Department Elektrotechnik-Elektronik-Informationstechnik
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Due to the progress in communication technologies and the ever-shrinking form-factors of electronic devices, sensors are becoming increasingly ubiquitous in daily life. In smart-home applications especially, detecting the number of humans present and determining their positions allows for intelligent controls of heating, ventilation, lighting, and entertainment systems, potentially saving significant amounts of energy and CO2 emissions in the process. However, while recent progress through deep learning in computer vision enables cameras to detect human targets accurately, privacy concerns and their dependency on good sight conditions prevent their adoption. Contrary to that, radar sensors are privacy-preserving, work independent of sight conditions, and allow for the estimation of range, velocity, and angle information of targets.
This work explores the use of millimeter-wave frequency continuous wave radar sensors for estimating the number of human targets and detecting their positions in indoor environments.
To this date, most methods in literature on radar-based tracking, detection, and counting, focus on automotive applications and are mostly based on traditional signal processing-based methods.
The work presented in this thesis shows that deep learning enables a low-cost radar sensor to succeed in said tasks in complex multi-target indoor environments, where signal-processing-based methods reach their limits due to multi-path reflections, clutter, and ghost targets.
To this end, new training schemes, network architectures, and loss functions were developed to enable performance gains similar to what was seen with the advent of deep learning in computer vision.
In dieser Arbeit wird ein auf der modellprädiktiven Regelung basierendes Verfahren zur Handhabung physischer Roboter-Umgebungs-Interaktionen vorgestellt. Der optimierungsbasierte Ansatz ermöglicht ein modulares und flexibles Regelungsschema für die Kraftregelung, Nachgiebigkeitsregelung, Bewegungsregelung sowie hybride Formen davon. Das Verfahren fußt auf der Prädiktion des Verhaltens der Roboterbewegung sowie der Kräfte und Momente am Roboterendeffektor. Für letzteres wird ein linear-elastisches Modell verwendet, welches die Nachgiebigkeit der Umgebung sowie des unterlagerten Reglers berücksichtigt. Die geometrisch serielle Anordnung der beiden Elastizitäten führt dazu, dass selbst im Grenzfall eines Kontakts mit starrer Umgebung eine nach oben hin beschränkten Steifigkeit im linear-elastischen Prädiktionsmodell resultiert. Damit lässt sich auch die Interaktion mit starren Objekten handhaben.
Im ersten Teil der Arbeit wird die Methodik der modellprädiktiven Interaktionsregelung oder kurz MPIC (engl. model predictive interaction control) hergeleitet. Die modellprädiktive Regelung basiert auf der zyklischen Lösung eines Optimierungsproblems. Dabei haben die einzelnen Bestandteile des Optimierungsproblems, nämlich Systemdynamik, Kostenfunktional und Beschränkungen, verschiedene Aufgaben, um ein gewünschtes Regelverhalten umzusetzen. Die Systemdynamik beschreibt das Bewegungsverhalten des Roboters sowie das Verhalten der Endeffektorkräfte und -momente. Das Regelziel wird über das Kostenfunktional definiert. Dabei wird die Abweichung zu einem Arbeitspunkt oder einer Referenztrajektorie bestraft.
Roboterspezifische und etwaige aufgabenspezifische Einschränkungen können über Ungleichungsbeschränkungen berücksichtigt werden.
Ein besonderer Fokus dieser Arbeit liegt auf der praktischen Umsetzung der modellprädiktiven Regelung an realen Robotersystemen. Hierzu wird im ersten Teil die Anwendung der Methodik an einem Sieben-Freiheitsgrade-Roboter betrachtet. Dazu werden die konkreten Problemformulierungen für die Regelziele der Bewegungsregelung im Gelenk- und Arbeitsraum, die Kraftregelung, die Nachgiebigkeitsregelung sowie die hybride Regelung von Kraft und Bewegung vorgestellt und evaluiert.
Roboteraufgaben bestehen üblicherweise aus einer Abfolge mehrerer Einzelaufgaben. Dies impliziert, dass eine Roboteraufgaben nicht durch ein einzelnes Regelungsziel gelöst werden kann. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit ein Rahmenwerk entwickelt, dass die Flexibilität der MPIC ausnützt, um verschiedene elementare Primitive über ein einzelnes Regelungsverfahren zu realisieren. Die Grundlage bildet ein hierarchisches Modell zur strukturierten Beschreibung der Roboteraufgabe. Die unterste Ebene baut auf sogenannten Manipulationsprimitiven auf, die durch eine entsprechende Parametrierung des Optimierungsproblems mithilfe der MPIC realisiert werden können. Daraus entsteht ein Rahmenwerk, welches durch die Variation weniger Parametern die Umsetzung von umfangreichen Roboteraufgaben ermöglicht. Das Rahmenwerk wird in der Simulation sowie an einer kraftschlüssigen nicht-griffbasierten Manipulationsaufgabe an einem Sieben-Freiheitsgrade-Roboter evaluiert.
Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit ist die Regelung von Roboterhänden. Es wird dazu die am Einarm-Roboter entwickelte Methodik für die Gegebenheiten bei Roboterhänden angepasst. Der Fokus liegt in diesem Anwendungsgebiet auf der Berücksichtigung von kraftspezifischen Beschränkungen, um kraftschlüssige Griffe zu realisieren oder innere Griffkräfte zu beschränken. Diese sind notwendig, um beispielsweise einen kraftschlüssigen Griff zu stabilisieren oder bei einem unbekannten Objekt den Kontakt zu detektieren. Neben der Stabilisierung eines Zweifinger-Präzisionsgriffs wird eine kraftschlüssige Manipulation einer Kugel mit einer anthropomorphen Roboterhand gezeigt. Darüber hinaus wird eine Verbindung mit dem Rahmenwerk zur Realisierung von Roboteraufgaben hergestellt, um dadurch ganzheitliche Greifaufgaben umsetzen zu können. Dabei wird die Realisierung von drei beispielhaften Griffen diskutiert und evaluiert.
Recent advances in nanotechnology, synthetic biology, and nanomaterials have set the stage for applications that require communication among synthetic nanoscale devices. Such applications include, but are not limited to, cooperative targeted drug delivery and distributed sensing of biomarkers inside the human body. In many of the envisioned applications, classical communication based on electromagnetic waves is either not feasible at all or at least hindered by challenging propagation environments. One of the communication paradigms studied in the quest to overcome these challenges is called molecular communication (MC). Research in the field of MC concerns the question how natural, biological communication systems that employ molecules as information carriers can be used to inspire communication system design for the aforementioned synthetic applications; leveraging the inherent biocompatibility and energy efficiency of MC. One specific natural MC system which may inform the design of synthetic MC systems is the synaptic molecular communication (SMC) system. SMC refers to the inter-cell communication between a presynaptic and a postsynaptic cell via a chemical synapse, where neurotransmitters (NTs) are used as information carrying molecules. SMC is well-suited as a blueprint for MC system design, since it is known to accomplish several communication tasks that arise in the design of synthetic communication systems. However, despite its potential to inspire the design of synthetic MC systems, SMC remains poorly understood in terms of its fundamental communication theoretic properties. This dissertation presents a communication theoretic modeling effort towards unlocking this potential. The main contributions of the dissertation are as follows.
Inter-Symbol Interference Mitigation and Transmitter Replenishment in the Tripartite Synapse: In SMC, the uptake of NTs at the presynaptic cell and at neuroglia is critical for both preventing excess stimulation of the postsynaptic cell and replenishing the NTs stored inside the presynaptic cell. Hence, the uptake of NTs in SMC is critical for the mitigation of inter-symbol interference (ISI) and for the replenishment of the transmitter (Tx). However, the quantitative understanding of NT uptake and its role in SMC remains elusive to date. We propose a novel model of the tripartite synapse, i.e., a synapse surrounded by neuroglia, that incorporates diffusion and uptake of NTs by the presynaptic cell and neuroglia, respectively, as well as reversible binding of NTs to postsynaptic receptors. From the proposed model, we rigorously derive the channel impulse response (CIR) of the tripartite synapse as well as lower and upper bounds for the impact of NT uptake on the CIR. The proposed model facilitates the communication theoretic analysis of the tripartite synapse by revealing the impact of different biophysical system parameters on its ISI mitigation and Tx replenishment capabilities.
Receiver Saturation and Receptor Competition in Synaptic Molecular Communication: In SMC, finitely many NTs bind reversibly to finitely many postsynaptic receptors to convey information. Hence, the receiver (Rx) employed in SMC belongs to the class of reactive Rxs in MC. Reactive Rxs are considered a promising candidate for synthetic MC systems, yet they typically resist a thorough communication theoretic analysis due to their inherent complexity. We present deterministic and statistical signal models for the SMC Rx which incorporate the bimolecular reaction of NTs and postsynaptic receptors and the competition of NT for receptors and vice versa. The proposed Rx models reveal how the (first- and higher-order) statistics of the postsynaptic receptor activation depend on the number of NTs, the number of receptors, and the binding kinetics of the receptors, in the presence of competition and contribute to the understanding of reactive Rxs in general.
Molecular Noise Analysis for Synaptic Molecular Communication: The SMC Rx converts the received molecular signal to an electro-chemical downstream signal called postsynaptic membrane potential (PSP). However, it remains elusive to date how the randomness of the molecular signal contributes to the randomness of the PSP. We propose a statistical model for the PSP that incorporates the stochastic binding of NTs to postsynaptic receptors and the random degradation of NTs in the synaptic cleft. The model provides unique and novel insights into the statistical properties of synaptic communication even beyond the molecular signal transmission. Furthermore, by deriving the autocovariance of the received SMC signal, a step towards the complete characterization of the reactive Rx in MC is accomplished.
All results presented in this dissertation are validated with extensive stochastic particle-based computer simulations. Also, whenever possible in a meaningful way, the presented novel results are contrasted with existing results from previous experimental or computational studies.
Today's radio frequency front-ends (RFFEs) employed in cellular devices achieve duplex operation by utilizing discrete, fixed-frequency surface acoustic wave (SAW) or bulk acoustic wave (BAW) filters. The state-of-the-art tunable filters cannot meet the demanding requirements for steep roll-off and low insertion loss, supporting multi-band operation. As a result, they require multiple fixed-frequency duplexers and switches for band selection. However, supporting all the frequency bands increases circuit design complexity, area consumption, and manufacturing cost. It is a crucial challenge and research interest to develop a tunable RFFE.
This thesis starts with an introduction to this work. The first chapter presents the motivation and objective, then in the following chapter, fundamental and background knowledge of duplexers is reviewed. From the works of literature and state-of-the-art, various architectures in hardware domains such as SAW-, circulator- and hybrid transformer-based or software domains like digital cancellation have been proposed to achieve full-duplexing (FD). Motivated by the concept of electrical balance, two alternative duplexer design approaches from literature are presented for LTE low band application. One of them is the Wheatstone bridge balanced duplexer (WBD). This architecture combines the electrical balanced duplexer (EBD) and the Wheatstone bridge circuit. It uses the SAW technology and digitally tunable capacitors (DTCs) to realize the circuit blocks in the system, as shown in Chapter 3. Another proposed architecture is a phase gradient supported balanced duplexer (PBD) which has been investigated at the Institute of Electronics Engineering in FAU Erlangen-Nürnberg to overcome the insertion loss limitation that features at least 3 dB in the EBD concept. Through the equation-defined design parameters of circuit blocks and detailed system analysis, the PBD concept is described theoretically in Chapter 4. With these two presented architectures, the key performance indicator of duplexer insertion loss at Tx and Rx band can achieve 2.9 and 2.8 dB, respectively, and the transmit-to-receive isolation can reach over 50 dB. Last, this thesis summarizes and reviews the WBD and PBD performance in Chapter 5. It is feasible to have a small form-factor and tunable duplexer realization targeted at LTE low band application by implementing complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) and metal-based micro-electro-mechanical systems (MEMS) technology in the proposed architectures.
Schaltnetzteile sind aus der modernen, digitalisierten Welt nicht mehr wegzudenken.
Eine hohe Effizienz ermöglicht höhere Packungsdichten und, beispielsweise mit Blick
auf Rechenzentren, einen geringeren aktiven Kühlbedarf.
Für den Privatanwender rücken meist andere Aspekte in den Vordergrund: Das
Ladegerät für den Laptop oder das Mobiltelefon sollte gerade auf Reisen möglichst
leicht und kompakt sein. Auch der Preis ist ein wichtiges Entscheidungskriterium
beim Kauf eines Netzteils. Dennoch sollte der Energiebedarf gerade im Bereitschafts-
modus möglichst gering sein, da Ladegeräte oftmals aus Bequemlichkeit der Benutzer
dauerhaft mit dem Stromnetz verbunden sind.
Um Schaltnetzteile immer kleiner, leichter und günstiger zu konstruieren, werden
zunehmend genauere Simulationsmodelle benötigt. Um auch die Verluste und die
Streuinduktivität in Transformatoren akkurat vorhersagen zu können, müssen die
elektromagnetischen Felder in der Komponente berechnet werden. Dadurch steigt
i. d. R. der Rechenaufwand, sodass innerhalb einer vorgegebenen Zeit nur noch eine
kleinere Anzahl an Designvarianten geprüft werden kann.
Für die Auslegung des resonanten LLC-Konverters wird daher oftmals auf relativ
ungenaue Verfahren wie die Grundschwingungsanalyse zurückgegriffen. Das Design
des Transformators erfolgt in einem nachgelagerten Schritt, wenn dessen Kennwerte
bereits feststehen. Der in dieser Arbeit verwendete Ansatz weist dagegen sowohl
eine hohe Rechengeschwindigkeit als auch eine hohe Simulationsgenauigkeit auf. Er
ermöglicht damit die gleichzeitige Auslegung von Konverter und Transformator.
Hierfür werden in den Kapiteln 2 und 3 jeweils mehrere Simulationsansätze für den
Konverter und den Transformator verglichen. Zur Berechnung der Kurvenverläufe im
Konverter wird anschließend eine verlustlose Zeitbereichsanalyse entwickelt. Durch
Ausnutzen von Symmetriebedingungen und der Energieerhaltung im Konverter kön-
nen die Zeitverläufe somit direkt bestimmt werden.
Für die Berechnung der magnetischen Felder im Transformator wird auf die Rand-
elementmethode zurückgegriffen. Durch Wiederverwenden bereits berechneter Daten
kann die Simulationszeit bei kleinen Änderungen im Aufbau des Transformators (z. B.
bei Variation der Windungszahl) stark reduziert werden.
Die beiden Simulationsansätze zusammen ermöglichen bereits eine zügige Analyse
der Designvarianten. Der Transformator besitzt jedoch mit der Kernform, dem Kern-
material, der Luftspaltlänge sowie dem Aufbau der Wicklungen sehr viele Parameter.
Diese können durch vorherige Optimierung des Konverters stark eingeschränkt wer-
den. Es besteht jedoch die Gefahr, dass gerade dadurch die besten Designs vorzeitig
aussortiert werden. Wird der Transformator, wie in dieser Arbeit, in den Mittelpunkt
der Auslegung gesetzt, muss die Rechenzeit daher zusätzlich reduziert werden.
Das gelingt durch einen mehrstufigen Auslegeprozess, bei dem Designs, die die
Spezifikation nicht erfüllen, mit möglichst wenig Aufwand aussortiert werden. Die
Gültigkeit dieser Vorgehensweise wird anhand von Messungen am Aufbau verifiziert.
Neue kommerziell verfügbare Halbleitermaterialien wie Siliciumkarbid (SiC) eröffnen, neben ihrer Anwendung in diskreten Leistungsschaltern, auch neue Einsatzmöglichkeiten für integrierte Schaltungen. Hierbei wird der SiC-CMOS Technologie, aufgrund der niedrigen intrinsischen Ladungsträgerkonzentration und der hohen kritischen Feldstärke von SiC, großes Potential zugesprochen. Mögliche Anwendungsbereiche sind unter anderem die Signalerfassung und -übertragung bei hohen Umgebungstemperaturen sowie die Integration von Steuer- und Überwachungselektronik in Leistungsschaltern. Für die zielgerichtete Entwicklung der Systeme und der Halbleitertechnologie stellen Kompaktmodelle für die Schaltungssimulation ein wichtiges Werkzeug dar. Bestehende Kompaktmodelle für SiC-MOSFETs, welche im Allgemeinen Modellen für Si-MOSFETs zugrunde liegen, weisen allerdings eine große Diskrepanz zwischen den Modellparametern und den entsprechenden technologischen Größen auf.
Um diese Lücke zu schließen, wird in dieser Arbeit ein auf dem Oberflächenpotential basierendes Kompaktmodell entwickelt, das den physikalischen Einfluss der SiC-typischen Grenzflächendefekte auf die Strom-Spannungs-Beziehung von n-Kanal SiC-MOSFETs berücksichtigt. Es wird gezeigt, dass zur Berechnung des Oberflächenpotentials die Newton-Methode aufgrund ihrer Robustheit und Effizienz im Vergleich zu anderen iterativen Verfahren am besten geeignet ist. Darüber hinaus wird anhand von analytischen Betrachtungen ein neuer Ansatz zur Beschreibung der Ladungsträgerverteilung entlang des MOSFET-Kanals hergeleitet. Dies ermöglicht den Einfluss der Grenzflächendefekte der Halbleiter-Isolator-Grenzschicht auf die Transfer- und Ausgangskennlinie effizient in einem Kompaktmodell abzubilden. Des Weiteren wird mittels Hall-Messungen und numerischen Simulationen gezeigt, dass das senkrecht zum Kanal wirkende elektrische Feld einen starken Einfluss auf die Coulombbeweglichkeit der Inversionsladungsträger von SiC n-MOSFETs hat. Dieser Einfluss wird ebenfalls im Kompaktmodell berücksichtigt. Das resultierende Modell beschreibt die Bulk-Source-Spannungsabhängigkeit der Gate-Kapazitäten und Strom-Spannungsbeziehungen bei Raumtemperatur sowie das Verhalten der Strom-Spannungs-Beziehung über einen Temperaturbereich von 25°C bis 300°C sehr gut. Die Besonderheit gegenüber bereits existierenden Modellen besteht darin, dass die Modellparameter in einer engen Beziehung zur Struktur des Bauelements und dessen Herstellungsprozess stehen. So können zum Beispiel die Modellparameter zur Beschreibung der Grenzflächenzustandsdichte aus den Ergebnissen von Hall-Messungen übernommen werden. Anhand der Optimierung eines Logikinverters wird demonstriert, dass es mit diesem Modell möglich ist, den Einfluss der Wannendotierung auf die elektrischen Eigenschaften einer integrierten SiC-Schaltung direkt im Schaltungssimulator zu untersuchen. Aufgrund der physikalischen Struktur kann darüber hinaus auch die Zunahme des Drainstroms bei einer oberflächennahen Kanalgegendotierung durch das Modell abgebildet und erklärt werden.
Der weltweit steigende Datenverbrauch zieht ebenso steigende Anforderungen an die Technik
mit sich. Um diesem Anstieg Herr zu werden, ist ein Vordringen in Sendefrequenzen jenseits der
100 GHz nötig, da dort ausreichend freie Bandbreite zur Verfügung steht. Integrierte Schaltungen
in diesen Frequenzlagen leiden unter verminderter Leistungsfähigkeit, da Transistoren immer
näher an ihrer Transitfrequenz betrieben werden. Um trotzdem genügend Ausgangsleistung im
Transmitter zu haben, müssen deshalb Verstärkerketten eingesetzt werden. Die Folge ist eine
wachsende Komplexität der Systeme und ein immenser Stromverbrauch.
Diese Arbeit bietet aufgrund einer neuartigen Architektur einen Ansatz bei einer Sendefrequenz
von 180 GHz Datenübertragungen von bis zu 100 GBit/s zu ermöglichen. Gleichzeitig werden
Stromverbrauch und Komplexität niedrig gehalten. Es werden sowohl zwei Senderarchitekturen
als auch deren Komponenten präsentiert und implementiert. Diese ermöglichen es, mit wenig
Aufwand große Datenmengen zu übertragen.
Beide Systeme basieren auf dem sogenannten RF-DAC (radio-frequency digital-to-analog converter), ein Bauteil, das sowohl die Modulation des Sendesignals als auch das Aufwärtsmischen
des Basisbandes in das Sendeband vereint. In einem 130 nm BiCMOS-Prozess umgesetzt, erzielt
man mit einem RF-DAC Datenraten von bis zu 18 GBit/s. Beide Systeme beinhalten zudem eine
Sendefrequenzgenerierung, die aus einem Verfünffacher mit anschließendem Verdoppler besteht.
Dadurch wird mit einem 18 GHz Lokaloszillator (LO) eine Zielfrequenz von 180 GHz erzeugt.
Das erste System, als IQ-Transmitter konzipiert, besteht aus zwei 2-Bit RF-DACs und ist
in der Lage Datenraten von bis zu 72 GBit/s zu übertragen. Die Effizienz einer übermittelten
16-QAM-Modulation liegt dabei bei rund 7 pJ/Bit.
Das zweite System verzichtet auf eine Signaladdition der I- und Q-Signalkomponenten und
setzt stattdessen auf spatial air combining. Hierbei überlagern sich die beiden Signalkomponenten
konstruktiv im Ausbreitungsraum Luft. In der Simulation konnte mit dem System das Potenzial
nachgewiesen werden, noch einmal um 0.4 pJ/Bit effizienter zu sein.
Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Konzeption und Optimierung von neuartigen Verfahren für die phasenbasierte Lokalisierung von UHF-RFID-Transpondern mit Hilfe von synthetischen Aperturen. Die entwickelten Verfahren können genutzt werden, um Prozesse der Logistik, des Einzelhandels oder der Produktion zu optimieren und zu automatisieren.
Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von Verfahren zur hochgenauen 3D-Ortung von UHF-RFID-Tags mit planaren Aperturen, die von Roboterarmen oder mobilen Robotern durch Bewegung von Leseantennen erzeugt werden. Mit Hilfe von theoretischen Betrachtungen und einer für die Arbeit entwickelten Monte-Carlo-Simulationsumgebung, die ein Kanalmodell für mehrwegebehaftete Umgebungen nutzt, wurde der Lokalisierungsfehler verschiedener Lokalisierungsmethoden, die an die digitale Strahlformung angelehnt sind, untersucht. Die Betrachtungen liefern wichtiges Grundlagenwissen über die Abhängigkeit des mittleren Lokalisierungsfehlers von der Aperturgeometrie, der Mehrwegeintensität, dem verwendeten Sende- und Empfangsschema (z. B. MIMO) und der Position eines Tags relativ zur Apertur. Die durch Theorie und Simulation vorhergesagten Lokalisierungsfehler wurden durch Messungen verifiziert, wobei eine sehr gute mittlere Lokalisierungsgenauigkeit von 14 cm erreicht wurde. Es wurde außerdem gezeigt, wie sich die entwickelten Verfahren auf die Ortung von sich bewegenden Tags durch inverse synthetische Aperturen anwenden lassen.
Im zweiten Teil der Arbeit werden die gewonnenen Erkenntnisse genutzt, um ein 3D-UHF-RFID-Lokalisierungssystem zu entwickeln, welches auf der Bewegung einer MIMO-Gruppenantenne durch einen mobilen Roboter beruht. Das entwickelte System kann genutzt werden, um eine 3D-Objektkarte, z. B. von einer Einzelhandelsfläche mit getaggten Waren, zu erstellen. Die erreichbare mittlere Lokalisierungsgenauigkeit wurde durch Simulationen und Messungen mit einem für die Arbeit entwickelten RFID-Lokalisierungsroboter abgeschätzt und optimiert. Das Verfahren erreicht in den Messungen eine außergewöhnlich gute mittlere Genauigkeit von 2,5 cm.
Im letzten Teil der Arbeit wird erstmals in der Literatur ein Verfahren zur beschleunigungsbasierten Richtungsschätzung von UHF-RFID-Tags mit Hilfe eines Augmented-Reality-RFID-Handlesegeräts vorgestellt. Das Verfahren wertet Antennen- und Phasenbeschleunigungen aus, welche durch eine inertiale Messeinheit und ein RFID-Lesegerät ermittelt werden, um die Richtung zu einem Tag zu schätzen und diese dem Nutzer in einem Display anzuzeigen. Das Verfahren wurde auf einem für die Arbeit entwickelten Handlesegerät implementiert und durch Messungen der Genauigkeit verifiziert.
Polyphonic vocal music is an integral part of music cultures around the world. For studying performance aspects and cultural differences, the analysis of recorded audio material has become of increasing importance. This thesis contributes several computational tools for processing, analyzing, and exploring singing voice recordings using methods from signal processing, computer science, and music information retrieval (MIR). First, we develop an approach for applying time-varying pitch shifts to audio signals based on non-linear time-scale modification (TSM) and resampling techniques. We show that our method can be used to adjust intonation (fine-tuning of pitch) in vocal recordings, e.g., in postproduction contexts. Computational analysis of polyphonic vocal music typically requires annotations of the singers’ fundamental frequency (F0) trajectories, which are labor-intensive to generate and may not be available for a particular recording collection. As a second contribution, we present an approach to assess the reliability of automatically extracted F0-estimates by fusing the outputs of several F0-estimation algorithms. In this way, our approach enables the analysis and exploration of large unlabeled audio collections. One major challenge for computational analysis of polyphonic singing constitute stylistic elements such as pitch slides and pitch drifts, which can introduce blurring in analysis results. As a third contribution of this thesis, we present computational tools for handling such peculiarities. In particular, we develop musically motivated filtering techniques to detect stable regions in F0-trajectories and compensate for pitch drifts. Furthermore, our tools offer interactive feedback mechanisms that allow domain experts to incorporate musical knowledge. Development and evaluation of computational tools for analyzing polyphonic singing typically require suitable multitrack recordings with one or several tracks per voice, e.g., obtained from close-up microphones attached to a singer’s head and neck. However, such recordings are challenging to produce and thus of limited availability. As an additional contribution of this thesis, we introduce carefully organized and annotated multitrack research corpora of Western choral music and traditional Georgian vocal music, which are publicly accessible through interactive interfaces. Furthermore, considering these two culturally different forms of vocal music as concrete application scenarios, we evaluate our interactive computational tools and demonstrate their potential for corpus-driven research in the field of computational ethnomusicology.
In the past few years, portable consumer electronics such as tablets and smartphones have
become compact multi-functional devices. The upcoming and new generations will have
implemented more and more virtual and augmented reality applications which require specialized
in- and output devices such as tracking sensors or motion controllers and headmounted
displays or pico-projectors. Optical sensing and imaging are crucial to many of
these functions. Thus, depending on the application efficient and compact high-power light
sources that emit either in the infrared or the spectral range of visible red to green, to blue
are a key technology that should be available cheaply and in large quantities. There are several
optoelectronic semiconductors that are suitable for such applications. Ideally, the light
source should emit a narrow beam like emission that allows efficient coupling and seamless
integration of high pulsed output power into the system. Common light emitting diodes
(LED) are inexpensive surface emitters whose optical bandwidth and switching dynamics
are determined by spontaneous emission. While high output powers can be achieved by
scaling the surface area, the beam quality stays poor. In contrast, surface emitting lasers
have narrow farfields, but they require complicated lateral mode control. Hence, high output
power requires an array of multiple low power emitters which adds complexity to the
optical integration. In general, lasers are able to provide increased power density and fast
turn-on/off switching times, however, their coherent emission introduces speckle noise to
interferometric sensors and imaging systems. A semiconductor light source that can meet
the required specifications is a superluminescent diode (SLED). Their unique emitter characteristics
comprise laser-like beam properties and broad-band emission similar to LEDs.
Therefore SLEDs are capable of high output power densities but short coherence length
required for visualization or sensing applications. One drawback is that SLEDs are usually
designed as edge emitters and therefore have similarly complicated fabrication process as
laser diodes, which entails wafer cleaving and subsequent coating of facets which requires
handling and testing of individual stripes or bars. Thus, the elaborate fabrication of SLEDs
has been one of the major drawbacks preventing them from becoming more appealing to
larger market segments. In addition, SLED operation requires suppression of lasing – hence
optical feedback at the mirrors is critical. This is achieved by maximizing the light outcoupling
and reducing feedback by designing the losses. Consequently, typical SLEDs are
light sources with relatively low efficiencies.
This thesis deals with the theoretical and experimental investigation of a novel SLEDs design
that is based on surface-emission. Moreover, the new approach is completely processed
on wafer-scale using thin-film technology which thereby allows an inexpensive fabrication
comparable to LEDs. Similar to common edge emitters, the novel SLED design relies on
an amplification of optical modes by an in-plane gain-guided waveguide. However, in order
to achieve surface emission the waveguide is terminated by integrated micro-mirrors that
deflect the amplified spontaneous emission (ASE) via total internal reflection towards the
chip surface. A conventional dry etching process is used to fabricate the mirrors on wafer
level. Furthermore, using thin film technology, the wafer is flipped after etching, bonded
to a new carrier, and the substrate is removed. All other processing steps including outcoupling
surface treatments and final testing are also done on wafer level.
In the first part of the thesis an introduction to the fundamental physics of optoelectronic
semiconductors is presented, providing the theoretical basis of SLEDs especially in comparison
to lasers. In order to simulate the optical output power of the investigated SLED
design, a rate equation-based frequency-resolved model that accounts for non-ideal facet
reflectivities and lasing onset is introduced and first examples are discussed. Additionally,
the model was extended to investigate the theoretical optical switch-off characteristics of
SLEDs. Based on these results, supported by more elaborate FDTD simulations, the investigation
is focused on an analysis of light propagation and out-coupling in the novel
surface-emitter concept. The second part of the thesis is dedicated to the fabrication and
experimental investigation of first surface-emitting InGaAs/AlGaAs SLEDs emitting in the
near IR. The fabricated epitaxy, design and geometry variations are presented along with
the corresponding fabrication workflow with focus on the integrated micro-mirrors and used
dielectric coatings. A direct comparison of as-cleaved edge emitting devices and uncoated
surface emitting chips has been made in order to evaluate the efficiency of surface outcoupling.
In both cases, the etched mirrors show identical output power, demonstrating their
high quality and efficiency. One of the most promising designs uses both ends of the waveguide
as emitting facets which leads to reduced losses and a high out-coupling efficiency.
ASE operation can be sustained up to 250mW, and the respective wall-plug efficiency exceeds
15%. As the new surface emitting approach allows light to be emitted from both
ends of the waveguide, the optical out-coupling and wall-plug efficiencies of the first demonstrator
devices are already comparable to those of edge-emitting counterparts. Despite the
fact that the surface emitting SLED has two outcoupling windows at the ends of the waveguide,
after optimizing the micro-mirrors its farfield is comparable to that of a conventional
edge emitting device. The spectral width of the ASE is approximately 10nm. When the
current exceeds 900mA, the device operates in lasing mode due to the residual feedback
of the surface outcoupler into the waveguide. Increased lasing threshold will result from
optimizing the anti-reflective coating. Similarly, by deviating the outcoupling mirror angle
from the 45° as well as curved waveguides feedback can be further reduced. High-power
pulsed operation has also been investigated. Moreover, SLEDs show rise- and fall times
of 3 ns and 2 ns as a result of their faster stimulated emission rates than LEDs. Following
this, the introduced rate equation-based model was calibrated with experiments. Most of
the simulated L-I curves are in excellent agreement to the experiment for various epitaxy
and waveguide designs including single- and double-pass amplifying SLEDs. Moreover,
simulated spectral characteristics were conducted and showed a high degree of similarity
with experimentally obtained spectral features. As the model does not assume ideal facets
with zero reflectivity, it can be used not only to estimate the operation regimes but also
to increase the lasing threshold and ASE output power. Moreover, with arrays of surface
emitting SLEDs the power can be scaled and further control added to the farfield without
requiring any additional processing steps. With a parallel aligned configuration, the ASE
output power per chip could be scaled up to over five times the output power of a single
stripe device. Optimal etching provides a surface-emitting array with a superimposed farfield
that is comparable to a single stripe’s beam profile. In addition, radial symmetrically
aligned surface-emitting SLED arrays resulted in surprisingly narrow far-field distributions
and high output power densities. Thus, the surface-emitting concept allows for a wider
range of arrangements of contacts and waveguides which offers several advantages towards
compact chip and package designs. Finally, the surface-emitter design was transferred to
the visible red emitting AlGaInP/AlInP material system where first experimental results
of red surface-emitting micro-mirror based demonstrators were very promising. In fact,
with a wall-plug efficiency of approximately 6% the performance of red surface-emitting
SLEDs was already comparable to simulations and experimental results of edge emitting
counterparts.
Waren bis zur Jahrtausendwende Niederspannungs-Gleichstromnetze außerhalb der Bahntechnik nur in Anwendungen mit geringer Betriebsspannung in der Automatisierungs- und Beleuchtungstechnik sowie in der Telekommunikation gebräuchlich, erfuhren in den letzten Jahrzehnten mit dem Ausbau von Photovoltaikanlagen und im Bereich der Elektromobilität DC-Anwendungen eine immer größere Bedeutung. DC-Verteilnetze mit Anbindung von regenerativen Quellen und Batteriespeichern, sogenannte DC-Microgrids, werden mittlerweile zur Versorgung von Rechenzentren bei einer typischen Betriebsspannung von 380V eingesetzt, erste Testinstallationen bei höherer Betriebsspannungen finden sich auch in industriellen Fertigungsanlagen.
Gebräuchliche Schutzkonzepte aus der „AC-Welt“ sind nur teilweise auf DC-Netze
übertragbar. In der Regel sind dort Quellen-, Lasten- und Speichereinheiten mittels
Wandlerkomponenten über einen DC-Energiebus verknüpft – entsprechend liegt eine
Beschränkung des maximalen Dauerkurzschlussstroms und der umgesetzten Leistung
im Fall eines Querfehlers zwischen zwei Leitern oder einem Leiter und Erde vor. Eine
spezifische Anpassung von Überstromschutzorganen muss dabei das Auftreten ggf. hoher
transienter Stromspitzen bei Einschaltvorgängen oder Lastwechseln und die Nachregelung
von Lastenkomponenten bei eintretenden Fehlersituationen berücksichtigen.
Auch die Detektion serieller Fehlersituationen spielt bei DC-Netzen eine wesentlich
gewichtigere Rolle, als es bei AC-Anwendungen der Fall ist. Je nach Anlagencharakteristika
können an beschädigten Kabeln oder an lockeren Verbindungsstellen stabile Fehlerlichtbögen auftreten, welche umgebende Isoliermaterialien entzünden und zu Folgeschäden führen können.
Neben einer speziellen Konzeption von Schaltorganen und der Einbindung übergeordneter
Zustandsüberwachung können modellbasierte Methoden eingesetzt werden, die
Spannungs- und Strommessungen unter Verwendung lokaler Sensorik am jeweiligen Lastabgang nutzen. Damit wird eine verfeinerte Fehleridentifikation ermöglicht, welche potenzielle Fehlersituationen klar und binnen einer kurzen Zeitspanne von im Nennbetrieb auftretenden Ereignissen abgrenzt. Speziell interessieren im Rahmen der Aufgabenstellung serielle Fehler im Bereich der Verkabelung zwischen den Komponenten. Weiter werden die Anwendungsfälle dahingehend eingegrenzt, dass in der Regel von abschnittsweise gleichförmigem Lastverhalten ausgegangen wird – Lastwechsel und viele potenzielle Fehlersituationen lassen sich dann als kurze transiente Einzelereignisse charakterisieren.
Ein erster Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist es, geeignete Komponenten- und
Fehlermodelle zu erstellen, welche zum Systemmodell kombiniert werden. Auf Basis dessen
sind dann Einflussgrößenanalysen zur Auslegung der Grundfunktionalität von Schutzorganen
möglich, wenn zumindest ein größerer Teil der Komponenten- und Fehlerparameter als
bekannt gilt. Dabei sind möglichst einfache und verallgemeinerte Modellstrukturen für die
Komponenten zu wählen, um die wesentliche Grundcharakteristik im Nennarbeitsbereich
als auch in Fehlersituationen abzubilden.
Liegen nur geringe Vorkenntnisse über die Parametrierung vor, können fehlende Werte
anhand der topologischen Modellstruktur und mittels Messungen an im Betrieb auftretenden transienten Ereignissen, wie z. B. Zuschalten von Baugruppen oder Lastwechsel, bestimmt werden. Hierzu werden für lineare zeitinvariante oder für verallgemeinerte Modellstrukturen geeignete Systemidentifikationsmethoden genutzt. Vorgabe ist dabei ein geringer Anspruch an Rechenzeit und Arbeitsspeicher, um auch auf lokalen Mikrocontrollern eingesetzt werden zu können.
Als Hauptpunkt der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Identifikationsmethoden
– z. B. aufgabenspezifische Gradientenabstiegsverfahren, Instrumentalvariablenverfahren
oder Konzepte basierend auf Partikelschwärmen – hierzu neu erstellt oder angepasst und
erweitert. Ihre Eignung zur Identifikation von Parametern abstrahierter modularer Modelle
von DC-Netzen wurde anhand von Messungen an praxisnahen Testaufbauten überprüft
und verglichen. Wichtig war dabei, mögliche Ausfälle der sensorischen Datenerfassung
und zeitliche Versätze zwischen Ereignisbeginn und dem Über- oder Unterschreiten einer
adaptiven Triggerschwelle zu berücksichtigen.
Dabei konnte festgestellt werden, dass eine Fokussierung auf den ersten kurzen Zeitabschnitt nach Ereigniseintritt bei einer Verwendung von Modellen niedriger Ordnung
zielführend ist. Das anfängliche Signalverhalten an den Sensoren am Lastabgang wird
sowohl für Last- oder Sollwertwechsel als auch für serielle Kabelfehler durch die linearisierbaren passiven und aktiven Ersatzelemente der Masche dominiert, welche durch die Ausgangsklemmen des Quellwandlers, durch die Kabelstrecken und durch die Eingangsklemmen des Lastwandlers aufgespannt wird. Wesentlich schwieriger zu interpretierende nichtlineare Nachregelprozesse und zweitrangige Ausgleichsprozesse treten erst später in den Vordergrund.
Eine derartige Kondensierung der transiente Ereignisse beschreibenden Messdaten
auf Parametersätze geringer Größe kann weiter durch Methoden des unüberwachten
maschinellen Lernens validiert werden. Partitionierende oder dichtebasierte Clustering-
Methoden bieten sich an, erfasste Ereignisse mit hohem Modellfehler auszusortieren und die verbleibenden in unterschiedliche Ereignisarten zu kategorisieren. Verschiedene Kenngrößen können zur Beurteilung des Clustering-Prozesses ermittelt werden.
Mit einer dann resultierenden Systembeschreibung unter Einbeziehung potenzieller
Fehlermodelle können im folgenden Betrieb Fehler deutlich von Ereignissen im Nennbetrieb
abgegrenzt werden und die Anteile falsch-positiver oder falsch-negativer Kategorisierungen
minimiert werden. Hilfreich sind dabei auf Basis des parametrisierten Gesamtmodells
erstellte Signalmuster, die verschiedene Arbeitspunkte und Fehlersituationen abbilden und
für einen echtzeitfähigen Signalmustervergleich eingesetzt werden können.
Derartige entwickelte Methodiken wurden an zwei realitätsnahen Fallbeispielen spezifiziert
und validiert. Einerseits wurde ein Verteilnetz mit LED-Baugruppen als geregelte
Lasten bei einer Systemspannung von 24V überwacht. Auftretende Wackelkontakte werden
bei zentraler Sensierung unter Verwendung eines Stromsensors den einzelnen Leitungsstrecken zugeordnet. In einem zweiten Beispiel wurde ein Überwachungskonzept auf serielle Fehler für eine Übertragungsleitung in einem Netz mit 380V Betriebsspannung erstellt. Dabei sind unterschiedliche Regelungsmodi der Lastenbaugruppe zu berücksichtigen.
Weiter kann von ersten Ergebnissen beim Einsatz eines Funktionsmusters auf Basis
einer Mikrocontrollerschaltung mit implementierten Algorithmen zur Fehleridentifikation
berichtet werden.
Verglichen mit monostatischen Radarsystemen bieten bi- oder multistatische Anordnungen einen gesteigerten Grad an Flexibilität, höhere Zuverlässigkeit bei der Zieldetektion sowie eine insgesamt verbesserte Funktionalität. Aufgrund des homodynen Mischvorgangs können monostatische Systeme direkt für kohärente und phasenrauscharme Messungen verwendet werden. Um vergleichbare Eigenschaften auch bei verteilten Radarsystemen zu erreichen, wird in dieser Arbeit ein passendes Signalmodell mit Hilfe von relativen Zeitbasen eingeführt und ein neuartiges Signalverarbeitungs-verfahren zur Kompensation der auftretenden Störungen hergeleitet.
Anwendbar ist diese Methode im Bereich der Funkortung, also zur Bestimmung des Abstands, der Geschwindigkeit und der Positionsänderung mit mindestens zwei aktiven Radareinheiten. Hierzu werden verschiedene FMCW-Varianten diskutiert und die erreichbare Genauigkeit wird anhand von Simulations- und Messergebnissen demonstriert. Weitere gewinnbringende Möglichkeiten eröffnen sich in der radarbasierten Umfelderfassung im Automobilbereich. Durch den kohärenten Betrieb von räumlich verteilten MIMO-Radarmodulen kann einerseits eine Winkelschätzung mit erheblich verbesserter Genauigkeit und Auflösung durchgeführt werden. Andererseits tritt eine Erhöhung des SNRs ein und die Schätzung der vektoriellen Geschwindigkeit von anderen Verkehrsteilnehmern ist durchführbar. Abschließend werden weitere Anwendungsmöglichkeiten vorgestellt.
Das Gesundheitssystem steht aufgrund der alternden Bevölkerung vor großen medizinischen und gesellschaftlichen Herausforderungen. Ein wesentliches Hilfsmittel für die adäquate Vorsorge und Behandlung der zunehmenden chronischen Krankheiten ist das kontinuierliche Langzeitmonitoring von relevanten Vitalparametern. Während primäre Parameter wie der Herzschlag von großer Bedeutung sind, um akute Gesundheitsänderungen zu erkennen, weist ein daraus abgeleiteter Parameter, die Herzratenvariabilität (HRV), sowohl auf chronische als auch psychische Krankheiten hin.
Etablierte Messgeräte wie der Elektrokardiograph haben den essentiellen Nachteil, dass ein permanenter Körperkontakt zur untersuchten Person erforderlich ist. Dies hat nicht nur einen immens hohen Personal- und Materialaufwand zur Folge, sondern schränkt vor allem beim Langzeitmonitoring die Selbstständigkeit und den Komfort der untersuchten Person ein. Wünschenswert wäre eine berührungslose und somit belastungsfreie Lösung. Die Radartechnologie als Verfahren der Abstandsmessung hat sich in den letzten Jahren als ein vielversprechendes Verfahren präsentiert. Es gab bislang jedoch nur unzureichende Untersuchungen zur Messbarkeit der HRV mittels Radar. Eine wesentliche Herausforderung stellt hierbei die benötigte Genauigkeit bei der Detektion einzelner Herzschläge dar, welche mit der bis dato analysierten Pulswellenkomponente nur schwer zu erreichen ist. In einer Vorarbeit konnte jedoch nachgewiesen werden, dass auch Herztöne mittels Radar messbar sind, welche durch ihre markante Charakteristik eine hohe Genauigkeit bei der Segmentierung versprechen.
In dieser Arbeit wird erstmalig untersucht, ob eine berührungslose Messbarkeit der HRV mittels der mit Radar aufgezeichneten Herztonsignale möglich ist. Hierfür werden zunächst anhand von detaillierten theoretischen Vorüberlegungen die Aspekte ermittelt, welche für die Durchführung dieses Verfahrens notwendig sind. Dies umfasst neben der Erforschung eines Algorithmus für die automatisierte Qualitätsbestimmung des Herztonsignals auch ein Verfahren für die präzise Segmentierung und Detektion einzelner Herzschläge sowie eine nachfolgende Artefaktkorrektur und die Bestimmung der HRV-Parameter.
Um die Umsetzbarkeit auch im praktischen Umfeld nachzuweisen, wurden zusammen mit dem Universitätsklinikum Erlangen umfangreiche Studien mit zahlreichen Probanden durchgeführt. Die daraus gewonnenen Messdaten, welche in ihrem Umfang und ihrer Art einzigartig sind, wurden anschließend für die Validierung der implementierten Verfahren und Algorithmen verwendet. Mittels Ensemble Learning und Gaußprozess-Regression konnten für die Qualitätsbestimmung der Herztöne F1-Scores von über 92 Prozent sowie Korrelationen von über 95 Prozent erreicht werden. Bei der Herztonsegmentierung konnte ein mehrschichtiges bidirektionales LSTM-Netzwerk die höchsten F1-Scores von 94 bis 98 Prozent erzielen. Im letzten Schritt wurden bei der HRV-Bestimmung mit dieser Architektur geringe Abweichungen von der Referenz im einstelligen Prozentbereich realisiert. Zudem wurde dies nicht nur in einem statischen Setting nachgewiesen, sondern es konnten auch die Verläufe bei sich dynamisch und abrupt ändernden Szenarien nachgebildet werden. Die in ihrer Art erstmaligen Untersuchungen in dieser Arbeit sowie die vielversprechenden Ergebnisse weisen auf ein enormes Potential der vorgestellten Technologie hin und stellen einen substantiellen Schritt in Richtung einer verbesserten Patientenversorgung mittels eines belastungsfreien Langzeitmonitorings dar.
Auf magnetischen Wechselfeldern basierte Ortungssysteme sind ein vielversprechender Kandidat als Ortungssystem für den lokalen Bereich, da sie im Gegensatz zu wellenbasierten Ortungssystemen nicht von Mehrwegeausbreitung, Schwund oder Abschattung durch nichtmetallische Materialien wie Möbel, Wände oder Menschengruppen beeinflusst werden. Da die verwendeten Modelle und Algorithmen maßgeblich zur Leistungsfähigkeit beitragen, befasst sich diese Arbeit mit der Modellierung und Signalverarbeitung von auf magnetischen Wechselfeldern basierten Ortungssystemen. Zur Vermeidung aufwendiger Hardware und Verfahren zur Synchronisierung ist es wünschenswert, alle Komponenten des Ortungssystems inkohärent zu betreiben. Daher wird in dieser Arbeit ein magnetisches Ortungssystem vorgestellt, welches die Position und Orientierung eines einachsigen magnetischen Senders anhand der Messwerte von mehreren im Raum verteilten, inkohärenten, dreiachsigen Feldsensoren schätzen kann.
Im ersten Teil dieser Arbeit werden das Modell und die Simulationsergebnisse von kreisförmigen Spulen gezeigt sowie mithilfe der elektromagnetischen Feldtheorie unterschiedliche Modelle des durch den magnetischen Sender im Freiraum generierten Magnetfelds und von einachsigen Sensorspulen beschrieben. Die beschriebenen Modelle des Senders und des Sensors können beliebig kombiniert und für beliebige Komponentenorientierungen eingesetzt werden. Außerdem werden netzwerktheoretische Modelle der magnetischen Verkopplung zwischen Sende- und Sensorspule sowie von möglichen Architekturen des magnetischen Senders hergeleitet. Anhand der Modelle wird gezeigt, wie die Spulen für eine große Systemreichweite dimensioniert werden müssen. Zur kompakten Erfassung der drei Freiheitsgrade des Magnetfelds werden in dieser Arbeit dreiachsige Feldsensoren verwendet, welche nichtideale Effekte, wie eine magnetische Verkopplung der Spulen, eine Fehlorientierung der Spulen oder eine Verdrehung des Feldsensors gegenüber des globalen Koordinatensystems, aufweisen können. Diese Effekte werden mathematisch modelliert und es wird gezeigt, dass sie sich zu einer invertierbaren Matrix zusammenfassen lassen.
Bei der mathematischen Modellierung des magnetischen Ortungssystems wird gezeigt, dass die Orientierungsbeschreibung des Senders mit einer Drehmatrix, die ein Element einer Lie-Gruppe ist, vorteilhaft ist und somit ein Systemzustand einer zusammengesetzten Lie-Gruppe geschätzt werden muss. Es werden Bedingungen zur eindeutigen Schätzbarkeit des Systemzustands hergeleitet und gezeigt, unter welchen Randbedingungen das Ortungsproblem prinzipiell lösbar ist. Da die Feldsensoren inkohärent betrieben werden, wird in dieser Arbeit das magnetische Ortungssystem als inkohärentes Messsystem beschrieben. Auf Basis der Modelle wird ein Kalibrierverfahren gezeigt, um die störenden, nichtidealen Effekte der Feldsensoren kompensieren zu können. Außerdem wird ein Kalman-Filter-Algorithmus beschrieben, welcher mit komplexwertigen Messungen eines inkohärenten Messsystems und eines Systemmodells einen Lie-Gruppen-Systemzustand schätzen kann. Zusätzlich wird die Schätzung eines Lie-Gruppen-Systemzustands mit alleiniger Auswertung von komplexwertigen Messungen eines inkohärenten Messsystems als Maximum-Likelihood-Problem formuliert und Lösungen hierfür vorgestellt. Da die Orientierung des magnetischen Senders aufgrund der Rotationssymmetrie der Spule nur zwei Freiheitsgrade aufweist, wird gezeigt, wie die Algorithmen zur stabilen Schätzung eines Lie-Gruppen-Systemzustands mit einer verringerten Anzahl an Freiheitsgraden angepasst werden müssen.
Die in dieser Arbeit vorgestellten Modelle und Algorithmen wurden mithilfe von Simulationen und anhand eines Messaufbaus evaluiert. Im Messaufbau wurde durch vorherige Kalibrierung und der in dieser Arbeit gezeigten Algorithmen eine Positionsgenauigkeit von 3,8 cm bis 4,9 cm und eine Orientierungsgenauigkeit von 3,5° bis 4,5° erzielt.
Energiesektoren-übergreifende Lastspitzenreduktion mit elektrischen und thermischen Energiespeichern
(2021)
Lastspitzen verursachen hohe und unvorhersehbare Belastungen der Stromnetze sowie erhöhte Übertragungsverluste in den Verteilnetzen. Die Kompensation kurzzeitig hoher Nachfragen nach elektrischer Energie erfordert zudem ineffiziente und teure Spitzenlastkraftwerke sowie entsprechend dimensionierte Netzkomponenten. Um einen gleichmäßigeren Bezug größerer Stromabnehmer zu erreichen, werden seitens der Netzbetreiber finanzielle Anreize gesetzt. Dazu gehört der Leistungspreis, welcher mit der im Abrechnungszeitraum maximal aufgetretenen Leistung verrechnet wird. Eine Reduktion der Lastspitzen eröffnet Industrie- und Gewerbebetrieben dadurch hohe Einsparpotentiale.
In der vorliegenden Arbeit werden das Vorgehen und die Anwendung einer Energiesektoren-übergreifenden Reduktion von Lastspitzen sowie der Einfluss auf das zugrunde liegende Energiesystem untersucht. Im Gegensatz zur bestehenden Literatur werden neben elektrischen Speichern zusätzlich Anlagen aus dem thermischen Bereich für die Lastspitzenreduktion verwendet, um das Reduktionspotential zu erhöhen. Dazu gehören Versorgungsanlagen aus der Wärme- und Kältetechnik, welche häufig einen Bestandteil von industriellen Energiesystemen darstellen. Schwerpunktmäßig werden ein Blockheizkraftwerk mit Wärmespeicher sowie eine Kälteerzeugungsanlage mit Kältespeicher betrachtet. Die Vorgehensweise ist dabei auch auf andere Komponenten übertragbar. Die Energiespeicher ermöglichen die nötige Flexibilität, um eine zusätzliche Nutzung der Anlagen für die Lastspitzenreduktion zu erreichen. Die Einzelkomponenten (Anlagen, Speicher und Peripherie) werden mit Hilfe von datenbasierten Modellen abgebildet, um eine simulative und somit nicht-invasive Untersuchung der Energiesektoren-übergreifenden Lastspitzenreduktion zu ermöglichen.
Für den Einsatz der Anlagen zur Lastspitzenreduktion werden Algorithmen und Betriebsstrategien entwickelt, welche die Notwendigkeit einer Lastspitzenreduktion erkennen, Sollwerte berechnen sowie den Normal- und Lastspitzenbetrieb sicherstellen. Im Vergleich zum Stand der Wissenschaft und Technik werden dabei alle relevanten Charakteristika der Komponenten (z. B. Anfahrvorgänge) vollständig berücksichtigt. Die Betriebsstrategien werden als Zustandsautomaten formuliert, um eine Realisierung auf realen Anlagensteuerungen zu ermöglichen. Die Methoden lassen sich zudem auf in der vorliegenden Arbeit nicht betrachtete Bereiche übertragen, wie z. B. auf Druckluftkompressoren mit Druckluftspeicher. Das übergeordnete Ziel ist dabei die Einhaltung einer vorgegebenen Bezugsgrenze. Diese kann auch zeitlich variabel sein, was die Anwendung von individuellen Netzentgelten, insbesondere der atypischen Netznutzung, ermöglicht. Auch die Erreichung einer Jahresbenutzungsdauer von 7000 Stunden im Kontext der intensiven Netznutzung wird thematisiert.
Die Modelle und Betriebsstrategien werden in einer erweiterbaren und flexiblen Simulationsumgebung zusammengeführt und verknüpft, um konkrete Szenarien darzustellen und zu untersuchen sowie die Komponenten und Parameter zu optimieren. Innerhalb der Simulation werden die Komponenten dynamisch über eine Netzliste verknüpft, was Erweiterungen stark vereinfacht und dadurch umfangreiche Untersuchungen ermöglicht. Die Simulationen zeigen, dass zur zuverlässigen Einhaltung einer Bezugsgrenze stets eine Batterie notwendig ist, da diese eine schnelle Reaktionszeit sowie eine stufenlose Ausgangsleistung aufweist. Das Batteriesystem wird im ersten Szenario isoliert betrachtet. Für die Parameter eines Referenzsystems, welches Lastspitzen in der Größenordnung von einem Megawatt aufweist, wird ein Reduktionspotential von etwa 10 % ermittelt. Dies führt zu einer Amortisationszeit von unter fünf Jahren. Bei der zusätzlichen Berücksichtigung eines Blockheizkraftwerks mit Wärmespeicher steigt dieser Wert auf ca. 18 %. In Kombination mit einem Kältespeicher wird das Potential weiter gesteigert auf 21 %. Bei einem Leistungspreis von 100 Euro pro Kilowatt führt das zu einer jährlichen Ersparnis von etwa 21 Tausend Euro. Ein zweiter Jahresdatensatz aus dem Referenzsystem zeigt einen ähnlichen Einfluss der Maßnahmen auf die Gesamtersparnis. Wird auch der wärmegeführte Betrieb des BHKW berücksichtigt, liegt die Ersparnis in einer Größenordnung von 139 Tausend Euro pro Jahr, was in einer Amortisationszeit von unter drei Jahren resultiert. Da die Ergebnisse stark von den Anlagendimensionen abhängig sind, wird zudem eine Methode zur Berechnung des Reduktionspotentials unter Variation der Nennleistungen und -kapazitäten gezeigt und für zahlreiche Parametersätze angewandt.
Die Betriebsstrategien wurden im Referenzsystem implementiert, welches Messergebnisse für die Validierung der Simulationen bereitstellt. Die Simulationen zeigen im Vergleich zu den Messungen sehr geringe Abweichungen in der resultierenden Trafoleistung bei einem mittleren absoluten Fehler von maximal vier Kilowatt. Die vorliegende Arbeit liefert somit die Vorgehensweise für die Planung und Umsetzung einer erfolgreichen Energiesektoren-übergreifenden Lastspitzenreduktion und beleuchtet die exemplarische Anwendung der Dimensionierung von Komponenten, Optimierung von Algorithmusparametern sowie die Implementierung der Betriebsstrategien in einem realen System.
Filterbanks are an integral part of most perceptual coder systems, tasked with shaping the noise produced by the quantizer in the encoder. Because of this shaping, the quantizer noise can then be controlled to stay below the masking threshold of the human ear, and become inaudible. In most current perceptual coders, an unmodified MDCT is used as the filterbank, as the MDCT has many properties that make it a good choice for this scenario.
One disadvantage, however, is the uniform time-frequency resolution of the MDCT. This stands in contrast to the human auditory system, which has a non-uniform time-frequency resolution. This mismatch results in an unexploited gap that, if closed, could lead to a more efficient perceptual audio coder.
Previous work has attempted to design non-uniform filterbanks using MDCT and subband merging, but with system design parameters that have lead to less-than-ideal filterbank properties.
In this work, we will build upon the idea of subband merging, but with revised system design parameters, and novel post-processing steps: One contribution is to use an overlapping subband merging transform over a Hadamard transform. This transform sacrifices spectral resolution and has a non-flat frequency response, but improves temporal resolution of the filterbank. Since the main objective of subband merging is to improve temporal resolution of the filterbank, this is a reasonable choice.
The second contribution is to reduce time domain aliasing, produced by the MDCT, in the subband domain. This operation is derived from the aliasing cancellation operation in the IMDCT and again greatly improves temporal resolution of the filterbank. This aliasing reduction concept is subsequently extended to improve the performance of time-varying filterbanks. This is achieved by introducing a third subband transform that matches the time-frequency resolution of one transform frame to its neighbor.
First, all methods are investigated and compared using their time-frequency resolution measures. In a second step, a listening test is conducted to confirm the improved coding efficiency of this novel non-uniform filterbank. To that end, an experimental coder is designed that supports both this filterbank, and the state-of-the-art uniform MDCT. The improved coding efficiency is confirmed statistically.
The capability of being integrated in very small spaces like the housing of a
head lamp as well as of a rear light, door sills and cavities in the B-pillar, is
a very important requirement for future radar sensors to generate a detection
system with an acquisition range of 360°. Radar sensors, which are not larger
than a matchbox would meet this requirement. Therefore, particularly small
front ends will become necessary. They consist of a multilayer board, on
which the structures of the Transmit (Tx) and the Receive (Rx) antennas are
placed, and a highly integrated radar transceiver chip with Ball Grid Array
(BGA) solder joints. By reducing the size of the Tx- and Rx antennas, the
possibilities of a highly integrated transceiver chip for miniaturizing a radar
front end, especially for short and medium ranges, can be fully utilized.
To generate particularly small antenna structures, a substrate material with a
high relative permittivity will be necessary. For the substrate material of the
multilayer board of the miniature radar front, the RF360 HF7 Low Loss Low
Temperature Cofired Ceramic (LTCC) has been used. This is a completely
new ceramic material with a high relative permittivity, which provides very
low losses within the automotive radar band between 76 GHz and 81 GHz.
Compared to a standard multilayer process with etched copper structures on
polymer based substrates, the used LTCC process provides copper structures
on the surface layers, which have a significantly higher structure accuracy.
The metal structures on the inner layers together with the via are manufactured
using a metal paste by a silk screen printing process. The via holes are
completely filled and can be manufactured for each substrate layer independently
from the other substrate layers. This opens the possibility to design
via fences in each layer, which are necessary for a substrate integrated horn
antenna radiating perpendicular to the surface of the multilayer.
An antenna element, which emulates a horn structure made of several stacked
apertures with stacked via fences provides the required bandwidth over the
complete automotive radar band and also a large field of view in the H-plane.
Therefore, it is possible to have a detection in the angular border areas even with a polarization perpendicular to the street surface. The LTCC substrate
also enables a low loss and broadband layer change of the RF signals, from a
radar transceiver chip on the surface to the feed networks of the antennas on
one of the inner layers.
The total thickness of the LTCC multilayer board is not more than of a polymer
multilayer board. The dimensions of a single antenna element is smaller
than the substrate wavelength, whereby a compact design of an antenna array
is possible. The same phase between two adjacent antenna elements can
be achieved by the shortest way of one substrate wavelength. Due to a low
crosstalk between the Rx antennas, the results of the phase differences curves
between the Rx channels are very smooth. With the smooth phase difference
curves between the Rx channels a precise calculation of the Rx angle can be
done.
To ensure the functionality of a miniature radar front end over a large temperature
range as well as over a long time period, the solder joints between
the radar transceiver chip and the multilayer board have to be reliable. The
thermal expansion of the used LTCC substrate is comparable with those of a
radar transceiver chip. There is no additional stabilization of the BGA solder
joints necessary. Therefore a negative influence of a gap filler material on the
RF properties in this area can be avoided.
A couple of antenna arrays for different requirements have been manufactured
and characterized. Depending on the requirements, the suitable antenna
designs can be chosen and aligned in an LTCC multilayer board of a miniature
radar front end. In addition, a broadband RF signal transition for a signal
change between a microstrip wire on the surface and a strip line wire on an
inner layer of the LTCC multilayer board has been developed, which enables
the placement of a radar transceiver chip on the opposite sides of the antennas.
An LTCC miniature radar front end has been designed and integrated in a
novel sensor system with a satellite architecture and the basic functions have
been evaluated.
A typical data acquisition system consists of three elements. The signal source
(e.g. , a sensor), an analog front-end (AFE) and the analog-digital converter
(ADC). Hereby, the AFE’s task is the signal conditioning for the ADC, which
may embrace single-ended-to-differential conversion, amplification, common-
mode shift, conversion into the voltage domain or wideband buffering to drive
the ADC inputs. AFEs are typically designed on printed circuit board (PCB)
level for one specific application. They consist of one or more commercially
available monolithic operational amplifiers (Opamps) and discrete passives.
The consequences are significant design effort and area consumption with
low reusability.
In very low bandwidth applications, especially in the medical sector, it
is usual to employ fully integrated analog front-ends. They have several
advantages, such as smaller PCB area, less design complexity, digital re-
configurability and robust matching because of the integrated passives. An
integrated AFE for typical sensor applications could make these advantages
accessible to a much greater number of use cases. Three aspects are a nec-
essary condition for this. First, the usable signal bandwidth has to be in
the kHz-range to cover more applications like vibration or pressure sensing.
Second, it should be able to accept both single-ended and differential signals
over high impedance inputs for the same reason. And third, it should have
a standby mode with low power consumption, out of which it can begin
operating within a short period of time. This aspect would be of profit for
applications, that only evaluate the information in a fraction of the time, but
need to be real-time capable. During the rest of the time, the system could be
held in standby mode, and only be enabled when the information is needed.
This would dramatically decrease the average power consumption, which is
especially useful in mobile use-cases.
This work deals with the design of such an AFE on a low-cost CMOS
process with high-voltage option. The manufactured and characterized system
can process signals in the kHz-range and has a standby-mode, in which the
power consumption drops to about 1 % of the value during operation, and out
of which it can wake up within 500 ns. It can operate in both single-ended and
differential mode. Therefore, it has an I/O-pin, that either must be left open
(differential mode), or tied to ground (single-ended mode). The specified
supply voltage is 5 V and the supported output common mode voltage ranges
from 900 mV to 2.5 V, so typical fully-differential high-performance ADCs
with a supply voltage from 1.8 V to 5 V can be supported. It is ready for
the use of Dynamic Element Matching to lower in-band noise and offset,
and the feedback passives are integrated on-chip. It is digitally configurable
concerning ADC driver bandwidth and signal gain, that goes from unity to
64.
Several new circuit concepts were developed for the amplifiers. The input
stages use low-voltage, low-noise transistors for the differential pairs and
protect them with a novel high-swing cascoding scheme. The output stages
are regulated by a biasing scheme, that is robust over variations of the process,
supply voltage or temperature (PVT variations) and use an amplifier-less
load-adaptive compensation scheme that automatically adjusts the Opamp’s
bandwidth to the optimal value for the chosen gain step. The ADC driver
is realized with operational transconductance amplifiers (OTAs) instead of
Opamps as usual. This makes the PCB design process easier and faster as
they are unconditionally stable. Their output swing, that is smaller than an
Opamp’s, is extended by a novel high-swing current mirror.
Seit der Verfügbarkeit von Leistungshalbleitertransistoren werden diese in pulsweiten- und frequenzmodulierten Gleich- oder Wechselspannungswandlern eingesetzt. Solche Systeme sind beispielsweise in der Elektromobilität, der Luftfahrt, bei der Energieversorgung oder in Netzgeräten für Datenzentren sowie Mobiltelefonen ein wesentlicher Bestandteil. Neben konventionellen Bauelement-Konzepten auf Basis von Silizium (Si) sind in jüngster Vergangenheit auch Transistoren und Dioden aus Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) verfügbar. Diese Bauelemente bieten aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften die Möglichkeit, Spannungswandler mit deutlich gesteigertem Wirkungsgrad, erhöhter Leistung pro Volumen und Leistung pro Gewicht zu realisieren.
Die statischen Verluste der Leistungshalbleiterbauelemente im Flussbetrieb lassen sich mit kommerziell erhältlichen Aufbauten ermitteln. Die Charakterisierung des dynamischen Verhaltens beim Ein- und Ausschalten von bis zu 2 kV und 100 A innerhalb weniger Nanosekunden stellt jedoch eine nur ungenügend gelöste Herausforderung dar. Aufbauend auf dem grundsätzlichen Schaltverhalten moderner Transistoren und Dioden werden die Anforderungen und die Realisierung eines Doppelpuls-Messplatzes zur Erfassung der dynamischen Eigenschaften solch schnell schaltender Leistungshalbleiter mit mehr als 200 V/ns und 10 A/ns im Temperaturbereich von - 40 °C bis + 200 °C diskutiert. Diese Schaltgeschwindigkeiten übersteigen den aktuellen Stand der Technik um eine Größenordnung. Die Stromsensorik stellt eine besondere Herausforderung dar, da gleichzeitig eine hohe Bandbreite und eine geringe parasitäre Induktivität gefordert sind. Das erforschte ohmsche Verfahren wird um eine neuartige Methode zur Ermittlung der parasitären Induktivität von nur ca. 0,1 nH ergänzt und führt zu einer Stromerfassung mit einer sehr hohen Bandbreite von ca. 380 MHz. Durch die spezielle Konstruktion des Schaltungsaufbaus ergibt sich eine sehr geringe Induktivität des Kommutierungskreises von nur 3,5 nH, womit der Messplatz für Schaltgeschwindigkeiten nach dem Stand der Technik eine nahezu ideale Charakteristik aufweist. Die Modellbildung des Messplatzes erlaubt die Nachbildung und Verifikation eines gemessenen Schaltvorgangs in der Simulation auch bei Schaltgeschwindigkeiten von über 100 V/ns. Dank des simulativen Ansatzes können auch bauteilinterne Spannungen und Ströme der Leistungshalbleiter untersucht werden, die messtechnisch nicht erfasst werden können. Mit diesem tieferen Einblick in das Schaltverhalten moderner Leistungshalbleiter wird neben dem aus der Literatur bekannten kapazitiv verursachten parasitären Einschalten erstmals ein spezieller induktiver Koppelmechanismus für Halbbrücken-Konfigurationen beschrieben und durch Messung nachgewiesen.
Bisher unbeantwortet waren auch die Fragen, wie sich die theoretischen Grenzen der Schaltenergie von Leistungshalbleiterbauelementen ermitteln lassen und wie nahe man diesen theoretischen Grenzen in der Praxis kommt. Statt den in der Literatur üblichen anwendungsspezifischen Vergleichen von Leistungshalbleitern erfolgt deshalb ein grundlegender Vergleich unterschiedlicher Bauelement-Konzepte. Damit kann der Zusammenhang zwischen den analytisch bestimmten Grenzen der Schaltenergie und den in der Messung ermittelten Werten hergestellt sowie das Potential für uni- und bidirektionale Spannungswandler identifiziert werden. Es wird erstmals gezeigt, wie die theoretischen Grenzen für kleine Schaltströme erzielbar sind und woraus die Unterschiede für hohe Schaltströme resultieren. Die Grenzen der konventionellen Si-Bauelement-Konzepte werden dabei ebenso deutlich wie die fundamentalen Unterschiede zwischen SiC- und GaN-Transistoren. Der technologisch bedingte und unterschiedlich stark ausgeprägte dynamische Einschaltwiderstand bei GaN-Transistoren wird mit einer speziellen und verifizierten Messschaltung untersucht, da hierfür keine kommerzielle Sensorik erhältlich ist. Die Folgen für den Einsatz in Spannungswandlern werden ebenso diskutiert wie die Vorteile durch stark verringerte Schaltenergien bei SiC- und GaN-Technologien.
Die Modellierung der nichtlinearen Verläufe der parasitären Kapazitäten für die Schaltungssimulation stellt unabhängig von der Si-, SiC- und GaN-Technologie eine besondere Herausforderung dar. Während die physikalischen und empirischen Modelle in der Fachliteratur in den letzten Jahren immer höhere Komplexität aufweisen, wird in dieser Arbeit ein neuartiges Modell mit stark vereinfachter Modellbildung vorgestellt. Zusätzlich ermöglicht es die Reduktion der Simulationsdauer um bis zu 50 % und eine automatisierte Modellerstellung. Die für die Modellbildung erforderlichen kapazitiven Kennwerte werden mit einem ebenfalls neuartigen Verfahren aus der Doppelpuls-Messung extrahiert, so dass dafür kein zusätzlicher Messaufbau erforderlich ist.
Wireless power transfer (WPT) technology is envisioned to revolutionize the powering of wireless devices making them truly wireless. Conventional wired-recharging or battery replacement of wireless devices are not only costly and inconvenient, but can be dangerous in hazardous environments or even impossible for powering biomedical implants. This dissertation focuses on far-field WPT using radio frequency (RF) signals. The dual capability of RF signals to transfer both information and power motivates the integration of WPT and communication systems.
The main focus of this dissertation is on the analysis and design of communication systems with WPT. These systems can be classified into two broad categories, namely simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) systems and wireless powered communication (WPC) systems. In particular, in SWIPT systems, the same RF signal is used to transfer both information and power, whereas in WPC systems, an energy harvesting (EH) node harvests energy from an RF signal over a WPT downlink channel to facilitate its communication with a desired receiver over a wireless information transfer uplink channel. In the following, we summarize the main contributions of this dissertation.
Multi-User Scheduling in SWIPT: In SWIPT systems, practical circuit limitations prevent a device from fully utilizing the same RF signal for both information decoding and EH. Hence, information decoding and EH need to be separated in time, power, or space. This creates a tradeoff between the rate of information transfer to the device and the amount of energy that can be harvested by the device, the so-called rate-energy tradeoff. In a multi-user SWIPT system, the users share the downlink channel to receive both information and energy and each user is interested in optimizing its rate-energy tradeoff. In this dissertation, we propose a novel framework for the online scheduling of multiple users in a downlink SWIPT system, where the users’ rate-energy tradeoff can be controlled. In particular, we aim to answer the following fundamental question: “How should a SWIPT transmitter schedule multiple heterogeneous users in a common downlink channel to achieve desired information transfer rates and harvested powers at the users while ensuring fairness in the resource allocation among the users?”
Energy Buffer-Aided WPC systems: Most works in the WPC literature assume that EH nodes consume the harvested energy for wireless information transfer in a slot by slot manner. However, the system performance can be improved if EH nodes store the harvested energy in energy buffers (e.g. batteries) and optimize the use of the stored energy for future communication tasks. Hence, in this dissertation, we aim to answer the following question: “In WPC systems, how can an EH node with an energy buffer optimize its uplink transmit power such that the communication outages with its desired receiver are minimized?” In particular, we propose two simple online uplink transmission policies that do not require knowledge of the amount of harvested energy in the downlink nor of the uplink channel state information. Accordingly, we analyze the probability of communication outages assuming Nakagami-m fading channels and show that the proposed transmission policies provide a near-optimal outage probability performance.
Nonlinear Circuit-based Saturation-Aware EH Model: Most works in the WPT literature assume a linear EH model for the EH receiver. In practice, however, RF EH circuits exhibit a nonlinear input-output characteristic. In particular, the amount of harvested power at the EH receiver depends on both the power and the waveform (shape) of the transmit RF signal. This nonlinearity motivates the design of transmit RF signals that enable efficient WPT. To this end, we develop a novel nonlinear EH model by analyzing a single-diode half-wave rectifier circuit, which is commonly used for WPT applications. The proposed EH model captures the saturation of the output power for high input RF powers. Accordingly, we obtain a closed-form expression for the harvested power whose accuracy is confirmed by circuit simulations.
Capacity of SWIPT Systems for Nonlinear EH Model: The proposed nonlinear EH model is applied in a SWIPT system with the objective of optimizing the transmit RF waveform for maximization of the system rate-energy region. In particular, we aim to answer the following question: “What is the optimal distribution of the transmit RF signal that maximizes the rate of information transfer to an information decoding receiver while simultaneously satisfying the EH requirements of multiple nonlinear EH receivers?”. Specifically, we study the conditional capacity of a SWIPT system subject to constraints on the average and peak powers at the transmitter and nonlinear EH constraints at the EH receivers. We prove that the optimal distribution of the transmit signal amplitude that maximizes the rate-energy tradeoff is unique, discrete, and finite. In addition, we propose a suboptimal input distribution whose performance closely approaches that of the optimal one.