05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Driver drowsiness monitoring using eye movement features derived from electrooculography(2016) Ebrahim, Parisa; Yang, Bin (Prof. Dr.-Ing.)The increase in vehicle accidents due to the driver drowsiness over the last years highlights the need for developing reliable drowsiness assistant systems by a reference drowsiness measure. Therefore, the thesis at hand is aimed at classifying the driver vigilance state based on eye movements using electrooculography (EOG). In order to give an insight into the states of driving, which lead to critical safety situations, first, driver drowsiness, distraction and different terminologies in this context are described. Afterwards, countermeasures as techniques for keeping a driver awake and consequently preventing car crashes are reviewed. Since countermeasures do not have a long-lasting effect on the driver vigilance, intelligent driver drowsiness detection systems are needed. In the recent past, such systems have been developed on the market, some of which are introduced in this study. As also stated in previous studies, driver state is quantifiable by objective and subjective measures. The objective measures monitor the driver either directly or indirectly. For indirect monitoring of the driver, one uses the driving performance measures such as the lane keeping behavior or steering wheel movements. On the contrary, direct monitoring mainly comprises the driver’s physiological measures such as the brain activities, heart rate and eye movements. In order to assess these objective measures, subjective measures such as self-rating scores are required. This study introduces these measures and discusses the concerns about their interpretation and reliability. The developed drowsiness assistant systems on the market are all based on driving performance measures. These measures presuppose that the vehicle is steered solely by the driver himself. As long as other assistance systems with the concept to keep the vehicle in the middle of the lane are activated, driving performance measures would make wrong decisions about warnings. The reason is what the sensors measure is a combination of the driver’s behavior and the activated assistance system. In fact, the drowsiness warning system cannot determine the contribution of the driver in the driving task. This underscores the need for the direct monitoring of the driver. Previous works have introduced the drop of the alpha spindle rate (ASR) as a drowsiness indicator. This rate is a feature extracted out of the brain activity signals during the direct monitoring the driver. Additionally, ASR was shown to be sensitive to driver distraction, especially a visual one with an counteracting effect. We develop an algorithm based on eye movements to reduce the negative effect of the driver visual distraction on the ASR. This helps to partially improve the association of ASR with the driver drowsiness. Since the focus of this study is on driver eye movements, we introduce the human visual system and describe the idea of what and where to define the visual attention. Further, the structure of the human eye and relevant types of eye movements during driving are defined. We also categorize eye movements into two groups of slow and fast eye movements. We show that blinks, in principle, can belong to both of these groups depending on the driver’s vigilance state. EOG as a tool to measure the driver eye movements allows us to distinguish between drowsiness or distraction-related and driving situation dependent eye movements. Thus, in a pilot study, an experiment under fully controlled conditions is carried out on a proving ground to investigate the relationship between driver eye movements and different real driving scenarios. In this experiment, unwanted head vibrations within EOG signals and the sawtooth pattern (optokinetic nystagmus, OKN) of eyes are realized as situation dependent eye movements. The former occurs due to ground excitation and the latter happens during small radius (50m) curve negotiation. The statistical investigation expresses a significant variation of EOG due to unwanted head vibrations. Moreover, an analytical model is developed to explain the possible relationship of KON and tangent point of the curve. The developed model is validated against the real data on a high curvature track. In order to cover all relevant eye movement patterns during awake and drowsy driving, different experiments are conducted in this work including daytime and nighttime experiments under real road and simulated driving conditions. Based on the measured signals in the experiments, we study different eye movement detection approaches. We, first, investigate the conventional blink detection method based on the median filtering and show its drawback in detecting slow blinks and saccades. Afterwards, an adaptive detection approach is proposed based on the derivative of the EOG signal to simultaneously detect not only the eye blinks, but also other driving-relevant eye movements such as saccades and microsleep events. Moreover, in spite of the fact that drowsiness influences eye movement patterns, the proposed algorithm distinguishes between the often confused driving-related saccades and decreased amplitude blinks of a drowsy driver. The evaluation of results shows that the presented detection algorithm outperforms the common method based on median filtering so that fast eye movements are detected correctly during both awake and drowsy phases. Further, we address the detection of slower eye blinks, which are referred to as typical patterns of the drowsiness, by applying the continuous wavelet transform to EOG signals. In our proposed algorithm, by adjusting parameters of the wavelet transform, fast and slow blinks are detected simultaneously. However, this approach suffers from a larger false detection rate in comparison to the derivative-based method. As a result, for blink detection in this work, a combination of these two methods is applied. To improve the quality of the collected EOG signals, the discrete wavelet transform is benefited to remove noise and drift. For the noise removal, an adaptive thresholding strategy within the discrete wavelet transform is proposed which avoids sacrificing noise removal for saving blink amplitude or vice versa. In previous research, driver eye blink features (blink frequency, duration, etc.) have shown to be correlated to some extent with drowsiness. Hence, within a level of uncertainty they can contribute to driver drowsiness warning systems. In order to improve such systems, we investigate characteristics of detected blinks with respect to their different origins. We observed that in a real road experiment, blinks occur both spontaneously or due to gaze shifts. Gaze shifts between fixed positions, which occurred due to secondary visuomotor task, induced and modulated the occurrence of blinks. Moreover, the direction of the gaze shifts affected the occurrence of such blinks. Based on the eye movements during another experiment in a driving simulator without a secondary task, we found that the amount of gaze shifts (between various positions) is positively correlated with the probability of the blink occurrence. Therefore, we recommend handling gaze shift-induced blinks (e.g. during visual distraction) differently from those occurring spontaneously in drowsiness warning systems that rely solely on the variation of blink frequency as a driver state indicator. After studying dependencies between blink occurrence and gaze shifts, we extract 19 features out of each detected blink event of 43 subjects collected under both simulated and real driving conditions during 67 hours of both daytime and nighttime driving. This corresponds to the largest number of extracted eye blink features and the largest number of subjects among previous studies. We propose two approaches for aggregating features to improve their association with the slowly evolving drowsiness. In the first approach, we solely investigate parts of the collected data which are best correlated with the subjective self-rating score, i.e. Karolinska Sleepiness Scale. In the second approach, however, the entire data set with the maximum amount of information regarding driver drowsiness is scrutinized. For both approaches, the dependency between single features and drowsiness is studied statistically using correlation coefficients. The results show that the drowsiness dependency to features evolves to a larger extent non-linearly rather than linearly. Moreover, we show that for some features, different trends with respect to drowsiness are possible among different subjects. Consequently, we challenge warning systems which rely only on a single feature for their decision strategy and underscore that they are prone to high false alarm rates. In order to study whether a single feature is suitable for predicting safety-critical events, we study the overall variation of the features for all subjects shortly before the occurrence of the first unintentional lane departure and first unintentional microsleep in comparison to the beginning of the drive. Based on statistical tests, before the lane departure, most of the features change significantly. Therefore, we justify the role of blink features for the early driver drowsiness detection. However, this is not valid for the variation of features before the microsleep. We also focus on all 19 blink-based features together as one set. We assess the driver state by artificial neural network, support vector machine and k-nearest neighbors classifiers for both binary and multi-class cases. There, binary classifiers are trained both subject-independent and subject-dependent to address the generalization aspects of the results for unseen data. For the binary driver state prediction (awake vs. drowsy) using blink features, we have attained an average detection rate of 83% for each classifier separately. For 3-class classification (awake vs. medium vs. drowsy), however, the result was only 67%, possibly due to inaccurate self-rated vigilance states. Moreover, the issue of imbalanced data is addressed using classifier-dependent and classifier-independent approaches. We show that for reliable driver state classification, it is crucial to have events of both awake and drowsy phases in the data set in a balanced manner. The reason is that the proposed solutions in previous researches to deal with imbalanced data sets do not generalize the classifiers, but lead to their overfitting. The drawback of driving simulators in comparison to real driving is also discussed and to this end we perform a data reduction approach as a first remedy. As the second approach, we apply our trained classifiers to unseen drowsy data collected under real driving condition to investigate whether the drowsiness in driving simulators is representative of the drowsiness under real road conditions. With an average detection rate of about 68% for all classifiers, we conclude their similarity. Finally, we discuss feature dimension reduction approaches to determine the applicability of extracted features for in-vehicle warning systems. On this account, filter and wrapper approaches are introduced and compared with each other. Our comparison results show that wrapper approaches outperform the filter-based methods.Item Open Access Decentralized interference coordination for the downlink of fully loaded heterogeneous wireless networks(2019) Bleicher, Zarah M. L.; Speidel, Joachim (Prof. Dr.-Ing.)The relentless evolution towards an overwhelming increase of mobile data traffic, where mobile phone subscribers demand the highest data rates and comprehensive coverage presents current and future mobile communication networks with demanding requirements. Previous homogeneous networks were mostly designed to optimize the sum capacity and peak data rates rather than take the individual user experience into account, and therefore failed to meet these requirements. Multi-layer networks, also known as heterogeneous networks, can improve the coverage and capacity of the cellular network and bring the network closer to the user. Moreover, the introduction of the smaller cells into the macro cellular network can improve the performance, especially in hotspots and indoors, which results in a better user experience. Frequency spectrum is rare and valuable, thus solely adding further bandwidth does not meet the demand. However, when reusing the bandwidth, inter-cell interference from neighboring cells leads to performance degradations, in particular for users located at the cell edges. Within a multi-layer network, additional and even more dynamic interference is present, caused by different kinds of cells, like macro-, pico-, femtocells, and relays. Therefore, addressing the interference issue is essential. This thesis examines suitable interference coordination algorithms and introduces an advanced interference coordination technique for heterogeneous networks. Whereas current techniques require significant communication between base stations, reduce the available bandwidth notably or do not consider interference between the small cells, the advanced technique is located in the small cells with only marginal information exchange. Its performance is investigated by means of computer simulations for fully loaded heterogeneous networks on the system layer. As a result, the proposed technique reduces the impact on the surrounding cells significantly, making in-home communication services attractive, leading to a tremendous advantage for service providers as well as the end-user.Item Open Access Rehearsal-based continual learning with deep neural networks for image classification(2024) Wiewel, Felix; Yang, Bin (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Dependable reconfigurable scan networks(2022) Lylina, Natalia; Wunderlich, Hans-Joachim (Prof.)The dependability of modern devices is enhanced by integrating an extensive number of extra-functional instruments. These are needed to facilitate cost-efficient bring-up, debug, test, diagnosis, and adaptivity in the field and might include, e.g., sensors, aging monitors, Logic, and Memory Built-In Self-Test (BIST) registers. Reconfigurable Scan Networks (RSNs) provide a flexible way to access such instruments as well the device's registers throughout the lifetime, starting from post-silicon validation (PSV) through manufacturing test and finally during in-field operation. At the same time, the dependability properties of the system can be affected through an improper RSN integration. This doctoral project overcomes these problems and establishes a methodology to integrate dependable RSNs for a given system considering the most relevant dependability aspects, such as robustness, testability, and security compliance of RSNs.Item Open Access Investigation of machine learning approaches for image-based response prediction to immunotherapy of late-stage malignant melanoma patients(2026) Liebgott, Annika; Yang, Bin (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Integrierte gestapelte CMOS-Schaltverstärker für den Mobilfunk(2019) Bieg, Robert; Berroth, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Die Entwicklung der Mobilfunkkommunikation entwickelt sich zur Übermittlung immer höherer Datenraten. Dies wird erreicht, indem zum einen höherwertige Modulationsverfahren eingesetzt werden und zum anderen die Signalbandbreite erhöht wird. So sind in der aktuellen Spezifikation vom zukünftigen Mobilfunkstandard NR (engl. new radio)/5G Signalbandbreiten bis zu 100 MHz ohne Kanalaggregation vorgesehen. Zum Vergleich beträgt die maximale Bandbreite eines Kanals beim aktuellen Mobilfunkstandard LTE/E-UTRA/4G 20 MHz. Diese zwei Punkte führen bei den heutigen hauptsächlich linearen Verstärkerarchitekturen zu folgenden Problemen: durch die höherwertigen Modulationsverfahren steigert sich das Verhältnis der maximalen zur mittleren Leistung der Signale. Dadurch müssen die linearen Verstärker im Mittel mit einer geringeren Ausgangsleistung als maximal möglich betrieben werden, um Verzerrungen im Ausgangssignal zu vermeiden. In diesem Betrieb sind lineare Verstärker aber zunehmend ineffizient. Verstärkerarchitekturen wie Doherty-Verstärker oder Outphasing-Verstärker können die Effizienz der linearen Ausgangsstufe zwar wieder erhöhen, allerdings auf Kosten eines Ausgangsfilters, welcher die Bandbreite des Verstärkers limitiert. Dies wirkt der gewünschten Erhöhung der Bandbreite für zukünftige Mobilfunkstandards entgegen. Schaltverstärker, welche auch als digitale Verstärker bezeichnet werden, haben diese Problematik nicht. Nach Überführung des Eingangssignals in eine Pulsfolge können die Pulse verstärkt werden. Hierbei muss statt des Verhältnisses der maximalen zur mittleren Leistung die Kodiereffizienz berücksichtigt werden. Bei der Verstärkung der Pulse hat ein Schaltverstärker dabei prinzipbedingt eine sehr hohe Bandbreite. Ein weiterer Vorteil ist die theoretisch verlustlose Verstärkung der Pulse. Im Vergleich ist die maximal mögliche Effizienz von linearen Verstärkern bereits theoretisch begrenzt. Aus diesem Grund sind Schaltverstärker ein interessanter Forschungsgegenstand im Hinblick auf zukünftige Mobilfunkgenerationen. In dieser Arbeit werden deshalb integrierte Schaltverstärker untersucht. Bei der Wahl der Technologie wird ein CMOS-Knoten gewählt. Diese Silizium-Technologie ist im Vergleich zu den Alternativen kostengünstiger und der 65 nm-Knoten bietet ausreichend hohe Schaltgeschwindigkeiten, um den unteren Frequenzbereich von NR zumindest teilweise abdecken zu können. Vorteilhaft ist zudem die Möglichkeit der gemeinsamen Integration mit einem CMOS-Signalprozessor. Aus diesen Gründen werden die integrierten Schaltungen dieser Arbeit in der 65 nm-CMOS-Technologie von ST Microelectronics entwickelt. Ein Problem der Transistoren in dieser Technologie ist die geringe Durchbruchspannung, mit welcher ohne Anpassnetzwerke kaum Ausgangsleistung erzeugt werden kann. Um den Ausgangshub erhöhen zu können, werden die Transistoren gestapelt angeordnet. Diese gestapelten Strukturen sind Kern dieser Arbeit.Item Open Access Modulationsdotierte Germanium-MOSFETs für den Spin-Transport in zweidimensionalen Lochgasen(2023) Weißhaupt, David; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)Die Halbleiter-Spintronik beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Bauelementkonzepte, die den intrinsischen Spin-Freiheitsgrad des Elektrons ausnutzen. Dabei werden spin-basierte Logik-Bauelemente aufgrund des geringen Energiebedarfs zum Umschalten der Spin-Orientierung als aussichtsreiche Kandidaten für zukünftige Transistor-Anwendungen diskutiert. Anzuführen sind hierfür beispielsweise der Spin-Feldeffekttransistor (FET) nach Datta und Das sowie der Spin-Metall-Oxid-Halbleiter-FET von Sugahara und Tanaka. Für diese Bauteilkonzepte müssen jedoch vier grundlegende Komponenten beherrscht werden: Die Spin-Information muss in den Halbleiter eingebracht (Spin-Injektion), transportiert sowie evtl. manipuliert (Spin-Transport & Spin-Manipulation) und final wiederum detektiert (Spin-Detektion) werden. Für die Integration dieser Bauelemente in die bestehende komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie ist eine elektrische Spin-Injektion bzw. Spin-Detektion notwendig. Die Realisierung von halbleiterbasierten spintronischen Bauelementen erfordert allerdings ein Materialsystem, das gute Spin-Transporteigenschaften sowie eine starke Spin-Bahn-Wechselwirkung für eine potenzielle Spin-Manipulation aufweist. Als vielversprechendes System hat sich hier das zwei-dimensionale Lochgas (engl. „two-dimensional hole gas“, 2DHG), welches in einer Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur gebildet wird, erwiesen. Trotz der guten Eignung dieses Systems konnte bisher noch keine elektrische Spin-Injektion demonstriert werden, hauptsächlich wegen der Schwierigkeit, zuverlässige ferromagnetische Kontakte mit dem vergrabenen 2DHG herzustellen. Diese Arbeit befasst sich nun mit der elektrischen Spin-Injektion und Spin-Detektion in ein hochbewegliches (µ = (3,02 ± 0,01) ⋅ 10^4 cm^2/Vs) Ge 2DHG. Die für das Ge 2DHG zugehörige Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur wurde dabei mittels Molekularstrahlepitaxie epitaktisch auf einem Si-Substrat gezüchtet. Um dieses Ziel zu erreichen, werden verschiedene Untersuchungsschwerpunkte adressiert. Zunächst werden zur Optimierung der Spin-Transporteigenschaften unterschiedliche Designs der Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur auf der (100) Kristallorientierung untersucht. Dazu wurden anhand von Hall-Strukturen Tieftemperaturmagnetwiderstandsmessungen durchgeführt. Hierbei werden Shubnikov-de Haas Oszillationen beobachtet, aus denen die Ladungsträgerdichte, effektive Masse und Quantenstreuzeit des Ge 2DHGs extrahiert werden. Das daraus resultierende optimierte Design mit einer Modulationsdotierung von N_A = 5 ⋅ 10^17 cm^-3 und einer Ge-Quantentopf (engl. „quantum well“, QW) Dicke von d = 15 nm wird dann auf die (111) Kristallorientierung übertragen. Für die elektrische Spin-Injektion und Spin-Detektion werden als ferromagnetischen Kontakt dünne Mn5Ge3-Schichten, die mittels Interdiffusion direkt in den Ge-QW wachsen, benutzt. Dazu wird vor der Bildung der Kontakte die gesamte Si1-xGex-Deckschicht oberhalb des Ge-QWs mithilfe eines Trocken-Ätzprozesses entfernt. Zur Untersuchung der magnetischen Eigenschaften werden die so hergestellten Mn5Ge3-Mikromagnete mit einem supraleitenden Quanteninterferenzmagnetometer analysiert. Dabei konnte nur für die (111) Kristallorientierung die ferromagnetische Natur der gewachsenen Mn5Ge3-Schicht nachgewiesen werden. Durch die Variation der Formanisotropie ergeben sich unterschiedliche Koerzitivfeldstärken. Der Nachweis der elektrischen Spin-Injektion erfolgt schließlich anhand von Magnetwiderstandsmessungen an lateralen Mn5Ge3/Ge 2DHG/Mn5Ge3 Spin-Ventil Bauelementen. Dazu werden die zuvor untersuchten ferromagnetischen Mn5Ge3-Kontakte in einem Abstand von ca. l ≈ 135 nm im vergrabenen Ge-QW platziert. Die Experimente zeigen einen Riesenmagnetowiderstand (engl. „giant magneto resistance“, GMR) als Nachweis einer erfolgreichen elektrischen Spin-Injektion. Neben der elektrischen Spin-Injektion beinhaltet das auch den Spin-Transport im Ge 2DHG sowie die finale Spin-Detektion am zweiten ferromagnetischen Mn5Ge3-Kontakt. In Übereinstimmung zu den Spin-Transportuntersuchungen zeigt das GMR-Signal eine starke Abhängigkeit von der Temperatur und konnte bis zu einer maximalen Temperatur von T = 13 K beobachtet werden. Neben der elektrischen Spin-Injektion und Spin-Detektion wird für die Realisierung von Spin-Transistoren eine funktionierende Gate-Technologie vorausgesetzt. Um diese zu demonstrieren, werden zunächst auf Basis des Ge 2DHGs klassische modulationsdotierte Feldeffekttransistoren (MODFET) hergestellt und elektrisch charakterisiert. Mit einem An-Aus-Verhältnis von I_ON/I_OFF = 3,2⋅10^6 bei einer Steilheit von SS = 64 mV⁄dec könnte der Ge 2DHG MODFET unabhängig von der Halbleiter-Spintronik auch für zukünftige Tieftemperaturanwendungen interessant sein. Der Spin-FET nach Datta und Das würde dann durch das Tauschen der Source-Drain-Kontakte in ferromagnetische Mn5Ge3-Kontakte entstehen. Technologisch bedingt sind im Rahmen dieser Arbeit allerdings nur Transistoren mit einer minimalen Gate-Länge von L = 1 µm herstellbar. Da der Spin im Ge 2DHG über diese Länge nicht transportiert werden kann, ist die Realisierung eines Spin-Transistors technologiebedingt nicht möglich.Item Open Access Un-coordinated multi-user and inter-cell interference alignment based on partial and outdated information for large cellular networks(2016) Aziz, Danish; Speidel, Joachim (Prof. Dr.-Ing.)The cellular networks have gone through rapid evolution during the past decade. However, their performance is still limited due to the problem of interference. Therefore, interference management in current and future cellular networks is still an ongoing research topic. Interference Alignment is one of the techniques to manage the interference efficiently by using "align" and "suppression" strategy. In the first part of this thesis we focus on Coordinated inter cell interference alignment in a large cellular network. We assess the performance of interference alignment based transmit precoding under specific receiver strategies and coordination scenarios by comparing with different state of the art precoding schemes. We continue our assessment by considering imperfect channel state information at the transmitter. The results show that the gains of coordinated alignment based transmission are very sensitive to the receiver strategies and imperfections as compared to the other precoding schemes. However, in case of the availability of good channel conditions with very slow moving users, coordinated interference alignment outperforms the other baselines even with imperfect channel state information. In addition to that, we propose efficient user selection methods to enhance the performance of coordinated alignment. The results of our assessment draws important conclusions about the application of coordinated interference alignment in practical systems. In the second part of the thesis we consider a cellular system where each cell is serving multiple users simultaneously using the same radio resource. In this scenario, we have to manage not only the inter cell interference but also the multi user interference. For this purpose, we propose a novel Uncoordinated transmit precoding scheme for multi user cellular networks which is based on the alignment of multi user interference with partial and outdated inter cell interference. We show analytically that our scheme approaches the performance optimal transmission scheme. With the help of simulations we show that our proposal outperforms the state of the art non-alignment based multi user transmit precoding schemes We further propose user selection methods which exploit the diversity gains and improve the system spectral efficiency. In order to assess the feasibility of our proposal in a real system, we evaluate our scheme with practical constraints like imperfect information at the transmitter and limited feedback in uplink channel. For the proof of concept we also evaluate the performance of our scheme with measured channels using a software defined measurement platform. Finally, we also assess the application of our proposal in future heterogeneous networks. The outcome of our efforts states that as an interference alignment based transmission scheme, our scheme is a good candidate to manage the two dimensional interference in multi user cellular networks. It outperforms the non-alignment baselines in many scenarios even with practical constraints.Item Open Access Efficient modeling and computation methods for robust AMS system design(2018) Gil, Leandro; Radetzki, Martin (Prof. Dr.-Ing.)This dissertation copes with the challenge regarding the development of model based design tools that better support the mixed analog and digital parts design of embedded systems. It focuses on the conception of efficient modeling and simulation methods that adequately support emerging system level design methodologies. Starting with a deep analysis of the design activities, many weak points of today’s system level design tools were captured. After considering the modeling and simulation of power electronic circuits for designing low energy embedded systems, a novel signal model that efficiently captures the dynamic behavior of analog and digital circuits is proposed and utilized for the development of computation methods that enable the fast and accurate system level simulation of AMS systems. In order to support a stepwise system design refinement which is based on the essential system properties, behavior computation methods for linear and nonlinear analog circuits based on the novel signal model are presented and compared regarding the performance, accuracy and stability with existing numerical and analytical methods for circuit simulation. The novel signal model in combination with the method proposed to efficiently cope with the interaction of analog and digital circuits as well as the new method for digital circuit simulation are the key contributions of this dissertation because they allow the concurrent state and event based simulation of analog and digital circuits. Using a synchronous data flow model of computation for scheduling the execution of the analog and digital model parts, very fast AMS system simulations are carried out. As the best behavior abstraction for analog and digital circuits may be selected without the need of changing component interfaces, the implementation, validation and verification of AMS systems take advantage of the novel mixed signal representation. Changes on the modeling abstraction level do not affect the experiment setup. The second part of this work deals with the robust design of AMS systems and its verification. After defining a mixed sensitivity based robustness evaluation index for AMS control systems, a general robust design method leading to optimal controller tuning is presented. To avoid over-conservative AMS system designs, the proposed robust design optimization method considers parametric uncertainty and nonlinear model characteristics. The system properties in the frequency domain needed to evaluate the system robustness during parameter optimization are obtained from the proposed signal model. Further advantages of the presented signal model for the computation of control system performance evaluation indexes in the time domain are also investigated in combination with range arithmetic. A novel approach for capturing parameter correlations in range arithmetic based circuit behavior computation is proposed as a step towards a holistic modeling method for the robust design of AMS systems. The several modeling and computation methods proposed to improve the support of design methodologies and tools for AMS system are validated and evaluated in the course of this dissertation considering many aspects of the modeling, simulation, design and verification of a low power embedded system implementing Adaptive Voltage and Frequency Scaling (AVFS) for energy saving.Item Open Access Optische Messsysteme und Ein-Sensor-Bildgebungsverfahren für Biosensoren(2024) Berner, Marcel; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die vorliegende Arbeit präsentiert die Entwicklung mehrerer Messsysteme und -verfahren für optische Biosensoranwendungen. Der erste Teil dieser Arbeit entwirft eine universelle experimentelle Plattform für die Erprobung neuer optischer Biosensorkonzepte nach dem Prinzip der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF). Die Plattform unterstützt das europäische Forschungsprojekt Nanodem bei der Entwicklung eines portablen Point-of-Care-Testing-Gerätes (PoCT) zur Live-Überwachung von Immunsuppressivakonzentrationen im Blut von Transplantationspatienten unmittelbar am Patientenbett. Das in dieser Arbeit entwickelte Plattformkonzept umfasst die optoelektronische Fluoreszenzanregung und -detektion, optische Filtersysteme, den fluoreszenten Farbstoff, das Materialsystem der Transducerchips, das Mikrofluidiksystem sowie die Automatisierung der Ablaufsteuerung. Der Ausgangspunkt der Entwicklung ist die Herleitung eines allgemeinen physikalischen Modells für LIF-Systeme, an dem sich die Konstruktion der Plattform orientiert. Das in Kooperation mit der Eberhard Karls Universität Tübingen entworfene Transducerchipkonzept auf der Basis lasergeschnittener Klebebänder gestattet eine hohe Flexibilität bezüglich der Geometrie und des Aufbaus der Transducerchips und unterstützt den Technologietransfer akademischer Forschungsergebnisse in die industrielle Fertigung. Die entworfenen Photodetektorarrays aus amorphem Silizium lassen sich dank leicht adaptierbarer Herstellungsprozesse kosteneffizient auf beliebige Biosensorgeometrien anpassen. Die erreichte spezifische Detektivität D* = 11 × 10^12 Jones der Detektoren liegt dabei auf Augenhöhe mit der von State-of-the-Art-Detektoren aus kristallinem Material. Die erzielte Detektionsgrenze von c_{LOD,exp} = 26 nmol/l. Weiter bestätigen die experimentellen Messdaten das aufgestellte physikalische Modell. Der zweite Teil dieser Arbeit zeigt ein neues optisches Verfahren zur ortsaufgelösten Messung, das eine Vielzahl von Bildpunkten simultan mit nur einem einzigen optischen Sensor beobachtet. Das Verfahren nutzt hierzu ortsaufgelöste Lichtmodulatoren (Spatial Light Modulators - SLMs), um eine ortsabhängige optische Modulation zu erzeugen. Die erzeugten optischen Trägersignale gestatten die Zuordnung der als Summensignal empfangenen Signale zu ihren Ursprungspunkten. Der sogenannte Fourier Spotter macht sich dabei die mathematischen Eigenschaften der Fourier-Transformation zunutze. Durch die Anwendung zueinander phasenverschobener Modulationssignale gestattet der Fourier Spotter zudem die unmittelbare Messung von Helligkeitsdifferenzen zwischen unterschiedlichen Beobachtungspunkten. Dieses differentielle optische Messprinzip ist der Kern eines bereits erteilten Patents des Autors mit der Universität Stuttgart. Das neuartige optische Messprinzip eignet sich für die Integration in optische Biosensor-Verfahren, wie etwa die Einwellenlängenreflektometrie (engl. Single Color Reflectometry - SCORE), welche derzeit noch auf teure Spezialkameras angewiesen sind. Herkömmliche Kamerasysteme erzeugen hohe Datenmengen, deren Auswertung erhebliche Rechenleistung in Anspruch nimmt und damit der Weiterentwicklung hin zu miniaturisierten, portablen Biosensorplattformen entgegensteht. Die vorliegende Arbeit präsentiert einen erfolgreichen experimentellen Machbarkeitsnachweis des Fourier Imagers anhand von Helligkeitsdifferenzmessungen an einem SCORE-Aufbau. Eine zukünftige Erweiterung des Fourier Spotters um ein Zeilenspektrometer erlaubt neben der ortsaufgelösten Beobachtung auch eine simultane Erfassung der optischen Spektren jedes einzelnen beobachteten Punktes. Durch diese hyperspektrale Erweiterung wird die erstmalige Umsetzung einer auf der reflektometrischen Interferenzspektroskopie (RIfS) basierenden mehrkanaligen optischen Biosensorplattform möglich. Der dritte Teil dieser Arbeit verallgemeinert das Prinzip des Fourier Spotters und überführt dieses in ein Ein-Pixel-Kamera-Verfahren - das AM-FDM Imaging (engl. Amplitude Modulated Frequency Division Multiplexing). Das AM-FDM Imaging basiert auf der Anwendung von Näherungsverfahren, die ein Übersprechen zwischen den Trägersignalen minimieren. Das aufgestellte systemtheoretische Modell des AM-FDM Imaging umfasst auch das Fourier Spotting und erlaubt den Vergleich mit Rasterscans sowie bereits bekannten Ein-Pixel-Kamera-Verfahren wie dem Hadamard Imaging. Ist das Signal-zu-Rausch-Verhältnis durch das Rauschen des Detektorsystems begrenzt, so erreicht das AM-FDM Imaging einen sogenannten Multiplexgewinn amult = O(M) in der Größenordnung der Anzahl simultan beobachteter Bildpunkte M. Mit den derzeit eingesetzten Näherungsverfahren erreicht das AM-FDM Imaging hinsichtlich des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses, der Anzahl simultan beobachtbarer Bildpunkte und der erzielbaren Bildwiederholrate nicht die Leistungsfähigkeit des bei Ein-Pixel-Imaging-Verfahren vorherrschenden Hadamard Imagings. Die in dieser Arbeit diskutierten Verwandtschaftsverhältnisse des AM-FDM Imagings zu anderen bekannten Ein-Pixel-Kamera-Verfahren legen jedoch die Vermutung nahe, dass ein bisher unbekanntes Näherungsverfahren existiert, das das AM-FDM Imaging mit dem Hadamard Imaging gleichstellt. Die Ergebnisse des systemtheoretischen Modells wurden mittels Simulation in Matlab bestätigt und gelten auch für den Fourier Spotter. Damit zeigen die Ergebnisse auf, dass im SCORE-Anwendungsfall eine Modulation nach dem Prinzip des Hadamard Imagings vorteilhafter ist. Das erteilte Patent zum optisch differentiellen Messverfahren schließt auch eine differentielle Variante des Hadamard Imagings mit ein. Gegenüber der Differenzwertbestimmung aus gemessenen Absolutwerten verdoppelt das differentielle Messverfahren wahlweise das Signal-zu-Rauschleistungs-Verhältnis oder die Bildwiederholrate des Hadamard Imagings.