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Diplomarbeiten und Studienarbeiten am AG Datentechnik
Am Arbeitsgebiet Datentechnik werden Bachelor- und Masterarbeiten aus verschiedenen Themengebieten angeboten. Diese Seite bietet eine Übersicht mit den passenden Ansprechpartnern. Bei Interesse fragt uns einfach nach konkreten Themen. Eine Liste mit Themenvorschlägen befindet sich weiter unten.Signalverarbeitung für digitale Kommunikationssysteme | |
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Digitale drahtlose Übertragungssysteme sind fester Bestandteil des
täglichen Lebens, sei es bei der Kommunikation (GSM, UMTS, LTE), beim
Rundfunk (DVB, DAB) oder der Vernetzung (WLAN, Bluetooth). Zwei wichtige
Aufgaben der digitalen Signalverarbeitung sind die
Entzerrung
des über einen Mehrwegekanal gesendeten Signals (equalizing) und die
Entfernung
von Übertragungsfehlern mit Hilfe von Fehlerschutzcodes
(decoding). Entzerrung und Decodierung benötigen jedoch viel Rechenleistung, was zu einem hohen Energieverbrauch und somit verkürzter Akkulaufzeit von Mobilgeräten führt. Die Komplexität der Fehlerentfernung kann mit Hilfe der Syndromdecodierung reduziert werden. Dabei werden nur Bereiche des Empfangssignals decodiert, die besonders viele Fehler enthalten. Der Rest wird nicht decodiert, wodurch die benötigte Rechenleistung reduziert werden kann. Mit Studien- und Diplomarbeiten könnt ihr dabei helfen, dieses Verfahren weiterzuentwickeln und damit die Akkulaufzeit zukünftiger Mobilgeräte zu erhöhen. OFDM ist ein weit verbreitetes Mehrträgerverfahren für die breitbandige Datenübertragung, welches bei WLAN, DVB-T, WiMax und im zukünftigen Mobilfunkstandard LTE Anwendung findet. Vorteil des Verfahrens ist eine geringe Komplexität des Empfängers, Nachteil ist ein Verlust an Datenrate, da in regelmäßigen Abständen ein cyclic prefix eingefügt werden muss um Interferenz zu vermeiden. Durch Verwendung effizienter Entzerrer (equalizer) kann auf das cyclic prefix verzichtet werden, wodurch die Datenrate des Systems erhöht wird. Eure Studien- und Diplomarbeiten können dabei helfen, die Komplexität des Verfahrens weiter zu reduzieren und das Verhalten des Equalizers in zukünftigen Mobilfunkstandards (LTE) zu untersuchen. Darüber hinaus sollen die entwickelten Algorithmen auch in praktischen Systemen getestet werden. Dazu steht ein Software Defined Radio System zur Verfügung, welches aus dem eigentlichen HF-Frontend Universal Software Radio Peripheral (USRP) und einem passenden Softwarepaket GNU-Radio besteht. |
| Ansprechpartner: Jan Geldmacher | |
Signalanalyse in Energietransportnetzen | |
 (aus Wikimedia Commons, von H.A./Smial) |
Durch die zunehmende Auslastung unserer heutigen Energieversorgungsnetze bis an ihre Kapazitätsgrenzen und eine wachsende Anzahl verschiedenartiger dezentraler Einspeisungen (bspw. private Solar- oder Windkraftanlagen) ist die Überwachung der Netze von immer grösserer Wichtigkeit.
Diese Überwachung kann durch dezentral installierte sog. Phasor Measurement Units (PMUs) erfolgen.
Die PMUs liefern Daten über den Zustand des Netzes, bspw. in Form der Kenngrössen Frequenz, Phase und Amplitude, zusammen mit einem hochgenauen
Zeitstempel und sollen dadurch ein frühzeitiges Erkennen von Instabilitäten und das Ergreifen von Gegenmaßnahmen ermöglichen.
In Studien- und Diplomarbeiten bietet sich die Möglichkeit Algorithmen zur Signalanalyse für PMUs zu untersuchen. Von Interesse sind hier insbesondere hochgenaue parametrische Schätzverfahren (bspw. Unterraumverfahren), sowie Verfahren aus der adaptiven Signalverarbeitung. Die Arbeiten können teilweise in Kooperation mit dem Lehrstuhl Energiesysteme und Energiewirtschaft durchgeführt werden. |
| Ansprechpartner: Matthias Lechtenberg | |
Lokalisierung passiver UHF-RFID Label | |
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Radio Frequency Identification (RFID) ermöglicht eine automatische Identifikation von Objekten durch Radiowellen. Für dieses Verfahren wird ein Sender benötigt, der sogenannte Reader, welcher die Wellen aussendet und ein Empfänger, das sogenannte Tag oder Label, welches diese Wellen empfängt und durch spezielle Rückstreuung (engl. Backscatter) so verändert, dass am Reader eine einzigartige ID aus den Radiowellen ausgelesen werden kann. Die zunehmende Verbreitung der RFID Technik birgt viele neue Anwendungsmöglichkeiten: Ein Szenario dafür ist die Lokalisierung passiver UHF-RFID Label lediglich durch RFID. Hierzu ist es notwendig verschiedenartige Informationen zu kombinieren und durch Algorithmen zu verarbeiten, um eine Positionsbestimmung durchführen zu können.
In Studien- und Diplomarbeiten können einzelne Teilbereiche der Lokalisierung erarbeitet werden. Beispielsweise zählt dazu die Lokalisierung durch Variation der Sendeleistung des Readers oder mit Hilfe eines zusätzlichen Radars. |
| Ansprechpartner: Theresa Nick | |
Implementierung eines RFID Readers in Software Defined Radio (SDR) | |
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Mit Hilfe von SDR soll ein RFID-Reader implementiert werden, mit den das Auslesen handelsüblicher RFID-Tags durchgeführt wird. Hierzu wird ein Entwurf des „Cgran“-Projekts als Basis für diese Implementierung herangezogen. Im Rahmen dieses Projekts hat sich die Latenz als der große Nachteil des SDR-Readers herausgestellt, da der Transport der Daten von der Hardwareschnittstelle (USRP) zum PC und die Signalverarbeitung dort für die Einhaltung des RFID-Übertragungsprotokols sehr zeitkritisch sind.
In einer Arbeit könnte die Leistungsfähigkeit des Software-Readers unter verschiedenen Konstellationen und Szenarien betrachtet werden. Für eine bessere Möglichkeit zur Untersuchungen des Verhaltens des Software-RFID-Readers muss auch das Verhalten des USRP-Übertragungssystems bekannt sein. Daher könnte sich eine weitere Arbeit mit der Funktionsweise des USRP's beschäftigen, wobei vor allem die Verarbeitung der Daten auf dem FPGA und die Regulierung dieser Verarbeitung im Vordergrund stehen würde. Zusätzlich kann eine Bachelor- oder Studienarbeit angeboten werden in der ein auf die Spezifikationen des USRPs und des RFID-Übertragungsprotokolls angepasster Leistungsverstärker entwickelt und in Betrieb genommen werden soll. Für die Untersuchungen zu den RFID Kanaleigenschaften (siehe unten) soll ergänzend zum bereits vorhandenen RFID Reader ein künstliches Tag mit Hilfe von GNU-Radio und einem USRP implementiert und in Betrieb genommen werden. Darauf aufbauende Tätigkeiten würden sich mit Kanalmessungen und den entsprechenden Rückschlüssen aus diesen Messungen beschäftigen. |
| Ansprechpartner: Grzegorz Smietanka | |
MIMO RFID Übertragungsstrecke | |
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Die RFID Technologie, bei der eine Identifikation von Objekten mit Hilfe von Radiowellen erfolgt, gewinnt immer mehr an Einfluss gegenüber anderen Identifikationstechnologien (wie z.B. Barcodes). Bei dieser Art der Übertragung sendet ein sogenannter Reader eine CW (Continuous Wave) aus, auf der die Befehle für die sogenannten Tags moduliert sind. Die Tags kommunizieren mit den Readern, indem sie die CW geeignet reflektieren. Diese Art der Übertragung nennt sich Backscattering. In der Regel besitzen die Reader und die Tags jeweils eine Sende- und eine Empfangsantenne. Im Rahmen eines Forschungsprojektes soll die Übertragung eines RFID-Systems mit mehreren Sende- und Empfangsantennen (Multiple Input Multiple Output (MIMO)) auf mögliche Vorteile untersucht werden.
Hierzu sollte innerhalb einer Arbeit im ersten Schritt ein Kanalmodell für diesen Fall entwickelt werden. Darauf aufbauende Arbeiten könnten sich mit der Untersuchung von MIMO-Systemen im RFID-Bereich befassen und mit Algorithmen, die eine Übertragung effizienter gestalten. |
| Ansprechpartner: Grzegorz Smietanka | |
Sparse Matrix-Vector Multiplication on Parallel Hardware | |
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Sparse matrix-vector multiplication (SMVM) arises in many applications and, often, handling this operation is of high importance in these applications. For example, iterative solvers for systems of linear equations require most of the computational cost for SMVM. Unfortunately, the performance of sparse matrix algorithms on a general purpose processor tends to be much lower than their dense matrix counterparts due to irregular memory accesses.
In recent years, parallel computing using multi-core processors is one of the most important developments for improving computational performance and overcoming the bottleneck of the single core architecture. As examples of such parallel architectures are the graphics processor units (GPUs) and the field programmable logic arrays (FPGAs). Interested students may choose one of these architectures to implement the SMVM and compare its performance with that of the CPU. |
| Ansprechpartner: Ahmad Mansour | |
Bei Interesse an einem der obigen Themengebiete bitte bei den entsprechenden Betreuern oder Jürgen Götze (P1-04-214) melden. Eigene Vorschläge, Anregungen und Ideen sind natürlich auch immer gern gesehen. Einige Beispiele konkreter Themen für Studien- bzw. Diplomarbeiten finden sich in der Liste unten. Diese stellen jedoch nur einen kleinen Ausschnitt möglicher Themen dar.
Angezeigte Sprachen/Shown Languages: deutsch ⊗ english ⊗
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Übersicht aktueller Themen |
Overview of Topics |
| Überblick/Overview | |
Alternative Phasen- und Amplitudenschätzung im VergleichBetreuer: Matthias Lechtenberg (P1-04-217) Aufgabenbeschreibung: Traditionelle Energieübertragungssysteme waren recht einfach. Einige große Kraftwerke lieferten konstante Energiemengen, die recht gleichförmig an Kunden übermittelt werden mussten. Die Ereignisse, auf die man reagieren musste, waren überschaubar und das Netz tolerant. Heutzutage kommen verschiedene Faktoren (Energiebörse, dezentrale Kleinkraftwerke mit unregelmäßiger Einspeisung, witterungsabhängige Einspeisung) hinzu, die eine wesentlich bessere Zustandsüberwachung und wesentlich schnellere Reaktionen erfordern. Digitale Signalverarbeitung soll das ermöglichen durch Signalschätzung und Klassifikation. Basis dafür ist eine Signalparameterschätzung auf dem Modell der überlagerten Sinussignale. Neben der (offensichtlichen) Frequenzschätzung müssen auch Amplitude und Phase geschätzt werden, um daraus den gesamten Phasor (aka. komplexe Zahl) zu rekonstruieren. Der triviale Ansatz errechnet aus einem überbestimmten Gleichungssystem der Samples und der bekannten Frequenzen diese komplexen Zahlen (Least-Squares). Aufgabe dieser Arbeit soll sein, alternative Phasen-/Amplitudenschätzungen z.B. auf Basis der Hilbert-Transformation oder des TEO (Teager Energy Operator) zu implementieren, die sich in die bisher vorhandenen Schätzer eingliedert (und den Least-Squares-Algorithmus ersetzt). Dabei soll vorallem untersucht werden, wie gut sich der Algorithmus für eine sich verändernde Anzahl von Signalanteilen verhält und wie groß das Fenster sein muss. Ebenfalls zu untersuchen ist seine Robustheit und seine Komplexität im Vergleich zur bestehenden Lösung. Für dieses leicht interdisziplinäre Thema ist neben dem Interesse für die Signalverarbeitung (speziell Unterraumzerlegung) auch ein Interesse an der Energiewirtschaft von Vorteil. Für die Implementierung wird MATLAB zur Verfügung gestellt. |
Phase- and amplitude estimation by Hilbert transform or TEOSupervisor: Matthias Lechtenberg (P1-04-217) Task description: Traditional power transmission systems were fairly easy. Some bigger power plants provided constant power generation, which was distributed uniformly to the customers. The events to be handled were clear and moderate. The network reacted tolerantly. Today, different influences (European Energy Exchange, peripheral small power generators, weather dependent generation) require a superior monitoring of the transmission system's state and quicker reaction to events. Digital signal processing shall enable signal estimation and classification. This is based on the model of superposed sinusoidial signal components. Next to the (obvious) frequency estimation, the amplitude and phase also have to be estimated in order to reassemble the phasor (complex number). A typical approach is based on an overdetermined set of equations including samples and frequencies to calculate the missing complex numbers (least squares). This thesis shall investigate alternative estimators for phase and amplitude (for example the Hilbert transform or the TEO (Teager Energy Operator)). You shall implement these algorithms in order to compare them to the least squares algorithm with respect to changing number of sinusoids, robustness and cumputational complexity. Integration into existing framework is also requested. For this interdisciplinary topic, you should be interested in signal processing (especially subspace separation) and at least a little in energy economy. The implementations will be done with MATLAB. |
| Überblick/Overview | |
Kontrollkartenbasierte Erkennung von EreignissenBetreuer: Matthias Lechtenberg (P1-04-217) Aufgabenbeschreibung: Traditionelle Energieübertragungssysteme waren recht einfach. Einige große Kraftwerke lieferten konstante Energiemengen, die recht gleichförmig an Kunden übermittelt werden mussten. Die Ereignisse, auf die man reagieren musste, waren überschaubar und das Netz tolerant. Heutzutage kommen verschiedene Faktoren (Energiebörse, dezentrale Kleinkraftwerke mit unregelmäßiger Einspeisung, witterungsabhängige Einspeisung) hinzu, die eine wesentlich bessere Zustandsüberwachung und wesentlich schnellere Reaktionen erfordern. Digitale Signalverarbeitung soll das ermöglichen durch Signalschätzung und Klassifikation. Nach der Schätzung der Parameter muss zum einen überprüft werden, ob die aktuelle Schätzung plausibel ist (fehlerhafte Schätzung), zum anderen muss die Schätzung auf Netzereignisse hin untersucht werden (z.B. ein Fehler im Netz). Als Ansatz hierfür sollen Kontrollkarten verwendet werden. Kontrollkarten sind - kurz gesagt - Wenn-Dann-Regeln, die etwa auf charakteristische Signaleigenschaften wie Mittelwert, Maximum, Zusammensetzung usw. reagieren und eine passende Reaktion auslösen. Diese Kontrollkarten eignen sich also sowohl zur Überwachung der Stabilität der Signalverarbeitung als auch zur Klassifizierung des Netzzustands. In dieser Arbeit soll sich der Student in die Kontrollkartentheorie einarbeiten und Ansätze entwickeln, wie diese in das bestehende Framework eingebaut werden kann. Dabei sollen beide Anwendungen berücksichtigt werden. Bestehende Regelmechanismen im Framework sollen ggf. ausgetauscht werden. Für dieses leicht interdisziplinäre Thema ist neben dem Interesse für die Signalverarbeitung auch ein Interesse an der Energiewirtschaft und der Statistik (Kontrollkarten) von Vorteil. Für die Implementierung wird z.B. MATLAB 2010b auf Linux x64 zur Verfügung gestellt. |
Control Charts for Recognizing EventsSupervisor: Matthias Lechtenberg (P1-04-217) Task description: Traditional power transmission systems were fairly easy. Some bigger power plants provided constant power generation, which was distributed uniformly to the customers. The events to be handled were clear and moderate. The network reacted tolerantly. Today, different influences (European Energy Exchange, peripheral small power generators, weather dependent generation) require a superior monitoring of the transmission system's state and quicker reaction to events. Digital signal processing shall enable signal estimation and classification. After estimating the parameters, the plausability of these estimation has to be evaluated (faulty estimation). In addition, the estimation has to be classified to identifiy events of the transmission system (e.g. line fault). For this, control charts shall be used. Control charts can be roughly described as If-Then-rules, which are triggered by charakteristic signal features like mean value, maximum, composition of signal frequencies and perform an according task. Control charts can be used to monitor the stability of signal processing as well as to classify the state of the transmission system. The student shall introduce himself to the control chart theory by e.g. literature. He shall develop approaches for integrating control charts in our current frame work. When doing this, both mentioned applications shall be considered. May be, existing control rules from the frame work can be replaced by control charts. For this interdisciplinary topic, the student should be interested in signal processing, at least a little in energy economy and statistics (control chart theory). The implementations can be done with MATLAB on a Linux x64 maschine. |
| Überblick/Overview | |