05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Radiation mitigation techniques for EIVE satellite mission payload computer(2022) Bischof, TobiasDie Satellitenmission ’Exploratory In-orbit Verification of an E/W-band link’ (EIVE) demonstriert die breitbandige Datenübertragung von der niedrigen Erdumlaufbahn zur Erde mit Datenraten von bis zu 15 Gbits−1.Umden korrekten Betrieb des EIVE-Satelliten sicherzustellen und die Strahlungseinwirkungen auf die Schaltung von EIVE zu reduzieren, sind Strahlungsminderungstechniken für den Nutzlastcomputer erforderlich. Daher untersucht diese Arbeit die Strahlungsminderungstechniken, Mechanismen für den Schutz des FPGA-Konfigurationsspeichers und implementiert robuste Kodierungsmechanismen der E/W-Band-Validierungsdateien. Die Untersuchungen und die implementierten Ansätze stehen dabei im Einklang mit den Leistungsbeschränkungen der Mission.Item Open Access FPGA implementation of an energy-efficient real-time image compression algorithm for the EIVE satellite mission(2021) Wiewel, FlorianIn this thesis three commonly used image compression algorithms are analyzed in terms of computational complexity, rate-distortion performance and execution time in order to find the most suitable basis for the implementation of an energy-efficient and real time image compression algorithm for the EIVE satellite mission. The selected algorithm is than modified to reduce its complexity while keeping its performance at a comparable level to the base algorithm. Afterwards the algorithm is implemented in the programmable logic part of a Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC device. Finally, the performance of the algorithm implemented on hardware is determined and compared to the performance of an implementation using a high-level scripting language and the performance of its base algorithm.Item Open Access Sensorfusion auf Basis maschinellen Lernens zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur(2024) Kuderna Melgar, DiegoDie genaue Bestimmung der Sperrschichttemperatur spielt eine elementare Rolle bei der Optimierung der Leistungsfähigkeiten sowie der Zuverlässigkeit von SiC (Silicon Carbide)-Leistungsmodulen. Im Rahmen der indirekten Bestimmung der Sperrschichttemperatur lassen sich Temperature Sensitive Electrical Parameters (TSEPs) einsetzen, die jedoch neben der Sperrschichttemperatur weitere Abhängigkeiten von elektrischen Größen aufweisen. Dies kann zu einer ungenauen Schätzung der Sperrschichttemperatur führen, weshalb diese Bestimmung robuster gestaltet werden muss. Ein Ansatz, um dies zu erreichen, stellt die Kombination mehrerer TSEPs dar, die im Anschluss mithilfe einer KI auf einem Mikrocontroller verarbeitet werden. In dieser Arbeit werden zwei unterschiedliche Ansätze aufgezeigt, um anhand von maschinellen Lernens die Sperrschichttemperatur eines Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFETs) auf Basis von TSEPs zu bestimmen. Hierzu werden die Werkzeuge NanoEdgeAI Studio sowie X-CUBE-AI eingesetzt, um die entwickelten Modelle auf einem STM32 Mikrocontroller zu implementieren. Ein Vergleich beider Ansätze zeigt, dass NanoEdgeAI Studio Modelle mit effizienterer Nutzung der Ressourcen des Mikrocontrollers ermöglicht. Im Gegensatz dazu erreichen in Python entwickelte Modelle in Kombination mit X-CUBE-AI ohne Quantisierung präzisere Schätzungen bei größerem Speicherbedarf. Im Kontext der Arbeit werden diverse Untersuchungen durchgeführt, um die Schätzgenauigkeit der betrachteten Modelle zu maximieren. Dazu gehören Ensemblebildung und Trainingsprozesse mit unterschiedlich großen Datensätzen sowie die Variation der Anzahl der Eingabesignale. So lässt sich zeigen, dass sich durch Bildung von Ensembles der R-Squared-Wert bei gleichzeitiger Reduktion des maximalen Fehlers erhöhen lässt. Durch Vergrößerung des Datensatzes lässt sich dieser Wert ebenfalls anheben und eine Steigerung durch die Kombination von TSEPs ist beobachtbar. Die realisierten Algorithmen erzielen unabhängig von der Qualität der gemessenen Signale höhere R-Squared-Werte als der traditionelle Ansatz, der lediglich einen elektrischen Parameter für die Schätzung der Sperrschichttemperatur einsetzt. Dieser beträgt 97,9% und der maximale Fehler weist einen Wert von 14K auf. So lässt sich durch die Kombination sämtlicher TSEPs ein Random Forest in NanoEdgeAI Studio entwickeln, der einen R-Squared-Wert von 99,03% erzielt, was einem Zuwachs von 1,13 Prozentpunkten entspricht. Überdies bemisst der maximale Fehler 8K, was 6K unter dem maximalen Fehlers des konventionellen Ansatzes liegt. Zusätzlich ermöglicht dieses Vorgehen die Bestimmung weiterer Parameter, exemplarisch lässt sich der Laststrom nennen.Item Open Access Search algorithm for the ground station antenna of the EIVE satellite(2023) Erdogan, Mustafa EfeSatellite technologies have rapidly become integral to modern life, used for broadcasting, navigation, communication, and Earth observation. As technology advances, satellites generate increasingly large volumes of data, presenting hardware challenges in terms of data storage and transmission due to limited power sources. To meet the escalating demand for high-capacity channels with high data rates, the EIVE project was initiated to explore the feasibility of using E-band frequencies (71-76 GHz) for satellite communication. EIVE, led by the University of Stuttgart in collaboration with various partners, aims to test data transfer capabilities in this uncharted frequency range. A key challenge is the establishment of a communication link between a ground station antenna and the LEO satellite in the EIVE project. This task is compounded by the ground station’s Cassegrain antenna with a narrow HPBW of 0.23° and a low achieved scanning area because of the LEO. To address these challenges, this research thesis introduces a CONSCAN based search algorithm, which expands the antenna’s scanning area by executing conical patterns around the satellite’s estimated trajectory. By using quaternion rotations and the Orekit library for trajectory estimation, this algorithm significantly enhances the search capabilities, increasing the scanning area in the sky. Furthermore, the research highlights the importance of continuous signal acquisition from the satellite for the planned data transfers. To tackle this issue, the groundwork for a tracking algorithm based on theMMTmethod is introduced to provide precise measurements of the satellite’s position, combining the MMT method with Kalman filters and GPS based methods. This novel method promises the improvement of the accuracy and stability of the system.Item Open Access Analyse einer analogen Millimeter-Wellen Vorverzerrung für Raumfahrtapplikationen(2021) Ufschlag, ThomasIm Rahmen der Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)-Microwave Theory & Techniques (MTT)-Sat-Challenge entwickelt das Institut für Robuste Leistungshalbleiter von der Universität Suttgart einen vor-verzerrten W-Band Galium-Nitrid (GaN) Halbleiterverstärker (SSPA, Solid-State Power Amplifier) mit zusätzlicher Effizienzsteigerung und passender GaN Gleichstrom (DC, Direct Current)-Versorgung für einen Cube-Sat. Diese Arbeit analysiert die Eignung analoger Vorverzerrungskonzepte für den Leistungsverstärker (PA, Power Amplifier) und unterstützt das Projekt hinsichtlich des „Proof of Concept“. Die eingesetzten Transistoren sind metamorphe Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (mHEMT) aus dem 50nm-Prozess des Fraunhofer Instituts für angewandte Festkörperphysik. Im Verlauf der Arbeit wird das Verhalten von Intermodulations (IM)-Produkten hinsichtlich Betrag und Phasenlage in Abhängigkeit der analogen Verstärkerklassen mittels einer Taylor-Reihe und Simulationen untersucht. Schwerpunkt der Analyse ist das Kleinsignal (SS, Small Signal)- und Großsignal (LS, Large Signal)-Verhalten der in-Band IM-Produkte dritter Ordnung (IM3).Item Open Access Aufbau eines Elektrolysegleichrichters in Parallel-Topologie(2019) Haarer, JörgIm Rahmen der studentischen Arbeit ist ein Gleichrichterkonzept für den Anwendungsbereich Wasserelektrolyse untersucht, aufgebaut und evaluiert worden, welches die günstigen Eigenschaften von Thyristor-basierten und selbstgeführten, Transistor-basierten Gleichrichtern verbinden soll. Ziel war dabei die Erprobung eines Konzepts, dass für einen weiten Betriebsbereich eines Elektrolyseurs günstige Eigenschaften bezüglich "Power-Quality" auf Netz- und Prozessseite bei insgesamt günstigem Wirkungsgrad ermöglicht.Item Open Access Investigation of flip-chip packaging for monolithic microwave integrated circuits(2021) Römhild, MartinIn dieser Forschungsarbeit wird Flip-Chip-Montage auf die Eignung für den Frequenzbereich bis 100GHz untersucht. Zuerst erfolgt eine theoretische Diskussion über die Wellenausbreitung in planaren Wellenleitern und den Stand der Technik in der Flip-Chip-Montage. Es werden zunächst die Simulationsergebnisse von regulären Flip-Chip-Übergängen und dem so genannten Hot-Via-Ansatz diskutiert. Anschließend wird ein in dieser Arbeit neu entwickelter Ansatz vorgestellt. Der neue Ansatz nutzt ein Zwischensubstrat wahlweise aus Quarzglas oder Alumina und zwei nacheinander erfolgende Flip-Chip-Bond Schritte. Der neue Ansatz zeigt äußerst breitbandiges Verhalten bis einschließlich 100GHz und geringe Einfügedämpfung. Außerdem werden on-Chip Messungen und die Nutzung von BEOL on-Chip Antennen durch die Struktur ermöglicht. Mit dem neuen Ansatz können Verbindungen von Leiterplatte zu Chip und zwischen verschiedenen Chips realisiert werden. Der neu entwickelte Ansatz zeigt sich robust gegenüber Fertigungstoleranzen in der Simulation. Die niedrigste Einfügedämpfung für eine Verbindung von Chip zu Chip beträgt 0:77 dB für eine Frequenz von 100GHz bei einer Leitungslänge von 2mm. Dies ist eine geringere Dämpfung als die Bonddrahtverbindung von [1]. Die Leitung, die diese Chips verbindet, hat eine Dämpfung von etwa 0:15 dB/mm, was zu einer Einfügedämpfung von 0:24 dB pro Übergang führt. Die Verbindung von Leiterplatte zu Chip zeigt eine minimale Einfügedämpfung von 0:58 dB bei 100 GHz. Um den vorgeschlagenen Ansatz herstellen zu können werden in dieser Arbeit zwei Prozesse vorgestellt. Die Prozesse nutzen Standardherstellverfahren der großflächigen Mikroelektronik und der Herstellung von Leiterplatten. Mögliche Limitierungen und Fehlerquellen der angesprochenen Flip-Chip Ansätze werden ebenfalls diskutiert.