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Wireless synchronization of industrial controllers is a challenging task in environments where wired solutions are not practical. The best solutions proposed so far to solve this problem require pretty expensive and highly specialized FPGA-based devices. With this work we counter the trend by introducing a straightforward approach to synchronize a fairly cheap IEEE 802.11 integrated wireless chip (IWC) with external devices. More specifically we demonstrate how we can reprogram the software running in the 802.11 IWC of the Raspberry Pi 3B and transform the receiver input potential of the wireless transceiver into a triggering signal for an external inexpensive FPGA. Experimental results show a mean-square synchronization error of less than 496 ns, while the absolute synchronization error does not exceed 6 μs. The jitter of the output signal that we obtain after synchronizing the clock of the external device did not exceed 5.2 μs throughout the whole measurement campaign. Even though we do not score new records in term of accuracy, we do in terms of complexity, cost, and availability of the required components: all these factors make the proposed technique a very promising of the deployment of large-scale low-cost automation solutions.
Wireless communication technologies play a major role to enable megatrends like Internet of Things (IoT) and Industry 4.0. The Narrowband Wireless WAN (NBWWAN) introduced to meet the long range and low power requirements of spatially distributed wireless communication use cases. These networks introduce additional challenges in testing because the network topology and RF characteristics become particularly complex and thus a multitude of different scenarios must be tested. This paper describes the infrastructure for automated testing of radio communication and for systematic measurements of the network performance of NBWWAN.
One of the main requirements of spatially distributed Internet of Things (IoT) solutions is to have networks with wider coverage to connect many low-power devices. Low-Power Wide-Area Networks (LPWAN) and Cellular IoT(cIOT) networks are promising candidates in this space. LPWAN approaches are based on enhanced physical layer (PHY) implementations to achieve long range such as LoRaWAN, SigFox, MIOTY. Narrowband versions of cellular network offer reduced bandwidth and, simplified node and network management mechanisms, such as Narrow Band IoT (NB-IoT) and Long-Term Evolution for Machines (LTE-M). Since the underlying use cases come with various requirements it is essential to perform a comparative analysis of competing technologies. This article provides systematic performance measurement and comparison of LPWAN and NB-IoT technologies in a unified testbed, also discusses the necessity of future fifth generation (5G) LPWAN solutions.
Modeling of Random Variations in a Switched Capacitor Circuit based Physically Unclonable Function
(2020)
The Internet of Things (IoT) is expanding to a wide range of fields such as home automation, agriculture, environmental monitoring, industrial applications, and many more. Securing tens of billions of interconnected devices in the near future will be one of the biggest challenges. IoT devices are often constrained in terms of computational performance, area, and power, which demand lightweight security solutions. In this context, hardware-intrinsic security, particularly physically unclonable functions (PUFs), can provide lightweight identification and authentication for such devices. In this paper, random capacitor variations in a switched capacitor PUF circuit are used as a source of entropy to generate unique security keys. Furthermore, a mathematical model based on the ordinary least square method is developed to describe the relationship between random variations in capacitors and the resulting output voltages. The model is used to filter out systematic variations in circuit components to improve the quality of the extracted secrets.
Oxide semiconductors have the potential to increase the performance of inkjet printed microelectronic devices such as field-effect transistors (FETs), due to their high electron mobilities. Typical metal oxides are n-type semiconductors, while p-type oxides, although realizable, exhibit lower carriermobilities. Therefore, the circuit design based on oxide semiconductors is mostly in n-type logic only. Here we present an inkjet printed pn-diode based on p- and n-type oxide semiconductors.Copper oxide or nickel oxide is used as p-typesemiconductor whereas n-typesemiconductor is realized with indium oxide. Themeasurements show that the pn-diodes operate in the voltage window typical for printed electronics and the emission coefficient is 1.505 and 2.199 for the copper oxide based and nickel oxidebased pn-diode, respectively.Furthermore, a pn-diode model is developed and integrable into a circuit simulator.
Das Monitoring von Industrieanlagen stellt in der Wirtschaft sicher, dass hoch-automatisierte Prozesse reibungslos ablaufen können. Meistens steht hier das Monitoring der Anlagen selbst im Mittelpunkt, die Kommunikationsleitungen für den Datenaustausch auf Ethernet-Basis (z.B. Profinet) sind gegenwärtig noch nicht Teil einer kontinuierlichen Überwachung. Zwar werden auch hier die physischen Verbindungen überprüft, jedoch geschieht häufig dies nur zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme, wenn die Anlage noch nicht in das Gesamtsystem integriert ist oder während eines Wartungszyklus, wenn die Maschine für die Dauer der Wartung aus dem Betriebsablauf genommen wird. Dies führt dazu, dass insbesondere heute, wo vor allem Ethernet zunehmend als Basis für die industrielle Kommunikation herangezogen wird, Maschinenausfälle aufgrund fehlender Kabelüberwachung immer wahrscheinlicher werden. Um dem entgegenwirken zu können, wurde im Projekt Ko2SiBus ein neues Messverfahren konzipiert, implementiert und validiert, das kostengünstig in neue oder bestehende Systeme integriert werden kann. Um die Tauglichkeit zu zeigen, wurden die Projektergebnisse in Prototypen und Demonstratoren implementiert, die sowohl als Stand-Alone aber auch als Integrationslösungen dienen können.
To demonstrate how deep learning can be applied to industrial applications with limited training data, deep learning methodologies are used in three different applications. In this paper, we perform unsupervised deep learning utilizing variational autoencoders and demonstrate that federated learning is a communication efficient concept for machine learning that protects data privacy. As an example, variational autoencoders are utilized to cluster and visualize data from a microelectromechanical systems foundry. Federated learning is used in a predictive maintenance scenario using the C-MAPSS dataset.
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Hochvolt-Batterie (12) zum Speichern von elektrischer Energie, mit wenigstens einer elektrischen Maschine (14) zum Antreiben des Kraftfahrzeugs, mit einem Stromrichter (16), mittels welchem von der Hochvolt-Batterie (12) bereitstellbare Hochvolt-Gleichspannung in Hochvolt-Wechselspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine (14) umwandelbar ist, und mit einem Ladeanschluss (20) zum Bereitstellen von elektrischer Energie zum Laden der Hochvolt-Batterie (12), wobei der Stromrichter (16) als ein Drei-Stufen-Stromrichter ausgebildet ist und wenigstens eine einer Phase (u) der elektrischen Maschine (14) zugeordnete Schaltereinheit (46) aufweist, welche zwei in Reihe geschaltete Schaltergruppen (52, 54) umfasst, die jeweils zwei in Reihe geschaltete IGBTs (T11, T12, T13, T14) aufweisen, wobei zwischen den IGBTs (T11, T12) einer der Schaltergruppen (52, 54) ein Anschluss (64) angeordnet ist, welcher direkt mit einer Leitung (34) des Ladeanschlusses (20) elektrisch verbunden ist.
Das vorliegende Buch behandelt lineare zeitdiskrete Regelverfahren und gliedert sich in zwei Teile mit ganz unterschiedlichen thematischen Schwerpunkten. In den ersten sechs Kapiteln steht die Analyse und Synthese von zeitdiskreten Regelungen im Bildbereich im Vordergrund. Im zweiten Teil des Buchs werden im Zeitbereich angesiedelte zeitdiskrete Reglerentwurfsverfahren behandelt. Dort dominieren Zustandsraumverfahren die Erläuterungen.
The number of use cases for autonomous vehicles is increasing day by day especially in commercial applications. One important application of autonomous vehicles can be found within the parcel delivery section. Here, autonomous cars can massively help to reduce delivery efforts and time by supporting the courier actively. One important component of course is the autonomous vehicle itself. Nevertheless, beside the autonomous vehicle, a flexible and secure communication architecture also is a crucial key component impacting the overall performance of such system since it is required to allow continuous interactions between the vehicle and the other components of the system. The communication system must provide a reliable and secure architecture that is still flexible enough to remain practical and to address several use cases. In this paper, a robust communication architecture for such autonomous fleet-based systems is proposed. The architecture provides a reliable communication between different system entities while keeping those communications secure. The architecture uses different technologies such as Bluetooth Low Energy (BLE), cellular networks and Low Power Wide Area Network (LPWAN) to achieve its goals.
Die industrielle Kommunikation war früher von relativ eingeschränkten, geschlossenen Feldbussystemen geprägt. Mit der zunehmenden Öffnung von Automatisierungsnetzen durch die horizontale und vertikale Integration in Produktionsanlagen entstehen gefährliche Angriffsflächen, die zum Diebstahl von Produktionsgeheimnissen, der Manipulation oder dem kompletten Lahmlegen der Produktionsprozesse führen können. Hieraus ergeben sich grundlegend neue Anforderung an die Datensicherheit, denen mit innovativen Lösungsansätzen begegnet werden muss.
Ziel des Forschungsvorhabens „SecureField“ war es, die Umsetzbarkeit und Anwendbarkeit des Ansatzes „(D)TLS-over-Anything“ zu untersuchen und nachzuweisen, sowie einen Werkzeugkasten zur Definition und Implementierung entsprechender Sicherheitslösungen vorzubereiten. Als langjährig etablierter Standard im IT-Umfeld stellte sich das (Datagram) Transport Layer Security ((D)TLS) Protokoll in Kombination mit einer industrie- bzw. automatisierungskompatiblen Public-Key-Infrastruktur (PKI) als äußerst vielversprechende Möglichkeit dar, Datensicherheit auch im OT-Umfeld zu erzielen. Hierbei sollten insbesondere KMU adressiert werden, für welche eigene Entwicklungsarbeiten in diesem Umfeld häufig zu aufwändig und technisch sowie wirtschaftlich zu riskant sind.
Mit „SecureField“ konnten Ergebnisse auf mehreren Ebenen erzielt werden. Zunächst konnte im Projektverlauf ein umfassendes und generisches Konzept zur Ende-zu-Ende-Absicherung von Kommunikationspfaden und -protokollen im industriellen Umfeld erarbeitet werden. Dieses Konzept besteht aus einem generischen Kommunikationsmodell sowie aus einem generischen Authentifikationsmodell.
Herzfehler sind weltweit die häufigste Form von angeborenen Organdefekten. In unterschiedlichen Studien wird die Inzidenz zumeist zwischen vier und elf von 1.000 Lebendgeburten angegeben (1–5). Im Rahmen der multizentrischen PAN-Studie (PAN: Prävalenz angeborener Herzfehler bei Neugeborenen), welche die Häufigkeit angeborener Herzfehler bei Neugeborenen in Deutschland zwischen Juli 2006 und Juni 2007 untersuchte, ergab sich eine Gesamtprävalenz von 107,6 pro 10.000 Lebendgeburten. Gegenstand dieser Arbeit sind Untersuchungen an Implantaten zur Behandlung von Atriumseptumdefekten (ASD). Vorhofseptumdefekte machen mit 17,0%, nach den Ventrikelseptumdefekten (VSD) mit 48,9%die zweithäufigste Art von Herzfehlern aus (6, 7).Als Vorhofseptumdefekte werden Öffnungen in der Scheidewand zwischen den Herzvorhöfen bezeichnet. Bei der Therapie eines ASD ist der minimalinvasive Verschluss mittels sogenannter Okkluder heute das Mittel der Wahl. Diese werden über einen femoralen Zugang im Rahmen einer Herzkatheteruntersuchung unter Ultraschallkontrolle und Durchleuchtung an die Implantationsstelle vorgeschoben und dort platziert(8). Die Okkluder bestehen in der Regel aus einem Drahtgeflecht aus Nitinol und haben die typische Form eines sogenannten Doppelschirmchens. Dabei weichen die unterschiedlichen Okkluder der einzelnen Firmen hinsichtlich Form und Beschaffenheit oft erheblich voneinander ab. Derzeit gibt es keine Untersuchungsmethode, die die auf dem Markt befindlichen Okkluder hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften vergleichbar macht. Diese Arbeit solleinen Beitrag erbringen, um grundlegende, die Okkludermodelle charakterisierende Parameter zu schaffen, um so deren interindividuelle Vergleichbarkeit zu ermöglichen. Hierzu werden in-vitro Messungen durchgeführt, welche geeignet sind das Verhalten der untersuchten Modelle unter unterschiedlichen Bedingungen und bei variierenden Defektgrößen zu charakterisieren.
MINT-College TIEFE
(2021)
Das Projekt MINT-College TIEFE konnte in der zweiten Förderperiode die verschiedenen Maßnahmen der vorangegangenen Förderperiode weiter ausbauen und verstetigen. Die Angebote im Rahmen des Projekts MINT-College TIEFE begleiteten die Studierenden über den Student-Life-Cycle hinweg über das komplette Studium der technischen Studiengänge, beginnend in der Schule und endend beim Übergang in den Beruf. Um die Qualität der Lehre an der Hochschule Offenburg zu verbessern, wurden darüber hinaus verschiedene digital unterstützte Lehrformate weiterentwickelt und ausgebaut. Zentrale Angebote des MINT-College, das 2019 zentrale Einrichtung der Hochschule Offenburg wurde, sind die für die Studieneingangsphase entwickelten Angebote der Einführungstage, des Mentorenprogramms, der Brückenkurse, des Lernzentrums und Angebote für den Übergang in den Beruf, wie das Gründerbüro. Die mediendidaktischen Unterstützungsangebote für Lehrende unterstützten den Lernkulturwandel an der Hochschule. Es wurden systematisch nachhaltige Strukturen aufgebaut, um Innovationen für das Lehren und das Lernen auch künftig entwickeln, erproben und etablieren zu können.
Dementia is a clinical diagnosis reflecting many possible underlying pathologies, for example, vascular dementia and neurodegenerative disorders such as frontotemporal dementia, Lewy body-type disorder or Alzheimer’s disease (AD). The breakthrough of 99mtechnetium-labelled perfusion tracers in the 1990s resulted in many SPECT studies of flow changes in AD. In the first decade of 2000, the role of perfusion SPECT was shifted from diagnosis towards differential diagnosis, parallel to the growing attention for diagnosing early stages of dementia. Previously a diagnosis based largely on a process of exclusion, new guidelines have emerged increasingly employing positive criteria to establish the diagnosis, including neuroimaging biomarkers. Nowadays, FDG PET has largely limited the role of perfusion SPECT, although it is still considered a valuable and cost-effective alternative when PET is not available.
Investigation of the Angle Dependency of Self-Calibration in Multiple-Input-Multiple-Output Radars
(2021)
Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) is a key technology in improving the angular resolution (spatial resolution) of radars. In MIMO radars the amplitude and phase errors in antenna elements lead to increase in the sidelobe level and a misalignment of the mainlobe. As the result the performance of the antenna channels will be affected. Firstly, this paper presents analysis of effect of the amplitude and phase errors on angular spectrum using Monte-Carlo simulations. Then, the results are compared with performed measurements. Finally, the error correction with a self-calibration method is proposed and its angle dependency is evaluated. It is shown that the values of the errors change with an incident angle, which leads to a required angle-dependent calibration.
PET and SPECT in Psychiatry
(2021)
This book provides a comprehensive overview of the use of PET and SPECT in the classic psychiatric disorders such as depression, bipolar disorder, anxiety disorders, and schizophrenia. In addition, it discusses the application of these functional neuroimaging techniques in a variety of other conditions, including sleep disorders, eating disorders, autism, and chronic fatigue syndrome. The new edition has been extensively revised and updated to reflect the latest advances and results in nuclear imaging within the field. Most chapters are written jointly by a clinical psychiatrist and a nuclear medicine expert to ensure a multidisciplinary approach. This state of the art compendium will be of value for all who have an interest in the field of neuroscience, from psychiatrists and radiologists/nuclear medicine specialists to interested general practitioners and cognitive psychologists. Companion volumes on the use of PET and SPECT in neurology and for the imaging of neurobiological systems complete a trilogy.
eLetter zum Artikel "Plague Through History" von Nils Chr. Stenseth, veröffentlicht in Science, Vol. 321, Issue 5890, Seite 773-774 (doi.org/10.1126/science.1161496)
Estimation of Scattering and Transfer Parameters in Stratified Dispersive Tissues of the Human Torso
(2021)
The aim of this study is to understand the effect of the various layers of biological tissues on electromagnetic radiation in a certain frequency range. Understanding these effects could prove crucial in the development of dynamic imaging systems under operating environments during catheter ablation in the heart. As the catheter passes through some arterial paths in the region of interest inside the heart through the aorta, a three-dimensional localization of the catheter is required. In this paper, a study is given on the detection of the catheter by using electromagnetic waves. Therefor, an appropriate model for the layers of the human torso is defined and simulated without and with an inserted electrode.
PET and SPECT in Neurology
(2021)
This book provides a comprehensive overview of the use of PET and SPECT in not only classic neurodegenerative disorders but also cerebrovascular disorders, brain tumors, epilepsy, head trauma, coma, sleeping disorders, and inflammatory and infectious diseases of the CNS. The new edition has been revised and updated to reflect recent advances and includes additional chapters, for example on the use of artificial intelligence and machine learning in imaging data analysis, the study of brain connectivity using PET and SPECT images, and the role of PET imaging in modulation of brain functioning by deep brain stimulation. The authors are renowned experts whose dedication to the investigation of neurological disorders through nuclear medicine technology has achieved international recognition. Most chapters are written jointly by a clinical neurologist and a nuclear medicine specialist to ensure a multidisciplinary approach. This state of the art compendium will be invaluable for neurologists and radiologists/nuclear medicine specialists and will also be informative for interested general practitioners and geriatricians. Companion volumes on PET and SPECT in psychiatry and in neurobiological systems complete a trilogy.
Artificial intelligence (AI), and in particular machine learning algorithms, are of increasing importance in many application areas but interpretability and understandability as well as responsibility, accountability, and fairness of the algorithms' results, all crucial for increasing the humans' trust into the systems, are still largely missing. Big industrial players, including Google, Microsoft, and Apple, have become aware of this gap and recently published their own guidelines for the use of AI in order to promote fairness, trust, interpretability, and other goals. Interactive visualization is one of the technologies that may help to increase trust in AI systems. During the seminar, we discussed the requirements for trustworthy AI systems as well as the technological possibilities provided by interactive visualizations to increase human trust in AI.
Fünf Jahre vor seinem Tod, im Jahr 1932, wurde der berühmte französische Komponist Maurice Ravel (1875–1937), der an einer frontotemporalen Demenz (M. Pick) mit primär progressiver Aphasie litt, bei einem Unfall verletzt, als er in einem Pariser Taxi saß. In diesem Fallbericht wird der Unfallmechanismus unter bestimmten Annahmen dargestellt und diskutiert. Ausgehend von diesen Überlegungen ist ein Unfall bei geringer Kollisionsgeschwindigkeit wahrscheinlich. Trotz eines Unfalls mit nur geringer Geschwindigkeit ist nicht von der Hand zu weisen, dass dieser Unfall zumindest zu einer deutlichen Verschlimmerung der Krankheitssymptome geführt haben könnte, da Ravel seit diesem Taxiunfall bis zu seinem Tod keine weiteren Kompositionen mehr vollendet hat.
In dieser Arbeit wird ein historischer Fallbericht des bis heute weit über seine Landesgrenzen bekannten italienischen Kriminalanthropologen Cesare Lombroso (1835–1909) vorgestellt. In diesem Fallbericht wird der berüchtigte und psychisch auffällige Dieb Pietro Bersone mit Hilfe eines sog. Hydrosphygmographen überführt, einem zur damaligen Zeit neuartigen technischen Gerät, das den Puls nicht-invasiv aufzeichnen konnte. Lombroso ist vermutlich einer der ersten, wenn nicht sogar der erste, der durch den Einsatz eines solchen Geräts die Idee zum „Lügendetektor“ vorweggenommen hat. Die vorgestellte Textstelle aus Lombrosos Buch „Neue Fortschritte in den Verbrecherstudien“ ist daher ein besonderes Fundstück auch für die Geschichte der Polygraphie.
eLetter zum Artikel "The Hannes hand prosthesis replicates the key biological properties of the human hand" von Matteo Laffranchi et al., veröffentlicht in Science Robotics, Vol. 5, Issue 46, eabb0467 (doi.org/10.1126/scirobotics.abb0467)
eLetter: "The ancient Capua leg from 300 BC and the 1941 air raid on the Royal College of Surgeons"
(2021)
eLetter zum Artikel "The College of Surgeons, London", veröffentlicht in Science, Vol. 93, Issue 2425, Seite 587 (DOI: 10.1126/science.93.2425.587).
Der verstärkte Einsatz von Wärmepumpen bei der Realisierung einer klimaneutralen Wärmeversorgung führt zu einer signifikanten Zunahme und Änderung der elektrischen Lasten in den Verteilnetzen. Daher gilt es, Wärmepumpen so zu steuern, dass sie Verteilnetze wenig belasten oder sogar unterstützen.
Inhalt des Projekts „PV²WP - PV Vorhersage für die netzdienliche Steuerung von Wärmepumpen“ (Projektlaufzeit 1.07.2018 – 30.06.2021) war die Demonstration eines neuen Ansatzes zur Steuerung von Heizungssystemen, die auf Wärmepumpen und thermischen Speichern basieren und in Kombination mit einer Photovoltaikanlage betrieben werden. Das übergeordnete Ziel war dabei die Verbesserung der Netzintegration und Smart-Grid-Tauglichkeit entsprechender Heizungssysteme durch eine kostengünstige Technologie bei gleichzeitiger Erhöhung der Wirtschaftlichkeit.
Dabei wurden drei zukunftsweisende Technologien in Kombination genutzt und demonstriert: wolkenkamerabasierte Kurzfristprognosen, prädiktive Steuerung und Regelung sowie machinelearning-basierte Systemmodellierung als Basis für die Optimierung. Als Demonstrationsumgebung diente mit dem Projekthaus Ulm ein real bewohntes Einfamilienhaus.Umweltforschung
IoT networks are increasingly used as entry points for cyberattacks, as often they offer low-security levels, as they may allow the control of physical systems and as they potentially also open the access to other IT networks and infrastructures. Existing intrusion detection systems (IDS) and intrusion prevention systems (IPS) mostly concentrate on legacy IT networks. Nowadays, they come with a high degree of complexity and adaptivity, including the use of artificial intelligence. It is only recently that these techniques are also applied to IoT networks. In this paper, we present a survey of machine learning and deep learning methods for intrusion detection, and we investigate how previous works used federated learning for IoT cybersecurity. For this, we present an overview of IoT protocols and potential security risks. We also report the techniques and the datasets used in the studied works, discuss the challenges of using ML, DL and FL for IoT cybersecurity and provide future insights.
The manufacturing of conventional electronics has become a highly complicated process, which requires intensive investment. In this context, printed electronics keeps attracting attention from both academia and industry. The primary reason is the simplification of the manufacturing process via additive printing technology such as ink-jet printing. Consequently, advantages are realized such as on-demand fabrication, minimal material waste and versatile choice of substrate materials. Central to the development of printed electronic circuits are printed transistors. Recently, metal oxide semiconductors such as indium oxide have become promising materials for the fabrication of printed transistors due to their high charge mobility. Furthermore, electrolyte-gating also provides benefits such as the low-voltage operation in sub-1 V regime due to the large gate capacitance provided by electrical double layers. This opens new possibilities to fabricate printed devices and circuits for niche applications.
To facilitate the design and fabrication of printed circuits, the development of compact models is necessary. However, most of the current works have focused on the study of the static behavior of transistors, while the in-depth understanding of other characteristics such as the dynamic or noise behavior is missing. To this end, the purpose of this work is the comprehensive study on capacitance and noise properties of inkjet-printed electrolyte-gated thin-film transistors (EGT) based on indium oxide semiconductors. Proper modeling approaches are also proposed to capture accurately the electrical behaviour, which can be further utilized to enable advanced analysis of digital, analog and mixed-signal circuits.
In this work, the capacitance of EGTs is characterized using voltage-dependent impedance spectroscopy. Intrinsic and extrinsic effects are carefully separated by using de-embedding test structures. Also, a dedicated equivalent circuit model is established to offer accurate simulations of the measured frequency response of the gate impedance. Based on that, it is revealed that top-gated EGTs have the potential to reach operation frequency in the kHz regime with proper optimizations of materials and printing process. Furthermore, a Meyer-like model is proposed to accurately capture the capacitance-voltage characteristics of the lumped terminal capacitance. Both parasitic and nonquasi-static effects are considered. This further enables the AC and transient analysis of complex circuits in circuit simulators.
Following, the study of noise properties in the field of printed electronics is conducted. Low-frequency noise of EGTs is characterized using a reliable experimental setup. By examining measured noise spectra of the drain current at various gate voltages, the number fluctuation with correlated mobility fluctuation has been determined as the primary noise mechanism. Based on that, normalized flat-band voltage noise can be determined as the key performance metrics, which is only 1.08 × 10−7 V^2 µm^2, significantly lower in comparison with other thin-film technologies, which are based on dielectric gating and semiconductors such as IZO and IGZO. A plausible reason could be the large gate capacitance offered by the electrical double layers. This renders EGT technology useful for low-noise and sensitive applications such as sensor periphery circuits.
Last but not least, various circuit designs based on EGT technology are proposed, including basic digital circuits such as inverters and ring oscillators. Their performance metrics such as the propagation delay and power consumption are extensively characterized. Also, the first design of a printed full-wave rectifier is presented by using diode-connected EGTs, which features near-zero threshold voltage. As a consequence, the presented rectifier can effectively process input voltage with a small amplitude of 100 mV and a cut-off frequency of 300 Hz, which is particularly attractive for the application domain of energy harvesting. Additionally, the previously established capacitance models are verified on those circuits, which provide a satisfactory agreement between the simulation and measurement data.
The Go programming language is an increasingly popular language but some of its features lack a formal investigation. This article explains Go's resolution mechanism for overloaded methods and its support for structural subtyping by means of translation from Featherweight Go to a simple target language. The translation employs a form of dictionary passing known from type classes in Haskell and preserves the dynamic behavior of Featherweight Go programs.
We describe a prototype for power line communi- cation for grid monitoring. The PLC receiver is used to gain information about the PLC channel and the current state of the power grid. The PLC receiver uses the communication signal to obtain an accurate estimate of the current channel and provides information which can be used as a basis for further processing with the aim to detect partial discharges and other anomalies in the grid. This monitoring of the power grid takes advantage of existing PLC infrastructure and uses the data signals, which are transmitted anyway to obtain a real-time measurement of the channel transfer function and the received noise signal. Since this signal is sampled at a high sampling rate compared to simpler measurement sensors, it contains valuable information about possible degradations in the grid which need to be addressed. While channel measurements are based on a received PLC signal, information about partial discharges or other sources of interference can be gathered by a PLC receiver in the absence of a transmit signal. A prototype based on Software Defined Radio has been developed, which implements the simultaneous communication and sensing for a power grid.
The term “attribute transfer” refers to the tasks of altering images in such a way, that the semantic interpretation of a given input image is shifted towards an intended direction, which is quantified by semantic attributes. Prominent example applications are photo realistic changes of facial features and expressions, like changing the hair color, adding a smile, enlarging the nose or altering the entire context of a scene, like transforming a summer landscape into a winter panorama. Recent advances in attribute transfer are mostly based on generative deep neural networks, using various techniques to manipulate images in the latent space of the generator. In this paper, we present a novel method for the common sub-task of local attribute transfers, where only parts of a face have to be altered in order to achieve semantic changes (e.g. removing a mustache). In contrast to previous methods, where such local changes have been implemented by generating new (global) images, we propose to formulate local attribute transfers as an inpainting problem. Removing and regenerating only parts of images, our “Attribute Transfer Inpainting Generative Adversarial Network” (ATI-GAN) is able to utilize local context information to focus on the attributes while keeping the background unmodified resulting in visually sound results.
The increasing use of artificial intelligence (AI) technologies across application domains has prompted our society to pay closer attention to AI’s trustworthiness, fairness, interpretability, and accountability. In order to foster trust in AI, it is important to consider the potential of interactive visualization, and how such visualizations help build trust in AI systems. This manifesto discusses the relevance of interactive visualizations and makes the following four claims: i) trust is not a technical problem, ii) trust is dynamic, iii) visualization cannot address all aspects of trust, and iv) visualization is crucial for human agency in AI.
The following describes a new method for estimating the parameters of an interior permanent magnet synchronous machine (IPMSM). For the estimation of the parameters the current slopes caused by the switching of the inverter are used to determine the unknowns of the system equations of the electrical machine. The angle and current dependence of the machine parameters are linearized within a PWM cycle. By considering the different switching states of the inverter, several system equations can be derived and a solution can be found within one PWM cycle. The use of test signals and filter-based approaches is avoided. The derived algorithm is explained and validated with measurements on a test bench.
The nonlinear behavior of inverters is mainly influenced by the interlocking and switching times of the semiconductors. In the following work, a method is presented that enables the possibility of an online identification of the switching times of the semiconductors. This information allows a compensation of the non-linear behavior, a reduction of the locking time and can be used for diagnostic purposes. First, a theoretical derivation of the method is made by considering different cases when switching of the inverter and deriving identification possibilities. The method is then extended so that the entire module is taken into account. Furthermore, a possible theoretical implementation is shown. After the methodology has been investigated with possible limitations, boundary conditions and with respect to real hardware, an implementation in the FPGA is performed. Finally, the results are presented, discussed
and further improvements are presented in an outlook.
Die vorliegende Arbeit gibt einen Überblick über das Verhältnis zwischen Nutzen und Einschränkungen eines frühneuzeitlichen Riefelharnisches auf die Biomechanik des Menschen. Zu den zentralen Ergebnissen gehört, dass die Rüstung eine gewisse Einschränkung der Beweglichkeit bringt, jedoch durch verschiedene mechanische Konzepte versucht wurde, diese größtmöglich zu minimieren. Besonders das sogenannte Geschübe stellt hierbei einen Kompromiss zwischen Beweglichkeit und Schutzfunktion dar und findet vor allem im Bereich der Gelenke Anwendung. Steife Strukturen werden an Stellen eingesetzt, die kaum Bewegungsfreiheit fordern. Zu diesen Bereichen gehören beispielsweise der Brustkorb oder obere Teile des Rückens. Der Vorteil der steiferen Teile der Rüstung ist ihre erhöhte Schutzfunktion, die ein geringeres Verletzungsrisiko mit sich bringt.
Im Jahre 2010 bot die Hochschule Offenburg ein Medizintechnikstudium mit dem Schwerpunkt ’Kardiologie, Elektrophysiologie und elektronische kardiologische Implantate’ als Bachelor- und später auch Masterstudiengang an. Ziel des auf diesen Schwerpunkt ausgelegten didaktischen Lehrkonzeptes ist die Vermittlung sofort anwendungsbereiten theoretischen Wissens und praktischen Könnens, welches die Absolventinnen und Absolventen in ihrer künftigen Berufsausübung in der Industrie oder als technische Partner der behandelnden Ärztinnen und Ärzte in hochspezialisierten klinischen Einrichtungen benötigen.
Aufgrund fehlender kommerzieller Angebote ist zur Umsetzung dieses Lehrkonzeptes die ingenieurtechnische Realisierung geeigneter Lehrmittel zwingend erforderlich. Dies betrifft die hard- und softwareseitige Erstellung visueller Demonstrationsmöglichkeiten für pathologische und implantatinduzierte Herzrhythmen, sowie die synthetische Bereitstellung originalgetreuer elektrokardiographischer Ableitsignale aus der klinischen Routine. Des Weiteren den Aufbau von in-vitro Trainingssystemen zu Therapien mit elektronischen kardiologischen Implantaten sowie zur Hochfrequenz-Katheterablation.
Insbesondere die Wahlfächer ’Programmierung von Herzschrittmachern’ und ‚Programmierung von Defibrillatoren’, deren Besuch den Teilnehmenden einen besonders raschen Berufseinstieg ermöglichen sollte, wurden in didaktischer Hinsicht in engem Bezug zum 4-Komponenten-Instruktionsdesign-Modell der Lehre gestaltet.
Durch den kontinuierlichen Einsatz der Instrumente der formativen Evaluation gelangen sowohl deutliche Verbesserungen am Gesamtkonzept der Lehrveranstaltungen als auch an den dort eingesetzten, selbst realisierten Lösungen des benannten speziellen Lehr- und Trainingsequipments.
Eine summative Evaluation des Lehrkonzeptes ist aufgrund seines Alleinstellungsmerkmals schwierig. Aus diesem Grund erschien die quantitative Prüfung des Einflusses eines Besuchs des praktisch orientierten Wahlfachs ’Programmierung von Herzschrittmachern’ auf die Note der kombinierten Abschlussklausur in den Fächern ’Elektrokardiographie’ und ’Elektrostimulation’ sinnvoll. In diese Evaluation eingeschlossen wurde eine Kohorte von 221 Studierenden, 76 Frauen und 145 Männer, von denen 93 am Wahlfach nicht teilnahmen und 128 die es besucht hatten.
Über 7 zusammengefasste Studienjahre zeigte sich, dass die praktische Ausbildung im Wahlfach ’Programmierung von Herzschrittmachern’ das Leistungsniveau der Studierenden der Medizintechnik in der kombinierten Abschlussprüfung ’Elektrokardiographie und Elektrostimulation’ deutlich beeinflusste.
Das im Rahmen dieser Arbeit mitgestaltete Lehrkonzept, die realisierten Lehrmaterialien und Lehrumgebungen wurden im Bachelor- und Masterstudiengang der Medizintechnik an der Hochschule Offenburg in den Praktika, Seminaren und Vorlesungen des Schwerpunktes ’Kardiologie, Elektrophysiologie und elektronische kardiologische Implantate’ vielfältig genutzt. Sie ermöglichten die Gestaltung interaktiver praktischer Weiterbildungsveranstaltungen für ärztliches und mittleres medizinisches Personal und für auf diesen Gebieten tätige medizintechnische Firmen.
Data Science
(2021)
Know-how für Data Scientists
• Übersichtliche und anwendungsbezogene Einführung
• Zahlreiche Anwendungsfälle und Praxisbeispiele aus unterschiedlichen Branchen
• Potenziale, aber auch mögliche Fallstricke werden aufgezeigt
Data Science steht derzeit wie kein anderer Begriff für die Auswertung großer Datenmengen mit analytischen Konzepten des Machine Learning oder der künstlichen Intelligenz. Nach der bewussten Wahrnehmung der Big Data und dabei insbesondere der Verfügbarmachung in Unternehmen sind Technologien und Methoden zur Auswertung dort gefordert, wo klassische Businss Intelligence an ihre Grenzen stößt.
Dieses Buch bietet eine umfassende Einführung in Data Science und deren praktische Relevanz für Unternehmen. Dabei wird auch die Integration von Data Science in ein bereits bestehendes Business-Intelligence-Ökosystem thematisiert. In verschiedenen Beiträgen werden sowohl Aufgabenfelder und Methoden als auch Rollen- und Organisationsmodelle erläutert, die im Zusammenspiel mit Konzepten und Architekturen auf Data Science wirken.
Diese 2., überarbeitete Auflage wurde um neue Themen wie Feature Selection und Deep Reinforcement Learning sowie eine neue Fallstudie erweitert.
Printed electronics (PE) offers flexible, extremely low-cost, and on-demand hardware due to its additive manufacturing process, enabling emerging ultra-low-cost applications, including machine learning applications. However, large feature sizes in PE limit the complexity of a machine learning classifier (e.g., a neural network (NN)) in PE. Stochastic computing Neural Networks (SC-NNs) can reduce area in silicon technologies, but still require complex designs due to unique implementation tradeoffs in PE. In this paper, we propose a printed mixed-signal system, which substitutes complex and power-hungry conventional stochastic computing (SC) components by printed analog designs. The printed mixed-signal SC consumes only 35% of power consumption and requires only 25% of area compared to a conventional 4-bit NN implementation. We also show that the proposed mixed-signal SC-NN provides good accuracy for popular neural network classification problems. We consider this work as an important step towards the realization of printed SC-NN hardware for near-sensor-processing.
Physically Unclonable Functions (PUFs) are hardware-based security primitives, which allow for inherent device fingerprinting. Therefore, intrinsic variation of imperfect manufactured systems is exploited to generate device-specific, unique identifiers. With printed electronics (PE) joining the internet of things (IoT), hardware-based security for novel PE-based systems is of increasing importance. Furthermore, PE offers the possibility for split-manufacturing, which mitigates the risk of PUF response readout by third parties, before commissioning. In this paper, we investigate a printed PUF core as intrinsic variation source for the generation of unique identifiers from a crossbar architecture. The printed crossbar PUF is verified by simulation of a 8×8-cells crossbar, which can be utilized to generate 32-bit wide identifiers. Further focus is on limiting factors regarding printed devices, such as increased parasitics, due to novel materials and required control logic specifications. The simulation results highlight, that the printed crossbar PUF is capable to generate close-to-ideal unique identifiers at the investigated feature size. As proof of concept a 2×2-cells printed crossbar PUF core is fabricated and electrically characterized.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synchronisation eines Netzwerkgeräts für die drahtlose Kommunikation, insbesondere eines Netzwerk-Endgeräts, in einem Drahtlosnetzwerk, wobei das Netzwerkgerät einen integrierten Schaltkreis für die drahtlose Kommunikation (IWC), eine Synchronisationsevent-Detektoreinrichtung (SED) für das Detektieren von Synchronisationsevents, einen steuerbaren Clock-Generator (CCG) für das Erzeugen eines synchronisierten Zeitsignals TCCGund eine Synchronisationssteuereinrichtung (SCD) zur Steuerung des Synchronisationsvorgangs des Netzwerkgeräts umfasst. In dem Netzwerkgerät werden während einer Synchronisationsphase folgende Verfahrensschritte durchgeführt: Zunächst wird ein Synchronisations-Frame empfangen und ein Synchronisations-Timestamp TAPdetektiert. Anschließend wird ein Timestamp TBmittels einer im IWC enthaltenen IWC-Clock erzeugt, der die Empfangszeit des Synchronisations-Frames definiert. In einem weiteren Schritt wird an einem Port des IWC ein Potenzialwechsel erzeugt, der einen Synchronisationsevent darstellt. Weiterhin wird ein Timestamp TSEmittels der IWC-Clock erzeugt, der den Zeitpunkt des Synchronisationsevents definiert. Die SED detektiert den Synchronisationsevent durch Auswerten der zeitlichen Länge des Potenzialwechsels des Ports des IWC und erzeugt einen Timestamp TSunter Verwendung des synchronisierten Zeitsignals TCCG, wobei der Timestamp TSdenselben Zeitpunkt des Synchronisationsevents definiert wie der Timestamp TSE. Die Timestamps TAP, TB, TSEund TS, die mittels Verarbeitung von ein oder mehreren Synchronisationsevent-Frames gemäß den Schritten (a) bis (d) ermittelt wurden, werden dann zur Synchronisierung des vom CCG erzeugten synchronisierten Zeitsignals TCCGauf das Master-Zeitsignal verwendet.