Joint Simulation of Josephson Junctions and Memristors in Standard Circuit Analysis Program. - Ilmenau. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Josephson-Kontakte sind in der Quantenwissenschaft und -technik weit verbreitet. Häufig werden sie als Schaltelemente mit sehr geringem Stromverbrauch verwendet und bilden die Grundlage von Schaltkreisfamilien für die Informationsverarbeitung/Signalverarbeitung. Darüber hinaus werden Josephson-Kontakte auch in der ultraschnellen Elektronik, den so genannten Rapid Single-Flux Quantum (RSFQ)-Schaltungen, in Detektorsystemen für hochempfindliche Magnetfeldmessungen oder bei Hochfrequenzstrahlung eingesetzt. Josephson-Kontakte weisen eine nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie mit einem Schwellenwertverhalten auf. Memristoren sind ebenfalls nichtlineare Schaltungselemente. Die Tatsache, dass ein Memristor seinen Zustand auch dann beibehält, wenn er von der Stromversorgung getrennt wird, deutet darauf hin, dass er für die Schaffung von nichtflüchtigen Speichern mit ultrahoher Kapazität verwendet werden könnte. Neben der Nichtflüchtigkeit verfügen Memristoren über weitere attraktive Eigenschaften wie eine einfache physikalische Struktur, hohe Dichte, geringen Stromverbrauch und unbegrenzte Lebensdauer, die dieses Bauelement für eine breite Palette von Anwendungen geeignet machen. Die Hinzufügung ihrer Fähigkeit, einen Speicher zu bilden, zu Josephson-Schaltelementen eröffnet eine vielversprechende Option für kompakte Schaltungen zur Signal-/Informationsverarbeitung. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Memristor-Modell mit dem Simulationstool LTspice simuliert und verifiziert. Als nächstes wird das Resistively and capacitively Shunted Josephson junction model (RCSJ) implementiert und mit dem Schaltungsanalyseprogramm LTspice untersucht. Durch das Ersetzen des Widerstands im RCSJ-Modell durch einen Memristor wird ein neues Modell entwickelt und mit Hilfe mehrerer Analyse-Setups untersucht. Der besondere Fokus liegt darauf, wie sich die Modellparameter auf die Schaltgeschwindigkeit, die Schaltungskomplexität und den Einfluss des Memristors auf den Josephson-Kontakte auswirken.
Analysis of efficient PMF-based classification approaches with application to healthcare data. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Moderne Algorithmen zur Datenverarbeitung und -klassifizierung erleichtern die Analyse von Big Data in vielen Lebensbereichen. Eine solche Analyse umfasst die Modellierung der den Daten innewohnenden Statistiken und die Aufstellung von Hypothesen über das Auftreten eines Ereignisses auf der Grundlage dieser Statistiken. Die Schätzung der gemeinsamen Wahrscheinlichkeitsmassenfunktion (PMF) eines Satzes von Zufallsvariablen aus teilweise beobachteten Daten ist das Herzstück des statistischen Lernens und der Datenanalyse. Die gebräuchlichsten Methoden des maschinellen Lernens, wie z. B. neuronale Netze, lassen keine Interpretation des Ergebnisses zu und sind im Wesentlichen so genannte "black boxes''. PMF-Modelle hingegen haben die Eigenschaft, dass ihre Lösungen erklärbar sind und dass sie zusätzliche Informationen zwischen den Merkmalen liefern. Die mehrdimensionalen Daten erfordern die Verwendung von Tensor-Algebra, um die PMF-Schätzung zu erhalten, und es gibt eine große Anzahl von Arbeiten in diesem Zusammenhang. In der aktuellen Literatur wurde jedoch das Verhalten der Tensor-Methoden der PMF-Schätzung bei Klassifizierungsproblemen unter verschiedenen Bedingungen nicht im Vergleich zu traditionellen Klassifizierungsalgorithmen untersucht. In dieser Arbeit bieten wir eine gründliche Untersuchung der Algorithmen durch numerische Simulationen auf synthetisch erzeugten Beobachtungen in verschiedenen Szenarien. Für das Szenario fehlender Prädiktoren verwenden wir mehrfache Imputationen mit Datenauffüllung, um traditionelle Algorithmen mit PMF-Methoden zu bewerten. Darüber hinaus schlagen wir eine Erweiterung eines der PMF-Schätzverfahren namens EM vor, um einzelne Faktormatrizen zu optimieren und so die Berechnungskomplexität und die Anzahl der Iterationen weiter zu reduzieren. Zu diesem Zweck verwenden wir die Konvergenz der gegenseitigen Information (Transinformation) zwischen Prädiktoren und Zielen, die aus der geschätzten PMF abgeleitet werden, als neues Kriterium und zeigen, dass der resultierende Algorithmus eine vergleichbare Genauigkeit wie die in der Literatur beschriebene EM-Methode erreicht. Schließlich evaluieren wir die Algorithmen anhand eines Satzes von realen Gesundheitsdaten zur Identifizierung von Patienten mit Herzerkrankungen und wenden uns dem Problem der Wissensentdeckung zu. Wir erläutern die Vorhersageergebnisse der PMF-basierten Algorithmen sowie die verborgenen Informationen zwischen Prädiktoren und Zielen.
Entwurf eines kompakten, energieeffizienten Lärmdosimeters mit integrierter Szenenerkennung und dessen Erprobung in mobilen Anwendungssituationen. - Ilmenau. - 42 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
In dieser Arbeit werden das Konzept und die Implementierung eines Hardware-Software-Systems zur Audiosignalaufnahme, Schalldruckpegelbewertung und Szenenerkennung beschrieben. Die Schwerpunkte der Arbeit sind die Erstellung einer Datenbank von Audiodaten, die Merkmalsextraktion, die Reduktion der Anzahl der Merkmale, die Implementierung eines Klassifikators zur Szenenerkennung basierend auf den Audiodaten, die Auswahl und Optimierung der Parameter des Klassifikatormodells, die Zusammenführung der Pegelbewertung und der Szenenerkennung, die Softwareimplementierung der Algorithmen in einer Hardwareumgebung und die Erprobung dieser Implementierung im Feldversuch. Die Implementierung des Systems und die Ergebnisse der Erprobung des Mess- und Auswertesystems im praktischen Einsatz werden diskutiert und mögliche Verbesserungen abgeleitet. Die Arbeit ist wie folgt aufgebaut. Zu Beginn sind in der Einleitung die Motivation und Zielstellung der Arbeit beschrieben. Im anschließenden Kapitel „2. Grundlagen“ werden wesentliche Zusammenhänge der Grundlagen der Signalverarbeitung, der Pegelberechnung und der Szenenklassifikation erläutert. Im Kapitel „3. Methodik“ werden die Pegelberechnung, die Datensatzerstellung, die Szenenklassifikationsalgorithmen und ihre Implementierung beschrieben. Weiterhin wird auf Ansätze zu Optimierungen der Berechnungen eingegangen. Im Kapitel „4. Echtzeitplattform“ werden verschiedene Hardware-Plattformen hinsichtlich ihrer Eignung für die konkrete Implementierung ausgewertet und ein Entwurf der Systemarchitektur und der Softwarearchitektur erstellt. Im Kapitel „5. Testung in realer Umgebung“ wird auf den Kalibrierungsprozess der Pegelberechnung, den konzipierten und durchgeführten Feldexperiment und die Auswertung der Ergebnisse des Feldexperimentes sowie deren Erkenntnisse und Rückschlüsse eingegangen. Die Arbeit endet mit einer Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse mit einer Bewertung und der Ableitung von Ansätzen für weiterführende Arbeiten.
Datenübertragungsverfahren im Wandel : kabellose Kommunikation als echte Alternative?. - Ilmenau. - 83 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Im Zeitalter der Digitalisierung stieg die Relevanz der Thematik Ortsungebundenheit für Datenübertragungen immer weiter an, wodurch insbesondere Kommunikationstechnologien aus dem Bereich der kabellosen Kommunikation aktuell viel Fortschritt durch umfassende Forschung und Weiterentwicklungen erfahren. Die kabellose Kommunikation war jedoch bisher stets mit erheblichen Nachteilen bezüglich der Leistungsdaten gegenüber den kabelgebundenen Lösungen verknüpft, während die Anforderungen an die Datenübertragung für alle Kommunikationstechnologien auch weiterhin schnell ansteigen. Damit die kabellose Datenübertragung eine echte Alternative sein kann, muss diese auch abseits des Vorteils der Ortsungebundenheit konkurrenzfähig sein und darf keine für die Nutzung relevanten Nachteile aufweisen. Um dies zu prüfen, wurden für den Einsatz innerhalb eines Local Area Networks Zielgrößen für die relevantesten Leistungsmerkmale einer Datenübertragung innerhalb des privaten als auch des gewerblichen Bereichs herausgearbeitet. Diese wurden anschließend genutzt, um die aktuell relevantesten kabellosen (Wi-Fi 6; 5G) und kabelgebundenen (Ethernet über Kupferkabel; Ethernet über Glasfaserkabel) Kommunikationstechnologien anhand von theoretischen und auch praktischen, selbst gemessenen Leistungsdaten zu charakterisieren. Ziel dieser Arbeit war es somit, die Forschungsfrage „Kann die kabellose Kommunikation in unterschiedlichen Use Cases den Anforderungen an die Datenübertragung genügen?" zu beantworten. Im Rahmen der Arbeit wurde deutlich, dass die kabellosen Kommunikationstechnologien viel Potenzial bieten, jedoch zum aktuellen Zeitpunkt, im Rahmen der gestellten Anforderungen, noch keine wirklich Alternative sind.
Simulation and Performance Evaluation of Wireless Sensor Networks Based on Software-Defined Networking for the Internet of Things. - Ilmenau. - 75 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Wireless Sensor Networks (WSNs) werden mit dem Aufkommen des Internets der Dinge (IoTs) immer beliebter. Internets der Dinge haben in den letzten Jahren an Attraktivität gewonnen. Es ermöglicht die nahtlose Integration verschiedener Arten von Endgeräten und stellt viele Arten von lokalisierten Informationen bereit, die von verteilten Anwendungen analysiert werden können. Um die Verwaltbarkeit zu verbessern, wurde der Software-Defined Networking (SDN)-Ansatz kürzlich erfolgreich auf des Internets der Dinge-Netzwerke angewendet. Im vorgegebenen Thema einer Masterarbeit soll ein Simulationstool für SDN-basierte Wireless Sensor Networks (WSNs) identifiziert und angewendet werden, um den Nutzen dieses Ansatzes zu evaluieren.
Integration und Charakterisierung eines optischen Freiraumkommunikations-Systems in ein Mehrband-Soundingsystem. - Ilmenau. - 91 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
In dieser Masterarbeit wird ein System zur optischen Freiraumkommunikation im Bereich des Infrarotspektrums in Betrieb genommen, charakterisiert und in ein Mehrkanal-Soundingsystem integriert. Das System besteht aus einem optischen Sender und einem Empfänger und Basisbandsende und -abtasttechnik in Form zweier RedPitaya-Module. Die Charakterisierung besteht aus der Vermessung der Sende- und Empfangsmodule und der Sende- und Empfangstechnik. Anschließend wird die Übertragungsstrecke getestet, indem die Übertragung einer Testwellenform auf Integrität geprüft wird. Verschiedene Synchronisationstechniken zwischen Sender und Empfänger werden evaluiert und die ausgewählte Technik implementiert. Abschließend wird das System in ein bestehendes Mehrkanal-Soundingsystem integriert.
Labeling custom indoor point clouds through 2D semantic image segmentation. - In: 2022 Sixth IEEE International Conference on Robotic Computing, (2022), S. 261-264
For effective Computer Vision (CV) applications, one of the difficult challenges service robots have to face concerns with complete scene understanding. Therefore, various strategies are employed for point-level segregation of the 3D scene, such as semantic segmentation. Currently Deep Learning (DL) based algorithms are popular in this domain. However, they require precisely labeled ground truth data. Generating this data is a lengthy and expensive procedure, resulting in a limited variety of available data. On the contrary, the 2D image domain offers labeled data in abundance. Therefore, this study explores how we can achieve accurate labels for the 3D domain by utilizing semantic segmentation on 2D images and projecting the estimated labels to the 3D space via the depth channel. The labeled data may then be used for vision related tasks such as robot navigation or localization.
https://doi.org/10.1109/IRC55401.2022.00050
Entwurf einer kompakten, energieeffizienten, frei programmierbaren Hörgeräteplattform zur praxisnahen Erprobung audiologischer Algorithmen. - Ilmenau : Universitätsbibliothek. - 1 Online-Ressource (xiv, 109 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Diplomarbeit 2022
Derzeit leidet rund 19 % der Weltbevölkerung an Hörverlust. Dieser Anteil wird Prognosen zufolge in den nächsten Jahrzehnten weiter steigen. Die Beeinträchtigung des Hörvermögens geht zusätzlich mit gravierenden negativen Auswirkungen einher. Dazu zählen eine verringerte soziale Interaktion bis hin zur Isolation, Einfluss auf die psychische und sogar physische Gesundheit, der Zugang zu Bildung und eine dekrementierende Lebensqualität. Diese Folgeerscheinungen stellen einschneidende Belastungen für die Personen dar, aber auch für die Gesellschaft. Es bedarf daher einer Verbesserung der Versorgung von Hörverlust. Vor diesem Hintergrund wird in dieser Arbeit eine portable Forschungs- und Entwicklungsplattform implementiert. Diese Plattform kann als Hilfsmittel für die Entwicklung und praxisnahe Erprobung von entsprechenden Audiosignalverarbeitungsalgorithmen genutzt werden. Die Hardware des Geräts wird in dieser Arbeit weitgehend herstellerunabhängig entworfen. Zu testende Algorithmen können in der Programmiersprache C geschrieben werden. Eine möglichst hohe Adaptabilität zwischen der Funktionsweise, aber auch den Restriktionen sowie dem technischen Umfang in einer Hörhilfe wie einem Hörgerät und der Entwicklungsplattform wird sichergestellt. Damit wird die Übertragbarkeit von Erkenntnissen und Entwicklungsarbeiten auf zukünftige Hörhilfen, die bei einer Versorgung eingesetzt werden, gewährleistet. Für die Implementierung einer solchen Plattform wird auf Basis eines Lastenhefts ein Systementwurf erstellt und konkretisiert, bevor ein Schaltplanentwurf sowie dessen Erprobung in Form eines funktionalen Tischaufbaus und ein Leiterplattendesign für eine portable, kosteneffiziente Lösung erfolgen. Ein erster Gehäuseentwurf ermöglicht die Implementierung einer Gesamtlösung, die in natürlicher Geräuschumgebung erprobt und genutzt werden kann. Der Prototyp wird geprüft, die korrekte Funktionsweise sichergestellt und das System mit ausgewählten elektrischen sowie elektroakustischen Eigenschaften charakterisiert. Mit dieser Arbeit wird versucht, einen Beitrag für diese gesellschaftliche Herausforderung zu leisten sowie die Lebensqualität der geschädigten Personen auf lange Sicht zu steigern, indem die Entwicklung fortschrittlicher Signalverarbeitung von Audiosignalen für die Versorgung von Hörverlust unterstützt wird. Wissenstransfer sowie interdisziplinäre Zusammenarbeit soll vereinfacht und die Akzeptanz von Hörhilfen durch technischen Fortschritt verbessert werden.
https://doi.org/10.22032/dbt.55694
Investigation of radio channel transitions in urban V2I scenarios based on measurement and simulation data. - Ilmenau. - 115 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Das Design von neuen Anwendungen in V2X-Kommunikation verlangt umfangreiche Kenntnisse über den Funkkanal. Bei der V2X-Kommunikation erfährt der Kanal angesichts der hohen Mobilität der kommunizierenden Knoten schnelle und möglicherweise signifikante Änderungen. Die auffälligsten Änderungen sind Übergänge zwischen verschiedene Ausbreitungszuständen, wie vom Line-of-Sight (LoS) zum Non-Line-of-Sight (NLoS) und umgekehrt. Abgesehen davon sind auch Übergänge innerhalb des NLoS Zustandes zu beobachten, wenn das Fahrzeug von einer schmalen Straße auf eine Kreuzung oder einer Hauslücke fährt. Bisher beinhalten nur wenige Kanalmodelle solche Übergänge. Das Ziel dieser Abschlussarbeit ist Untersuchungen zu diesen Transitions detailliert durchzuführen, wobei Messdaten und Simulationsdaten verwendet werden, die durch Funkkanalmessungen bzw. Raytracing-Software gesammelt werden. Darüber hinaus wird der Einfluss der Umgebung auf den Verlauf von Übergängen analysiert und verschiedene Möglichkeiten ihrer Modellierung untersucht, um sie in zukünftige Kanalmodelle miteinbeziehen zu können.
Computation of electric field induced by transcranial magnetic stimulation using the surface charge simulation method. - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Aufgabe: Verbessere die Surface Charge Simulation Method (SCSM) mit einer Fast Multipole Method für das induzierte elektrische Feld und optimiere die Berechnung der Ladungsverteilung durch GPU Umsetzung für Transcraniale Magnetische Stimulation (TMS). Ergebnisse: Die Methode wurde in eine Python-Pipeline eingebunden und das mit dem induzierten elektrischen Feld einer analytischen Lösung für eine einschichtige Kugel und eine Kugel aus fünf isotropischen Schichten verglichen wurde. Die Genauigkeit für ein praktisches Beispiel wurde zudem durch einen Vergleich mit der state-of-the-art FEM Software SimNIBS auf einem realistischen Kopfmodell gezeigt. Die Simulationen dieser Fälle demonstrierten, dass für die Kugelmodelle ein normalized root mean squared error von 1% - 4% mit der Standard SCSM erreicht werden kann, es aber für das realistische Kopfmodell inakkurat ist. Erkenntnis: Es wurde eine Methode zur schnellen SCSM Berechnung, mit weniger als 10 GB RAM Verbrauch, für die Benutzung auf einem Standard-Computer entwickelt. Für praktische Anwendung bei TMS wird geraten, das elektrische Feld eines gleichmäßig geladenen Dreiecks für Nah-Feld-Berechnungen zu nutzen, statt eines Feldes, dass durch Punktladungen erzeugt wurde.