hindernisse in der Umgebung. Entsprechende Ergebnisse werden dargestellt. Für die Messungen wurde als Worst-Case-Szenario für eine Mehrwegeausbreitung ein 2-Pfad-Modell mit einem exemplarischen Sensorknoten emuliert. Die Emulation geschieht im Antennenmessraum der Fraunhofer IIS Facility for Over-the-air Research and Testing (FORTE) mit der Over-the-air (OTA) Methode in einer kontrollierten elektromagnetischen Umgebung (Virtual Electromagnetic Environment, VEE). Zur Charakterisierung des 2-Pfad-Modells werden die Verbindungsgüteparameter Empfangssignalstärke (Received Signal Strength, RSSI) und Paketempfangsrate (Packet Received Ratio, PRR) des Sensorknotens ausgewertet. Entsprechende Ergebnisse werden vorgestellt.
Low complexity link adaption techniques for correlated MIMO channels. - 100 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
In dieser Arbeit wurde die Adaption von MIMO-Systemen, insbesondere von Spatial Multiplexing Konzepten, an die veränderlichen Funkkanäle untersucht. Die Hauptidee ist durch eine geschickte Antennenauswahl die Kanalmatrix zu finden, welche die besten Eigenschaften für eine parallele MIMO-Übertragung bietet. Die vorgeschlagenen Verfahren wählen die MIMO- und Modulationsordnungen sowie die Antennenauswahl für Szenarien aus, die sich durch Kanalkorrelation und SNR unterscheiden. Die Auswahl der MIMO-Ordnung korrespondiert mit der Größe der ausgewählten Submatrix in der Art, dass die Kanalkapazität maximiert wird. Das wichtigste Ergebnis dieser Arbeit besteht in dem Nachweis, dass die neuen Algorithmen zur Link-Adaption nicht nur effizient arbeiten, sondern dabei auch bestimmte Anforderungen z.B. an die Symbolfehlerrate eingehalten werden können. Um das Problem der Antennenauswahl zu lösen, wurden Pivot-Spalten-QR- (PCQR) und Rangerkennungs-QR- (RRQR) Zerlegungen eingeführt. Die PCQR und RRQR bieten inhärent bereits eine Spaltenauswahl, was in den MIMO-Systemen z.B. der sendeseitigen Antennenauswahl entspricht. Eine Submatrix, die durch diese Spalten gebildet wird, maximiert die Mutual Information oder die Kanalkapazität. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Untersuchung auf eine gemeinsame Sende-Empfangs-Antennenauswahl (TRAS) und eine entkoppelte Auswahl basierend auf den vorgeschlagenen PCQR und RRQR Algorithmen erweitert. Es wurde gezeigt, dass die vorgeschlagenen entkoppelten Algorithmen in der Berechnung viel schneller als die bestehenden TRAS-Verfahren sind und einen nahezu optimale Leistungsfähigkeit aufweisen. Neben den intensiven Untersuchung der Antennenauswahl wurden Techniken zur gemeinsamen Selektion von Antennen und der Modulationsordnung vorgeschlagen, welche wiederum auf Basis der PCQR und RRQR entwickelt wurden. In einem ersten Ansatz ist die Modulationsordnung fest und die Anzahl der Datenströme ändert sich in Abhängigkeit von den Kanalbedingungen. Die zweite Methode ist dynamischer und wählt jeweils die gemeinsame MIMO- und Modulationsordnung sowie die Antennenteilmenge aus, mit der ein vollständiger Diversity-Gewinn sichergestellt werden kann. Alle vorgestellten Verfahren wurden mittels realistischer Daten, die im Rahmen von Channel-Sounder-Messungen entstanden, überprüft. Es sei angemerkt, dass die vorgeschlagenen Link-Adaptionsverfahren jeweils nur eine einfache PCQR- oder RRQR-Zerlegung benötigen, die geringere Berechnungskosten als eine einzelne SVD der Vollkanalmatrix aufweisen. Dies hebt die vorgeschlagenen Verfahren gegenüber Standardlösungen heraus, die aufwendige iterative Berechnungen, wie SVD's und Inversenberechnung, erfordern.
Impact of the dictionary mismatch for compressed sensing-based Direction-of-Arrival (DOA) estimation. - 97 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Das Problem der Richtungsschätzung hat eine wichtige Bedeutung für das moderne Leben. Heutzutage sind moderne Peilsysteme in vielen technischen Bereichen verwendet, wie z.B. in RADAR, in SONAR, in MIMO, in Interferenzreduktion, in Mehrbenutzer- oder Mehrkanal-Datenübertragung. Die breite Reihe der moeglichen DOA-Schaetzung Anwendungen benötigen einfache, universelle Algorithmen, die gleichzeitig in der Lage sind, eine hohe Auflösung zu erreichen, während man mehrere Ziele sucht. Offensichtlich stehen die meisten Anforderungen in Widerspruch miteinander. Dies macht die gesamte Aufgabe sehr herausfordernd. Die Medium durch das das Signal propagiert, spielt bei der Definition eines effizienten DOA-Schaetzers eine entscheidende Rolle. Die vorhandenen mathematischen Modelle der DOA-Schaetzung können in drei Kategorien eingeteilt werden: Beamforming, Unterraum-basierte Verfahren und Maximum-Likelihood-Verfahren. Jede dieser Techniken hat durch seine Anwendbarkeit bestimmte Grenzen. Nennenswert sind die begrenzte Winkelauflösung, Abhaengigkeit von einer bestimmten Antennen-Array-Struktur, Rechenanforderungen usw. Neue Erkenntnisse im Bereich der Signalverarbeitung bieten ein neues Paradigma bekannt als CS. Compressive Sensing ermöglicht eine Signalerfassung bei signifikant reduzierter Samplerate deutlich unterhalb der Shannon-Nyquist-Rate ohne Informationsverlust. Voraussetzung ist, dass die zu erfassenden Signale bestimmte Strukturen (eine sogenannte Sparsity) aufweisen. Das DOA-Modell erfüllt die Sparsity-Bedingung, das bringt ein hohes Potenzial für die Anwendung von CS auf die DOA-Schaetzung. Eine grosse Zahl von Rekonstruktionsalgorithmen wurden bereits im Bereich der DOA-Schaetzung verwendet, unter anderem Greedy-Algorithmen OMP, etc.), l1-Norm-basierte Algorithmen BP, usw.), usw. Die meisten von ihnen ignorieren die Tatsache, dass ein diskretes Modell, wie es von CS verwendet wird, das Problem der DOA-Schaetzung nicht vollstaendig darstellen kann, welches in einem kontinuierlichen Bereich formuliert ist. Daraus ergibt sich eine Verschlechterung der Leistungsfaehigkeit solcher auf CS-basierten DOA-Schaetzer, wenn die Position durch das diskrete CS-Verfahren nicht exakt gefunden werden kann ('off-the-grid DOA'). Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Auswirkung der off-the-grid DOA-Modellfehlers auf den CS-Rekonstruktions-Prozess zu analysieren und einen effizienten CS-basierten DOA-Schätzer zu entwickeln, der eine stabile Leistung auch für realistische Szenarien bieten könnte, in denen Quellen sich off-the-grid befinden. Die Aufgabe der vorliegenden Arbeit ist die Nutzung des empirischen Wissens über Eigenschaften des Signals abgeleitet von CS, um die erwartete wahre off-the-grid DOA zu finden. Das Konzept wird durch eine grosse Anzahl an Simulationen unterstützt, die verschiedenen Antennenkonfigurationen und Rekonstruktions-Algorithmen betrachten.
UWB-Detektion und -Lokalisierung in Notfall- und Sicherheitsszenarien. - 122 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Um Personen innerhalb von Gebäuden in Notfall- und Sicherheitsszenarien genau zu orten, setzt man UWB-Sensoren als Through-Wall-Radar ein. Im Fokus dieser Masterarbeit steht eine Machbarkeitsstudie der Detektion und Lokalisierung von mehreren Personen aus verschiedenen Sensorpositionen mittels experimenteller und theoretischer Untersuchungen. In allen Sensorpositionen existieren einfache sowie genaue Lokalisierungsverfahren, basierend auf einer zweidimensionalen Lateration. Mithilfe von erhöhten Sensoren, die 30-50 cm oberhalb des Kopfes an der Wand platziert werden, hebt sich die gegenseitige Abschattung mehrerer Personen auf, und Menschen sind unter optimalen Detektionsbedingungen lokalisierbar. Wenn Sensoren im Raum oberhalb von Personen positioniert werden, versagt ein CFAR-Detektor dabei, mehrere Personen separat zu erkennen, verursacht durch eine geringe Entfernungsauflösung. Alternative Ansätze zur Mehrpersonenerkennung sind nicht vielversprechend. Bei Sensoren in der Ferne mit einem Abstand von 9,1 m zur Gebäudewand erzielt man mittels Verfolgen einer gleichförmigen Bewegung (track before detect) ein gutes Detektionsvermögen mehrerer Personen innerhalb eines Raumes und eine Kompensation der erhöhten Pfadverluste. Alles in allem sind erhöht und entfernt platzierte Sensoren in Notfall- und Sicherheitsszenarien zu bevorzugen.
Implementierung und Test effizienter Korrelationsverfahren für Pseudorauschfolgen im FPGA. - 95 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Ein auf Pseudorauschen basierendes Ultra-Breitband-Radarsystem nutzt Maximum Length Binary Sequences (MLBS) als Anregungssignal. Aus dem empfangenen Signal des Radarsensors wird die gesuchte Impulsantwort durch Berechnung der zyklischen Korrelation mit der MLBS gewonnen. Die vorliegende Arbeit beschreibt, wie die Korrelationsberechnung in das bestehende Hardwaredesign des FPGA der Radarsensorplattform eingefügt werden kann. Dieser Schritt ist für eine mobile Datenauswertung notwendig. Für langsam messende und energieeffiziente Anwendungen wurde ein seriell akkumulierender Ansatz entwickelt. Aufgrund des geringen Ressourcenbedarfs kann diese Implementierungsform auch auf kostengünstigen kleinen FPGAs eingesetzt werden. Ein vollständig parallel akkumulierender Ansatz wurde für Anwendungen mit hoher Messgeschwindigkeit entwickelt. Diese Implementierung benötigt sehr viel Hardware-Ressourcen und kann deshalb nur auf sehr großen FPGAs realisiert werden. Eine weitere Implementierungsvariante nutzt die schnelle Hadamard-Transformation (FHT) zur Korrelation. Da die FHT jeden Zwischenwert nur einmal berechnet, ist dieser Ansatz besonders effizient. Es wurde ein Algorithmus entwickelt, der die Zwischenergebnisse einzelnen Speicheradressen so zuordnet, dass eine teilparallele Bearbeitung der FHT basierend auf mehreren Einzelspeichern möglich ist. Der VHDL-Code wurde jeweils automatisiert mit Hilfe von selbst erstellten Funktionen in MATLAB erzeugt. Dies ermöglicht es, verschiedene Konfigurationen der Korrelatorvarianten frei von Programmierfehlern automatisiert zu erstellen. Es kann einzeln festgelegt werden, ob die benötigten Speicher als Block-RAM oder Distributed-RAM implementiert werden sollen. Beim FHT-Ansatz kann der Parallelitätsgrad festgelegt werden. Die serielle und die FHT-Variante konnten auf der bestehenden Sensorplattform erfolgreich getestet werden.
Magnetic field emulation for mobile satellite communication terminals - concept, design and verification. - 81 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2014
Das Fraunhofer IIS hat die facility for over the air research and testing (FORTE) gebaut. Ein Teil dieser Anlage ist eine Testumgebung für mobile Satellitenkommunikationsterminals. In dieser Umgebung können alle Parameter die Einfluß auf die Kommunikationssysteme haben (z.B. Bewegung, GPS-Signale, der Satellitenkanal) emuliert werden. Um die Testumgebung zu erweitern soll ein Erdmagnetfeldemulator entwickelt werden, der die Nachbildung des dreidimensionalen magnetischen Feldes für jeden Punkt der Erdoberfläche nachbilden kann. In dieser Arbeit werden unterschiedliche Ansätze für eine solchen Emulator untersucht und der geeignetste ausgewählt. Der gewählte Aufbau besteht aus drei individuell ansteuerbaren, verformten Helmholtzspulen. Die Herausforderung dabei ist die Integration der Spulen in die Testumgebung ohne die bestehenden Testsysteme zu stören. Ein erster Schritt hinsichtlich der Implementierung war die simulative Untersuchung möglicher Aufbauten. Daraus wurden Testaufbauten zur messtechnischen Überprüfung der Simulation erstellt. Insbesondere wurden die Einflüsse der verformten Helmholtzspulen auf den homogenen Teil des manetischen Feldes untersucht. Gleichzeitig wurde in einer ersten Revision ein Regelkreis für einen solchen Emulator entwickelt. Dieser softwarebasierte Regler nutzt einen magnetischen Feldsensor für eine feedback-basierte Steuerung, die notwendig ist, die permanenten Änderungen des Erdmagnetfelds zu kompensieren. Als Ergebnis der Arbeit wird gezeigt, dass der Aufbau eines solchen Emulators und die Integration in die Testumgebung möglich ist trotz der festgestellten Verzerrungen des homogenen Feldes. Einige Vorschläge für eine endgültige Implementierung wurden erarbeitet.
UWB pseudo noise radar imaging by SAR processing. - 71 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Radar ist ein Verfahren, das reflektierte elektomagnetische Wellen benutzt um Informationen von Objekten in der Ferne oder Nähe zustand zu Radar. Das Stimulus Signal entschiedet der Typ von benutzte Radar. Es kann allgemein als UWB und narrow-band geteilt sein. UWB M-sequenze oder maixumum length Sequenzen Radar war benutzt für die Objekte im Nahfeld auf dem und unter dem Boden. Ausserdem, M-sequenze verfolgt die Pseudo-Noise-Folge Regel. UWB M-sequenze Radar ist sehr gut geignet fur durchdringende Anwendungen. Eigentlich, UWB bringt hoehe tiefe losung für die Baugrunduntersuchung. Aber UWB braucht eine speziale Signalverarbeitung dass es die Annhame von narrow-band Radars nicht akzeptiert. Deshalb es bringt eine schwere Stufe fur die Signalverarbeitung. Fokussierung ist der schwerste Teil von dieser Signalverarbeitung. Eine UWB Simulation in MATLAB um diese Fokussierung subket zu forschen geschrieben. Vier verschieden Fokussierung oder Migration Algorithmen haben in MATLAB mit Erfolg implementiert, um auch das Prinzip von UWB boden durchdringendes Radar zu forschen und dann diese Funktionen zu matGPR toolbox haben implementiert.
Konzeptionierung und Ausarbeitung eines teil-automatisierten Arbeitsablaufs zur Parameterfindung eines kapazitiven Sensors im KFZ. - 168 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Während der letzten Jahre wurden für den Automobilbereich viele technische Neuheiten entwickelt. Das Augenmerk wurde auf Sicherheit, Energieeffizienz und Komfort gelegt. Im Komfortbereich wurde ein kapazitives Sensorsystem entwickelt, welches das berührungslose öffnen der Heckklappe durch eine Kickbewegung ermöglicht. Dieses System hat sich durch geringe Herstellungskosten auf dem Markt etabliert. Aufgrund der Kostenoptimierung im Herstellungsprozess ergeben sich einige Nachteile für das Sensorsystem. Dies spiegelt sich in einer aufwendigen Parametrisierung neuer Fahrzeugmodelle wieder, welche mittels manuellen Kick-Messungen generiert wird. Die Folge ist eine komplexe Messreihe mit verschiedenenKicks für jedes neue Fahrzeugmodell, was zu hohen Kosten führt. Diese Arbeit zeigt ein Ansatz zur Parametergenerierung dieses Sensorsystems mittels Simulationen, um den hohen Zeitaufwand der Kick-Messungen zu reduzieren. Unter Nutzung der Finite-Elemente-Methode (Ansys Q3D) wurde mit einem CAD-Modell eines Stoßfängers und eines modellierten menschlichen Unterschenkels die elektrische Feldverteilung im Sensorbereich sowie die Sensorkapazitätsänderung bei einem Kick analysiert. Die Sensorkapazität wird mit einem bestehenden Steuergerät ausgewertet. Unter Einsatz der Software OrCAD PSpice wurde ein Modell erstellt, welches die Funktionalität der Auswerteeinheit reproduziert und somit die Analyse des Betriebsverhaltens mittels Simulationen gewährleistet. Damit können die simulierten Kapazitäten in Messwerte (Spannungen) umgerechnet werden. Ein Vergleich zwischen der Simulation und den Messergebnissen ergab, dass die durchgeführte Kick-Simulation realitätsnahe Werte liefert. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Effizienz des Sensorsystems gesteigert werden kann, indem geringe Änderungen in der Bauteildimensionierung am Steuergerät durchgeführt werden.