Studienabschlussarbeiten des FG Elektronische Messtechnik und SignalverarbeitungStudienabschlussarbeiten des FG Elektronische Messtechnik und Signalverarbeitung

Studienabschlussarbeiten

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Erstellt: Mon, 17 Jan 2022 23:02:23 +0100 in 0.1016 sec


Koulagi Jayatheertha, Kavyashree;
Spectrum-aware scheduling in 5G-NR networks. - Ilmenau. - 87 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Eines der Hauptmerkmale von 5G-NR-Netzen ist die Einführung verschiedener Anwendungsfälle, die sowohl Breitband- als auch Schmalbandkommunikation mit unterschiedlichen Durchsatz- und Latenzanforderungen umfassen. Die im 5G-Standard definierte flexible Numerologie ermöglicht es, den Anforderungen solcher heterogenen Anwendungen gerecht zu werden. Dies erfordert die Implementierung effizienter Scheduling-Strategien, die nicht nur die Anforderungen der einzelnen Nutzer erfüllen, sondern auch einen fairen Zugang zu den Netzwerkressourcen gewährleisten können. Für die gemeinsame Nutzung von Ressourcen wurden mehrere Planungsschemata vorgeschlagen, die eine einfache Numerologie und in jüngerer Zeit auch eine Multinumerologie verwenden. Im Allgemeinen setzen diese Verfahren die Verfügbarkeit von zusammenhängenden Frequenzbändern voraus. Wenn sich jedoch mehrere Netze dasselbe Frequenzband teilen, muss der Planer die Verfügbarkeit von Teilen der Frequenzbandbreite zu verschiedenen Zeitpunkten berücksichtigen. In dieser Arbeit werden terrestrische und nicht-terrestrische 5G-Netze als zwei mögliche Systeme betrachtet, die sich dasselbe Frequenzband zeitlich teilen. Im Allgemeinen muss der Scheduler zusätzliche Einschränkungen im Zusammenhang mit der Verfügbarkeit der Systembandbreite berücksichtigen und gleichzeitig den Netzwerkdurchsatz maximieren und Fairness gewährleisten. Die Leistung des Schedulers wird für ein Multinumerologie-Szenario bewertet.



Tang, Jiayin;
A parametric model for the estimation of time-variant parameters. - Ilmenau. - 56 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

In dieser Masterarbeit wird, um die Änderungen zeitvariierender Parameter im Funkkanal genauer zu verfolgen, ein neues zeitvariantes parametrisches Modell unter Verwendung der Taylor-Reihenentwicklung erstellt und dann die Verzögerung und die Doppler-Frequenzverschiebung im Kanal geschätzt durch einen Maximum-Likelihood-Ansatz unter Verwendung des Levenberg-Marquart-Algorithmus. Zunächst werden die physikalischen Ursachen der Doppler-Frequenzverschiebung und -verzögerung sowie deren Auswirkungen auf Funkkanäle vorgestellt. Eine vorhandene Zeitinvariante wird dann angezeigt. Der Fokus liegt auf dem Zusammenhang zwischen der Kanalantwort und den Parametern im Modell und dem Prinzip des statischen Modells. Dies ist wichtig, um besser zu verstehen, warum wir motiviert sind, ein neues vorzuschlagen sich nähern. Anschließend wird das neue zeitvariante parametrische Modell im Detail vorgestellt. Im traditionellen statischen Modell beträgt die Änderungsrate von Parametern mit der Zeit wird oft ignoriert, was die Genauigkeit der Parameterschätzung stark beeinflusst. Im neuen zeitvarianten parametrischen Modell, das in diesem Papier vorgeschlagen wird, sammeln wir mehrere Momentaufnahmen in einer einzigen Beobachtung und verwenden die Taylor-Expansion, um das neue zeitvariante parametrische Modell zu verfeinern, um die Auswirkung der Änderungsrate auf die Daten zu erhalten. Dies erfolgt, um die Genauigkeit der nachfolgenden Schätzung zu verbessern und das SNR zu verbessern. Im folgenden Kapitel führt diese Arbeit die Maximum-Likelihood-Schätzung ein. Wenn die Maximum-Likelihood-Schätzung in die kleinste umgewandelt wird Quadratschätzung, Wir präsentieren eine bekannte Methode, um eine geeignete Parameterschätzung mit guter Genauigkeit und relativ geringem Rechenaufwand zu erhalten. Die Grundidee zum Finden des Minimums ist der Gradientenabstieg, einschließlich der Gaußschen Methode, der Gaußschen Newton-Methode und der Levenberg-Marquardt-Methode (LVM). Ich konzentriere mich darauf zu erklären, warum dieses Papier LVM wählt, um das Extrem zu finden Wert der Maximum-Likelihood-Funktion. Dann schlage ich unseren neuen Algorithmus vor: Time-Variant-Maximum-Likelihood (TVML) Algorithmus. Danach stellen wir kurz den hochmodernen Baseline Extended KalmanFilter (EKF)-Algorithmus vor, machen einen mathematischen Vergleich mit unserem neuen TVML-Algorithmus und entdecken, dass der EKF mathematisch eine einstufige Version einer verallgemeinerten LVM-Iteration ist. Darüber hinaus können wir mit numerischen Simulationen eine Verbesserung des SNR und damit der Schätzgenauigkeit bei der Verwendung von TVML im Vergleich zu EKF feststellen.



Gueussi Kemtchouang, Nelly;
Entwicklung und Optimierung eines hochauflösenden Parameterschätzers für Funkkanalmessdaten eines Mehrkanalempfängers. - Ilmenau. - 86 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Zur Entwicklung Kommunikationssysteme werden Kenntnisse über den Funkkanal benötigt. Dafür kommen meist hochauflösende Parameterschätzer zum Einsatz. Sie erlauben Mehrwegekomponente aus Funkanalmessdaten zu extrahieren und eine Beschreibung der Ausbreitungspfade hinsichtlich Laufzeit, Doppler, Ein-und Ausfallrichtung. Für die Kanalerfassung wird im Rahmen dieser Arbeit einen MIMO-Sounder mit parallelen Messempfängern genutzt. Problem bei dieser Architektur liegt an der Kohärenz der Messempfänger, die auf die Zeit schwer zu halten wird. Diese driften unterschiedlich und diese Drifts sind für die Schätzung besonders schädlich, da sie dort größere Schätzfehler hervorrufen werden. Um es zu vermeiden, wird in dieser Arbeit ein Kalibrierverfahren für die Messempfänger entwickelt. Dafür wird eine neue Applikation probiert und anstatt wie üblich, den Kalibrierungsvorgang auf Kabel zu betreiben, geht es über die Luft. Ein Referenzkanal wird lokal gebaut und überwacht das Messsystem. Daraus werden alle Abweichungen der Messempfänger über die Zeit gewonnen. Aus den gewonnenen Systemfehler wird ein Korrektursignal gebildet und Offline erfolgt die Korrektur auf den MIMO-Messdaten, die weiterhin geschätzt werden. Es wurde Festgestellt, dass die Kalibrierung über den Referenzlink funktioniert hat, allerdings unter bestimmten Bedingungen: der Nutzsignal-Pegel im Referenz- und MIMO-Kanal muss gegenüber das Messrauschen deutlich viel größer sein. Weiterhin wird im Laufe der Arbeit die Faktoren, wovon die Genauigkeit der Korrekturdaten abhängen, untersucht.



Treichel, Tim;
Evaluation of open source hardware for rapid prototyping of advanced ultrasonic testing methods. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Das Un0rick Projekt ist eine Open Source Hardware für Ultraschallprüfung. Im Vergleich zu gängigen proprietären Geräten bietet es eine kostengünstige Lösung, welche vollen Zugriff auf Rohdaten und vollständige Kontrolle bis hin zur Firmware bietet. Ziel dieser Arbeit ist es die Hardware auf Erweiterungsmöglichkeiten zu testen, um komplexere Ultraschallprüfverfahren zu ermöglichen. Dies geschieht an einer konkreten Beispielimplementierung von codierten Signalen. Außerdem soll diese Arbeit als zusätzliche Dokumentation für das Un0rick Projekt dienen, da die offizielle Dokumentation teilweise inkonsistent ist. Im ersten Teil der Arbeit werden einige Grundlagen der Ultraschallprüfung behandelt. Danach wird die Arbeitsweise des Un0rick Boards erklärt, wobei ein Fokus auf die Signal Generation, Messung und Verarbeitung gelegt wird. Dies enthält einen Einblick in die Arbeitsweise der Standard Firmware. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eigene Software für das Un0rick Board entwickelt. Die entwickelte Software enthält eine Python Bibliothek, welche die Kommunikation mit dem Un0rick Board ermöglicht, sowie einen Web-Server, welcher live aktualisierende Messungen im Web-Browser darstellen kann. Im letzten Teil der Arbeit wurde eine eigene Firmware entwickelt, welche es ermöglicht Messungen mit binär codierten Signalen durchzuführen. Diese Arbeit kommt zu dem Schluss, dass das Un0rick Board eine gut geeignete Plattform für kostengünstige Entwicklungs- und Bildungszwecke ist. Es ist möglich eigene komplexere Prüfverfahren zu implementieren, wenn auch dies mit eigener Arbeit verbunden ist. Dies wird vor allem durch die Tatsache ermöglicht, dass die ganze Dokumentation der Hardware frei zugänglich ist.



Hoch, Matthias Wolfgang;
Validierung der Hardware zur Ansteuerung eines DC-Motors in einem Getriebeaktuator mit Schwerpunkt der Fehlerdiagnose. - Ilmenau. - 64 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der hardwareseitigen Validierung der Funktionsweise eines Gangstellermoduls des Technologieunternehmens Valeo. Die Validierung soll anhand des Automotive-SPICE-Modells durchgeführt werden. Weiterhin wird die intelligente Halbbrücke, die Endstufen der Motoransteuerung, charakterisiert und besonders auf die Fehlererkennungsfunktion eingegangen. Die Grundlagen des Gangstellermoduls werden dem Leser präsentiert. Dies umfasst die Vorstellung des Produktes, des zugrundeliegenden Schaltplanes sowie der wichtigsten Bauelemente in der Ansteuerung des verwendeten DC-Motors und den DC-Motor selbst. Danach folgt die Charakterisierung der Halbbrücke. Hierbei werden Eigenschaften sowohl theoretisch als auch experimentell erläutert. Die Validierung ist in einem komplexen System nicht ohne Einbezug der Software möglich. So wird zunächst auf die Testvoraussetzungen und den Messaufbau, bestehend aus Prüfstand und zugehöriger Steuerungs- und Auswertungssoftware, eingegangen. Anschließend wird kurz das Konzept des Automotive-SPICE mit Schwerpunkt auf den Bereichen SWE.6 (Software-Qualifizierungstest) und SYS.4 (Systemintegrations- und Integrationstestprozess) vorgestellt. Ein besonderes Augenmerk liegt hier auf den Tests des Technical-Safety-Concepts (TSaC) unter SYS.4, wo verschiedene Kurzschlusstests abgeprüft werden. Eine ausschließlich hierfür entwickelte externe Hardware am Getriebeaktuator wird aufgebaut und in Betrieb genommen. Schließlich werden zum Schluss ein Ausblick auf die Anwendung und den Nutzen dieser Bachelorarbeit im Betrieb, eine Zusammenfassung der erbrachten Leistungen sowie die Auswertung, ob eine Bestätigung der Validierung der Funktion erzielt wurde, gegeben.



Kodera, Sayako;
Data driven hybrid algorithms for preprocessing of manually acquired ultrasound NDT data. - Ilmenau. - 86 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Ultraschallprüfung (UP) ist eine Zerstörungsfreie Prüfmethode, die zur Lokalisation von Fehlern in Bauteilen genutzt wird. Obwohl in einigen Fällen automatisiert werden kann, ist händische Arbeit oft eine Notwendigkeit. Um die Zuverlässigkeit der Hand-aufgenommenen UP (HaUP) zu erhöhen, können Assistenzsysteme integriert werden. Ein solches System speichert die Messdaten und die Messposition und nutzt sie, um ein visuelles Feedback zu erzeugen, welches durch Post-processing Methoden verbessert werden kann. Konventionelle Methoden zur Nachbearbeitung, wie zum Beispiel die synthetic aperture focusing technique (SAFT), verbessern häufig die HaUP Daten nicht. Ein möglicher Grund ist, dass die nötige räumliche Abtastung durch das HaUP Verfahren nicht erreicht werden kann. Bei Anwendung des SAFT Algorithmus auf solche HaUP Daten kann es deshalb, bei der Rekonstruktion, zu räumlichen Aliasing kommen. Mit dem Ziel räumliches Aliasing zu verhindern, werden in dieser Arbeit, als Pre-processing Schritt, UP Daten von fehlenden Positionen prognostiziert und interpoliert. Wir schlagen eine an Daten orientierte hybride Vorgehensweise vor, um die räumlich-zeitlich diskreten Daten zu interpolieren. Dabei werden die Frequenzantworten mehrerer Zeitreihen mit einer minimalen mittleren quadratischen Fehlereinschätzung prognostiziert. Dafür wird, im Raum-Frequenz Bereich, das statistische Moment zweiter Ordnung eingeschätzt, welches durch ein deep neural network berechnet wird. Diese Methode kann die Varianz der Vorhersagen berechnen, welche genutzt werden können, um wichtige Messpositionen vorzuschlagen. Theoretisch ist die vorgestellte Methode robust genug, um nicht nur auf UP Daten, sondern auf eine Vielzahl von Datensätzen angewendet werden zu können. Um die Validität der vorgeschlagenen Methode zu überprüfen wurden Simulationen durchgeführt, bei denen die automatisierten UP Daten unregelmäßig abgetastet waren. Insgesamt berechnet die vorgestellte Interpolation eine bessere Vorhersage, als eine andere gängige Methode. Zusätzlich erzeugt der vorgestellte Pre-processing Algorithmus, bei geeigneten Datensätzen (0,61 Sample/ Wellenlänge2) eine verbesserte Rekonstruktions-Auflösung. Weiterhin hat sich gezeigt, dass das Messen, in einem Gebieten mit hoher Varianz, zu einer höheren Rekonstruktions-Auflösung führt, was auf die Nützlichkeit des Messpositionsvorschlags hinweist.



Biswas, Pragya;
Multi-frequency channel modelling for Future Railways Mobile Communication System (FRMCS). - Ilmenau. - 91 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Das Future Railway Mobile Communication System (FRMCS) ist als Nachfolger der bald auslaufenden Technologie GSM-R geplant. Die Migration von GSM-R zu FRMCS wird einen gewissen Zeitraum für einen Parallelbetrieb verschiedener Funkstandards erfordern und somit die Kompatibilität des Systems mit 5G sowie zukünftigen Entwicklungen ermöglichen, die noch kommen werden. Um interoperable Funktechnologien zu haben und die verfügbaren ungenutzten Frequenzbänder für verschiedene Funktionalitäten zu nutzen, ist es zwingend notwendig, realistische Funkkanalbedingungen zu berücksichtigen und komplexere Experimente durchzuführen, um die aktuellen Kanalmodellierungsmethoden zu erforschen und zu erweitern. Vor dem Einsatz neuer Funkkanalmodelle ist ein ausreichendes Verständnis des Verhaltens der Funkkanalparameter in verschiedenen Szenarien und unterschiedlichen Ausbreitungsumgebungen unerlässlich. Das Hauptaugenmerk dieser Forschungsarbeit liegt auf der Erweiterung der Modellierungstechniken von einer Frequenz auf mehrere Frequenzen. In dieser Arbeit überprüfen wir die bestehenden Kanalmodellierungsmechanismen, die bei einzelnen und mehreren Frequenzen funktionieren. Wir versuchen, ein grundlegendes Verständnis des Modellierungsansatzes und der damit verbundenen Large-Scale Parameters (LSPs) aufzubauen. Wir führen umfangreiche Studien zu den aktuell verfügbaren mehrfrequenzbasierten Kanalmodellelen durch. Es werden schrittweise Methodenvergleiche durchgeführt, um die Notwendigkeit und den Effekt der einzelnen Schritte zu analysieren. Wir überprüfen die verfügbaren, auf Messungen basierenden veröffentlichten Arbeiten und analysieren kritisch die experimentellen Ergebnisse und untersuchen das Verhalten der kleinräumigen Parameter und LSPs, wenn sie bei mehreren Frequenzen funktionieren. Inspiriert von diesen Forschungsarbeiten versuchen wir, einen modifizierten und weiterentwickelten Ansatz zur Mehrfrequenz-basierten Kanalmodellierung zu implementieren. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Einführung von Änderungen und Anpassungen einer der überprüften Mehrfrequenz-Modellierungen und der Untersuchung der LSPs, insbesondere der Delay Spread und der Winkel Spread. Das Verhalten der kleinräumigen Parameter und LSPs wird mit der verfügbaren veröffentlichten Literatur abgeglichen und verglichen. Die so gewonnenen Ergebnisse können weiter ausgebaut werden, um verschiedene LSPs in unterschiedlichen dynamischen Ausbreitungsumgebungen zu untersuchen.



Müller, Fabian;
Calibration concept for a multinode MIMO channel sounding system. - Ilmenau. - 130 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Gegenstand der Arbeit ist ein Kalibrierkonzept für ein Multiple Input Multiple Output (MIMO) Messsystem zur Erfassung der Ausbreitungsbedingungen elektromagnetischer Wellen in mobilen Szenarien (Channel Sounder), welches z.B. für Kanalmessungen in Mobilfunkbändern eingesetzt wird. Messgröße ist die zeitvariante Kanalimpulsantwort bzw. der zeitvariante Kanalfrequenzgang. Dafür muss der Frequenzgang des Messsystems zuvor erfasst werden (Kalibrierung). Besondere Herausforderung bei dieser Arbeit ist, ein Kalibrierkonzept für einen Channel Sounder zu erarbeiten, der aus mehreren räumlich verteilten Stationen (Transceiver + Antennenarrays) besteht und das System über einen großen Dynamikbereich (die Empfänger sind mit einer automatic gain control, AGC, ausgestattet) zu vermessen. Beiträge zur Umsetzung eines solchen Konzepts finden sich in Form einer Kalibrier-Box, über welche bis zu vier Stationen verbunden werden können (back-to-back), aufwandsreduzierter Erfassung über den gesamten Dynamikbereich, Überlegungen zur Überwachung und Nachführung der Kalibrierung während der Messung sowie einer eigenständig im Antennenmessraum durchgeführten Antennenarraykalibrierung.



Engelhardt, Maximilian;
Low-latency analog-to-analog signal processing with software-defined radios. - Ilmenau. - 87 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

In dieser Arbeit wird die Nutzung von Software-defined Radios des Typs Universal Software Radio Peripheral (USRP) X310 für die Kanalemulation untersucht. Besondere Anforderung ist dabei das Erreichen einer möglichst niedrigen Analog-zu-analog-Latenz bei einer gleichzeitig hohen Samplingrate. Nach einer Einführung der Grundlagen der Kanalemulation wird eine Übersicht über die gängigen Algorithmen gegeben. Dabei stellt sich die als uniformly partitioned overlap-save (UPOLS) bezeichnete Implementation der schnellen Faltung als besonders geeignet heraus, da sie die effiziente Echtzeitemulation langer, zeitvarianter Kanäle ermöglicht und gleichzeitig mit geringem Aufwand zu implementieren ist. Anschließend wird das Kommunikationsprotokoll der USRPs analysiert, da der vom Hersteller bereitgestellte Treiber nicht den Latenzanforderungen dieser Arbeit genügt. Darauf aufbauend wird ein erster Prototyp entwickelt, der demonstriert, dass das Streaming von Samples unabhängig vom Originaltreiber möglich ist. Im nächsten Schritt wird die Analog-zu-analog-Latenz optimiert: Mit dem Framework Data Plane Development Kit (DPDK) wird die gesamte Netzwerkkommunikation durch einen polling-basierten Treiber im Userspace erledigt, wodurch die Verzögerungen durch Interruptverarbeitung und Kontextwechsel entfallen. Zusätzlich werden verschiedene Techniken vorgestellt, mit denen die Echtzeitanwendung von Störungen durch das Betriebssystem abgeschirmt werden kann. Der so geschaffene Prototyp enthält noch keine eigentliche Signalverarbeitung, demonstriert aber, dass dieser Aufbau sehr geringe Latenzen ermöglicht: So wurde bei einer Samplingrate von 200 MSa/s eine Analog-zu-analog-Latenz von 38 s erreicht. Mit den bis dahin gesammelten Erkenntnissen wird dann ein 2x2 MIMO Kanalemulator realisiert. Dazu wird zunächst eine Softwarearchitektur entwickelt, welche die Verteilung der Rechenlast auf mehrere CPU-Kerne ermöglicht. Bei der Implementierung wird ein besonderer Fokus auf Performance gelegt, zusätzlich zu den schon genannten Maßnahmen werden beispielsweise Kopien von Nutzdaten und Systemaufrufe vollständig vermieden und mittels eines Benchmarks eine besonders effiziente FFT-Implementierung ausgewählt. Eine abschließende Auswertung zeigt, dass die Kanalemulation funktional korrekt umgesetzt ist und eine Latenz von 100 s erreicht wird.



Thaller, Christopher;
Entwicklung eines Integrators in 0.13 [my]m SiGe Technologie für ein Compressed Sensing Millimeterwellen Front-End. - Ilmenau. - 58 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Das Design und die Simulationsergebnisse einer analogen, breitbandigen, hochdynamischen, schnell rücksetzbaren Integrator-Schaltung wurden vorgestellt. Diese soll in einem Hochfrequenz Compressed Sensing Empfänger verwendet werden. Die Entwicklung eines geeigneten Integrators ist für für den integrierten Aufbau eines Random Demodulator Empfängers wichtig. Der Integrator ist differentiell aufgebaut und beinhaltet zusätzlich zwei Schaltungsteile für das Halten und Zurücksetzen der integrierten Ausgangswerte. Eine spezielle negative Widerstandsgeneratorschaltung, realisiert durch ein kreuzgekoppeltes Transistorpaar, um die geforderte Integrationszeit von 4 ns bis 40 ns ohne nennenswerte Sättigungseffekte zu erreichen. Die Schaltung wurde in 130 nm SiGe BiCMOS Technologie von IHP in Cadence Virtuoso auf Schaltplanlevel aufgebaut. Durch Simulationen wurde die Funktionalität der Schaltung unter den vorgegebenen Rahmenbedingungen geprüft.