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

Studienabschlussarbeiten

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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.



Changalarayappa, Niranjan;
Analysis of link adaptation in multi-transmit-receive point communication. - Ilmenau. - 76 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Es wird angenommen, dass sich der Bedarf an Kapazität in zukünftigen Mobilfunknetzen vervielfacht, welches anspruchsvolle Anforderungen an das System-Layout sowie die Planung des Systems stellt. Die Kommunikation mittels Multi-Transmit-Receive Points (MTRPs) ist eine der am vielversprechenden Lösungen im Bereich 5G. Motiviert durch die laufenden Diskussionen im Standardisierungsgremium des Partnerschaftsprojekts der 3. Generation (3GPP) werden in dieser Masterarbeit Verfahren zum Senden und Empfangen über mehrere getrennte Basisstationen mit dynamischer Koordination untersucht mit dem Ziel der Verbesserung der Leistung und Zuverlässigkeit an den Zellrändern. In dieser Arbeit werden zunächst Ansätze für den Downlink eines MTRP-Systems vorgestellt mit der Annahme eines "zero-delay" Backhauls zwischen den TRPs. Zunächst beschäftigt sich die Arbeit mit verschiedenen Multi-TRP-Übertragungskonzepten - Joint Processing (JP), Dynamic Point Selection (DPS) und Dynamic TRP Association (DTA). Anschließend wird eine Übersicht zu dem aktuellen Stand der Standardisierungsaktivitäten für diese Verfahren gegeben. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Simulationsmodell für eine vollständige 5G-NR-Abwärtsverbindung für MTRP-Systeme erstellt. Die Ergebnisse zeigen erhebliche Leistungssteigerungen bei den Zelldurchsätzen für JT und DPS gegenüber einem 3GPP Release 15 5G New Radio (NR) Systems mit unterschiedlichen Rückkopplungsschemata. Es zeigt auch, dass die MTRP-Kommunikation ein verbessertes Mobilitätsmanagement in realen Netzwerken ermöglichen kann.



Gawand, Atul;
Iterative reconstruction for ultrasound tomography in non-destructive testing. - Ilmenau. - 77 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) mit Ultraschall von Prüfobjekten mit komplexer Geometrie. Die Untersuchung derartiger Prüfobjekte ist eine Herausforderung. Eine mögliche Herangehensweise für die Bildgebung ist die Handprüfung mit flexiblen Ultraschallarrays, die jedoch häufig zu Fehlern durch bspw. Lufteinschlüsse führen. Eine Alternative ist die Nutzung von Ultraschalltomographie (UT), welche in der medizinischen Bildgebung für die Abbildung weicher Gewebe genutzt wird. Die Anwendung dieser Technologie für ZfP ist jedoch aufgrund der deutlich größeren Schallgeschwindigkeitsvariation nicht ohne Weiteres möglich. In Folge dessen beschäftigt sich diese Arbeit mit der Untersuchung der Umsetzbarkeit einer solchen Messmethode für ZfP, welche es erlauben würde, komplexe Prüfkörper ohne Vorwissen automatisiert zu prüfen. Hierfür soll das Prüfobjekt in einer kreisförmigen Apertur platziert werden. Die Rekonstruktion wird in zwei Schritten mit der Total Focusing Method (TFM) durchgeführt. Im ersten Schritt wird die Außenkontur des Prüfkörpers ermittelt, im zweiten wird eine Abbildung des Innenlebens erreicht. Für den zweiten Schritt ist eine Schätzung der Kontur und Lage des Prüfkörpers notwendig, die über einen Autofocusing-Algorithmus erreicht wird. Diese Vorgehensweise wird für verschiedene Materialien und Einstellungen evaluiert. Es wird beobachtet, dass die Schallgeschwindigkeitsunterschiede zwischen Koppelmittel und Objekt eine entscheidende Rolle spielen. Weiterhin wird gezeigt, dass kleine Schätzfehler der Kontur zu großen Abbildungsfehlern führen. Eine Lösung für das Erreichen einer guten Abbildungsqualität wird diskutiert. Die Arbeit liefert erste Untersuchungen und Grundlagen für die weitere Entwicklung von UT für die ZfP.



Vasan, Sneha;
Location based resource allocation for V2X communication . - Ilmenau. - 88 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Die Vehicle-to-Everything (V2X)-Kommunikation spielt eine sehr wichtige Rolle für die Zukunft der autonomen Kommunikation, die die Kommunikation zwischen Fahrzeugen, Infrastruktur, Netzwerk und Fußgänger ermöglicht. Sidelink-Übertragungen im autonomen Modus ermöglichen dem Fahrzeug eine direkte Kommunikation ohne Basisstation für Anwendungsfälle der öffentlichen Sicherheit. Generation (5G) ist die Weiterentwicklung von Long Term Evolution (LTE), die fortschrittliche Anwendungsfälle und verschiedene Dienste mit strengen Anforderungen an Latenz, Zuverlässigkeit und Unterstützung hoher Datenraten unterstützt. Um diese strengen Anforderungen für autonomes Fahren zu unterstützen, ist ein effizientes Ressourcenzuweisungsschema erforderlich. New Radio (NR) verwendet eine auf LTE basierende Ressourcenzuweisung, bei der die Benutzergeräte (UE) den Kanal kontinuierlich abtasten, um die freien Ressourcen für die Übertragung zu erkennen. Obwohl die Erkennung eine bessere Zuverlässigkeit als die zufällige Zuweisung bietet, benötigen wir einen zuverlässigen Mechanismus, um der hochmobilen Umgebung auf der Autobahn gerecht zu werden. Die standortbasierte Ressourcenzuweisung wurde in LTE-V2X als optionale Funktion zur Unterstützung der Ressourcenzuweisung eingeführt. Jetzt, mit NR-V2X, das verschiedene Cast-Typen unterstützt, d.h. Broadcast, Groupcast und Unicast, kann untersucht werden, ob die standortbasierte Ressourcenzuweisung eine praktikable Option ist oder nicht. Daher verwenden wir in dieser Arbeit die standortbasierte Ressourcenzuweisung mit Sensing für Broadcast und Groupcast, um die Auswirkungen der standortbasierten Aufteilung des Ressourcenpools zu analysieren. Zusätzlich werden die Auswirkungen verschiedener Parameter wie unterschiedliche Fahrzeuggeschwindigkeiten, Zonengröße und Quality of Service (QoS) untersucht.



Ravichandran, Lavanya;
Radio resource selection for aperiodic traffic applications in 5G NR V2X communications. - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Mit der V2X-Kommunikation (Vehicle-to-Everything) können Fahrzeuge, Fußgänger und Infrastruktureinrichtungen miteinander kommunizieren. Die autonome Kommunikation zwischen zwei Benutzergeräten (UEs) erfolgt ohne ein direktes Signal von der Basisstation über ein 3GPP-Nebenverbindungsübertragungen die hauptsächlich für die öffentliche Sicherheit und für V2X-Dienste (Vehicle-to-Everything) verwendet wurden. Die Entwicklung von Nebenverbindungsübertragungen von LTE-A (Long-Term-Evolution) wird in 3GPP New Radio (NR) fortgesetzt, das darauf abzielt, niedrige Latenz, hohe Zuverlässigkeit und hohe V2X-Dienste für fortgeschrittene Fahranwendungsfälle anzubieten. Sicherheitsbezogene Kommunikation können periodische und aperiodische Nachrichten sein. Die erfordern eine hohe Zuverlässigkeit und einen Service mit geringer Latenz. Um solche Dienste direkt innerhalb Benutzern bereitzustellen, d.h. ein geeigneter Mechanismus zur gemeinsamen Nutzung von Ressourcen musste in einer autonomen Situation ohne die Hilfe von einer zellularen Infrastruktur eingebaut werden. Das 5G NR verwendet einen auf LTE basierenden sensorgestützten Mechanismus, der den Kanal nach freien Ressourcen erkennt, die zukünftigen Ressourcen anhand der vorherigen Daten vorhersagt und dann die Nachrichten sendet, ähnlich zum Listen-Vorgespräch (LBT). Allerdings verschlechtert dieser Mechanismus den Stromverbrauch der Geräte des Benutzers, da ein Großteil der Leistung des Geräts zur Erfassung des Kanals verwendet wird. Daher ist es nicht hilfreich für Leistungsverbrauch abhängige Geräte (z.B. Fußgänger). Daher wird ein neuartiger Mechanismus zur gemeinsamen Nutzung von Ressourcen eingeführt, der mit dem vorhandenen Modell verglichen wird. Außerdem bieten die vorliegenden 3GPP-Standards keine separate QoS (Quality-of-Service) basiert auf den Datentypen, insbesondere basiert auf periodischen und aperiodischen Nachrichten. Hier wird aperiodischen Nachrichten eine größere Bedeutung beigemessen als periodischen Nachrichten, da sie hauptsächlich für Nachrichten zur öffentlichen Sicherheit verwendet werden. Und das Problem anzugehen, um eine hohe Zuverlässigkeit und geringe Latenz zu gewährleisten, hauptsächlich für aperiodische Nachrichten.