Electric and magnetic fields in the vicinity of strong sources of radiation (e.g. radar and broadcasting) can exceed the limits mentioned in the national standards for the exposition of persons. Field probes are needed to warn personnel if they are going too close to the RF-sources. For acceptance reasons the field probes should be universal in such a way that no user adjustment of frequency is required. The limits for power density, electric and magnetic field strength depend on the frequency. In contrast, field probes covering a large frequency range, e.g. 1 MHz to 18 GHz or even larger, normally have a flat frequency response. Therefore, the person using the field probe has to know the frequency of the electromagnetic field and to evaluate fieldstrength with respect to the frequency dependent limit value defined by law. Human mistakes while making that evaluation can lead to expositions above the limit value. On the other hand, the evaluation of the power density in the presence of multiple strong sources of radiation at different frequencies with different limit values also leads to measurement problems. A new approach has been undertaken to overcome these difficulties in the development of a rectifying field probe. It consists in shaping the antenna factor of the probe inversely proportional to the limit value. The isotropic response of field probes can be achieved, if three dipole antennas are arranged perpendicular to each other. The presence of dielectric supporting material leads to degradation of the isotropic response of such a field probe. The effect will be investigated. For typical substrates the isotropic response is degraded by up to 3.8 dB. An compensation for this effect will be proposed that leads to a residual unisotropic response of less than 0.2 dB.

In der vorliegenden Arbeit wird der Entwurf von Funkempfängern für digitale Modulation betrachtet. Dabei liegt der Schwerpunkt der Betrachtungen beim Finden einer geeigneten Empfängerarchitektur, der Spezifikation der einzusetzenden Bausteine, der Auswahl einer geeigneten Arbeitsfrequenz und eines passenden Modulationsverfahrens sowie der Festlegung einer dem Einsatzzweck angepaßten Datenrate. Ein wesentlicher Punkt ist die der Empfangsaufgabe angepaßte gewichtete Bekämpfung der auftretenden Störbeiträge. Dafür werden zunächst Grundlagen, wie wichtige Modulationsverfahren, Empfängerarchitekturen sowie Bestimmungsgleichungen für Parameter eingeführt. Darauf aufbauend wird eine allgemeingültige Methode zum Entwurf von Funkempfängern für digitale Modulation entwickelt. Diese Methode kann stets angewendet werden, wenn ein Empfänger für digitale Modulation entworfen werden soll. Wesentliche zu berücksichtigende Einsatzparameter und Randbedingungen werden an passender Stelle in den Entwurf einbezogen und eine entsprechend angepaßte Lösung wird weiterverwendet. Die Entwurfsmethode eignet sich sowohl für den freien Empfängerentwurf als auch für Entwürfe, die sich an der Einhaltung von Standards orientieren müssen. Der Kerngedanke besteht darin, das alle Störeinflüsse einen gleichgroßen Beitrag zur Signalverfälschung liefern sollen. Um dies zu erreichen, werden potentielle Störeinflüsse analysiert und entsprechend ihres Einflusses gewichtet zur weiteren Bestimmung der notwendigen Eigenschaften der Empfängerbaugruppen herangezogen. In der vorliegenden Arbeit wird hauptsächlich der allgemeine Anwendungsfall des freien nicht standardbezogenen Empfängerentwurfes betrachtet. Es wird aufgezeigt, wie durch die Analyse und entsprechende Berücksichtigung einer variablen Anzahl von Störeinflüssen die Eigenschaften der einzelnen Empfängerkomponenten jeweils bestmöglich eingestellt werden können. Diese Methode wird anschließend anhand von verschiedenartigen Beispielen weiter illustriert und ihre erfolgreiche Anwendbarkeit veranschaulicht. Anhand einer Mischerschaltung wird beispielhaft auf grundlegende Ansätze zur Verbesserung der Linearitätseigenschaften eingegangen. Dabei werden spezifische Unterschiede zwischen einer Superhet- bzw. einer Direktmischarchitektur hervorgehoben. Weiterhin wird eine Methode zur Wiederverwendung (Re-Use) von analogen Schaltungen oder ähnlichen Objekten vorgeschlagen. Dabei werden die Schaltungen anhand einer Vorgabe bewertet, und es wird eine Rangfolge aufgestellt. Damit ist gewährleistet, daß die der Vorgabe am besten entsprechende Schaltung gefunden werden kann, auch wenn eine 100%ige Übereinstimmung nicht gegeben ist. Die hierfür notwendigen Bewertungsalgorithmen werden ausführlich dargestellt und ihr jeweiliger Einsatz wird erläutert. Abschließend erfolgt eine überblicksweise Darstellung von Simulationswerkzeugen und -verfahren, die für den Empfängerentwurf bedeutsam sind. Dabei wird hauptsächlich auf die Verbindung von System- und Schaltungsentwurf eingegangen, und es werden bestehende Probleme dargelegt sowie vorhandene Lösungsmöglichkeiten aufgezeigt. Einige im Zusammenhang mit der Simulation interessante Modellierungsgesichtspunkte werden ebenfalls dargestellt.

In der vorliegenden Arbeit wird der Entwurf von Funkempfängern für digitale Modulation betrachtet. Dabei liegt der Schwerpunkt der Betrachtungen beim Finden einer geeigneten Empfängerarchitektur, der Spezifikation der einzusetzenden Bausteine, der Auswahl einer geeigneten Arbeitsfrequenz und eines passenden Modulationsverfahrens sowie der Festlegung einer dem Einsatzzweck angepaßten Datenrate. Ein wesentlicher Punkt ist die der Empfangsaufgabe angepaßte gewichtete Bekämpfung der auftretenden Störbeiträge. Dafür werden zunächst Grundlagen, wie wichtige Modulationsverfahren, Empfängerarchitekturen sowie Bestimmungsgleichungen für Parameter eingeführt. Darauf aufbauend wird eine allgemeingültige Methode zum Entwurf von Funkempfängern für digitale Modulation entwickelt. Diese Methode kann stets angewendet werden, wenn ein Empfänger für digitale Modulation entworfen werden soll. Wesentliche zu berücksichtigende Einsatzparameter und Randbedingungen werden an passender Stelle in den Entwurf einbezogen und eine entsprechend angepaßte Lösung wird weiterverwendet. Die Entwurfsmethode eignet sich sowohl für den freien Empfängerentwurf als auch für Entwürfe, die sich an der Einhaltung von Standards orientieren müssen. Der Kerngedanke besteht darin, das alle Störeinflüsse einen gleichgroßen Beitrag zur Signalverfälschung liefern sollen. Um dies zu erreichen, werden potentielle Störeinflüsse analysiert und entsprechend ihres Einflusses gewichtet zur weiteren Bestimmung der notwendigen Eigenschaften der Empfängerbaugruppen herangezogen. In der vorliegenden Arbeit wird hauptsächlich der allgemeine Anwendungsfall des freien nicht standardbezogenen Empfängerentwurfes betrachtet. Es wird aufgezeigt, wie durch die Analyse und entsprechende Berücksichtigung einer variablen Anzahl von Störeinflüssen die Eigenschaften der einzelnen Empfängerkomponenten jeweils bestmöglich eingestellt werden können. Diese Methode wird anschließend anhand von verschiedenartigen Beispielen weiter illustriert und ihre erfolgreiche Anwendbarkeit veranschaulicht. Anhand einer Mischerschaltung wird beispielhaft auf grundlegende Ansätze zur Verbesserung der Linearitätseigenschaften eingegangen. Dabei werden spezifische Unterschiede zwischen einer Superhet- bzw. einer Direktmischarchitektur hervorgehoben. Weiterhin wird eine Methode zur Wiederverwendung (Re-Use) von analogen Schaltungen oder ähnlichen Objekten vorgeschlagen. Dabei werden die Schaltungen anhand einer Vorgabe bewertet, und es wird eine Rangfolge aufgestellt. Damit ist gewährleistet, daß die der Vorgabe am besten entsprechende Schaltung gefunden werden kann, auch wenn eine 100%ige Übereinstimmung nicht gegeben ist. Die hierfür notwendigen Bewertungsalgorithmen werden ausführlich dargestellt und ihr jeweiliger Einsatz wird erläutert. Abschließend erfolgt eine überblicksweise Darstellung von Simulationswerkzeugen und -verfahren, die für den Empfängerentwurf bedeutsam sind. Dabei wird hauptsächlich auf die Verbindung von System- und Schaltungsentwurf eingegangen, und es werden bestehende Probleme dargelegt sowie vorhandene Lösungsmöglichkeiten aufgezeigt. Einige im Zusammenhang mit der Simulation interessante Modellierungsgesichtspunkte werden ebenfalls dargestellt.

Die Dissertation beschäftigt sich mit der gekoppelten Simulation von Klimaanlage, Regelung und Gebäude mit Hilfe des Simulationssystems TRNSYS. Während für das Gebäude ein vorhandenes TRNSYS Modul verwendet wird, wurden für Klimaanlage und Regelung neue Simulationsmodule entwickelt. Der Klimaanlagensimulator ist seinerseits modular aufgebaut enthält sowohl geometrisch physikalische und empirische als auch kombinierte Modelle für die Simulation von Ventilatoren, Lufterhitzern, Feuchtluftkühlern, Befeuchtern, Regeneratoren, Plattenwärmeüberträgern, Kreislaufwärmerückgewinnern, Ventilen, hydraulischen Schaltungen usw., die für die Simulation sehr variabel miteinander verschaltet werden können. Es wurden optimierte Regelstrategien für konventionelle und DEC-Anlagen entwickelt und entsprechende TRNSYS-Module zur Umsetzung in die Simulation programmiert. Für die Sequenzregelung mehrerer Größen (z.B. Temperatur, Feuchte) wurde ein frei programmierbarer Mehrsequenzregler entwickelt, der den scheinbaren Reglerstillstand über Verknüpfungen blockierter Stellglieder einer Regelsequenz verhindert. Die Qualität der Regelsequenzen wurde mit Hilfe eines über das Rosenbrockverfahren und der dynamischen Optimierung ermittelten optimalen Vergleichsprozesses bewertet.

Electric and magnetic fields in the vicinity of strong sources of radiation (e.g. radar and broadcasting) can exceed the limits mentioned in the national standards for the exposition of persons. Field probes are needed to warn personnel if they are going too close to the RF-sources. For acceptance reasons the field probes should be universal in such a way that no user adjustment of frequency is required. The limits for power density, electric and magnetic field strength depend on the frequency. In contrast, field probes covering a large frequency range, e.g. 1 MHz to 18 GHz or even larger, normally have a flat frequency response. Therefore, the person using the field probe has to know the frequency of the electromagnetic field and to evaluate fieldstrength with respect to the frequency dependent limit value defined by law. Human mistakes while making that evaluation can lead to expositions above the limit value. On the other hand, the evaluation of the power density in the presence of multiple strong sources of radiation at different frequencies with different limit values also leads to measurement problems. A new approach has been undertaken to overcome these difficulties in the development of a rectifying field probe. It consists in shaping the antenna factor of the probe inversely proportional to the limit value. The isotropic response of field probes can be achieved, if three dipole antennas are arranged perpendicular to each other. The presence of dielectric supporting material leads to degradation of the isotropic response of such a field probe. The effect will be investigated. For typical substrates the isotropic response is degraded by up to 3.8 dB. An compensation for this effect will be proposed that leads to a residual unisotropic response of less than 0.2 dB.

Die Dissertation beschäftigt sich mit der gekoppelten Simulation von Klimaanlage, Regelung und Gebäude mit Hilfe des Simulationssystems TRNSYS. Während für das Gebäude ein vorhandenes TRNSYS Modul verwendet wird, wurden für Klimaanlage und Regelung neue Simulationsmodule entwickelt. Der Klimaanlagensimulator ist seinerseits modular aufgebaut enthält sowohl geometrisch physikalische und empirische als auch kombinierte Modelle für die Simulation von Ventilatoren, Lufterhitzern, Feuchtluftkühlern, Befeuchtern, Regeneratoren, Plattenwärmeüberträgern, Kreislaufwärmerückgewinnern, Ventilen, hydraulischen Schaltungen usw., die für die Simulation sehr variabel miteinander verschaltet werden können. Es wurden optimierte Regelstrategien für konventionelle und DEC-Anlagen entwickelt und entsprechende TRNSYS-Module zur Umsetzung in die Simulation programmiert. Für die Sequenzregelung mehrerer Größen (z.B. Temperatur, Feuchte) wurde ein frei programmierbarer Mehrsequenzregler entwickelt, der den scheinbaren Reglerstillstand über Verknüpfungen blockierter Stellglieder einer Regelsequenz verhindert. Die Qualität der Regelsequenzen wurde mit Hilfe eines über das Rosenbrockverfahren und der dynamischen Optimierung ermittelten optimalen Vergleichsprozesses bewertet.

In der Dissertationsschrift wird ein neuartiges Konzept der Realisierung der Direkten Digitalen Frequenzsynthese (DDS) vorgestellt. Ausgehend von der analysierten Literatur werden das Wirkprinzip eines Standard-DDS-Synthesizer analysiert und Möglichkeiten zur Aufwandsreduktion untersucht. Ein neuartiger Ansatz zur Realisierung einer vollständig digitalen DDS ergibt sich in der Anwendung der Pulse-Output-DDS. Bei der Pulse-Output-DDS wird neben dem D/A-Wandler auch die Sinus-ROM-Tabelle aus dem prinzipiellen Aufbau der Standard-DDS entfernt. Ausgehend von einer derart modifizierten DDS-Struktur wird ein geeignetes DDS-Modell entwickelt, mit welchem alle auftretenden Synthesefehler systematisch erfaßt und bewertet werden können. Die gewonnenen Erkenntnisse über die prinzipbedingten Synthesefehler bilden die Grundlage für Erweiterungen der Pulse-Output-DDS mit deren Hilfe eine qualitative Verbesserung des synthetisierten Signals erreicht wird. Dabei steht vor allem die Anwendung von Verfahren der digitalen Signalverarbeitung im Vordergrund, die zu einer Verringerung bzw. Kompensation oder zu einer spektralen Veränderung des auftretenden DDS-Fehlersignals geeignet sind. Es werden die erreichbaren Verbesserungen, aber auch die theoretischen und praktischen Grenzen von folgenden Verfahren aufgezeigt: absolute Verringerung des DDS-Fehlersignals Dithering des DDS-Fehlersignals Rauschformung (Noise-Shaping) des Fehlersignalspektrums Insbesondere bei der Rauschformung werden unterschiedliche Ansätze untersucht und bewertet mit dem Ziel, ein optimales Verfahren für den Rauschformungsprozeß bei der Verwendung in einer Pulse-Output-DDS zu finden. Durch die echtzeitfähige Implementation eines erweiterten DDS-Systems in einem Standard-CMOS-Prozeß werden die gefundenen theoretischen Lösungen verifiziert.

In der Dissertationsschrift wird ein neuartiges Konzept der Realisierung der Direkten Digitalen Frequenzsynthese (DDS) vorgestellt. Ausgehend von der analysierten Literatur werden das Wirkprinzip eines Standard-DDS-Synthesizer analysiert und Möglichkeiten zur Aufwandsreduktion untersucht. Ein neuartiger Ansatz zur Realisierung einer vollständig digitalen DDS ergibt sich in der Anwendung der Pulse-Output-DDS. Bei der Pulse-Output-DDS wird neben dem D/A-Wandler auch die Sinus-ROM-Tabelle aus dem prinzipiellen Aufbau der Standard-DDS entfernt. Ausgehend von einer derart modifizierten DDS-Struktur wird ein geeignetes DDS-Modell entwickelt, mit welchem alle auftretenden Synthesefehler systematisch erfaßt und bewertet werden können. Die gewonnenen Erkenntnisse über die prinzipbedingten Synthesefehler bilden die Grundlage für Erweiterungen der Pulse-Output-DDS mit deren Hilfe eine qualitative Verbesserung des synthetisierten Signals erreicht wird. Dabei steht vor allem die Anwendung von Verfahren der digitalen Signalverarbeitung im Vordergrund, die zu einer Verringerung bzw. Kompensation oder zu einer spektralen Veränderung des auftretenden DDS-Fehlersignals geeignet sind. Es werden die erreichbaren Verbesserungen, aber auch die theoretischen und praktischen Grenzen von folgenden Verfahren aufgezeigt: absolute Verringerung des DDS-Fehlersignals Dithering des DDS-Fehlersignals Rauschformung (Noise-Shaping) des Fehlersignalspektrums Insbesondere bei der Rauschformung werden unterschiedliche Ansätze untersucht und bewertet mit dem Ziel, ein optimales Verfahren für den Rauschformungsprozeß bei der Verwendung in einer Pulse-Output-DDS zu finden. Durch die echtzeitfähige Implementation eines erweiterten DDS-Systems in einem Standard-CMOS-Prozeß werden die gefundenen theoretischen Lösungen verifiziert.