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Open Access
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Den Hauptbestandteil des Operationssystems stellt der Zugriff auf SD-Karten mit dem Dateisystem FAT16 von Microsoft dar. Für die Bedienung wurde ein Kommandozeileninterpreter implementiert. Als Ein- und Ausgabegerät dient ein PC mit einem speziellen Terminalprogramm, welcher über USB mit dem Emulationsboard des SIRIUS Softcores verbunden ist. Das System wird über die Eingabe von Befehlen am Terminal gesteuert.
Der SIRIUS Softcore kann nur vom Flash des Emulationsboards booten. Da das Betriebssystem selbst jedoch auf der SD-Karte gespeichert werden soll, ist ein Basis-Betriebssystem erforderlich, welches im Flash abgelegt ist. Das Basis-Betriebssystem lädt gleich nach dem Start das eigentliche Betriebssystem von der SD-Karte. Falls jedoch keine SD-Karte gesteckt ist, ermöglicht das Basis-Betriebssystem mit einem Kommandozeileninterpreter einige Grundfunktionen.
Der Cache-Speicher für den Softprozessor SIRIUS ist ein 4-fach assoziativer Cache-Speicher, der mit einem DDR-Interface auf einen externen Speicher zugreifen kann. Er verwaltet und beschleunigt Zugriffe vom Prozessor auf diesen Speicher. Der Cache-Speicher arbeitet intern mit 32 Bit und der doppelten Prozessortaktfrequenz und ermöglicht Systeme mit größeren Speicheranforderungen ohne signifikante Performanceverluste. Der Cache-Speicher wurde mit der Hardwarebeschreibungssprache VHDL erstellt und mit dem bestehenden Mikrocontrollersystem verbunden.
Das Gesamtsystem wurde zunächst simuliert und anschließend mit dem Cyclone III FPGA Starter Kit von Altera, welches ein 32 MB DDR-RAM-Modul zur Verfügung stellt, durch Ausführen eines Testprogramms erfolgreich verifiziert. Für den kompletten Cache-Speicher werden inklusive der Pins für den externen Oszillator und des Reset-Tasters 3805 Logik-Zellen, 27 M9K-Blöcke, 44 Pins und eine PLL benötigt.
Die drei großen Hersteller von Cochlea-Implantat (CI)-Systemen ermöglichen es klinischen Audiologen, die Mikrofoneigenschaften der meisten CI-Sprachprozessoren zu prüfen. Dazu können bei diesen Sprachprozessoren Monitorkopfhörer angeschlossen und das/die Mikrofon(e) inklusive eines Teils der Signalvorverarbeitung abgehört werden. Präzise Angaben dazu, mit welchen Stimuli, bei welchem Pegel und nach welchem Kriterium diese Prüfung stattfinden soll, machen die CI-Hersteller nicht. Auf Basis dieser Prüfung soll der Audiologe dann über die Funktion der Mikrofone und damit darüber entscheiden, ob der betreffende Sprachprozessor an den Hersteller eingeschickt wird oder nicht.
Zur Objektivierung der CI-Sprachprozessor-Mikrofon-Prüfung haben wir eine Testbox entwickelt, mit der alle abhörbaren aktuellen CI-Sprachprozessoren der drei großen Hersteller geprüft werden können. Die Box wurde im 3D-Druck-Verfahren hergestellt. Der zu prüfende Sprachprozessor wird in die Messbox eingehängt und über einen darin verbauten Lautsprecher mit definierten Prüfsignalen (Sinustöne unterschiedlicher Frequenz) beschallt. Das Mikrofonsignal wird über das Kabel der Monitorkopfhörer herausgeführt und mit einer Shifting- and Scaling-Schaltung in einen Spannungsbereich transformiert, der für die AD-Wandlung mit einem Mikrokontroller (ATmega1280 verbaut auf einem Arduino Mega) geeignet ist. Derselbe Mikrokontroller übernimmt über einen eigens gebauten DA-Wandler die Ausgabe der Sinustöne über den Lautsprecher. Signalaufnahme und –wiedergabe erfolgen mit jeweils 38,5 kHz Samplingrate. Der für jede Frequenz über mehrere Perioden des Prüfsignals ermittelte Effektivwert wird mit dem Effektivwert, der mit einem neuwertigen Referenzprozessor für diese Frequenz gemessen wurde, verglichen. Die Messergebnisse werden graphisch auf einem Display ausgegeben.
Derzeit läuft eine erste Datenerhebung mit in der Klinik subjektiv auffällig gewordenen CI-Sprachprozessoren, die anschließend in der Messbox untersucht werden. So sollen realistische Schwellen für kritische Abweichungen von den Referenz-Effektivwerten ermittelt werden. Im weiteren Verlauf sollen dann Hit und False Alarm-Raten der subjektiven Prüfung bestimmt werden.
Die Hersteller von Cochlea-Implantat (CI)-Systemen sehen für klinische Audiologen die Möglichkeit vor, die Mikrofonleistung der meisten aktuellen CI-Sprachprozessoren mittels anschließbarer Monitorkopfhörer zu prüfen. Nähere Angaben dazu, nach welchem Prozedere diese Prüfung stattfinden soll, z. B. welche Stimuli mit welchen Pegeln verwendet werden sollen, sind nach Wissen der Autoren seitens der CI-Hersteller nicht verfügbar. Auf der Basis dieser subjektiven Prüfung entscheidet dann der Audiologe, ob der betreffende Sprachprozessor an den Hersteller eingeschickt wird oder nicht. Wir haben eine Messbox entwickelt, mit der die Mikrofonleistung aller abhörbaren CI-Sprachprozessoren der Hersteller Advanced Bionics, Cochlear und MED-EL objektiv geprüft werden kann. Die Box wurde im 3-D-Druckverfahren hergestellt. Der zu prüfende Sprachprozessor wird in die Messbox eingehängt und über einen verbauten Lautsprecher mit definierten Prüfsignalen (Sinustönen unterschiedlicher Frequenz) beschallt. Das Signal des Mikronfons bzw. der Mikrofone wird über das in der Audio-/Abhörbuchse des Prozessors eingesteckte Kabel der Monitorkopfhörer herausgeführt und mit einer Shifting and Scaling-Schaltung in einen Spannungsbereich transformiert, der für die A/D-Wandlung mit einem Mikrokontroller (ATmega1280 verbaut auf einem Arduino Mega) geeignet ist. Derselbe Mikrokontroller übernimmt über einen eigens gebauten D/AWandler die Ausgabe der Prüfsignale über den Lautsprecher. Signalaufnahme und –wiedergabe erfolgt jeweils mit einer Samplingrate von 38,5 kHz. Der frequenzspezifische Effektivwert des abgegriffenen Mikrofonsignals wird mit einem Referenzwert verglichen. Die (frequenzspezifischen) Referenzwerte wurden mit einem neuwertigen Sprachprozessor gleichen Typs ermittelt und im Speicher des Mikrokontrollers abgelegt. Das Ergebnis wird nach Abschluss der Messung grafisch auf einem Touchscreen ausgegeben. Derzeit läuft eine erste Datenerhebung mit in der Klinik subjektiv auffällig gewordenen CI-Sprachprozessoren, die anschließend in der Messbox untersucht werden. Längerfristiges Ziel ist es, die hit und false alarm Raten der subjektiven Prüfung zu ermitteln.
The ability to detect a target signal masked by noise is improved in normal-hearing listeners when interaural phase differences (IPDs) between the ear signals exist either in the masker or in the signal. To improve binaural hearing in bilaterally implanted cochlear implant (BiCI) users, a coding strategy providing the best possible access to IPDs is highly desirable. Outcomes of a previous study (Zirn, Arndt et al. 2016) revealed that a subset of BiCI users showed improved IPD detection thresholds with the fine structure processing strategy FS4 compared to the constant rate strategy HDCIS using narrowband stimuli. In contrast, little differences between the coding strategies were found for broadband stimuli with regard to binaural speech intelligibility level differences (BILD) as an estimate of binaural unmasking. Compared to normalhearing listeners (7.5 ± 1.2 dB) BILD were small in BiCI users (around 0.5 dB with both coding strategies).
In the present work, we investigated the influence of binaural fitting parameters on BILD. In our cohort of BiCI users many were implanted with electrode arrays differing in length left versus right. Because this length difference typically corresponded to the distance of two electrode contacts the first modification of bilateral fitting was a tonotopic adjustment by deactivation of the most apical electrode contact on the side with the deeper inserted array (tonotopic approach).
The second modification was the isolation of the residual, most apical electrode contacts by deactivation of the basally adjacent electrode contact on each side (tonotopic sparse approach). Applying these modifications, BILD improved by up to 1.5 dB.
The ability to detect a signal masked by noise is improved in normal-hearing (NH) listeners when interaural phase differences (IPD) between the ear signals exist either in the masker or the signal. We determined the impact of different coding strategies in bilaterally implanted cochlear implant (BiCI) users with and without fine-structure coding (FSC) on masking level differences. First, binaural intelligibility level differences (BILD) were determined in NH listeners and BiCI users using their clinical speech processors. NH subjects (n=8) showed a significant mean BILD of 7.5 dB. In contrast, BiCI users (n=9) without FSC as well as with FSC revealed a barely significant mean BILD (0.4 dB respectively 0.6 dB). Second, IPD thresholds were measured in BiCI users using either their speech processors with FS4 or direct stimulation with FSC. With the latter approach, synchronized stimulation providing an interaural accuracy of stimulation timing of 1.67 µs was realized on pitch matched electrode pairs. The resulting individual IPD threshold was lower in most of the subjects with direct stimulation than with their speech processors. These outcomes indicate that some BiCI users can benefit from increased temporal precision of interaural FSC and adjusted interaural frequency-place mapping presumably resulting in improved BILD.
Das normalhörende auditorische System ist in der Lage, interaurale Zeit- bzw. Phasendifferenzen zur verbesserten Signaldetektion im Störgeräusch zu nutzen. Dieses Phänomen wird häufig als binaurale Entmaskierung bezeichnet und ist sowohl bei einfachen Signalen wie Sinustönen, als auch bei Sprachsignalen im Störgeräusch wirksam. Vorangegangene Studien haben gezeigt, dass binaurale Entmaskierung eingeschränkt auch bei bilateralen CI-Trägern beobachtbar ist (Zirn et al., 2016).
Aktuelle Ergebnisse zeigen, dass die binaurale Entmaskierung sensitiv gegenüber der bilateralen CI-Anpassung ist. So lässt sich der Effekt durch tonotopen Abgleich und Herausstellen eines apikalen Feinstrukturkanals modulieren. Steigerungen der binauralen Entmaskierung um bis zu 1,5 dB sind auf diese Weise gegenüber der konventionellen CI-Anpassung möglich. Allerdings variiert der Einfluss der CI-Anpassung interindividuell erheblich.
The ability to detect a target signal masked by noise is improved in normal-hearing listeners when interaural phase differences (IPDs) between the ear signals exist either in the masker or in the signal. To improve binaural hearing in bilaterally implanted cochlear implant (BiCI) users, a coding strategy providing the best possible access to IPD is highly desirable. In this study, we compared two coding strategies in BiCI users provided with CI systems from MED-EL (Innsbruck, Austria). The CI systems were bilaterally programmed either with the fine structure processing strategy FS4 or with the constant rate strategy high definition continuous interleaved sampling (HDCIS). Familiarization periods between 6 and 12 weeks were considered. The effect of IPD was measured in two types of experiments: (a) IPD detection thresholds with tonal signals addressing mainly one apical interaural electrode pair and (b) with speech in noise in terms of binaural speech intelligibility level differences (BILD) addressing multiple electrodes bilaterally. The results in (a) showed improved IPD detection thresholds with FS4 compared with HDCIS in four out of the seven BiCI users. In contrast, 12 BiCI users in (b) showed similar BILD with FS4 (0.6 ± 1.9 dB) and HDCIS (0.5 ± 2.0 dB). However, no correlation between results in (a) and (b) both obtained with FS4 was found. In conclusion, the degree of IPD sensitivity determined on an apical interaural electrode pair was not an indicator for BILD based on bilateral multielectrode stimulation.
BiCI users’ sensitivity to interaural phase differences for single- and multi-channel stimulation
(2016)
Für die Implementation in ASIC's wurde ein kompakter Mikroprozessor-Kernel als Standardzellen-Makro entworfen. Durch konsequenten Einsatz von Hochsprachen und CAE-Werkzeugen (VHDL, Synthese) konnte ein vollständiges Design in nur vier Monaten durchgeführt werden. Der Prozessor wird in einem Testchip erprobt.
The overview of public key infrastructure based security approaches for vehicular communications
(2015)
Modern transport infrastructure becomes a full member of globally connected network. Leading vehicle manufacturers have already triggered development process, output of which will open a new horizon of possibilities for consumers and developers by providing a new communication entity - a car, thus enabling Car2X communications. Nevertheless some of available systems already provide certain possibilities for vehicles to communicate, most of them are considered not sufficiently secured. During last 15 years a number of big research projects funded by European Union and USA governments were started and concluded after which a set of standards were published prescribing a common architecture for Car2X and vehicles onboard communications. This work concentrates on combining inner and outer vehicular communications together with a use of Public Key Infrastructure (PKI).
Wireless communication systems more and more become part of our daily live. Especially with the Internet of Things (IoT) the overall connectivity increases rapidly since everyday objects become part of the global network. For this purpose several new wireless protocols have arisen, whereas 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) can be seen as one of the most important protocols within this sector. Originally designed on top of the IEEE802.15.4 standard it is a subject to various adaptions that will allow to use 6LoWPAN over different technologies; e.g. DECT Ultra Low Energy (ULE). Although this high connectivity offers a lot of new possibilities, there are several requirements and pitfalls coming along with such new systems. With an increasing number of connected devices the interoperability between different providers is one of the biggest challenges, which makes it necessary to verify the functionality and stability of the devices and the network. Therefore testing becomes one of the key components that decides on success or failure of such a system. Although there are several protocol implementations commonly available; e.g., for IoT based systems, there is still a lack of according tools and environments as well as for functional and conformance testing. This article describes the architecture and functioning of the proposed test framework based on Testing and Test Control Notation Version 3 (TTCN-3) for 6LoWPAN over ULE networks.
The CAN bus still is an important fieldbus in various domains, e.g. for in-car communication or automation applications. To counter security threats and concerns in such scenarios we design, implement, and evaluate the use of an end-to-end security concept based on the Transport Layer Security protocol. It is used to establish authenticated, integrity-checked, and confidential communication channels between field devices connected via CAN. Our performance measurements show that it is possible to use TLS at least for non time-critical applications, as well as for generic embedded networks.
Evaluation des In-Memory Datenbanksystems SAP HANA als Cloudlösung für Business Intelligence Systeme
(2013)
Global agierende Unternehmen sind mit einem stetig ansteigenden Datenaufkommen konfrontiert. Zur Analyse werden diese Daten in Business Intelligence Systeme geladen. Aufbereitete Daten werden heutzutage in der Regel in zeilenbasierten (relationalen) Datenbanksystemen vorgehalten. Ein großer Nachteil dieses Datenbanksystems für diesen Anwendungsfall ist, dass es auf eine hohe Anzahl einfacher Transaktionen mit wenigen Datensätzen ausgelegt ist. Im Kontext eines analysebasierten Modells, wie hier beim Business Intelligence, fallen dagegen hauptsächlich komplexe Abfragen auf einer Vielzahl von Datensätze an [BaGü2009]. Die SAP AG stellt mit dem Produkt SAP HANA eine Lösung zur Verfügung, welche auf die Datenanalyse für Business Intelligence ausgelegt ist und zugleich auch transaktionalen Anforderungen genügen soll. Das System ist als Appliance aus Soft- und Hardware konzipiert, das auf einem spaltenorientierten, In-Memory Datenbanksystem aufbaut. Diese Arbeit geht zunächst auf die Grundlagen des Business Intelligence, die allgemeinen Prinzipien von spaltenorientieren In-Memory Datenbankensystemen sowie deren Abgrenzung zu klassischen relationalen Systemen ein. Weiterhin wird auf die Architektur von SAP HANA und deren Besonderheiten eingegangen. Hauptgegenstand dieser Arbeit ist die Umsetzung einer Demoanwendung basierend auf SAP HANA in einer Cloud Umgebung (SAP HANA ONE). Hierbei wird insbesondere auf die Realisierbarkeit der Anwendung mittels der Entwicklungsumgebung SAP HANA Studio in einer Cloudumgebung eingegangen. Weiterhin steht zur Diskussion inwiefern SAP HANA in bestehende Business Intelligence Umgebungen integriert werden kann.
Durch die Digitalisierung erschlossen sich in den letzten 15 Jahren nicht nur viele Möglichkeiten neues Bildmaterial oder Videomaterial aufzunehmen und zu verwahren, sondern auch die Zugänglichkeit der breiten Masse zu solcher Technologie. Abseits der Datenmengen wie sie Social Media Plattformen tagtäglich verarbeiten, existieren die Sende- und Rundfunkanstalten mit gigantischen Archiven von Videomaterial. Der Großteil davon ist von dokumentarischer oder szenischer Natur sowie verschiedenste Interviews aus allen Bereichen des öffentlichen Lebens.
Nach dem aktuellen Stand wird das Videomaterial von Hand kategorisiert und zur Indizierung verschlagwortet. Die Aufgabe war es nun, diesen Prozess zumindest teilweise zu automatisieren. Dazu sollten auf dem Markt verfügbare Technologien in Bereich der Gesichtserkennung und Texterkennung auf ihre Nutzbarkeit zu diesem Zweck hin evaluiert werden. Dabei soll mit Hilfe der in Interviews verwendeten Bauchbinden das momentan gezeigte Gesicht "gelernt" werden, um es später ohne solche Hilfe wiederzuerkennen.
Implementierung von Softcore-Prozessoren und/oder weiteren IPs (Intellectual Property) in FPGAs
(2018)
Die zunehmende Integration von kompletten Systemen auf einem Chip (System-on-Chip, SoC) erfordert auch immer die Integration einer Recheneinheit bzw. eines Prozessorkerns. Möchte man insbesondere Low-Power-SoC-Systeme entwickeln, z.B. drahtlose Sensor-SoC-Systeme für Anwendungen im Rahmen von Industrie 4.0, ist die Implementierung eines solchen Prozessorkerns mit hohen Herausforderungen verbunden. Prinzipiell können hierfür verschiedene Ansätze verfolgt werden, nämlich die Implementierung einer Hardcore Prozessor-IP (IP = Intellectual Property) oder einer Softcore-Prozessor-IP. Im vorliegenden Beitrag wird zunächst auf den derzeitigen Stand der Technik verfügbarer Hardcore- oder Softcore-Prozessoren unter den Randbedingungen der Low-Power-Anforderungen und der weiten Verbreitung des Cores in industriellen Anwendungen eingegangen. Schließlich werden die Ergebnisse der Implementierung und Evaluierung eines derzeit frei verfügbaren 16-bit MSP430-kompatiblen Softcore Prozessors auf einem Altera-Cyclon-FPGA vorgestellt. Aus den Ergebnissen wird ein entsprechendes Fazit für die Implementierung von Low-Power-SoC-Systeme gegeben.
Implementierung von Softcore-Prozessoren und/oder weiteren IPs (Intellectual Properties) in FPGAs
(2017)
In heutigen Low-Power-Anwendungen ist es mittlerweile Standard sogenannte System-on-a-Chip (SoC)-Systeme zu entwickeln. Diese benötigen eine Recheneinheit, sowie nur die notwendigste Hardware, um die Energieversorgung auch über Energy-Harvesting zu ermöglichen.
Im Rahmen dieser Abschlussarbeit wurde der aktuelle Stand von verfügbaren Hardcore- und Softcore-Prozessoren evaluiert. Aufgrund der hohen Anforderung an den Prozessor in Low-Power-Systemen, wurden Hardcore-Prozessoren für die weitere Untersuchung ausgeschlossen. Obwohl diese sehr leistungstarke und energieeffiziente Prozessoren sind, weisen Hardcore-Prozessoren nicht die notwendige Flexibilität in einer minimalen Konfiguration auf, um die Ansprüche einer Low-Power-Anwendung zu erfüllen.
Aus diesem Grund wurden von verschiedenen Quellen Softcore-Prozessoren untereinander mit zusätzlich, ausgewählten Kriterien untersucht. Die Wahl fiel auf den NEO430, welcher auf der Architektur des Mikrocontrollers MSP430 von Texas Instrument basiert.
Mit dem NEO430 als Softcore, wurde ein Demonstrator-System entwickelt und auf dem Development-Board DE2-115 von Terasic implementiert. Im Zuge der Entwicklung des Demonstrators wurden weiterhin frei verfügbare IP-Cores zur Anbindung an den NEO430 untersucht. Der Demonstrator umfasste eine selbst entwickelte CRC-Berechnung, um damit die Programmierbarkeit, die Funktionen des NEO430 zu testen und dessen Ressourcenverbrauch, sowie Erweiterbarkeit über der Wishbone-Schnittstelle zu evaluieren.
Die Evaluierung des Demonstrator-Systems ergab einen Ressourcenverbrauch von 1253 Logikelemente des Development-Boards. Neben dem Demonstrator wurden weitere Konfigurationen, wie eine Minimale-, die Standard-Konfiguration und insbesondere eine Konfiguration ohne der Wishbone-Schnittstelle evaluiert.
Durch die starke Verbreitung der MSP430-Serie in der Industrie, ist der NEO430 ein interessanter Kandidat für Low-Power-Systeme
iSign - internet based simulation of guided wave propagation - ist eine Lernumgebung für Online-Laborversuche. Die Client-Serverarchitektur nutzt server-seitig das Tool F3D, das elektromagnetische Felder in 3D-Strukturen berechnet. Ein Apache-Webserver (unter Linux) bedient den Theorie-/Aufgaben-Teil und die Lernsystemadministration. Ein HPUX Simulationsserver steuert und kontrolliert den mehrstufigen Simulationsvorgang. Eine MySQL-Datenbank erlaubt dynmaische Webseiten-Generierung und Simulations-, Projekt- und Userdatenhaltung. Java-Applets, JavaServer Pages und JavaBeans erzeugen die interaktive Client-Oberfläche zur Eingabe, Ergebnisdarstellung und für Online-Virtual Reality. Die einheitlich gestaltete Benutzeroberfläche verbirgt die Systemkomplexität.
The automatic classification of the modulation format of a detected signal is the intermediate step between signal detection and demodulation. If neither the transmitted data nor other signal parameters such as the frequency offset, phase offset and timing information are known, then automatic modulation classification (AMC) is a challenging task in radio monitoring systems. The approach of clustering algorithms is a new trend in AMC for digital modulations. A novel algorithm called `highest constellation pattern matching' is introduced to identify quadrature amplitude modulation and phase shift keying signals. The obtained simulation and measurement results outperform the existing algorithms for AMC based on clustering. Finally, it is shown that the proposed algorithm works in a real monitoring environment.
Security in IT systems, particularly in embedded devices like Cyber Physical Systems (CPSs), has become an important matter of concern as it is the prerequisite for ensuring privacy and safety. Among a multitude of existing security measures, the Transport Layer Security (TLS) protocol family offers mature and standardized means for establishing secure communication channels over insecure transport media. In the context of classical IT infrastructure, its security with regard to protocol and implementation attacks has been subject to extensive research. As TLS protocols find their way into embedded environments, we consider the security and robustness of implementations of these protocols specifically in the light of the peculiarities of embedded systems. We present an approach for systematically checking the security and robustness of such implementations using fuzzing techniques and differential testing. In spite of its origin in testing TLS implementations we expect our approach to likewise be applicable to implementations of other cryptographic protocols with moderate efforts.