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Themenmodul I Vertiefungsfächer Elektrotechnik

Credits	Workload	Kontaktzeit	Selbststudium	Dauer	Semester-Zeitraum
15 CP	450 h	12 SWS (180 h)	270 h		1	2	3	4	5	6

Lehrveranstaltungen

Lernergebnisse / Kompetenzen

Elektrizitätsversorgungssystem (alter Name: Einführung in die Elektrizitätsversorgung): Verständnis für den Aufbau der Elektrizitätsversorgungssystems und die Teilbereiche Erzeugung, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie entwickeln

Komponenten und Anlagen der Elektrizitätsversorgung: LösungsprozessefürzukünftigeEnergieprozesse definieren und bewerten können

Schaltungstechnik I: Die Studierenden sollen

• die Analyse linearer Netzwerke und der Vierpoltherie erlernen
• Grundlagen der Schaltungssimulation verstehen
• Modelle, Gleichungen, Ersatzschaltbilder und Aufbau von MOS und Bipolartransistoren kennen und sicher verwenden können
• Transistor-Grundschaltungen analysieren und berechnen können

Grundgebiete der Informatik III: Die Studenten sollen vertiefte Kenntnisse in Algorithmen und Datenstrukturen erlangen sowie wichtige Optimierungsprobleme und -verfahren kennen und beherrschen. Sie sollen wichtige Methoden, Prozesse systematisch zu modellieren, grundlegend beherrschen. Die Studenten sollen die wichtigsten Elemente und Eigenschaften von Mehrprozessorsystemen sowie der Kommunikation in Netzwerken kennen und verstehen.

Kommunikationsnetze: Verständnis der Architektur wichtiger Kommunikationsnetze, Fähigkeit Funktionsschichten in verteilten Systemen und Kommunikationsnetzen zu identifizieren und zu vergleichen, Umgang mit einer formalen Spezifikationssprache für Dienste und Protokolle

Theoretische Informationstechnik I: Die Studierenden erhalten fundiertes Grundlagenwissen über die abstrakte Modellierung und analytische Behandlung von informationsverarbeitenden Prozessen. Sie lernen, hiermit Anwendungen einheitlich zu beschreiben.

Kommunikationstechnik: Grundlagen der Übertragungstechnik und Codierung

Betriebssysteme: Einführung in den Entwurf und in der Entwicklung von Betriebssystemen und Systemsoftware

VLSI-Schaltungen und -Architekturen: Die Studierenden sollen am exemplarischen Beispiel von Architekturen für die digitale Signalverarbeitung

• die Eigenschaften und Implikationen moderner nanoskaliger CMOS-Technologien vertiefen
• elementare Logik- und Arithmetikschaltungen kennen, optimieren und hinsichtlich ihrer Performanz und Kosten bewerten lernen
• die Konzeption von Architekturblöcken durch quantitative Optimierung im Entwurfsraum nachvollziehen
• die unterschiedlichen Entwurfsstile gegeneinander bewerten können und auf dieser Basis selbständig neue Architekturblöcke konzipieren, optimieren und verifizieren können

Grundlagen der Hochfrequenzsystemtechnik: Die Studierenden sollen

• ein Verständnis für die Systemkenngrößen von Hochfrequenzsystemen entwickeln
• den typischen Aufbau von Sende- und Empfängerstrukturen kennen
• typische Elemente wie rauscharme Verstärker, Frequenzumsetzer und Filter auf Schaltungsebene kennen und berechnen können
• mit der Funktionsweise von Analog-Digital-, Digital- Analog-Umsetzern und deren Verfahren vertraut sein

Sensoren: Die Studierenden sollen

• grundlegende Sensorprinzipien erlernen
• im Detail Aufbau und Funktionsweise verschiedener Sensortypen (Kraft- und Drucksensoren, Temperatur- sensoren, „elektronische Nasen“, - Magnetfeldsensoren, optische Sensoren) begreifen
• anhand ausgewählter Beispiele komplexe Sensorarrays und deren Applikationsgebiete kennenlernen

Herstellungsprozesse für siliziumbasierte Mikrosysteme: Die Studierenden sollen

• Silizium als Werkstoff kennenlernen
• sollen Basiswissen zu Prozessschritten wie Lithographie, Schichtherstellung und Strukturierung erwerben
• die Techniken der Oberflächen- und Volumenmikromechanik sowie das Ligaverfahren als Basistechniken der Mikrosystemtechnik kennenlernen
• die speziell für die Mikrosystemtechnik benötigte Aufbau- und Verbindungstechnik erarbeiten
• Einblick in den Aufbau und in die Funktionsweise der für die Prozesse benötigten Maschinen und Geräte bekommen
• in Übungen ihr Verständnis vertiefen

Einführung in die Medizintechnik: Die Studierenden erwerben ein grundlegendes Verständnis der Physiologie des Menschen, insbesondere der elektrophysiologischen und entwickeln Verständnis für die Interaktion zwischen dem menschlichen Körper und elektromedizinischen Geräten.

Praktikum Energietechnik: Messtechnische Methoden zur Bestimmung stationären Beriebskennwerte Elektrischer Maschinen auswählen und sicher anwenden können

Praktikum Mikro- und Nanoelektronik: Praktische Vertiefung der funktionalen Grundlagen integrierter Analog-, Digital-, Sensor- und Actuatorschaltungen sowie elementarste Grundzüge der zugehörigen Entwurfstechniken.

Praktikum Informations- und Kommunikationstechnik: Vertiefung und Ergänzung der Vorlesungsinhalte des Moduls IK 1 durch messtechnische und konzeptionelle Untersuchungen von Funktionsblöcken und Anwendungen der analogen und digitalen Übertragungstechnik

Praktikum Technische Informatik: Messtechnische und konzeptionelle Untersuchungen von Funktionsblöcken und Anwendungen

Inhalte

Elektrizitätsversorgungssystem (alter Name: Einführung in die Elektrizitätsversorgung)

• Systemtheoretische Grundlagen
• Energiewirtschaftliche Grundlagen
• Gleich-, Wechsel- und Drehstromtechnik
• Netzanalyse und Bewertungsverfahren
• Leistungsfrequenzregelung

Komponenten und Anlagen der Elekrizitätsversorgung

• Kraftwerke
• Übertragungseinrichtungen: Leitungen, Schaltanlagen
• Energiewandler: Generatoren,Motoren, Transformatoren
• Die Komponenten und Anlagen der Elektrischen Energieversorgung werden grundlegend betrachtet und ihre Funktion und Interaktion bewertet. Es wird die gesamte Prozesskette von der Erzeugung über die Übertragung und Verteilung bis hin zur Anwendung abgeleitet.

Schaltungstechnik I

• Netzwerkanalyse: Analyse linearer Schaltungen (Knotenpotentialanalyse, Maschenstromanalyse, Superposition, Ersatzschaltungen nach Thevenin und Norton)
• Vierpole: Gleichungen in Leitwert-, Widerstands-, Hybrid- und Kettenform, Äquivalenzbeziehungen, Zusammenschaltungen, 2 Tor Parameter (Transitfrequenz, Grenzfrequenzen)
• Elementare Komponenten: Quellen (ideale, reale, gesteuerte), passive und aktive Bauelemente (Diode, Bipolar- und MOS Transistor, statisches und dynamisches Verhalten, Linearisierung, Groß- und Kleinsignalverhalten)
• Grundlagen der Schaltungssimulation: Arbeitspunkt, Gleichspannungs-, Kleinsignal-, Transiente Simulation, Harmonic Balance
• Dioden: Kennlinie, Kleinsignalverhalten der Diode, Modellierung von Dioden, Kleinsignalmodell
• Feldeffekttransistoren: Herleitung der Kennlinie, Beschreibung der Gleichungen, Übertragungskennlinien, Kanallängenmodulation, Kleinsignalbetrachtung des MOSFET`s, Complementary Metal-Oxid-Semiconductor, Modelle für den MOSFET, Bahnwiderstände, Kapazitäten, Level-1 MOSFET-Modell, MOS Transistor als Kondensator, Statisches Kleinsignalersatzschaltbild, Kleinsignalgrößen im Abschnürbereich, Dynamisches Kleinsignalersatzschaltbild; Bipolartransistor BJT: Early-Effekt, Ebers-Moll Modell für einen npn-BJT, Transportmodell für einen npn-BJT, Dynamisches Großsignal-Modell, Gummel-Poon Modell des Bipolar Transistors, Kleinsignalgrößen des BJT, Kleinsignalmodell, Grundschaltungen BJT und FET
• Schaltungsbeispiel: Emitterschaltung, Sourceschaltung, Sourceschaltung mit GK, Emitterschaltung mit Spannungs-GK, Sourceschaltung mit Spannungs-GK, Kollektorschaltung, Drainschaltung (Sourcefolger), Basisschaltung, Gateschaltung; Grundlagen der Schaltungstechnik: Flächenskalierung von Transistoren, BJT-, MOSFET-, Diskrete Stromquellen, Integrierte, npn-, Stromspiegel ohne und mit Gegen- kopplung, mit Unterstützer, MOS-Stromspiegel, Stromspiegel mit Kaskode, Kaskode-Stromspiegel
• Kaskodeschaltung: Miller-Effekt, Kaskodeschaltung, Kaskodeschaltung mit Kaskode-Stromquelle

Grundgebiete der Informatik III

• Vertiefung Datenstrukturen und Algorithmen: Zuordnungsprobleme in Graphen, balancierte Bäume, Suchen in Texten, Hashverfahren
• Optimierungsprobleme und Optimierungsverfahren: Konvexe Optimierung; Deterministische approximative Lösungen: Lagrange Relaxation, Konvexe Relaxation; Heuristische Optimierungsverfahren: Branch-and-Bound, Simulated annealing, Genetische Algorithmen
• Modellierung von Systemen und Prozessen: Hardwarebeschreibungssprachen (SystemC), Discrete Event Simulation, Flussdiagramme, Petri-Netze, Kahn Prozess- Netzwerke, Turing Maschine
• Betriebssysteme: Prozesse und Threads, Deadlocks, Speicherverwaltung
• Ein- und Ausgabe Multi-Prozessorsysteme: Prozessorarchitekturen, Kommunikationsarchitekturen, Speicherarchitekturen, Probleme der Parallelverarbeitung
• Netzwerke: OSI-Layer, Switching, Routing, Verbindungsarten

Kommunikationsnetze

• ISO/OSI Referenzmodel für Kommunikation offener Systeme: Dienste und Protokolle, Protokoll Dateneinheiten, Dienstprimitive, Funktion der 7 Schichten, Bezug zu realen Sysemen
• Formale Spezifikation von Protokollen, Alternating Bit Protocol, SDL, UML, Petri Netze
• Physikalische Schicht (1): Grundlagen der Datenübertragung, Plesiochrone und Synchrone Digitale Hierarchien PDH/SDH
• Sicherungsschicht (2): Zeichen- und bitorientierte Protokolle, Beherrschung von Übertragungsfehler (ARQ)
• Vermittlungsschicht (3): Routing Algorithmen, Zeitmultiplex Vermittlung, Netzstrukturen
• Reale Systeme: ISDN: Teilnehmersignalisierung, SS7, Frame Mode Bearer Service, Nummerierungssysteme; ATM: Übertragungs- und Vermittlungstechnik, Anpassungsprotokolle, Signalisierung, Dienstgüte
• Lokale Netze nach IEEE 802 Standards: Token und CSMA Verfahren, logische Verbindungssteuerung, Typen, Klassen und Elemente von Protokollen
• Internet: Adressierung, Internetprotokolle, Routing Protokolle, Transportprotokolle UDP, TCP, RTP, HTTP, SMTP, POP, RSV und andere
• Netzmanagement: Management Modelle, SNMP, CMIP/CMISE
• Datenschutz und Datensicherheit: Probleme, kryptographische Verfahren, Lösungen für Netze

Theoretische Informationstechnik I

• Stochastische Modellierung: Grundregeln der Wahrschein- lichkeitsrechnung
• Zufallsvariable, Zufallsvektoren und Transformationen, n- dim. k-Komplexe Normalverteilung, stochastische Modelle für Mobilfunkkanäle, stochastische Prozesse, lineare Systeme mit stochastischer Eingabestationäre stochastische Prozesse, Leistungsdichtespektrum, weißes Rauschen, Filterung von Rauschprozessen
• Elemente der Informationstheorie: Diskrete Modelle für Entropie und Transinformation, Kapazität, Quellen- kodierung, Kanalkapazität und Fundamentalsatz der Kanalkodierung

Kommunikationstechnik

Die einsemestrige Vorlesung "Kommunikationstechnik" behandelt die Theorie und die Praxis der digitalen Informationsübertragung. Nach einer Einführung in die Informationstheorie der Nachrichtenquellen und der Über- tragungskanäle werden die Kernelemente moderner digitaler Nachrichtensysteme behandelt:

• Quellencodierung
• Kanalcodierung
• Modulation
• Multiplex- und Vielfachzugriffsverfahren

Betriebssysteme

• Einleitung und Steuersprachen: Begriffsdefinitionen, Aufgaben und Struktur von Betriebssystemen, Steuersprachen und Shellprogrammierung
• Betriebsmittel- und Prozessverwaltung: Aufgaben der Betriebsmittel- und Prozessverwaltung, Prozesssynchronisation, Verklemmungen
• Unterbrechungen: Arten und Aufgaben von Unterbrechungen, Interruptsystem des 80x86
• Arbeitsspeicherverwaltung: Paging und Segmentierung, Seitenwechsel auf Abruf und Seitenverdrängungsstrategien, Segmentierung und Zugriffschutz beim 80x86
• Ein-/ Ausgabe: E/A beim 80x86, Plattenspeicherverwaltung, Schichtung der E/A-Software
• Dateisysteme: Definitionen, Dateizugriff, Dateioperationen, Struktur und Schichtung, Beispiel

Hoch- und Mittelspannungsschaltgeräte

Im Seminar wird die Schaltgeräte- und Anlagentechnik ausgehend von den physikalischen Grundlagen bis zu wirtschaftlichen Aspekten umfassend behandelt. Hierzu gehören u.a. Schaltgeräte, Schaltanlagen oder Schutzeinrichtungen sowie deren Bauweise und Anschluss im Netz. Betriebserfahrungen mit moderner Anlagentechnik aus Sicht der Energieversorgungsunternehmen und Informationen über gültige Vorschriften und Normen gehören ebenso zum Inhalt. Betrachtete Betriebsmittel:

• SF6-Hochleistungsschalter
• Vakuumschalter
• Hochspannungssicherungen
• Kabel- und Freileitungen
• Leistungstransformatoren
• Hochspannungsgleichstromübertragung
• Hoch- / Mittelspannungsschaltanlagen

VLSI-Schaltungen und -Architekturen

• Einführung, Chronologie und Motivation: Moore's Law, Joy's Law, und ITRS Roadmap, System- und Deep Submicron-Herausforderungen, Implementierungsalternativen
• CMOS-Grundlagen und digitale CMOS-Schaltungen: MOS-Transistor-Eigenschaften und Parasitics
• CMOS-Schaltungstechniken: statische, dynamische und Verlustleistungseigenschaften, Grundzüge der quantitativen Optimierung
• Eigenschaften typischer DSP-Algorithmen und Arithmetikkomponenten: Grundlagen, Iterativität, Rekursivität, Lokalität
• Mapping-Techniken: Algorithmus – Signalflussgraph – Layout, Äquivalenztransformationen, Scheduling, Assignment, Re-Timing, Pipelining, Multiplexing in Time and Space, Entwurfsstile und deren Wechselwirkungen
• Exemplarische Beispiele: Transversal-, Multiraten-, rekursive Filter, Kanaldecoder-Komponenten, Optimierung im Entwurfsraum

Grundlagen der Hochfrequenzsystemtechnik

• Grundlagen einer HF-Übertragung am Beispiel des Mobilfunksystems GSM bzw. einer Seriellen-Übertragung am Beispiel einer Optischen Übertragungsstrecke
• GSM HF-Spezifikationen: Anforderungen an das Funkteil eines Mobiltelefons
• Einführung Modulationsverfahren: FM, AM, GMSK und QAM
• Systemkenngrößen: Rauschzahl, Intermodulation, Klirrfaktor
• Grundlegende Senderkonzepte: FM- und AM- modulierte Systeme, d.h. PLL-basierte Modulatoren, Upconversion- Transmitter, Direktmodulator
• Grundlegende Empfängerkonzepte: Heterodyn-, Homodyn- und Low-IF-Empfänger
• Pegelplan: Rauschzahl, Verstärkung, Kompression, Imnetermodulation
• GSM-Systemspezifikation: Umsetzung der Anforderungen in Blockanforderungen, Architekturauswahl
• Serielle Datenübertragung: Optische Übertragung, Takt- und Daten-Rückgewinnung

Sensoren

• Funktionsweisen und Applikationen der relevanten Sensorklassen
• Sensoren als Systemkomponenten
• Temperatursensoren
• Kraft- und Drucksensoren
• Magnetfeldsensoren
• optische Sensoren
• chemische Sensoren
• beispielhaft komplexe Sensorarrays

Herstellungsprozesse für siliziumbasierte Mikrosysteme

• CMOS-Prozess als Grundlage
• Silizium als Werkstoff
• Lithographie
• Schichtherstellung
• Strukturierung
• Oberflächen- und Volumenmikromechanik
• Ligaverfahren
• Aufbau- und Verbindungstechnik für Mikrosysteme
• Fertigungsgeräte
• Reinraumtechnik
• Vakuumtechnik

Einführung in die Medizintechnik

• Einführung in die Anatomie und Physiologie
• Grundlagen der Elektrophysiologie
• Phasenübergänge an Grenzflächen
• Stromwirkung auf biologisches Gewebe
• Physiologische Regelkreise
• Ausgewählte Kapitel der Elektromedizin
  • Medizinische Messtechnik
  • Intensivmedizinische Gerätetechnik
  • Herzschrittmacher und Defibrillatoren
  • Tragbare Medizintechnik (Personal Health Care)

Informationsübertragung

• Verfahren der Binärübertraung
  • Korrelationsempfänger für AWGN-Kanäle
  • Interferenz, Nyquist-Kriterium
  • Binärübertragung mit Tiefpasssignalen (unipolar und bipolar)
  • Mehrpegel-Übertragung
  • Übertragung mit orthogonalen Trägersignalen
  • Leitungscodierung
  • Kanalentzerrung
  • Binärübertragung mit Bandpasssignalen
  • Demodulation, Empfang im Tiefpassbereich
  • kohärenter und inkohärenter Empfang
  • Rice-Verteilung und Rayleigh-Verteilung
  • Quadraturverfahren
  • Synchronisation
  • Störverhalten
• Analoge Übertragungsverfahren
  • Pulsamplitudenmodulation
  • Amplitudenmodulation
  • Winkelmodulation
  • Empfang und Störverhalten
• Multiplexverfahren
  • Zeitmultiplex
  • Frequenzmultiplex
• Codemultiplex
  • Direct Sequence CDMA, Codefolgen für synchronen und asynchronen Empfang, Frequency Hopping, Empfängerkonzepte (Rake, MUD)
  • Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM)
  • Diversity, MIMO, Space-Time-Codes
• Grenzen der Übertragung
  • Diskrete und kontinuierliche Nachrichtenquellen
  • Umwandlung durch Pulscodemodulation (PCM), Einfluss auf Störverhalten
  • Rate Distortion Funktion, Kanalkapazität und Shannongrenze
  • Bandbreiteeffizienz
  • Verfahren mit Bandbreitedehnung
  • Kombination Quellencodierung, Kanalcodierung und Modulation

Praktikum Energietechnik:

• Synchronmaschine als Motor und Generator, IEM
• Fremderregte Gleichstrommaschine, Reihenschlußmaschine, IEM
• Asynchronmaschine mit Kurzschluß- und Schleifringläufer, IEM
• Drehstromtransformatoren, IAEW
• Drehstromfreileitungen im Normalbetrieb und im Fehlerfall, IAEW
• Schutz vor gefährlichen Körperströmen, IAEW
• Netzgeführte Stromrichter, ISEA
• Gleichstromsteller, ISEA
• Wechselrichter mit Pulsdauermodulation, ISEA
• Wechselspannungserzeugung und -messung / Durchschlaguntersuchungen, IFHT
• Gleichspannungserzeugung und -messung, IFHT
• Stoßspannungsuntersuchungen, IFHT

Praktikum Mikro- und Nanoelektronik:

• Doppelstrahllaserinterferometer (elektromechanische Eigenschaften von integrierten elektrokeramischen Dünnschichten für den Einsatz in MEMS)
• Nicht-flüchtige Speicher (1T1C-Speicherzelle basierend auf resistiven bzw. ferroelektrischen Dünnschichten und Array-Integration)
• Mikroelektroden zur elektrischen Stimulation von Nervenzellen
• Drucksensortransponder für medizinische Implantate
• Mikrosensoren zur Messung von Kräften und Momenten
• Entwurf und Analyse elementarer Digitalschaltungen in den verschiedenen Entwurfsstilen
• Entwurf und Optimierung elementarer Analogschaltungen

Praktikum Informations- und Kommunikationstechnik:

• Nachrichtengeräte und Datenverarbeitung: Prädiktive Quellencodierung, Kanalcodierung
• Technische Akustik: Elektroakustische Wandler
• Hochfrequenztechnik: Mikrowellenmesstechnik
• Nachrichtentechnik: Messungen an Musterfunktionen ergodischer Prozesse, Nachrichtenübertragung mit binären Trägerfunktionen
• Halbleitertechnik: Faseroptische Übertragung
• Hochfrequenztechnik: Mehrantennensysteme
• Integrierte Analogschaltungen: Operationsverstärker
• Integrierte Systeme der Signalverarbeitung: Systemsimulation
• Theoretische Informationstechnik: Kryptographie oder Optimierung (wechselnd)
• Mobilfunknetze: WLANs, Sensornetze und Netzwerksimulation

Praktikum Technische Informatik:

• Verteilte und echtzeitfähige Systeme
• Entwurf und Implementierung von C/C++ Compilern
• Akustik
• Digitale Bildverarbeitung
• Kryptographie
• Optimierung
• Virtuelle Welten
• Netzwerkprotokolle
• Simulation
• Multimedia-Systeme

Sonstige Informationen

Wahlpflichtmodul

Modulzuordnung

Bachelor of Science: Fach Grundlagen der Elektrotechnik

Disclaimer

Bitte beachten Sie, dass im Zweifel (z.B. sich widersprechende Angaben auf der Website und dem Modulhandbuch) für Ihr Studium immer die Angaben in der aktuellen Bachelorprüfungsordnung mit den entsprechenden Anhängen verbindlich sind. Wenden Sie sich bitte an die Fachstudienberatung, wenn Ihnen Unstimmigkeiten auffallen.