Design of compressive combining network for 2D direction of arrival estimation. - Ilmenau. - 65 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Richtungschätzung (DOA-Schätzung) behandelt das Problem der Bestimmung der Richtungen, aus denen Radiowellen auf ein Antennenarray auftreffen. In den letzten Jahren liegt ein wesentlicher Forschungsschwerpunkt in der DOA-Schätzung auf der Entwicklung von Ansätzen, die den Hardwareaufwand minimieren und gleichzeitig die gewünschte Schätzgenauigkeit bereitstellen. Durch die lineare Kombination von Antennenausgängen zu einer geringen Anzahl von Empfängerkanälen tragen kompressive Antennenarrays zu dem Ziel bei, eine größere Apertur mit reduzierter Hardware-Komplexität bereitzustellen. Der Entwurf einer Kombinationsmatrix, durch der solche linearen Kombinationen modelliert sind, ist ein Thema dieser Arbeit. In dieser Arbeit entwickeln wir eine Methodik für den Entwurf der Kombinationsmatrix, der für die 2D-DOA-Schätzung anwendbar ist. Motiviert durch die bisherigen Entwicklungen in diesem Bereich, basiert unser Entwurf auf der räumlichen Korrelationsfunktion (spatial correlation function -SCF) der Antenne. Mit der Notwendigkeit, die SCF in Elevation als auch in Azimut zu betrachten, wird die Gesamtgröße des resultierenden Optimierungsproblems untragbar. Daher schlagen wir einen Entwurf mit reduzierter Größe vor, der die variierenden SCF-Änderungsraten in Azimut und Elevation ausnutzt, die für viele praktische Arrays üblich sind. Wir testen den vorgeschlagenen Entwurfsansatz an einem (planaren) uniformen kreisförmigen Antennenarray (uniform circular array - UCA) und einem zylindrischen Antennenarray (einem gestockten UCA). Für beide Array-Typen bewerten wir die Leistungsfähigkeit unseres optimierten Entwurfs über der Gesamt-SCF-Differenz und der Cramer-Rao-Schranke (CRB) und vergleichen es mit einer zufällig erzeugten Kombinationsmatrix. Das ursprüngliche Antennenarray das kein Kombinationsnetzwerk hat, dient als Maßstab in unserer Bewertung. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Kombinationsmatrix, die unter Verwendung des SCF-basierten Ansatzes mit reduzierter Größe entworfen wurde, bei beiden Metriken im Vergleich zu der zufällig gezogenen Kombinationsmatrix wesentlich besser funktioniert. Insgesamt ermöglicht der vorgeschlagene Entwurfsansatz eine signifikante Verringerung der Entwurfskomplexität bei relativ geringer Verschlechterung der Leistungsfähigkeit.
Polarimetric wideband beam-forming for millimeter wave applications. - Ilmenau. - 88 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Millimeterwellen lassen sich innerhalb des elektromagnetischen Spektrums als Mikrowellen bestimmen, welche einen Frequenzbereich von 30 GHz bis 300 GHz haben im Allgemeinen bekannt als EHF. Die Benutzung dieses Bereiches des Spektrums verspricht eine neue Auffassung und Vorstellung von Telekommunikationssystemen. Ein natürlicher Anstieg der Datenrate durch den Einsatz von hoher Bandbreite lässt aktuelle Anwendungen davon profitieren, was die Millimeterwellen zu einem sehr relevanten Forschungsgebiet macht. Millimeterwellen wurden bereits in verschiedenen Szenarien wie dem Wireless Local Area Network (WLAN) IEEE 802.11ad implementiert und sind derzeit Forschungsschwerpunkt für Fifth Generation (5G) Netzwerke. Verschiedene Strategien, die in den bestehenden Kommunikationssystemen, wie adaptive, hybride und polarimetrische Beam-forming verwendet werden, müssen in den Millimeter-Szenarien implementiert und angepasst werden, um die größten Herausforderungen zu bewältigen, nämlich Pfadverlust, Atmosphärendämpfung und ISI. Die vorliegende Forschung zielt darauf ab, drei folgenden unterschiedlichen Beam-forming Algorithmen anzupassen, zu implementieren bzw. anschließend zu testen: BD, DET, und BS in einem Büroszenario unter Verwendung von Millimeterwellen. Darüber hinaus wird die Implementierung eines polarimetrischen MultiBeam-forming Ansatzes in Betracht gezogen, der auf bestimmte Abschattungen für Fälle basiert, bei denen OLOS durch menschliche Blockierung verursacht wird.
Comparison of 3GPP models TR 36.873 and TR 38.901 with WINNER II model for integration into one generic GBSCM. - Ilmenau. - 86 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
In den letzten Jahren haben internationale Mobilfunkorganisationen wie das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) und das von der europäischen Union initierte Wireless World Initiative New Radio (WINNER) Projekt Modelle zur Kanalsimulation publiziert, um der Forschung ein einheitliches Werkzeug bereit zu stellen. Mit dem WINNER Projekt wurde auch eine MATLAB® Implementation des Kanalmodells veröffentlicht. Die neusten 3GPP-Kanalmodelle basieren auf dem WINNER-Modell. Das Modell wurde von 3GPP an die Anforderungen der 4. und 5. Mobilfunkgeneration angepasst. Dafür musste in erster Linie der gültige Frequenzbereich erweitert werden. Außderdem wurden neue Parametersätze und zusätliche Modellierungsoptionen eingeführt. In der vorliegenden Arbeit werden die Kanalmodelle nach TR 36.873, 3GPP TR 38.901 und WINNER II untersucht und verglichen. Es soll festgestellt werden, ob sich die Modelle in einer generischen Implementierung realisieren lassen. Dazu werden die Parameter und Berechnungsschritte verglichen und auf einen gemeinsamen Kern zusammengefasst. Dem Leser wird der Anwendungsbereich der Modelle vermittelt und aufgezeigt, welche Parameter für das Modell nötig sind. Alle im Rahmen dieser Arbeit vorgenommen Modifikationen und Erweiterung an dem bestehenden WINNER-Code werden dem Leser frei zur Verfügung gestellt.
Design and optimization of a software defined radio based read-out unit/monitoring system for a biomedical implant. - Ilmenau. - 112 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Jüngste Fortschritte auf dem Gebiet der medizinischen Anwendungen haben den Fokus von Ingenieuren und Wissenschaftlern auf sich gelenkt. Derzeit sind bereits tausende Forschungsprojekte in der medizinischen Forschung im Gange. VesselSens ist eine Forschungsgruppe, die an der Entwicklung eines implantierbaren Sensorsystems für die frühe Diagnose von Restenosen in menschlichen Arterien arbeitet, indem die Pulstransitzeit [Delta]t zwischen zwei implantierten Sensoren gemessen wird. Gegenwärtig wird ein Lock-in-Verstärker von Zurich Instruments zur Anregung des Sensorsystems und zur Auswertung der Antwort des implantierten Sensorsystems verwendet. Die Idee dieser Arbeit ist es, ein alternatives System zu entwickeln, das Flexibilität bei Tests, Forschung und Entwicklung sowie Kosten reduzieren kann. Dieses System soll als eine Entwicklungsplattform für die Entwicklung des Systems zur Früherkennung von Restenosen dienen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine USRP-basierte Ausleseeinheit unter Verwendung der SDR-Plattform (GNU Radio Companion) zu entwickeln. Zwei Algorithmen zur Berechnung von [Delta]t, nämlich Einkanal-Lock-In-Verstärker und Multi-Kanal-Lock-In-Verstärker, werden vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Berechnung von [Delta]t genauer war, wenn der Sensor 2 des PCB-Sensorsystems zeitlich um große Werte verzögert war. Außerdem erwies sich der USRP-basierte Ansatz aufgrund seiner Leistungsfähigkeit und der einfach per Software festzulegenden Übertragungsparameter als ein sehr guter Ersatz für die aktuelle Ausleseeinheit, die von VesselSens verwendet wird. Die Messergebnisse des entworfenen Systems und der vorgeschlagenen Algorithmen stellen in Aussicht, dass die Resonanzfrequenzkurve jedes Sensors verfolgt werden kann und es dadurch möglich ist, [Delta]t an beliebigen Punkten der gemessenen Pulskurve zu bestimmen. Diese Verfolgung kann die Form und das Verhalten des Pulses innerhalb der menschlichen Arterie erfassen. Als zukünftige Arbeit wird ein Konzept für die Implementierung einer USRP-basierten Ausleseeinheit mit PID-Regler vorgestellt. Ebenfalls werden Forschungsfragen bezüglich eines vorgeschlagenen PID-basierten Systems vorgestellt.
Identification of mobile clusters in measured V2V mobile channel datasets and their modeling in a GBSCM approach. - Ilmenau. - 93 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Fahrzeug-zu-Fahrzeug (V2V) Kommunikation ist ein wichtiges Thema aktueller Forschung und Entwicklung, um den Straßenverkehr sicherer und effizienter zu gestal- ten. Zur Entwicklung solcher Kommunikationssysteme sind eine detaillierte Kenntnis des mobilen Kanals und die Entwicklung realistischer Kanalmodelle entscheidend. In dieser Arbeit werden die Beiträge mobiler Objekte innerhalb des V2V Kanals charakterisiert. Dafür werden zwei Ansätze untersucht. Zum einen wird ein Cluster-Tracking-Algorithmus entwickelt, bestehend aus dem KPowerMeans initialisiert mit dem Improved Subtractive und einem Kalman-Filter, und angewendet, um Gruppen von Mehrwegekomponenten (MPCs) in gemessenen Kanaldatensätzen zu finden und deren Entwicklung zu verfolgen. Anschließend werden GBSCM-Parameter abgeleitet. Zum anderen wird eine Methode entwickelt, um den parametrischen MPC-Datensatz auf ein äquidistantes Abtastraster zu bringen, wodurch Stationaritätsanalysen sowie die Anwendung einer Background-Subtraction-Methode aus der Videosignalverarbeitung ermöglicht werden. Zusammengefasst tragen mobile Objekte durch zusätzliche MPCs Leistung zum Kanal bei, wobei diese als mobile Cluster aus Einfach- und/oder Mehr- fachreflektionen auftreten.
Aufbau und Untersuchung von Impedanzspektroskopiesonden für Flüssigkeiten und zugehöriger Anlagensteuerung für einen teilautomatisierten Messstand. - Ilmenau. - 96 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
In vielen Bereichen der Landwirtschaft, der Lebensmittel- sowie chemischen Industrie besteht ein wachsender Bedarf an prozessanalytischen Systemen zur Erfassung der Zusammensetzung von Flüssigkeiten. Die eingesetzten Techniken sollen weitgehend automatisiert arbeitend, echtzeitfähig und kostengünstig zu betreiben sein. Messmethoden, welche elektromagnetische Wechselwirkungsmechanismen nutzen, sind hierfür besonders gut geeignet. Aus der Bestimmung verschiedener spezifischer Eigenschaften, wie Leitfähigkeiten oder Zeitkonstanten, können Rückschlüsse auf die stoffliche Zusammensetzung der Probe gezogen werden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einem Versuchsaufbau zur impedanzspektroskopischen Untersuchung von Flüssigkeiten. Dabei wird zuerst auf die Grundlagen der Impedanzspektroskopie, ihre Ziele und Methoden eingegangen. An einem kurzen Beispiel aus der Praxis werden typische Problemstellungen der Implementierung aufgezeigt. Anschließend werden zwei vom Autor entworfene Messzellen und die dahin führenden Überlegungen skizziert. Eine im Rahmen der Arbeit entwickelte Elektronik sowie ihre dazugehörige Software werden im darauf folgenden Kapitel dargestellt. Die Leistungsfähigkeit der entwickelten Sonden wird mittels durchgeführter Labormessungen aufgezeigt, die zu beachtenden Störeinflüsse werden benannt und analysiert. Zu guter Letzt wird eine kurze Zusammenfassung sowie ein Ausblick auf künftige Erweiterungen und empfohlene Vorgehensweisen gegeben.
Kernel-power-density based lustering - performance validation and statistical analysis of clusters from measured data sets. - Ilmenau. - 44 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Die Untersuchung einer großen Anzahl von multiple-in multiple-out (MIMO) Funkkanalmessungen zeigt, dass Mehrwegekomponenten (MPCs) in Gruppen auftreten, die als Cluster bezeichnet werden. MPCs in einem Cluster sind sehr ähnlich wobei sie sich von MPCs in anderen Clustern unterscheiden. Die Ähnlichkeiten bzw. Unterschiede hängen stark mit den Eigenschaften der MPCs zusammen wie Laufzeit oder Einfallswinkel. Mittlerweile sind clusterbasierte Kanalmodelle weit verbreitet z.B. in standardisierten Modellen wie COST 2100, 3GPP Spatial Model (SCM) und WINNER. Daher ist die Untersuchung von Clusteralgorithmen ein wichtiges Thema für MIMO Kommunikation. Der K-means Algorithmus, der zu den partitionierenden Methoden gehört, ist einer der bekanntesten und am weitesten verbreiteten Clusteralgorithmen. Zu Beginn werden die MPCs initialen Clusterschwerpunkten zugewiesen. Anschließend wiederholt der Algorithmus den Schritt der Expectation-Maximization (EM) Methode um das optimale Clusterergebnis zu erreichen. Für den K-means Algorithmus gibt es mehrere Erweiterungen wie K-Power-means (KPM) und Fuzzy-c-means (FCM). K-means benötigt vor Beginn Informationen über die Anzahl der zu bestimmenden Cluster. Er kann keine nicht-konvexen Cluster erkennen und findet unter Umständen nur lokale Optima. Der Multiple Reference Detection of Maximum Separation in Space (MR-DMS) Algorithmus aus der Familie der hierarchischen Clusteralgorithmen kann einige Beschränkungen des K-means Algorithmus überwinden. MR-DMS scannt den Datenraum von verschiedenen Referenzpunkten aus und trennt die MPCs aus einem Cluster in verschiedene an der Position des größten Abstandes. MR-DMS benötigt keine vorherige Information über die Anzahl der Cluster und kann auch nicht-konvexe Cluster erkennen. Allerdings tendiert er dazu, in dünnbesetzten Datenräumen schlecht zu funktionieren. Diese Arbeit ist auf den dichte-basierten Clusteralgorithmus Kernel-Power-Density (KPD) fokussiert. Er berücksichtigt nur eine Anzahl (k) benachbarter MPCs um die Dichte zu berechnen, die so viele Informationen des lokalen Raumes wie möglich enthält. KPD führt eine relative Dicht ein, um den Abstand zwischen lokalen Räumen mit verschiedenen Dichtewerten zu verringern, was bedeutet, die möglichen Schwerpunkte mit geringerer Dichte werden nicht einfach verworfen. KPD benötigt keine vorherige Information über die Anzahl der Cluster. Als letzten Schritt des KPD Algorithmus können Cluster, die sehr dicht beieinander liegen, zusammengefasst werden (Merging). Diese Arbeit validiert die Leistung des Algorithmus und optimiert die Parameterauswahl. Die referenzierte Methode bestimmt k nur anhand der Anzahl der MPCs in einem Snapshot und setzt x konstant auf 0.8. Nach verschiedenen Simulationen des KPD mit Datensätzen, die sich in der Anzahl der Cluster (NCl) sowie der Anzahl der MPCs pro Cluster unterscheiden, wurde herausgefunden, dass eine Bestimmung von k anhand der Anzahl der MPCs pro Cluster akkuratere und stabilere Clusterergebnisse ermöglicht, als eine Bestimmung nach der Anzahl der MPCs pro Snapshot. Intuitiv ist klar, dass der Referenzschwellwert x nicht für verschiedene Datensätze und Szenarios gut funktionieren kann. Diese Arbeit schlägt vor, x aus den relativen Dichten einiger ausgewählter MPCs in der Nähe des Schwerpunktes zu berechnen, was sicherstellt, dass Cluster, die angemessen nah beieinander liegen, zusammengefasst werden. Im letzten Abschnitt der Ergebnisanalyse wird der KPD Algorithmus mit zwei anderen vielversprechenden Algorithmen an WINNER-Datensätzen verglichen mit verschiedenen NCl, Anzahlen an MPCs pro Cluster und Azimuth Spreads am Empfänger (ASA). Es zeigt sich, dass KPD mit der vorgeschlagenen Parameterbestimmung IS und MR-DMS in bestimmten Szenarios übertrifft.
Design and prototyping of a 3-D positioner for ultrasonic non-destructive testing. - Ilmenau. - 130 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Im Bereich der Materialprüfung ist die zerstörungsfreie Messung durch Ultraschall eine etablierte Methode. Als bildgebendes Verfahren werden dazu viele A-Bilder per synthetischer Apertur aufgenommen, indem der Prüfkopf in einem definierten Abstand in Bahnen über die Oberfläche des Prüflings geführt wird. Die Ankopplung erfolgt dabei z.B. mit Wasser, wobei der Prüfling in einem Becken liegt. Diese Arbeit befasst sich mit dem Entwurf und Aufbau eines 3-D Positionierers, welcher flexibel für Ultraschallmessungen mit synthetischer Apertur bis 300 × 300 mm einsetzbar ist. Ziel war eine Konstruktion, die auf beliebige Gefäße mit darin enthaltenen Prüflingen aufgesetzt werden kann. Um eine preisgünstige Lösung bei hoher Qualität zu gewährleisten, wurde eine Delta-Kinematik mit vielen Komponenten aus dem Consumer-/Makerbereich entwickelt und umgesetzt. Die Halterung für die Messsonde ist durch eine kardanische Lagerung kippbar, um sie senkrecht zur Prüflingoberfläche führen zu können. Der Werkzeugkopf ist derart gestaltet, dass damit flexibel weitere Aufgaben erfüllt werden können. So wurde im Rahmen dieser Arbeit auch ein 3D-Druckkopf entwickelt, mit dem sich der Positionierer leicht in einen hochwertigen 3D-Drucker mit einem Druckvolumen von D300 × 200 mm umkonfigurieren lässt. Durch Simulationen wird gezeigt, dass die mit Schrittmotoren von 400 Schritten pro Umdrehung und Schrittmotortreibern mit 128 Mikroschritten theoretisch erreichbare Positioniergenauigkeit in x, y und z Richtung bei dx = dy = 0.002 mm und dz = 0.0014 mm liegt. In der Realität kann eine Positioniergenauigkeit von etwa dx = dy = 0.1 mm und dz = 0.05 mm erwartet werden. Das Gerät wird mittels G-Codes über eine USB-Schnittstelle angesteuert. Dafür steht eine Vielzahl freier Softwaremodule (z.B. aus dem Bereich CNC-Maschinen oder 3-D Druck) zur Verfügung.
Compressed sensing architectures for multi-channel ultrasonic non-destructive testing. - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Viele Industriezweige haben hohe Qualitätsansprüche an die verwendeten Materialien, was sich in den Anforderungen an die Untersuchungsverfahren dieser niederschlägt. Die Erkennung kleinster Fehler ist essentiell, wobei die Untersuchungsdauer, die Kosten und die Automatisierung der Prüfung an Bedeutung gewinnen. Die Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) bietet die Möglichkeit, das Innere eines Werkstückes zu charakterisieren, ohne es zu permanent zu beeinflussen. Ein kostengünstiges und flexibles bildgebendes Verfahren ist die Ultraschallprüfung. Dabei werden Ultraschallpulse in den Prüfkörper eingebracht, welche an Fehlerstellen wie z.B. Rissen oder Lufteinschlüssen aufgrund von akustischen Impedanzunterschieden zur Ausbildung von Echos führen. Die Echoamplitude hängt von der vom Ultraschallwandler eingestrahlten Energiemenge ab. Große Wandlergruppen (Arrays) bieten die Möglichkeit, mehr Energie in den Prüfling einzubringen. Damit geht die Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und eine höhere Wahrscheinlichkeit bei der Erkennung kleinster Fehler einher. Zudem ermöglichen Arrays die Strahlfokussierung (beamforming) und die Strahlschwenkung (beam steering). Das Beamforming wird in kommerziellen Ultraschall-Prüfgeräten im digitalen Teil der Signalverarbeitung durchgeführt. Dafür werden schnelle, hochauflösende Analog-Digital-Wandler und eine leistungsfähige Signalverarbeitung benötigt, was zu steigender Hardwarekomplexität führt und die Leistungsfähigkeit der Verfahren einschränkt. Diese Restriktionen können durch Compressed Sensing umgangen werden. CS verfolgt die Idee direkt eine komprimierte Version von Signalen zu messen. Diese Masterarbeit untersucht die Anwendbarkeit von CS in mehrkanaligen Hardware-Architekturen für Ultraschallprüfung-ZfP. Aus Prinzipien und Umsetzungen von CS in der drahtlosen Kommunikation und RADAR wird eine Hardwarearchitektur abgeleitet. Es wird ein Framework in MATLAB implementiert. und Simulationen zur Verifizierung der Funktionsweise sowie zur Analyse der Performance des Konzeptes durchgeführt. Die Simulationen zeigen, dass drei implementierte Arten von Kompressionsmatrizen eine Datenreduktion um Faktor 20 mit nur vernachlässigbaren Einbußen der Rekonstruktionsqualität bei moderaten SNRs erreichen. Abschließend werden mögliche Verbesserungen und die zum Aufbau eines Prototypen notwendigen Schritte diskutiert.
Untersuchung der Radiated Two Stage Methode in Hinsicht ihrer Genauigkeit und der Fähigkeit realistische Ausbreitungsbedingungen zu emulieren. - Ilmenau. - 63 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Immer mehr Fahrzeuge werden mit LTE-Kommunikationsmodulen ausgestattet, um die Nutzung von Multimediadiensten während der Fahrt zu ermöglichen. In dieser Arbeit wird die Radiated Two Stage Methode zur Bewertung der Leistungsfähigkeit dieser Module angewendet. In dem am Laborgebäude FORTE des Fraunhofer IIS in Ilmenau vorhandenen Testbed werden im Rahmen dieser Methode realistische Ausbreitungsbedingungen emuliert. Dazu wird mithilfe eines hochgenauen Messsystems ein Kalibrierverfahren für die Radiated Two Stage Methode im Up- und Downlink entwickelt. Die so erreichte Kalibrierstabilität wird auf den Einfluss von Temperaturänderungen und Bewegungen während der Messung untersucht. Ein vorher im Freifeld gemessener Funkkanal wird in die Messumgebung implementiert. Die damit im Labor durchgeführten LTE-Messungen werden mit den Messungen im Freifeld verglichen.