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Die Thesis beschäftigt sich mit dem Kommunikationsprotokoll Lightweight Machine to Machine, welches für das Internet of Things entwickelt wurde. Es soll untersucht werden, wie das Protokoll funktioniert und wie es eingesetzt werden kann. Ebenfalls soll die Thesis zeigen, wie und ob Lightweight Machine to Machine über Long Term Evolution for Machines für Anwendungen mit begrenzten Ressourcen geeignet ist. Um diese Fragestellung zu beantworten, wurde das Protokoll auf Grund seiner Spezifikation und seinen Softwareimplementationen untersucht. Daraufhin wurde ein Versuchssystem entworfen und dieses anschließend auf sein Laufzeitverhalten und auf sein Energieverbrauch getestet. Die Evaluation des Protokolls ergab, dass es viele sinnvolle Funktionen zugeschnitten auf Geräte im Internet of Things besitzt und diese Funktionen kompakt und verständlich umsetzt. Da das Protokoll noch relativ jung ist, stellt es an verschiedenen Punkten eine Herausforderung dar. Die Tests des Versuchssystems ergaben, dass Lightweight Machine to Machine sich unter bestimmten Bedingungen für ressourcenbegrenzte Anwendungen eignet.
Entwicklung und Realisierung eines Konzepts zur Erweiterung des Messbereichs einer Druckmesszelle
(2022)
Die Messung, von Prozessdrücken in industriellen Anlagen, ist heutzutage nicht mehr wegzudenken. Hierbei können während des Betriebs gelegentlich ungewollte Überdrücke auftreten, welche über dem Messbereich der eingesetzten Sensorik liegen. Mit den bisher bekannten Drucksensoren können solche Überdrücke daher nicht detektiert werden. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Konzepts, welches eine Messbereichserweiterung hervorbringt. Mit diesem sollen Drücke bis zu einer messbereichsspezifischen Grenze detektiert werden können.
Im ersten Schritt werden die Kapazitäten der Messzellen der aktuell bestehenden Sensorelektronik aufgenommen und ausgewertet. Aufgrund der Verläufe der gemessenen Kapazitäten, wird der Fokus auf die Auswertung der Referenzkapazität gelegt. Anschließend folgt das Approximieren des Verlaufs der Referenzkapazität durch geeignete mathematische Funktionen und das Entwickeln eines messbereichsübergreifenden Algorithmus. Hierfür wird die Methode der kleinsten Fehlerquadrate angewandt. Nachdem sich ein vielversprechendes Fitting, mittels zwei Polynomen herauskristallisiert hat, erfolgt die softwareseitige Implementierung des Algorithmus für einen Mikrocontroller auf der Sensorelektronik. Im letzten Teil der Arbeit werden Testmessungen durchgeführt, um die approximierten Polynome zu validieren.
Am Ende der Arbeit entsteht eine funktionierende Messbereichserweiterung zur Detektion von Drücken im Überlastbereich. Hierbei wird eine verhältnismäßig hohe Genauigkeit mit wenigen zusätzlichen Messpunkten erzielt.
Die Arbeit befasst sich mit der Inbetriebnahme eines Batteriemanagementsystems des asiatischen Herstellers „LLT Power“ zur Verwendung im batterieelektrisch betriebenen Hocheffizienzfahrzeug der Hochschule Offenburg (Schluckspecht S6). Zudem wird eine Adapterplatine entwickelt, gefertigt und getestet, die per Schalter wahlweise einen Bluetooth- oder USB-Zugriff auf die UART-Schnittstelle des BMS ermöglicht. Gleiches gilt für die im Fahrzeug eingesetzte Spannungsversorgungsplatine die sowohl die Hupe als auch die Leistungselektronik versorgt. Darüber hinaus wird im Rahmen dieser Arbeit auf diverse Programme und Arbeitsschritte eingegangen, die für den Entwicklungsprozess benötigt wurden. Exemplarisch wird das Vorgehen bei der Auswahl der Komponenten sowie der Bestellprozess der Platine aufgezeigt. Auf den Entwurf der zugehörigen 3D-Modelle, die für die Konstruktion der Gehäuse herangezogen werdenkönnen wird ebenso wie auf die Fertigung der Platine eingegangen. Abschließend wird der Projektverlauf resümiert und ein Ausblick auf zukünftige Entwicklungsmöglichkeiten gegeben
Entwicklung und Implementierung einer Methode zur Funktions- und Verschleißprüfung von Sägeanlagen
(2019)
Die Firma KASTO Maschinenbau produziert Lagersysteme und Sägemaschinen und möchte in Zukunft mit Hilfe von prädiktiver Wartung einen Mehrwert für den Kunden, die firmeneigenen Servicetechniker und die Inbetriebnehmer generieren. Für diesen Weg in Richtung prädiktive Wartung werden in der vorliegenden Arbeit, zunächst mittels Recherche, Grundlagen definiert. Die anschließende Analyse verschiedener Bauteile und Baugruppen in der Lagertechnik und im Sägemaschinenbau führt zur Konkretisierung der Umsetzungsmöglichkeiten.
Im weiteren Verlauf der Arbeit werden die verschleißkritischen Bauteile eines KASTOwin-Bandsägeautomats behandelt. Durch die Analyse der einzelnen Verschleißformen und -erscheinungen an dessen Komponenten können Parameter zur Verschleiß-überwachung ermittelt werden. Die Überwachung dieser Prozesse soll dabei mit bestehender Sensorik durchgeführt werden und beschränkt sich deshalb hauptsächlich auf die Messeinrichtung der Frequenzumformer. Für die Komponenten Sägebandantrieb, Sägevorschubantrieb, Materialvorschubantrieb, Bandverlaufsensor, sowie das Hydrauliksystem werden entsprechende Methoden zur Funktions- und Verschleiß-prüfung ausgearbeitet.
Auf Basis dieser Methoden wird dann die Implementierung in Form eines SPS-Programms und einer dazu passenden, grafischen Benutzeroberfläche durchgeführt. Das bestehende SPS-Programm und die Benutzeroberfläche werden durch zusätzliche Programmteile ergänzt. Sämtliche Ergänzungen sind portabel und modular ausgelegt, sodass diese problemlos auch in anderen Sägemaschinen ergänzt werden können. Um kritische Verschleißsituationen nach deren Eintritt zu analysieren und daraus Schlüsse im Sinne der prädiktiven Wartung zu ziehen, ist die Sicherung aller Langzeitdaten von enormer Bedeutung. Da der remanente Speicher der SPS jedoch begrenzt ist, werden sämtliche Daten über die Visualisierung gesichert. Alle aufgenommen Daten werden sowohl grafisch als auch in Form von Werten visualisiert und können dem Kunden und Servicetechniker, sowie dem Inbetriebnehmer Aufschluss über den Zustand der Komponenten geben.
Letztlich werden die implementierten Abläufe an einer Vorführmaschine getestet. Es kann dabei die Funktion sämtlicher Prüfungen bestätigt werden
In letzter Zeit sind einige neue, hochintegrierte Einchip-Radarsensoren auf den Markt gekommen. Die enormen Fortschritte im Bereich des autonomen Fahrens hat diese Sensoren hervorgebracht. Mit ihnen lassen sich diverse Anwendungen, wie zum Beispiel eine Abstandsmessung, Kollisionserkennung oder Geschwindigkeitserfassung realisieren.
Für die Nutzung eines solchen modernen Radarsensors spricht viel, jedoch besitzen alle eine differenzielle Ausgangsschnittstelle, die nicht mit den üblichen Mikrocontrollersystemen eingelesen werden kann. Darum war das Ziel der Arbeit, die Entwicklung eines Schnittstellenwandlers auf einem Low-Power-FPGA, zur Anbindung eines Radarchips an einen klassischen Mikrocontroller.
Der Lösungsweg war demnach schon vorgegeben, es folgte die konkrete Umsetzung mit der Modellierung der Hardware in VHDL. Der FPGA liest die differenzielle Schnittstelle ein, parallelisiert die Daten und speichert sie zwischen. Sobald die Messdaten vollständig sind, können sie über die serielle SPI-Schnittstelle angefordert werden. Als Gegenstelle kommt ein Mikrocontroller zum Einsatz, der die Messdaten wiederum gemäß eines definierten Protokolls zur Auswertung an einen Computer weiterleitet.
Die Machbarkeit dieser Anwendung wurde kontrolliert, indem die Messdaten vom Radarchip, übermittelt durch den FPGA und Mikrocontroller, auf dem Computer mithilfe eines Analyseprogramms bewertet wurden. Die Auswertung der Messergebnisse entspricht in vollem Umfang den Erwartungen. Der Ressourcenverbrauch im FPGA wurde hierbei ebenfalls als kritisch betrachtet, was sich im Nachhinein jedoch nicht bestätigte. Es ist sogar das Gegenteil der Fall, mit den übrigen freien Ressourcen steht einer möglichen Signalverarbeitung nichts im Wege.
In dieser Bachelorthesis wurde ein Funktionsmuster eines energieautarken elektronischen Türschildes mit einem 7,8” großen E-Paper-Display und NFC-Konfigurationsschnittstelle entwickelt, auf dem per Smartphone-App und NFC einfach Informationen wie Abwesendheitsnachrichten angezeigt werden können. Hierzu wird ein Kommunikationsprotokoll entwickelt, welches die Kommunikation zwischen App und Türschild spezifiziert, und einen Befehlssatz zur Konfiguration des Türschildes bereitstellt. Das System wird aus amorphen Silizium-Solarzellen versorgt und verfügt über einen LiPo-Akku als Energiespeicher. Durch sorgfältiges Hardware- und Software-seitiges Low-Power-Design beträgt die Leistungsaufnahme im Ruhemodus lediglich 1, 5 μW. Bedingt durch den anwenderfreundlichen, jedoch für Low-Power-Designs ungeeigneten Display-Controller, beträgt der Energieverbrauch während eines Updates 300 mW. Trotzdem zeigt sich, dass das System bei einer Zellfläche von knapp 220 cm2 auch bei schlechter Beleuchtung von 10 lx in dunklen Gängen mehrere Türschild-Updates pro Tag bereitstellen kann.
Da die hohe Anzahl an Steuergeräten in einem Fahrzeug von den unterschiedlichsten Automobilzulieferern entwickelt und produziert werden, ist es den einzelnen Steuergeräte-Herstellern nicht möglich, diese während des Entwicklungsprozesses in einem realen Fahrzeug zu testen. Restbussimulationen, womit Fahrzeugnetzwerke softwaretechnisch nachgebaut werden, schaffen hierbei Abhilfe.
Für die Entwicklung konkurrenzfähiger, effizienter und wirtschaftlicher Steuergerätesoftware wird die Embedded Software in einzelne Module unterteilt. Dieser modulare Prozess ermöglicht das Implementieren der Embedded Softwaremodule in Steuergeräte unterschiedlicher Fahrzeughersteller, sodass es zu Kosteneinsparungen während der Entwicklung und Wartung kommt. Steuergeräte, welche in unterschiedlichen Fahrzeugen zum Einsatz kommen und eine hohe Anzahl an gleichen Softwaremodulen besitzen, werden in sogenannten „Plattformen“ gehandelt.
Im Rahmen dieser Arbeit wird, analog zu der Plattformsoftware der Steuergeräte eine Plattform-Restbussimulation entworfen. Sie stellt dem Softwareentwickler während des kompletten Entwicklungszyklus eine lauffähige Testumgebung zur Verfügung, welche wichtige Steuergeräte eines Fahrzeugnetzwerks nachbildet. So werden in dieser Arbeit Konzepte erstellt und implementiert, welche eine effiziente und intuitive Benutzung der Plattform-Restbussimulation ermöglichen und alle Plattformkunden mit einer einzigen Simulationsumgebung abdecken. Dies führt zu einer zeitlichen Einsparung bei der Implementierung, Verwaltung und Bedienung.
Das Projekt PHOTOPUR soll die Reduzierung von Pestiziden in Oberflächengewässern ermöglichen. In dieser Arbeit wird eine Automatisierung eines ersten Demosystems entwickelt, welches den gesamten Reinigungsprozess abbildet. Eine Projektierung der Automatisierung des Systems wird mit den dafür vorgesehenen Fließschemas und Gerätelisten durchgeführt. Darauf aufbauend wird die Ablaufsteuerung des Demosystems durch einen Ablauf-Funktionsplan umgesetzt. Um eine Systemüberwachung der Anlage zu gewährleisten wurde dazu eine Visualisierung ausgearbeitet. Zusätzlich wurden die Regelstrecken der Durchflussregelungen in den zwei Teilprozessen des Reinigungsprozesses bestimmt und durch unterschiedliche Einstellregeln der optimale Regler der Regelkreise ermittelt.
Die in dieser Arbeit entwickelte Software, beinhaltet die drei folgenden Umsetzungen: Realisierung der Ablaufsteuerung, Implementierung der Reglerparameter durch einen vorhandenen Regelalgorithmus und die Visualisierung des Demosystems.
Die Funkschnittstelle nach dem Bluetooth Standard ist heutzutage nicht mehr aus dem Consumer-Markt wegzudenken. Auch durch die zukünftige Weiterentwicklung des Prinzips von IoT (Internet of Things) wird vor allem die Bluetooth Low Energy Technologie für Unternehmen bei der Entwicklung von Geräten mehr an Bedeutung gewinnen. Um die Studierenden im Bereich der Kommunikationstechnik auf das Thema Bluetooth vorzubereiten, wird der Versuch „Kurzstreckenkommunikation nach dem Bluetooth Standard“ im Telekommunikations-Labor an der Hochschule Offenburg angeboten. Der Versuch wurde im Rahmen dieser Bachelor-Thesis an die heutigen Anforderungen angepasst.
Die nachfolgende Bachelor-Thesis beinhaltet die gesamte Laboranleitung des Versuchs, welche in die drei Teile: Theoretische Grundlagen, vorbereitende Aufgaben und der Versuchsdurchführung aufgeteilt wird. Der Versuchsanleitung folgt ein Teil mit weiteren Anmerkungen für die akademischen Mitarbeiter, welche den Versuch betreuen. Hier wird sichergestellt, dass auch in Zukunft der Versuch problemlos weiter durchgeführt werden kann. Im Anhang befinden sich die Musterlösungen für die vorbereitentenden Aufgaben und der Versuchsdurchführung.
Hochgenaue Systeme zur Positionsbestimmung spielen im heutigen Zeitalter für den privaten, kommerziellen aber auch militärischen Bereich eine immer wichtigere Rolle. Anwendungsgebiete wie Wandern, Geocaching, Mauterhebungssysteme, autonome Luft-, Land- und Seefahrt, sowie etliche militärische Verwendungen sind nur ein kleiner Überblick dieser Anwendungsmöglichkeiten.
Die durch die Anwendungsgebiete auftretende Notwendigkeit der Satellitennavigation, stellt meine Motivation dar, den Laborversuch Messtechnische Analyse eines Systems zur Satellitennavigation zu erneuern. Dieser Laborversuch soll den Studierenden des Studiengangs Elektrotechnik/Informationstechnik mit dem Schwerpunkt Kommunikationstechnik die Satellitennavigation anhand moderner Laboreinrichtung näherbringen.
Die nachfolgende Arbeit beschäftigt sich zu Beginn mit den allgemeinen theoretischen Grundlagen der Satellitennavigation, gefolgt von systemspezifischen Beschreibungen. Die weiteren Kapitel beinhalten die Versuchsbeschreibung, eine Musterlösung und Informationen für den betreuenden akademischen Mitarbeiter.
Des Weiteren wurden Messreihen aufgezeichnet, welche die einzelnen
Satellitennavigationssysteme qualitativ gegenüberstellen. Auf die Messreihen wird in dieser Thesis nicht eingegangen. Hierfür darf an dieser Stelle auf einen Beitrag in der Hochschulzeitschrift Forschung im Fokus verwiesen werden.
Die vorliegende Bachelor Thesis befasst sich mit der Funktionsweise des ArduPilot Open Source Autopiloten. Für die Ausführung erfolgt mit einem Pixhawk Flugcontroller. Dabei wird die Funktionsweise der Regler und der Navigation des Luftfahrzeuges untersucht. Nach der Analyse des Regler Aufbaus werden wird die Regelung für einen Multiplex EasyStar 2 ausgelegt und in dem Flugzeug verbaut. Für die Kommunikation mit dem Pixhawk Flugcontroller und der Parametereinstellung für die Regelung wird die Mission Planner Bodenstation verwendet. Die Regelung wird mit praktischen Flugtests und der automatischen Tuning Funktion durchgeführt. Mit Hilfe der angelegten Daten Protokolle während des Flugs wird im Nachhinein das Flugverhalten des Multiplex EasyStar 2 ausgewertet und angepasst. Nach der Auslegung der Regelparameter besteht die Aufgabe darin, einen vollautonomen Flug mit automatischem Start und automatischer Landung durchzuführen. Die Wegpunkt Generierung für den autonomen Flug erfolgt mit der Mission Planner Bodenstation. Es soll mit dieser Arbeit die Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Systems überprüft werden.
Diese Arbeit handelt von dem Aufbau eines Laborversuchs, der die Darstellung eines linearen Fertigungsprozesses realisiert. Die Laboraufgaben sind in unterschiedlichen Schwierigkeitsgraden vorhanden. Das Ziel ist es, den Studenten eine haptische und realitätsnahe Fertigungsstraße zu präsentieren. Diese Applikation sortiert Produkte nach zwei Kriterien, der Form und dem Material aus. Zur Darstellung der Produktionsstraße dient eine Drehtischapplikation. Diese ist in unterschiedliche Stationen unterteilt. Durch den Aufbau der Station ist die Modularisierung der Anlage realisiert. Diese soll die Möglichkeit bieten, die Applikation in der Zukunft nach Bedarf anzupassen.
Die Konstruktion und Realisierung des modularen Aufbaues der Hardware sind die Schwerpunkte in dieser Thesis. Zusätzlich wird die Software der Arduino Plattform zur Ansteuerung der Schrittmotoren programmiert. Ein weiterer Punkt ist die softwareseitige Umsetzung des Inkrementalgebers in der Speicherprogrammierten Steuerung (Step7). Dazu gehört ebenfalls die Einbindung des Funktionsbausteines in die Datenbank des Projektes.
Mit dieser Hardware sollen die Studierenden in der Lage sein, Fertigungsprozesse zu simulieren und die erlernten Kenntnisse aus den Vorlesungen anwenden und vertiefen.
Elektrische Antriebssysteme sind in der modernen Welt überall zu finden und sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. In vielen industriellen Anwendungen wandeln sie elektrische Energie in mechanische Energie um, womit das Antriebssystem als Motor fungiert. Im umgekehrten Fall, wenn demnach mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird, arbeitet das Antriebssystem als Generator. Die dabei umgewandelte Energie soll bei einer Einspeisung in das Versorgungsnetz möglichst sinusförmig verlaufen, damit überwiegend Grundschwingungsleistung fließt. Zusätzlich ist ein geringer Blindanteil wünschenswert, weil diese Stromkomponente dafür sorgt, dass die Versorgungsleitungen unnötig belastet werden.
In dieser Bachelorthesis werden auf die für das Verständnis wichtigen theoretischen Grundlagen der Raumzeiger eingegangen. Bei der Regelung des Netz- oder Ausgangsstroms und der Zwischenkreisspannung werden auf diese Grundlagen zurückgegriffen, weil die Beschreibung von zeitveränderlichen, sinusförmig verteilten dreiphasigen Größen durch Transformationen in andere Bezugssysteme als besonders zweckmäßig erscheint. Damit weitere elektrische Geräte, die am selben Netzanschlusspunkt angeschlossen sind, möglichst wenig beeinflusst werden, sollte der ins Versorgungsnetz zurückgespeiste Strom geringe Oberschwingungen enthalten und somit einen weitestgehend sinusförmigen Verlauf annehmen.
Oberschwingungen sind ganzzahlige Vielfache der Grundschwingung der Netzfrequenz von 50 Hz. Aus regelungstechnischer Sicht ist es daher zweckmäßig, ein nahezu exaktes Modell der Regelung des Netzstroms und der Zwischenkreisspannung zu erstellen. Eine hochdynamische Regelung ist dann gewährleistet.
Die vorliegende Bachelor-Thesis befasst sich mit der Thematik, eine drahtlose Energieübertragung mit Hilfe induktiv resonanter Kopplung zu simulieren und aufzubauen. Durch die in den letzten Jahren immer größer werdende Elektromobilität steigt auch das Interesse an einem drahtlosen Transfer von elektrischem Strom. Doch auch in kleineren Leistungsbereichen ist ein drahtloses Aufladen, wie z.B. bei Laptops und Handys, ein angesagtes Thema. Mit Hilfe von zwei resonanten Schwingkreisen wird ein Austausch an Energie zwischen Sender- und Empfängerschwingkreis demonstriert. Die Grundlagen der magnetischen Induktion wie auch die Grundlagen von elektrischen Schwingkreisen sind hierfür essentiell und werden in dem ersten Kapitel aufgegriffen. Durch das Aufstellen eines mathematischen Modells, im zweiten Kapitel, wird das Prinzip der magnetischen Kopplung und das Phänomen der Frequenzspaltung von gekoppelten Systemen ausführlich behandelt und aufgestellt. Spider-Web Spulen, welche schon in niedrigen Frequenzbereichen hohe Güten aufweisen können, werden für den folgenden Aufbau verwendet. In den darauf folgenden Kapiteln wird das über das Magnetfeld gekoppelte System ausführlich untersucht. Das System erzielt eine Leistungsübertragung von 20W über 30 cm mit einer Effizienz von ungefähr 52%. Des Weiteren konnte der Punkt der kritischen Kopplung, durch eine Verminderung der ohmschen Last im Sendeschwingkreis, auf 50 cm gelegt werden.
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
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) ist ein modernes Mehrträgermodulationsverfahren, das sich gut an die besonderen Eigenschaften eines Mobilfunkkanals mit zeitvarianter Mehrwegeausbreitung anpassen kann. Es eignet sich aufgrund seines Aufbaus vor allem für Breitbandübertragungen und wird in vielen aktuellen Funksystemen wie LTE, WLAN, DVB-T usw. eingesetzt. In DSL wird die Basisbandvariante von OFDM eingesetzt, die „Discrete Multitone Transmission (DMT)“ genannt wird. Viele Aussagen über OFDM lassen sich auch auf DMT übertragen.
Moduliert wird mit Hilfe der inversen Fouriertransformation, die viele Unterträger parallel verarbeitet und am Schluss aufsummiert. Dies hat den Nachteil einer hohen Signalfluktuation, die bei Verstärkern zu Problemen führt.
Reale Verstärker haben eine nichtlineare Verstärkungskennlinie mit einer maximalen Ausgangsamplitude. Wird diese überschritten, wird das Signal abgeschnitten (geclippt). Dies hat sowohl vermehrte Bitfehler aufgrund des Orthogonalitätsverlustets der Unterträgersignale zueinander zur Folge, als auch eine erhöhte Außerbandabstrahlung.
Eine mögliche Lösung besteht darin, die Aussteuerung des Verstärkers klein zu halten. Daraus resultieren jedoch erhöhte Kosten und eine verringerte Energieeffizienz. Man ist daher bemüht die Signalfluktuation möglichst gering zu halten. Eine Maßzahl für die Amplitudenschwankungen ist das Peak-to-Average-Power-Ratio (PAPR).
Um das PAPR zu senken, gibt es eine ganze Reihe unterschiedlicher Verfahren. In dieser Arbeit werden die gängigsten davon vorgestellt und das Interleavingverfahren, die Tone Reservations (TR) und das Active Constellation Expanding (ACE) genauer untersucht.
In dieser Bachelor Arbeit wird die Realisierung und messtechnische Analyse dreier Delta-Sigma-Modulatoren vorgestellt. Zwei der drei Modulatoren sind mit diskreten Bauteilen realisiert, ein dritter als integrierte Schaltung. Bei den diskret realisierten Modulatoren handelt es sich um Modulatoren 1. und 2. Ordnung, der als integrierte Schaltung verbaute Modulator ist ein Modulator 7. Ordnung.
Die Messdaten werden mithilfe eines Mikrocontrollers aufgezeichnet und am Computer mit MATLAB ausgewertet. Für die Auswertung der Modulatoren wird jeweils der Signalrauschabstand und die harmonische Verzerrung des Signals ermittelt. Zusätzlich wird bei jeder Messung eines Modulators das Spektrum des Signals ermittelt und dargestellt. Bei den beiden diskreten Modulatoren ergibt sich bei den Messungen ein Signalrauschabstand von 54 dB bis 56 dB, bei dem als integrierte Schaltung implementierten Delta-Sigma-Modulator wird ein Wert von 70 dB bis 76 dB erreicht. Für die harmonische Verzerrung der Signale wird beim Modulator 1. Ordnung ein Wert von 64 dB, beim Modulator 2. Ordnung 72 dB und beim 7. Ordnung 91 dB gemessen.
Im Rahmen dieser Abschlussarbeit wurde evaluiert, welche Hardware-Plattform für Einsteiger im Bereich der System-on-Chip (SoC) Field-Programmable-Gate-Arrays (FPGAs) (SoC-FPGAs)geeignet ist, speziell Altera Cyclone V SoC. Dabei wurde die Vorgehensweise sowie die benötigten Programme, die für die Entwicklung benötigt werden, ermittelt. Als Beispiel Applikation diente hier die Bildverarbeitung. Die Hardware-Plattform soll es ermöglichen, dass diese von Programmierern im Bereich der Bildverarbeitung genutzt werden kann, ohne dass diese sich um die Hardware kümmern müssen. Zusätzlich sollte evaluiert werden, ob und wie man den FPGA benutzen kann, um Algorithmen auf der Hardware auszuführen, und so einen Performance Gewinn zu erhalten.
Für die Thesis stand zu Beginn ein Hardware-Paket, bestehend aus einem FPGA-SoC-Board, Kamera-Modul sowie TFT-Display zur Verfügung. Dieses Paket stellte sich als nicht geeignet heraus, da die Hersteller entweder keine oder nur mangelhafte Dokumentation zu den Modulen bereitstellten.
Als geeignete Hardware wurde das DE0-Nano-SoC von der Firma Terasic gewählt. Das verwendete Kamera–Modul sowie Display–Modul stammt ebenfalls von Terasic. Diese Module bieten den Vorteil, dass sie auch mit anderen Boards von Terasic kompatibel und gut dokumentiert sind und es Beispiel-Programme für diese Module gibt. Für die gewählte Hardware-Plattform wurde ein IP-Core für die Kommunikation mit der Kamera, sowie ein IP-Core für die Berechnung von Bayer-Raw-Format in das 16 bit(565)-RGB-Format entworfen und implementiert. Die Funktion der IP-Cores wurde mit Hilfe von Simulationen verifiziert.
Es wurden die Arbeitsschritte und Abläufe ermittelt, die nötig sind, um das System vom embedded Linux zu programmieren und mit den IP-Cores zu kommunizieren.