Peak to average power ratio reduction in LTE-OFDM. - Ilmenau. - 101 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Diese Masterarbeit widmet sich der Reduzierung der beobachteten Werte des hohen Peak-to-Average-Power-Ratio (PAPR) in orthogonalen Frequenzmultiplexsignalen (OFDM) für eine lineare und energieeffiziente Betrieb von Leistungsverstärkern (PAs) in der mobilen Kommunikation. Ein OFDM-Signal mit mehreren Trägern hat folgende Eigenschaften erwies sich als effiziente Übertragungstechnik in frequenzselektiven Fading-Kanälen. Einer von die größten Nachteile sind jedoch die hohen PAPRs, die durch die Gauß-ähnliche Verteilung der Zeit verursacht werden Domänenwellenform. Diese hohen Peaks der OFDM-Wellenformen bewirken, dass die PA über die Sättigung hinausgeht Punkt, was zu einer stark nichtlinearen Verzerrung des Sendesignals führt. Nichtlineare Effekte verschlechtert die Signalqualität, indem es zu In-Band und Out-of-Band Signalverzerrungskomponenten führt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine rechnerisch effiziente PAPR-Reduktionslösung vorzuschlagen für Symbole der Langzeitevolution (LTE). Das Problem der hohen PAPR im OFDM-System wird formuliert als konvexes Machbarkeitsproblem. Suche nach einer praktikablen Lösung durch Projektion des gegebenen OFDM-Signal auf geschlossene konvexe Mengen im Zeit- und Frequenzbereich, so dass das gezielte PAPR wird mit einer vernünftigen Bitfehlerrate (BER) Leistung erreicht. Die Lösung der PAPR-Machbarkeit Problem hält den PAPR aller datenführenden Symbole im LTE-System immer unter oder gleich dem von den angestrebten PAPR-Wert. Konventionelle Einschränkungen im Frequenzbereich für dieses Machbarkeitsproblem setzen sich aus den Techniken zusammen, die auf Frequenzbereichsparametern basieren, wie z.B. Fehlervektor Größe (EVM), aktive Konstellationserweiterung (ACE) und Out-of-Band (OOB) Filterung. Die Schnittmenge aller geschlossenen konvexen Mengen des Frequenz- und Zeitbereichs führt zu einer realisierbaren Menge mit der Lösung für unser PAPR-Machbarkeitsproblem. Analyse des PAPR Machbarkeitsproblems in Bezug auf die konventionelle Frequenz und Zeit Domänenbeschränkungen, die in verschiedenen Projektionsmethoden (POCS, rPOCS und GPR) verwendet werden, zeigen, dass die der am wenigsten erreichbare PAPR-Wert, der die definierten Zeit- und Frequenzbereichsbeschränkungen erfüllt, beträgt 7,2 dB. Daher werden zwei neue Frequenzbereichseinschränkungen vorgeschlagen, um eine gezielte PAPR von 6 dB zu erreichen. Die Parameter der beiden vorgeschlagenen Frequenzbereichseinschränkungen werden in einer Simulation approximiert Umgebung, die als Verfahren 1 und Verfahren 2 definiert ist, so dass der PAPR von 6 dB für alle folgenden Punkte erreicht wird die PDSCH-Symbole mit einer besseren BER-Leistung. Simulative Analyse eines der vorgeschlagenen Produkte Frequenzbereichsbeschränkung, die als quadratisch verzerrter ACE-Beschränkungssatz bezeichnet wird, demonstrierte eine BER von 108 für uncodierte PDSCH-Symbole unter AWGN-Kanalumgebung bei einem SNR-Wert von 17 dB, während alle PDSCH-Symbole PAPR_ 6 dB haben.
Bestimmung der Feuchte von Gewebebahnen mittels Ultra-Breitband-Radar. - Ilmenau. - 108 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Erarbeitung und Validierung eines Konzeptes zur Bestimmung der Feuchte von Gewebebahnen mittels Ultra-Breitband-Radar, wobei der Kennwert der Feuchte einen Anteil an Wasser im Material beschreibt. Wasser verfügt über eine hohe Permittivität im Frequenzbereich der Mikrowellen, sodass sich trockene und feuchte Stoffe unterschiedlich im elektromagnetischen Wechselfeld verhalten. Weiterhin hängt die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen jedoch von vielen weiteren Einflussfaktoren ab, welche unter realen Einsatzbedingungen zeitlichen Änderungen unterliegen können. Um dennoch den Wassergehalt anhand der Messergebnisse bestimmen zu können, ist eine geeignete Auswertung der Messdaten erforderlich. Dazu wird ein Messaufbau entworfen, welcher sich den realen Einsatzbedingungen möglichst annähert. Für das geschaffene Messszenario wird ein physikalisches Modell entwickelt, um die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen zu beschreiben. Auf dessen Grundlage wird ein komplexes Regressionsmodell verwendet, um trotz der parasitären Einflüsse den Wassergehalt der Gewebebahnen schätzen zu können. Als breitbandige Mikrowellen-Sensoren werden m-Sequenz-Geräte angewendet, welche im Frequenzbereich von ca. 3 bis 10 GHz arbeiten.
Recherche und Implementierung von "Synthetic Aperture Radar"-Algorithmen. - Ilmenau. - 74 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
In diesem Artikel stellen wir die Einschränkungen des traditionellen Radars vor. So wurde Synthetic Aperture Radar (SAR) eingeführt. Wir haben zuerst ein 3D SAR-Modell gebaut. Da das 3D Ultraschall-Modell jedoch dem SAR-Modell ähnelt, haben wir auch ein 3D Ultraschall-Modell erstellt und die beiden Modelle verglichen. Wir haben dann sieben SAR-Algorithmen untersucht. Wir werden alle im Fall von 3D erklärt. Da 3D gut funktioniert, muss auch 2D passieren. Diese sieben Algorithmen sind jeweils Back-Projection (BP) Algorithmus, Delay-and-Sum (DAS), Optical Algorithmus, Time Domain Correlation (TDC) Algorithmus, Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) Algorithmus, Fast Iterative Shrinkage Thresholding (FISTA) Algorithmus und Orthogonal Matching Pursuit (OMP) Algorithmus. Der DAS-Algorithmus muss berechnet werden, nachdem alle Messungen abgeschlossen sind. Der BP-Algorithmus verbessert dies und kann in der Messung berechnet werden. Die Geschwindigkeit des optischen Algorithmus hängt davon ab, wie viel Fokus eingestellt ist. Der TDC-Algorithmus ist ein genauer, aber zeitraubender Algorithmus. Der SAFT-Algorithmus ist gut fokussiert, aber die Berechnungen sind komplex. Der FISTA- und OMP-Algorithmus kann auch gut fokussiert sein, die Iteration ist jedoch komplex und zeitaufwändig. Als nächstes untersuchten wir die Cuda-Beschleunigung. Wir haben vorgestellt, wie Cuda im Matlab angewendet wird. Wir haben zwei Algorithmen beschleunigt: den BP-Algorithmus und den SAFT-Algorithmus. Der BP-Algorithmus wurde erfolgreich beschleunigt. Leider konnten wir den SAFT-Algorithmus nicht beschleunigen. Zum Schluss geben wir die Simulationsergebnisse verschiedener Algorithmen an. Aufgrund der Begrenzung des Papierformats geben wir jedoch nur die Simulationsergebnisse des BP, SAFT, Optical und TDC-Algorithmus mit den Simulationsdaten an. Außerdem werden die Simulationsergebnisse von BP, SAFT und TDC-Algorithmen unter realen Daten angegeben.
Signal conditioning and transceiver synchronization for distributed SDR-based measurement applications. - Ilmenau. - 128 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
In dieser Arbeit wird das Universal Software Radio Peripheral (USRP) für die Nutzung als Channel Sounder untersucht. Die Beiträge betreffen eine automatische Verstärkungsregelung (AGC), sowie die Synchronisation räumlich verteilter Geräte mittels 10 MHz und Puls pro Sekunde (1 PPS) Signal. Um eine geeignete AGC vorzuschlagen, wird zunächst das transiente Verhalten des programmierbaren Dämpfungsgliedes innerhalb des USRP X310 mit UBX daughterboard untersucht. Messgrößen dabei sind Überschwingen, Einschwingzeit, Übergangszeit und Restfehler für alle möglichen Schaltübergänge (0...31.5 dB in 0.5 dB Schritten). In Abhängigkeit der Schaltstufen zeigen sich dabei Überschwingen bis zu 10 dB sowie Einschwingzeiten von 350 bis 450 ns. Zur Synchronisation räumlich verteilter Geräte erscheint die Nutzung GPS-synchronisierter Oszillatoren (GPSDO) naheliegend. Für Genauigkeitsmessungen wird zunächst ein Messaufbau vorgestellt, der selbst wiederum auf USRP X310 mit "direct sampling" basiert. Der Aufbau bietet mit acht Eingangskanälen die Möglichkeit, vier GPSDOs mit Sub-Nanosekunden-Genauigkeit über lange Zeiträume zu analysieren. Damit wird die Zeitabweichung von vier GPSDOs, montiert in USRP X310 unter idealen und realen Bedingungen vermessen. Um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen, werden die GPSDOs von einem GPS-Emulator gespeist, welcher ein realistisches Szenario mit 4...12 sichtbaren Satelliten erzeugt. Es zeigt sich, dass die GPSDOs mindestens 30 Minuten GPS-Fix zur Stabilisierung benötigen. Der gemessene Zeitfehler beträgt im "disciplined"-Modus unter idealen Bedingungen bis zu 100 ns. Im "holdover"-Modus (kein GPS-Fix) akkumuliert sich der Zeitfehler zu etwa 100 Mikrosekunden innerhalb weniger Stunden. Bei einer Testfahrt mit mehr als 100 km Strecke akkumulierte sich der Zeitfehler innerhalb einer Stunde bereits zu 1 Mikrosekunde, obwohl für alle vier GPSDOs permanent mehr als 6 Satelliten in Sicht waren. Beim anschließenden Verlust des GPS-Fix und seiner Wiederherstellung innerhalb von weniger als 10 Minuten akkumulierte sich der Zeitfehler zu etwa 2 Mikrosekunden. Diese Ergebnisse zeigen, dass für die Messaufgabe (Channel Sounding) wesentlich genauere Referenz-Standards als die untersuchten GPSDOs benötigt werden.
Identifizierung von Fehlereinflüssen auf die SAFT-Rekonstruktion händisch aufgenommener Ultraschallmessdaten. - Ilmenau. - 61 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Die Materialprüfung sichert in der Fertigung den Ausschuss von mit kritischen Fehlern behafteten Bauteilen und ermöglicht die Überwachung der Infrastruktur. Die Ultraschallprüfung (UP) ist eine ihrer Hauptmethoden. Da die Bildqualität von Ultraschallrohdaten nicht ausreicht um die innere Struktur eines Objektes zu visualisieren, werden die Rohdaten oft nachverarbeitet. Post-processing Techniken existieren zur Verarbeitung von maschinell aufgenommenen UP-Messdaten. Der Großteil der UP erfolgt jedoch händisch. Die Nachverarbeitung solcher Messdaten ist aufgrund der fehlenden Positionsinformation schwierig. Wenn jedoch das Messsystem befähigt wird, die Positionsinformation mit zu erfassen, wird eine Nachverarbeitung möglich. Damit kann das visuelle Feedback an den Prüfingenieur, z.B. durch Assistenzsysteme, verbessert werden. Eine der verbreitetsten Nachverarbeitungsmethoden ist die Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT). Zur Anwendung von SAFT auf handaufgenommene Prüfdaten existieren kaum Vorarbeiten. Im Vergleich zu maschinell aufgenommenen Daten sind bei handaufgenommenen Daten die Abtastung ungleichmäßig und die Messpositionen nicht exakt bekannt. Um den Einfluss dieser Fehlergrößen zu ermitteln vergleicht die vorliegende Arbeit den maschinellen Messaufbau mit der Handprüfung und leitet fünf Größen her: eine gröbere Abtastung, ungleichmäßige Verteilung der Messpositionen, eine niedrigere Abdeckung der Prüfregion, Positionsungenauigkeiten und variierender Anpressdruck. Zu den ersten zwei Größen existieren bereits Vorarbeiten, aus denen ihr Einfluss ermittelt werden kann. Des Weiteren unterliegen die ersten drei Größen den Messentscheidungen des Prüfingenieurs und können nicht beeinflusst werden. Infolgedessen liegt der Schwerpunkt der Arbeit auf der Untersuchung der letzten drei Größen durch zwei Simulationsstudien. Die erste untersucht den Einfluss der ungenauen Positionsschätzung sowie variierender Abdeckung, die zweite den Einfluss des Anpressdrucks. Zur Auswertung werden die Rekonstruktionsergebnisse mit der SAFT-Rekonstruktion von simulierten maschinellen Messdaten verglichen. Es wird gezeigt, dass der Einfluss der genannten Faktoren unter geeigneten Bedingungen tolerierbar ist und damit eine SAFT-Rekonstruktion handaufgenommener Daten möglich ist. Die Ergebnisse können als Grundlage für die Entwicklung von Assistenzsystemen genutzt werden.
Evaluation of calibration performance for the ultrawideband multiband channel sounder. - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Die vorgestellte Arbeit befasst sich mit der Struktur eines Ultra-Breitband Channel Sounders, der Sensoren der IlmSens GmbH als Sende- und Empfangsgeräte verwendet. Im Channel Sounder wird die Autokorrelationsfunktion der M-Sequenz zum Definieren der Kanalimpulsantwort verwendet. Auf der Grundlage des störungsfreien dynamischen Bereichs wurde die Leistung der Kalibrierung bewertet. Die Arbeit beschreibt den Einfluss eines ausgewählten Fensters und die Anzahl der Mittelungen auf den Kalibrierungsprozess. Der dynamische Eingangsleistungsbereich wurde als optimaler Bereich für Messungen für 4 Kanäle ermittelt. Die verschiedenen Methoden zur Anwendung der gemessenen Kalibrierungsfunktionen und des Dynamikbereichs der Eingangsleistung werden für den Betrieb der automatischen Verstärkungsregelung beschrieben.
Analysis and implementation of FMCW radar interference detection and mitigation. - Ilmenau. - 63 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018
Fahrassistenzsysteme überwachen und werten die Fahrzeugumgebung unter anderem mittels Dauerstrichradarsensoren aus. Das Ausleuchten der Umwelt geht mit der zufälligen Wahrscheinlichkeit gegenseitiger Beeinträchtigung einher, wodurch die Erkennbarkeit anderer Verkehrsteilnehmer eingeschränkt wird. Unterschiedliche Interferenzfälle wurden in einer Absorberkammer aufgenommen um das Ausmaß der Beeinträchtigung abzuschätzen. Mehrere Ansätze zur Erkennung fremder Signale wurden vorgestellt und unter Anbetracht von Fehlerraten und Effizienz verglichen. Die Überwachung des Spiegelbandes einer komplexen Basisband Architektur wurde als vielversprechend betrachtet, was durch eine Implementierung bestätigt werden konnte. Genaue Lokalisierung beschädigter Messwerte geschieht durch eine Zeit-Frequenz Analyse basierend auf der spektralen Leistungsverteilung. Anschließend soll Interferenzminderung die Signalqualität wiederherstellen, was sich in einem höheren Signal-Rausch-Verhältnis wiederspiegelt. Untersuchungen folgender Methoden wurden angewandt: Dämpfung und Auslöschung beeinträchtigter Daten, Auffüllen des Zeitsignals unter Verwendung der Korrelation mit ungestörten Daten, sowie die Signalrekonstruktion durch spektrale Analyse dominanter Objektfrequenzen. Angewandt auf unterschiedliche Testfälle wurden verarbeitete Datensätze qualitativ miteinander verglichen. Unter genauerer Betrachtung konnten Parameter zur Optimierung der Lösungsansätze aufgezeigt werden, sodass die genannten Techniken nun angepasst und in die Signalprozessorarchitektur eingebunden werden können.
Passive UHF RFID tag antennas for euro containers with special consideration of metallic content. - Ilmenau. - 161 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Ultra High Frequency Radio Frequency Identification ist eine verbreitete Technik in verschiedenen Anwendungen der Lieferkette. In dieser Arbeit liegt der Fokus auf der Entwicklung einer kleinen, kostengünstigen und effizienten Tag-Antenne zur Detektion von Kleinladungsträgern (KLT-Box) nach VDA 4500 mit und ohne metallischem Inhalt. Die verfügbare Antennenfläche ist begrenzt auf 130 mm × 30 mm. Um die Kosten gering zu halten, werden zwei einfache Antennenstrukturen gewählt: die Halbwellendipolantenne und die Dualantenne, bezeichnet als Schlitzantenne. Die Verwendung dieser zwei Antennen macht die Detektion der KLT-Box unabhängig von der Polarisationsrichtung der Leseantenne, wodurch die Verwendung einer linear polarisierten Leseantenne anstatt einer zirkularen ermöglich wird. Die Tag-Antennen werden mittels in High Frequency Structure Simulator (HFSS) entworfen, simuliert und optimiert. Bei einer Resonanzfrequenz von 868 MHz beträgt die Antennengröße der Halbwellendipolantenne 162,5 mm und die der Schlitzantenne 340 mm. Um die Größe zu minimieren, wird die Mäandertechnik verwendet. Die optimierte mäanderförmige Dipolantenne (MLA) und die mäandrierte Schlitzantenne (MOSA) mit 14 Mäandern werden auf dem Dielektrikum kappa (TM) platziert. Alle Antennen befinden sich auf einer KLT-Box mit und ohne metallischen Objekten. Die Studien werden für zwei Positionen durchgeführt: oben auf der KLT-Box und in ihrer Mitte. Die MLA mit für Freiraum dimensionierten Abmessungen arbeitet gut und ihre Leistung hängt nicht von der Position der Antenne ab. Die Leistung der MOSA, die auf der KLT-Box angeordnet ist, verringert sich jedoch stark. Die Resonanzfrequenz verschiebt sich um 150 MHz. Um die Resonanzfrequenz zu reduzieren, wurde daher die Anzahl der Mäander auf 22 erhöht. Nach der Optimierung hat sie einen Reflexionsfaktor von -23,19 dB und einen realisierten Antennengewinn von -2 dB. Die Änderung des realisierten Antennengewinns bei Veränderung der Antennenposition ist vernachlässigbar. Beide Antennen zeigen bei Platzierung auf der Oberseite der KLT-Box und Vorhandensein von metallischen Objekten eine verringerte Empfangsleistung. Die MLA erreicht dabei gut -5,47 dB Reflexionsfaktor und -4,7 dB realisierten Antennengewinn. Gegenüber der MLA hat die MOSA ein besseres und stabileres Verhalten. Es wird ein Reflexionsfaktor von -17,97 dB und ein realisierter Antennengewinn von -1,5 dB erreicht.
Überlegungen zum Einsatz des Six-Port für integrierte Ka-Band Array-Empfängerstrukturen in 0.25 [my]m SiGe-Technologie. - Ilmenau. - 77 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Die moderne, drahtlose Kommunikationstechnik ist geprägt vom Streben nach immer höheren Datenraten. Die dafür notwendige große, zusammenhängende Bandbreite kann in Zukunft nur noch bei sehr hohen Frequenzen gefunden werden. Um diese Bänder nutzen zu können sind innovative Empfängerkonzepte notwendig. In dieser Arbeit wird untersucht, in wie weit das Konzept des Six-Port für einen 28 GHz Beamforming-Empfänger Anwendung finden kann. Dabei werden zunächst die grundsätzlichen Unterschiede der Six-Port Technologie zu klassischen, auf Multiplikation basierenden Mischerkonzepten dargelegt und bewertet. Im zweiten Teil der Arbeit wird das Six-Port-Konzept dann auf eine aktive, integrierte Empfängerschaltung in 0.25[my]m SiGe Technologie von IHP übertragen, um eine kompakte und performante Empfängerschaltung zu generieren. Der Fokus liegt dabei auf den Herausforderungen und Limitationen der einzelnen, hierfür notwendigen Schaltungsblöcke. Im Anschluss daran wird die Schaltung mit den in Cadence zur Verfügung stehenden Simulationstools ausführlich charakterisiert. Den Abschluss der Arbeit stellt eine Einordnung der Simulationsergebnisse und ein Vergleich mit vorhandenen Technologien dar. Weiterhin folgt ein Ausblick auf mögliche Anwendungen sowie zukünftige Entwicklungsschritte der vorgestellten Schaltung.
Modelling of an OFDM-based passive radar and study of respective key performance parameters. - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Im Gegensatz zu aktiven Radarsystemen nutzen passive Radarsysteme bereits existierende Übertragungen elektromagnetischer Wellen zur Beleuchtung der Ziele. Eine mögliche Beleuchtungsquelle für ein solches System sind die Übertragungen von Mobilfunknetzen, wie zum Beispiel LTE. Durch ihre breite Verfügbarkeit und enorme Flexibilität sind solche Systeme bestens geeignet für eine Fusion von Radar- und Mobilfunkdomäne. Cooperative Passive Coherent Localization (CPCL) ist eine Möglichkeit, die Vorteile von modernen Drahtloskommunikationssystemen für die Radarortung zu nutzen und gleichzeitig Informationen zwischen den beteiligten Knoten über das Mobilfunknetz auszutauschen. Eine Möglichkeit, ein solches CPCL System in ein bestehendes Mobilfunknetz zu integrieren, ist das Kanalschätzungsbasierte Passivradar (Channel Estimation Radar, CER), welches auf Signalverarbeitungsschritten typischer OFDM Empfänger basiert und in dieser Arbeit erstmalig vorgestellt wird. Im Rahmen der Untersuchung wurden drei Methoden des CER mit einem herkömmlichen Ansatz aus der Passivradardomäne in einer dafür entwickelten Link-Level Simulation, unter Verwendung von zeitvariantem Raytracing, miteinander verglichen. Durch die Untersuchung konnte gezeigt werden, dass der Dynamikbereich des Kanals einen großen Einfluss auf das Ergebnis aller untersuchten Schätzmethoden hat. Durch eine weitere Untersuchung konnte dieser Einfluss für die einzelnen Methoden quantifiziert werden. Die Ergebnisse belegen, dass der vorgestellte CER Ansatz und die untersuchte, traditionelle Passivradarmethodik vergleichbare Ergebnisse erzielen. Weiterhin deuten die Ergebnisse darauf hin, dass der im Laufe der Arbeit vorgestellte Ansatz der Symbolrekonstruktion, sogar in der Lage sein könnte, die Ergebnisse des traditionellen Passivradars zu übertreffen.