Methode zur Ansteuerung einer Multiplexausleseschaltung für kryogene Sensorarrays mittels supraleitender Digitalelektronik. - Ilmenau : Verlag ISLE, 2021. - xviii, 130, III Seiten. - (Forschungsberichte aus dem Institut für Informationstechnik ; Band 16)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020
ISBN 978-3-948595-04-3
Für spektroskopische und bildgebende Anwendungen im Sub-Millimeter-Wellenlängenbereich sind supraleitende Strahlungssensoren aufgrund ihrer außergewöhnlichen Empfindlichkeit von besonderem Interesse. Dabei steigt die Anzahl der in einem Array integrierten Sensoren stetig. Dies erfordert Multiplexverfahren, um die Anzahl der Leitungen, die in die Kryostufe führen, zu reduzieren und damit den Wärmeeintrag zu verringern. Eine Implementierung des Codemultiplexverfahrens verwendet Stromsteuerungsschalter (CSS) als Polaritätsschalter, die auf supraleitenden Quanteninterferometern (SQUIDs) basieren. Die vorliegende Arbeit stellt ein Konzept vor, das eine supraleitende Digitalelektronik (RSFQ) zur Steuerung dieser Schalter verwendet. Die SQUIDs des CSS werden dafür jeweils induktiv mit der Speicherschleife eines RSFQ-Delay-Flip-Flops (DFF) gekoppelt. Eine Zustandsänderung in den DFFs erfolgt durch Speicherung eines magnetischen Flussquants, die wiederum eine Änderung des magnetischen Flusses in den gekoppelten SQUIDs bewirkt. Damit lässt sich der Signalweg durch den CSS beeinflussen und die Polarität des Schalters steuern. Über eine Kaskadierung mehrerer dieser RSFQ-gekoppelten Schalter in Reihe lassen sich CSS-basierte Multiplexerschaltungen aufbauen. Der Zustand des Multiplexers kann dadurch mittels digitaler RSFQ-Signale gesteuert werden. Die notwendigen Schritte zur Umsetzung des Konzepts sind ausführlich in der Arbeit beschrieben. Die Ausgangskomponenten sowie die neu entwickelten Schaltelemente wurden mit Hilfe von Simulationsrechnungen analysiert beziehungsweise entworfen und anschließend experimentell validiert. Dazu wird auch deren Leistungsfähigkeit miteinander verglichen. Die Schritte für eine Implementierung der neuen Bauelemente zu Multiplexerschaltungen werden vorgestellt. Darüber hinaus wurden Maßnahmen aufgezeigt und diskutiert, welche für einen Einsatz des Systems im sensornahen Betrieb erforderlich sind. Erste Umsetzungen wurden im Rahmen der Arbeit bereits realisiert.
Self-coherent detection for short-range single mode fiber optical transmission systems. - Ilmenau. - 43 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Optische Datenübertragung auf der Basis von Glasfasern ermöglicht hohe Datenraten über weite Distanzen. Für Langstrecken-Core-Netzwerke, bei denen Hardwarekosten für Sender und Empfänger in Relation zu den Gesamtkosten des Systems gering sind, ist kohärente Übertragung die bevorzugte Lösung, da sie die höchste spektrale Effizienz aufweist und elektrische Kompensation von chromatischer Dispersion ermöglicht. Für Verbindungen zwischen Datenzentren, mit einer typischen Übertragungsdistanz von 80-100 km, ist die günstige Intensitätsmodulation in Verbindung mit Direktempfang (IM-DD) vorherrschend. Mit steigendem Bedarf von Bitraten von bis zu 100 Gbps pro Wellenlänge, kommt dieser Ansatz jedoch an seine Grenzen, insbesondere wenn man die Anfälligkeit von IM-DD für chromatische Dispersion berücksichtigt. In dieser Arbeit untersuchen wir die Eignung der selbstkohärenten Übertragung als Alternative zu IM-DD für Systeme mit Übertragungsdistanzen von bis zu 100 km. Gegenüber IM-DD ist es dabei, wie bei kohärentem Empfang, möglich CD komplett elektrisch zu entzerren. Als Empfänger kann dabei weiterhin ein Direktempfänger verwendet werden da der für kohärente Detektion benötigte Pilotträger am Sender erzeugt wird.
Coupled CP tensor decomposition : model order estimation and efficient algorithms. - Ilmenau. - 82 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
In vielen Bereichen der Signalverarbeitung, wie z.B. biomedizinische Signalverarbeitung, drahtlose Kommunikation, maschinelles Lernen, Bild- und Videoverarbeitung, sind die erfassten Signale von Natur aus mehrdimensional. Einer der nützlichsten und praktischsten Aspekte der Tensor-basierten Verarbeitung der Daten ist, dass sie die angeborene Darstellung und das mehrdimensionale Format der Daten beibehalten kann. Die Zehnfach-Zerlegung, die ein sehr praktisches Werkzeug ist, um einen Tensor in seine Bestandteile zu zerlegen, wurde in erschiedenen Anwendungsbereichen eingesetzt. Daher ist es notwendig, vor der Anwendung der Tensor-Zerlegung die tatsächliche Anzahl der Bestandteile zu ermitteln, d.h. die Modellordnung zu schätzen. In dieser Arbeit wird ein neuartiger und robuster Algorithmus zur Berechnung der Modellordnung bzw. des Rangs vorgestellt, der davon ausgeht, dass die ignaleigenwerte und die Rauscheigenwerte aus einer verrauschten Messung unterschiedliche Profile aufweisen. Wir stellen auch eine Erweiterung für die gemeinsame Rangschätzung für ehrere Tensoren vor, die für die gekoppelte Zerlegung verwendet werden kann. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Fälle diskutiert, um dem gemeinsamen Effekt auf die angschätzung von mehreren Tensoren Rechnung zu tragen. CPD (Canonical Polyadic Decomposition) ist die häufigste Art der Zerlegung unter anderen. Die zuvor erwähnte Rangschätzungsmethode ist ein sehr wichtiger Schritt vor der Anwendung der CPD, da eine falsche Schätzung die Genauigkeit der Ergebnisse stark beeinflussen kann. Das SECSI-Verfahren (Semi-Algebraic framework for approximate CP decomposition via Simultaneaous matrix diagonalization) ist ein sehr effizientes Verfahren zur Berechnung der CPD mit niedrigem Rang. In dieser Arbeit stellen wir eine Erweiterung des SECSI-Frameworks vor, die gekoppelte CPD von zwei Tensoren sowie für drei Tensoren berechnet, bei denen zwei Faktormatrizen in den Tensoren gemeinsam sind. Außerdem wenden wir den erweiterten Algorithmus zur Schätzung der Modellordnung auf reale biomedizinische Daten an, die aus einem Experiment stammen, bei dem EEG-(Elektroenzephalographie) und MEG-Signale (Magnetoenzephalographie) für die Gehirnaktivität von 19 Probanden gleichzeitig aufgezeichnet wurden. Wir nutzen die opplungscharakteristik dieser EEG- und MEG-Daten aus, nachdem wir sie in ein mehrdimensionales Format (Frequenz x Zeit x Kanal) konvertiert haben. Zunächst wird der gemeinsame Rang für vier von jedem Probanden erhaltene Intensoren geschätzt und dann gemeinsam zerlegt, um die latenten Informationen in Frequenz-, Zeit- und Kanalsignaturen zu finden.
Design and deployment options for sub-6 GHz FDD massive MIMO systems. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2021. - 1 Online-Ressource (xviii, 146 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021
Um den schnell wachsenden Kapazitätsbedarf drahtloser Geräte zu befriedigen, zielen die kommenden Mobilfunksysteme der fünften Generation (5G) auf unterschiedliche und teilweise extrem anspruchsvolle Konzepte, Techniken und Szenarien in Bezug auf die Anzahl der versorgten Nutzer, Datenraten und Latenzzeiten ab. Von massive MIMO werden erhebliche Leistungsvorteile erwartet, insbesondere in Kombination mit einer engen Zusammenarbeit zwischen den Zellen, einschließlich Joint Transmission Coordinated MultiPoint (JT-CoMP), Interferenzunterdrückung auf der Seite des Endgeräts (UE) und einem extrem dichten Einsatz von kleinen Zellen. Die Millimeterwellenbänder für 5G werden 2019 zugewiesen, daher müssen vorerst alle Leistungsziele von 5G von den Funkfrequenzbändern unter 6 GHz unterstützt werden. Das bedeutet, dass für gepaartes und ungepaartes Spektrum sowohl Frequency Division Duplex (FDD) als auch Time Division Duplex (TDD) unterstützt werden müssen. Massive MIMO, typischerweise als starke Überprovisionierung von Antennen gegenüber den bedienten Nutzern konzipiert, verspricht, verschiedene herausfordernde Probleme wie Interzell-Interferenzen, Multi-User-MIMO (MU-MIMO) Scheduling, Abdeckungslücken und Kapazitätsgrenzen zu lösen. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass es nur für TDD-Systeme funktioniert, da eine massive MIMO-Downlink-Übertragung für FDD-Systeme aufgrund von zwei Anforderungen eine besondere Herausforderung darstellt. Erstens muss die Kanalzustandsinformation (CSI) von einer großen Anzahl von Antennen erhalten werden, ohne dass ein unangemessener Overhead durch die Übertragung orthogonaler Downlink-Referenzsignale von diesen Antennen entsteht. Zweitens müssen die relevanten Kanalschätzungen auf der Netzwerkseite ohne einen unrealistischen Overhead für die Uplink-Steuersignalisierung zur Verfügung gestellt werden. Ein explodierender Overhead für orthogonale Referenzsignale oder eine begrenzte CSI-Genauigkeit führt zu einer Pilotverschmutzung, die in der Literatur als leistungsbegrenzend beschrieben wurde und insbesondere für empfindliche Interferenzunterdrückungssysteme nachteilig ist. Um die Anzahl der Transceiver in einem FDD-Massive-MIMO-System zu reduzieren, haben wir daher ein Framework entwickelt, das auf dem Grid of Beams (GoB)-Konzept basiert. Es wandelt die große Anzahl von Antennen in effektive Antennenports um, die dann sogar die vorhandenen Empfangssignale von Long Term Evolution - Advanced (LTE-A) nutzen können. Um Ungenauigkeiten in der CSI, die zur Basisstation zurückgeführt wird, effektiv zu bekämpfen, benötigen wir außerdem Algorithmen zur Kanalvorhersage, die eine zuverlässige Vorhersage über einen möglichst großen Zeithorizont liefern. Zu diesem Zweck haben wir einen verbesserten hybriden Algorithmus entwickelt, der auf zwei modernen Kanalvorhersagealgorithmen basiert. Er liefert eine zuverlässige Vorhersage auch für Kanalkomponenten, die mit niedrigen Signal-Rausch-Verhältnissen empfangen werden. Darüber hinaus konzentrieren sich die wesentlichen Massive-MIMO-Schemata auf die Basisstationsseite mit dem Ziel, eine hohe spektrale Effizienz durch MU-MIMO oder eine große Abdeckung durch starke Beamforming-Gewinne zu erreichen. Die UE-seitige Betrachtung ist typischerweise auf vier oder meist acht Antennenelemente pro UE beschränkt, was durch die entsprechende UE-Komplexität und den begrenzten Platz zur Platzierung weiterer Antennenelemente für den Fall unter 6 GHz gerechtfertigt werden kann. UE-seitiges Beamforming würde jedoch viele Vorteile bieten, die von einer verbesserten Kanalschätzung und Vorhersagegenauigkeit über eine effektive Störungsunterdrückung bis hin zu einer besseren Abdeckung und spektralen Effizienz auf Systemebene reichen. Aus diesem Grund haben wir das neuartige Konzept des "Virtual Beamforming" vorgeschlagen, das es uns ermöglicht, virtuelle Massive-MIMO-Arrays am UE zu bilden, auch wenn es nur ein einziges physisches Antennenelement hat. Es wird angenommen, dass sich das UE mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt und die Empfangssignale für die benachbarten Zeitschlitze gespeichert werden. Diese Messungen werden dann zur Bildung von Strahlformern verwendet, als ob sie von separaten Antennenelementen empfangen würden. Wir erfassen nur einen kleinen räumlichen Teilbereich des Kanals und verlieren daher Energie, aber dieser Verlust wird teilweise durch den Gewinn der Strahlformung kompensiert. Virtuelles Beamforming führt zu einer Reduzierung der Anzahl relevanter Mehrwegekomponenten pro Kanalkomponente sowie der Anzahl der Kanalkomponenten selbst und ergibt einen Gewinn an Vorhersagegenauigkeit von ca. 10 dB geringerem normalisierten mittleren quadratischen Fehler im Vergleich zum Fall eines UE mit einer einzelnen Antenne. Auf der anderen Seite kann virtuelles Beamforming, das direkt auf die Nutzdaten angewendet wird, sehr ineffizient sein, da es die erneute Übertragung von Datensymbolen erfordert. Um diese Herausforderung zu überwinden, haben wir ein paralleles Übertragungsschema über einen Satz kodierter virtueller Strahlen entwickelt. Dadurch können wir den Effekt der inhärenten Wiederübertragungsstrafe des virtuellen Beamforming reduzieren und wir haben gezeigt, dass eine zuverlässige Kommunikation möglich ist. Darüber hinaus haben wir ein Framework entwickelt, um eine unterschiedliche Anzahl von virtuellen und physischen Antennenelementen zu einem virtuellen Massive-MIMO-Array zu kombinieren.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2021000064
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.
V2V communication performance of conformal plastic-embedded side-mount antennas investigated with field-operational tests. - In: 2021 IEEE 93rd Vehicular Technology Conference (VTC2021-Spring), (2021), insges. 5 S.
Car-to-car communication has wide-ranging applications in the fields of traffic safety and optimization as well as minimization of emissions. For a seamless and reliable communication between the cars and their road environment, as may be evaluated through packet delivery ratio and received power measurements, an appropriate antenna placement is necessary. Accordingly, the field test discussed in this paper compares the performance of three different antenna placements on a test vehicle: 1. Roof-mounted monopole antenna pair contained in a shark fin housing, 2. Patch antenna pair embedded in the front-left B-column, and 3. Combination of two patch antennas with one in the front-left and the other in the front-right B-column. The concurrent use of three V2V modules allowed us to evaluate the performance of the three antenna set-ups simultaneously in a single run through a mixed terrain, allowing for straightforward performance comparisons. The power received by the roof-top monopole antennas was, on average, 8 dBm higher than the front-left/right B-column patch antenna combination and 13 dBm higher than the front-left B-column patch antenna pair. The reasons for these and other differences are appropriately addressed in the paper. While the roof-top monopole antenna combination performed overall better, we argue that using an appropriate amplifier could raise the performance of the B-column antennas to the same or even higher levels.
https://doi.org/10.1109/VTC2021-Spring51267.2021.9448811
Characterization of urban radio channels and base station antenna correlation in the 3.75 GHz band. - In: 2021 IEEE 93rd Vehicular Technology Conference (VTC2021-Spring), (2021), insges. 5 S.
Single side mMIMO channel measurements over 100 MHz bandwidth at 3.75 GHz were performed in two German cities. In dense urban as well as urban/suburban environments, a total track length of about 20 km has been measured. Multipath parameters by means of the high-resolution parameter estimator RIMAX are estimated and subsequently used to derive the statistics of large scale parameters and to allow a comparison to the statistics from standard channel model (3GPP, WINNER). While most of the parameters match quite well, for the angular spread at the base station (BS) partly larger deviations are observed. The correlation properties between the 32 dual polarized antenna patches of the BS antenna are investigated with respect to the antenna patch separation as well as to the distance between the BS and user equipment (UE).
https://doi.org/10.1109/VTC2021-Spring51267.2021.9448718
Statistics of vehicular detectability for cooperative passive coherent location at urban crossroad. - In: Radar on the move, (2021), insges. 6 S.
The statistical study of target detectability is crucial in radar system design. In this regard, signal-to-noise ratio (SNR) of the received signal at the radars receiver is a key parameter and therefore every influence on SNR should be taken into account. One of the main influences is the fluctuation of the target scattering/reflectivity to the incident electromagnetic wave. Consequently, the target fluctuation models and their accuracy become important. For monostatic radar system, various models can be found in the literature. In contrast, this paper studies a case of vehicular sensing scenario with multistatic configuration for an urban crossroad and proposes a modelling method of the target fluctuation by taking into account the target information, such as size, shape and composed materials, and the wave information, such as polarizations and aspect angles. Furthermore, the derived target fluctuation models are then applied directly to the formulation of the probability of detection for multistatic radar system. These probabilities of detection are also compared to that of monostatic radar system.
https://doi.org/10.1109/RadarConf2147009.2021.9454971
Validierung eines elektronischen Dendrometers im Labor- und Referenzbetrieb. - Ilmenau. - 56 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Die zunehmenden Klimaveränderungen bedeuten gleichsam veränderte Lebensbedingungen für existierende Baumbestände. Die kostengünstige Breitenanalyse dieser Umwelteinflüsse auf das biologische System verschiedener Bäume stellt die Forstwirtschaft und -forschung vor große Herausforderungen, weshalb künftig entsprechende Messmittel zunehmend von Bedeutung sein werden. Im Rahmen dieser wissenschaftlichen Arbeit wurde ein Messsystem basierend auf einem elektronischen Dendrometer, einem Messgerät zur kontinuierlichen Erfassung von Stammumfangszuwächsen, erstellt. Unter Laborbedingungen wurde die Anwendbarkeit des Systems an verschieden realistischen Probestücken untersucht, um Rückschlüsse auf Messverhalten und Einflussfaktoren auf das Messgerät zu identifizieren. Als Resultat entstand ein System zur Bestimmung von Baumradiusänderungen im Mikrometerbereich.
Analysis of signal processing algorithms for MIMO-OFDM based communication systems in presence of hardware imperfections. - Ilmenau. - 100 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Drahtlose Kommunikationssysteme verwenden heute die weithin erfolgreiche MIMO-Technik (Multiple Input Multiple Output) - OFDM-Technik (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Die Hardware in solchen Systemen ist mit Unvollkommenheiten verbunden, und daher müssen diese beim Entwurf und der Implementierung der zugrunde liegenden Algorithmen berücksichtigt werden. Während in dieser Masterarbeit die Signalverarbeitungsfunktionalität solcher Systeme in MATLAB-Software implementiert wurde, wurde die Kommunikationsfunktionalität unter Verwendung eines kommerziellen Software Defined Radio (SDR) implementiert, nämlich LimeSDR. Die MATLAB-Software wurde über eine C++-basierte Schnittstelle mit LimeSDR verbunden. Ferner wurde die Leistung eines 2 x 2 MIMO-OFDM-basierten Kommunikationssystems hinsichtlich des Kanalschätzungsfehlers (CEE) und der Symbolfehlerrate (SER) bewertet. Es wurden zwei separate Kanalmodelle und zugehörige Systemmodelle definiert und entsprechende Kanal-schätzungsmethoden abgeleitet. Es wurde festgestellt, dass die Kanal-schätzungsalgorithmen zu einer optimalen Leistung führen, wie durch die Simulationsergebnisse beobachtet. Darüber hinaus wurde die Leistung der Algorithmen zur Kanalschätzung und -verfolgung durch Simulationen und Hardwareexperimente verglichen. Bei Hardwareexperimenten wurde eine Kombination von Szenarien mit unterschiedlichen Kompensationsalgorithmen für Trägerfrequenzversatz (CFO), Abtastfrequenzversatz (SFO) und Phasenfehler (PE) berücksichtigt. Zusätzlich wurde die Wirkung von künstlich eingeführtem CFO am Sender auf CEE und SER sowohl durch Simulationen als auch durch Hardware-Experimente untersucht. Es ist ersichtlich, dass dieser künstliche CFO die Leistung sowohl in Bezug auf CEE als auch in Bezug auf SER verschlechtert. Schließlich wurde die Leistung des Kanalschätzungsalgorithmus und des Kanalverfolgungsalgorithmus sowohl bei MIMO-OFDM- als auch bei Alamouti-Codierung verglichen. Es wurde festgestellt, dass die Alamouti-Codierung eine bessere Leistung als MIMO-OFDM aufweist, wie sowohl durch Simulationen als auch durch Hardwareexperimente beobachtet wurde.