Electrical lengths and phase constants of stretchable coplanar transmission lines at GHz frequencies. - In: Flexible and printed electronics, ISSN 2058-8585, Bd. 9 (2024), 1, 015005, S. 1-12
Elastic, bendable and stretchable electronics establish a new and promising area of multi-physics engineering for a variety of applications, e.g. on wearables or in complex-shaped machine parts. While the area of metamorphic electronics has been investigated comprehensively, the behavior at radio frequencies (RFs), especially in the GHz range, is much less well studied. The mechanical deformation of the soft substrates, for instance, due to stretching, changes the geometrical dimensions and the electrical properties of RF transmission lines. This effect could be desirable in some cases, e.g. for smart devices with shape-dependent transmission or radiation characteristics, or undesirable in other cases, e.g. in feed and distribution networks due to the variable electrical lengths and thus phase variations. This contribution describes the results of a systematic study of the broadband RF properties of coplanar transmission lines on Ecoflex® substrates, based on numerical simulations and experimental data. Two types of stretchable transmission line structures were studied: Meander- and circular ring-segmented lines. Modeling and simulation were performed combining a 2D circuit simulation software with electromagnetic full-wave simulations. The experimental part of the work included the fabrication of metamorphic substrates metallized with thin copper layers and systematic measurements of the electrical lengths and phase constants of coplanar waveguides in the frequency range from 1 to 5 GHz based on vector network analysis for different stretching levels. With the given substrate technology, we succeeded in demonstrating stretchability up to a level of 21%, while the theoretical limit is expected at 57%. The meander- and circular-shaped line structures revealed markedly different sensitivities to the stretching level, which was lower for circular structures compared to the meander structures by approximately a factor of three.
https://doi.org/10.1088/2058-8585/ad1efd
Analysis and implementation of an AGC for FPGAs based on ADC values. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Diplomarbeit 2024
Diese Arbeit untersucht Automatic-Gain-Control-Strukturen (AGC-Strukturen) für Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) in Software-Defined-Radio-Systemen (SDR-Systemen), mit besonderem Augenmerk auf solche, die beim Multiple Input Multiple Output (MIMO) Channel Sounding zur Anwendung kommen. In der Vergangenheit wurden verschiedenste Algorithmen erarbeitet, welche eine AGC auf einem FPGA implementieren [1]–[3]. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein High-Level-Framework zur Simulation dieser Algorithmen entwickelt. Die Leistungsfähigkeit der Algorithmen wurde bewertet und der Algorithmus aus [2] für die Implementierung in einer Hardwarebeschreibungssprache ausgewählt. Dieser entwickelte IP-Core wurde in ein bestehendes AGC-Design integriert und die Ergebnisse der implementierten AGC mit denen der High-Level-Simulation verglichen, um die Implementation zu verifizieren.
Investigation of wear development and force measurement in the punching tool of the punching machine. - Ilmenau. - 92 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2024
Diese Bachelorarbeit untersucht die transformierenden Veränderungen von Industrie 4.0 und konzentriert sich darauf, wie die Digitalisierung die Automatisierung, Prozessüberwachung und Qualitätsicherung verbessern kann. Die Integration von Sensoren und optischen Qualitätssystemen in Maschinen und Werkzeuge spielt eine entscheidende Rolle in diesem technologischen Fortschritt. Das Ziel dieser Studie ist es, ein umfassendes Setup zu implementieren, um die von Scherschneidstempeln ausgeübten Kräfte zu messen und den Verschleiß der Stempelschneiden in einer Produktionsmaschine für Sicherungsklammern für fischer-Anker zu überwachen. Hauptziele sind die Auswahl und Bereitstellung geeigneter Sensoren sowie deren nahtlose Integration in ein vorhandenes Werkzeug. Nach erfolgreicher Implementierung werden die aufgezeichneten Messdaten analysiert, um die Wirksamkeit bei der Identifizierung von Verschleißmustern der Scherschneidstempel und der Herstellung von Korrelationen mit der Lebensdauer der Werkzeuge zu bewerten. Dieser interdisziplinäre Ansatz trägt zur Diskussion über fortschrittliche Fertigungsmethoden bei und bietet Einblicke in die Verschleißdynamik zur Optimierung von Werkzeugdesign, Verbesserung von Wartungsprotokollen und Steigerung der Effizienz im Stanzprozess. Diese Analyse markiert einen bedeutenden Schritt zur Nutzung von Digitalisierung und Sensortechnologien für die Weiterentwicklung der Qualitätskontrollpraktiken in modernen Fertigungsparadigmen.
In texture memory cubic B-splines for rapid beam-pattern interpolation. - Ilmenau. - 54 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Diplomarbeit 2024
Bei Anwendungen in der Funkkanalschätzung und -modellierung benötigt man eine kontinuierliche Beschreibung der Antennencharakteristik (das so genannte Beam-pattern), das rechnerisch effizient und akkurat sein sollte. Als Alternative zu einer analytischen Beschreibung von komplexen Antennen (die schwierig zu beschaffen und auszuwerten ist) wird eine Beschreibung auf der Grundlage von Kalibrierungsmessungen der Antenne verwendet. Ein bestehender Ansatz, die Effective Aperture Distribution Function (EADF), verwendet eine rechenintensive auf der Discrete Fourier Transform (DFT) basierende Interpolation der Messdaten. Durch die Anwendung der kontinuierlichen inversen 2D DFT auf die Apertur der Antenne, kann die EADF eine perfekte Rekonstruktion der räumlich bandbegrenzten Beam-pattern Messdaten erhalten. Diese Arbeit stellt eine schnellere Interpolationsmethode vor, wobei die Genauigkeit der Interpolation nicht beeinträchtigt wird. Eine kubische B-Spline-Interpolation wird durch hardwarebeschleunigte lineare Interpolation auf der Graphics Processing Unit (GPU) implementiert. Die GPU-Implementierung ist in CUDA mit einer Python-Schnittstelle realisiert und nutzt den hochleistungsfähigen Texturspeicher. Unter gleichen Bedingungen ist die vorgeschlagene Implementierung mehr als zehnmal schneller als eine vergleichbare Implementierung der EADF. Der Mean Squared Relative Error (MSRE) im Falle der kubischen Interpolation beträgt etwa -79,3 dB, was unterhalb der inhärenten Fehler von Antennen Kalibrierungsmessung liegt. Die Genauigkeit jeglicher Interpolation ist immer noch durch die fehlerbehafteten Messdaten begrenzt, daher kann die rechnerisch einfachere kubische Interpolation ohne Beeinträchtigung der Modellgenauigkeit verwendet werden. Darüber hinaus erfordert die kubische im Vergleich zur DFT-basierten Interpolation nur eine konstante Anzahl von Messpunkten für jeden interpolierten Wert und ist somit unabhängig gegenüber Antennen mit größerer Apertur.
Wave field synthesis methods for non-uniform antenna distributions. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2024
Angesichts der schnell wachsenden Anforderungen an höheren Datenraten und Zuverlässigkeit mobiler Kommunikationssysteme erfordern MIMO-Geräte umfangreiche Tests, um sicherzustellen, dass sie die Anforderungen der Standards erfüllen, für die sie entwickelt wurden. Es wird deutlich, dass für diese Tests effiziente und kostengünstige Methoden eingesetzt werden müssen. Derzeit werden unter anderem Tests mit elektrischer Verbindung, Radiated Two-Stage (RTS) und Wave Field Synthesis (WFS) eingesetzt. Ziel dieser Arbeit ist es, die Möglichkeit der Verwendung ungleichmäßiger Antennenverteilungen in der WFS-Methode zu untersuchen, um die Auswirkungen der Verwendung hoher Frequenzen während Tests abzuschwächen. Darüber hinaus sollte auch die Kapazität der in der Facility for Over-The-Air Research and Testing (FORTE) des FraunhoferInstituts für Integrierte Schaltungen (IIS) vorhandenen Hardware für die Durchführung von WFS bei Frequenzen bis zu 6 GHz überprüft werden, da bisher nur Frequenzen unter 3 GHz Verwendung fanden. Bevor auf die Diskussionen über das Hauptziel der Arbeit eingegangen wird, werden Hintergrundinformationen zur Theorie, zum Stand der Technik und zur Hardware von WFS vorgestellt, begleitet von Simulationen. Von dort aus wird die WFS-Hardware bei FORTE vorgestellt und auch deren Leistung für Frequenzen bis 6 GHz untersucht. Eine ungleichmäßige 2D-Verteilung von Antennen basierend auf der Verteilung der aus dem Kanalmodell erhaltenen Direction of Arrival (DoA)-Winkel wird vorgeschlagen, ihre Leistung während Wave Field Synthesis (WFS) simuliert und mit einer gleichmäßigen Antennenverteilung verglichen. Außerdem werden praktische WFS-Experimente mit der bei Facility for Over The-Air Research and Testing (FORTE) vorhandenen Hardware sowohl bei 1 GHz als auch bei 5,6 GHz durchgeführt, um die Leistung des Systems bei höheren Frequenzen zu zeigen und auch die Ergebnisse aus den Simulationen zu bestätigen.
Implementierung eines Over-The-Air-Update Mechanismus für LoRa-basierte Sensornetze. - Ilmenau. - 45 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2024
Firmware Updates für eingebettete Geräte im Internet of Things sind essenziell um Bugs und Sicherheitsprobleme zu beheben, sowie um sie weiter zu optimieren und längere Laufzeiten bei Batteriebetrieb zu ermöglichen. In manchen Umgebungen ist es schwer, diese auf die Geräte zu spielen, weil die Geräte sich in schwer erreichbaren Positionen befinden, man aber direkten Zugriff auf das Gerät braucht, damit man die neue Firmware mit einem Programmiergerät flashen kann. Das Ziel war es somit, Firmware Updates Over-the-Air für LoRa-basierte Netzwerke zu implementieren. LoRaWAN selbst eignet sich nicht sonderlich dafür, da es geringe Datenraten verwendet. Dementsprechend musste diskutiert werden, ob es der bessere Ansatz in Bezug auf Updatedauer, Energieverbrauch und Benutzbarkeit ist, Bluetooth als Out-of-Band-Ansatz für das Update zu verwenden. Es hat sich herausgestellt, dass der Ansatz mit Bluetooth in vielen Fällen aktuell der bessere ist.
Analysis of parameter steadiness in blockwise multipath estimation. - Ilmenau. - 54 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2024
Die Analyse des Verhaltens einer Kanal ist eine sehr wichtige Untersuchung des MIMO-Systems (Multiple Input Multiple Output). Mit zunehmender Kanalfrequenz, sowie dem Ziel, mehr Benutzerzahlen und einen größeren Signalabdeckungsbereich anzustreben, werden die Eigenschaften der Kanalmodellierung komplexer. Um die Leistung dieser fortschrittlichen Technologie zu untersuchen, haben wir einige Parameter des Ausbreitungssignals gemessen und sie mit dem RIMAX-Algorithmus berechnet, um einige weitere Parameter zu ermitteln. Das Thema dieser Arbeit ist die Analyse der Stabilität dieser Parameter, die bereits vom RIMAX-System geschätzt wurden. Der Zeitaufwand für das RIMAX-System zur Schätzung großer Datenmengen ist hoch. Daher werden die Daten in Blöcke aufgeteilt, um sie gleichzeitig parallel zu verarbeiten. Da der genannte Algorithmus iterativ aufgebaut ist, muss er mehrere Datenschnappschüsse verarbeiten um einzuschwingen. Damit die geschätzten Parameter an den Blockübergängen dennoch stetig verlaufen, werden die einzelnen Blöcke überlappend definiert. Nach der Schätzung werden die Datenblöcke in der ursprünglichen Reihenfolge ohne die überlappenden Daten wieder zusammengefügt. Die geschätzten Parameter sollten über die gesamte Zeitdauer hinweg stabil sein. Daher stellt die Stabilität des geschätzten Parameters die Leistung der Datentrennungsschätzungsverarbeitung dar. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf die Bewertung der Parameterstabilität durch drei verschiedene Algorithmen und verwenden den Mehrwegkomponenten- abstand (MCD) als quantitativen Standard. Der MCD ist ein wichtiger Schritt zur Mehrwege-Clustering-Erkennung, die auf der Grundlage von Verzögerung, Ankunfts- und Abgangswinkeln berechnet wird, die die Parameter von Mehrwegekomponenten (MPC) sind. Zunächst verwenden wir MCD, um den Tracking-Parameter PathID zu analysieren, der vom RIMAX-Algorithmus geschätzt wird, um das Ergebnis zu beobachten. Die MCD-Werte von PathID zeigen eine signifikante Eigenschaft, dass es an den Blockrändern Extremwerte gibt und sich die Werte an den anderen Position im Blockinneren langsam ändern. Dann verwenden wir den ungarischen Algorithmus, um die MPCs nachfolgender Snapshots zuzuweisen, um die MCD-Werte zu erhalten. Die MCD-Werte zeigen die gleiche Tendenz wie die PathID, allerdings sind die MCD-Gesamtwerte kleiner als die PathIDs. Schließlich verwenden wir den Kalman-Filter, um den Tracking-Prozess erneut auszuführen un dann die MCD-Werte des Kalman-Filters zu berechnen. Die Ergebnisse zeigen für die Parameter keine Blockkanten mehr und die MCD-Werte sind extrem niedrig. Durch den Vergleich der MCD-Werte durch drei verschiedene Algorithmen, den PathID und den ungarischen Algorithmus, wird die Stabilität in den Blöcken der Parameter überprüft, die vom RIMAX-Algorithmus ausgewertet werden. Der Kalman-Filter kann die Stabilität der Parameter insgesamt sicherstellen, aber der Zeitaufwand ist höher als vom ungarischen Algorithmus berechnet.
Simulation und Leistungsbewertung von 5G-Campusnetzen für das Internet of Things. - Ilmenau. - 117 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2024
Aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile wie Flexibilität, Skalierbarkeit, massive Objektkonnektivität usw., die speziell auf die Bedürfnisse von Industrieumgebungen zugeschnitten sind, werden 5G-Campusnetze für die Industrie zunehmend attraktiv. Allerdings ist der Antrag für den Betrieb eines solchen 5G-Campusnetzes sehr komplex und kostspielig. Ziel dieser Masterarbeit war es daher, verschiedene Netzwerksimulatoren zu untersuchen und einen auszuwählen, in dem eine Simulation durchgeführt und ausgewertet wird, um die Frage zu beantworten, unter welchen Randbedingungen ein 5G-Campus-Netzwerk sehr gut für die IoT-Umgebung geeignet ist und, mehr noch, wo es Nachteile oder Einschränkungen gibt. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde ein 5G-Campusnetz für IoT-Anwendungen mit einer Kapazität von 100 IoT-Geräten mit Hilfe des OMNeT++-Netzwerksimulators simuliert und anschließend die Leistung dieses Campusnetzes anhand definierter Parameter - Anzahl der IoT-Gateways, Paketgröße und Frequenzband - beurteilt. Anhand der Analyse der Simulationsergebnisse konnten wir dann feststellen, dass die 5G-SA-Verbreitung für die Implementierung von Campusnetzen mit enormer Kapazität geeignet ist. So wurden Handlungsempfehlungen und Rahmenbedingungen für die Implementierung von 5G-IoT-Campusnetzen definiert. Diese Arbeit unterstreicht die Perspektiven für zukünftige Forschungsziele, darunter die Untersuchung und Optimierung der Energieeffizienz von 5G-Geräten und batteriebetriebenen IoT-Geräten. Schließlich bietet sie einen praktischen Leitfaden für den effizienten Einsatz und die Optimierung von 5G-Campusnetzen in der Umgebung des Internets der Dinge.
CAI2M2: a centralized autonomous inclusive intersection management mechanism for heterogeneous connected vehicles. - In: IEEE open journal of vehicular technology, ISSN 2644-1330, Bd. 5 (2024), S. 230-243
https://doi.org/10.1109/OJVT.2024.3354393
Analytical performance assessment of 2-D Tensor ESPRIT in terms of physical parameters. - In: IEEE open journal of signal processing, ISSN 2644-1322, Bd. 5 (2024), S. 122-131
In this paper, we present an analytical performance assessment of 2-D Tensor ESPRIT in terms of physical parameters. We show that the error in the r -mode depends only on two components, irrespective of the dimensionality of the problem. We obtain analytical expressions in closed form for the mean squared error (MSE) in each dimension as a function of the signal-to-noise (SNR) ratio, the array steering matrices, the number of antennas, the number of snapshots, the selection matrices, and the signal correlation. The derived expressions allow a better understanding of the difference in performance between the tensor and the matrix versions of the ESPRIT algorithm. The simulation results confirm the coincidence between the presented analytical expression and the curves obtained via Monte Carlo trials. We analyze the behavior of each of the two error components in different scenarios.
https://doi.org/10.1109/OJSP.2023.3337729