Multi Detector Fusion of Dynamic TOA Estimation using Kalman Filter

In this paper, we propose fusion of dynamic TOA (time of arrival) from multiple non-coherent detectors like energy detectors operating at sub-Nyquist rate through Kalman filtering. We also show that by using multiple of these energy detectors, we can achieve the performance of a digital matched filter implementation in the AWGN (additive white Gaussian noise) setting. We derive analytical expression for number of energy detectors needed to achieve the matched filter performance. We demonstrate in simulation the validity of our analytical approach. Results indicate that number of energy detectors needed will be high at low SNRs and converge to a constant number as the SNR increases. We also study the performance of the strategy proposed using IEEE 802.15.4a CM1 channel model and show in simulation that two sub-Nyquist detectors are sufficient to match the performance of digital matched filter

Channel Capacity Limitations versus Hardware Implementation for UWB Impulse Radio Communications

Starting from the Shannon channel capacity, we propose an IR-UWB channel capacity based on the delay spread for multipath time variant channels. This IR-UWB channel capacity is obtained from the no ISI (Inter Symbol Interference) assumption and for binary modulations. The impact of the kind of implementation is considered on the IR-UWB channel capacity. This study is lead for mixed and mostly digital implementation. The key parameters and theirs impacts on the channel capacity are exposed in each case: the data converters for mostly digital implementations and the pulse generator capabilities for mixed implementations. Finally, these two implementations are compared from a data rate point of view. Their behaviors regarding an increase of the operating frequency are also studied

DEVELOPMENT OF AN UWB RADAR SYSTEM

An ultra-wideband radar system is built at the University of Tennessee with the goal to develop a ground penetrating radar (GPR). The radar is required to transmit and receive a very narrow pulse signal in the time domain. The bistatic radar transmits a pulse through an ultrawide spiral antenna and receives the pulse by a similar antenna. Direct sampling is used to improve the performance of the impulse radar allowing up to 1.5 GHz of bandwidth to be used for signal processing and target detection with high resolution. Using direct sampling offers a less complex system design than traditional lower sample rate, super-heterodyne systems using continuous wave or step frequency methods while offering faster results than conventional equivalent time sampling techniques that require multiple data sets and significant post-processing. These two points are particularly important for a system that may be used in the field in potentially dangerous environments. Direct sampling radar systems, while still frequency limited, are continually improving their upper frequencies boundaries due to more power efficient, higher sampling rate analog to digital converters (ADCs) which relates directly to better subsurface resolution for potential target detection

LOW-POWER IMPULSE-RADIO ULTRA-WIDEBAND TECHNIQUES FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS.

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Implementation of a coded-reference ultra-wideband system

Ankara : The Department of Electrical and Electronics Engineering and the Institute of Engineering and Sciences of Bilkent University, 2011.Thesis (Master's) -- Bilkent University, 2011.Includes bibliographical references leaves 60-64.Coded-reference ultra-wideband (CR UWB) systems provide orthogonalization of the reference and data signals in the code domain to facilitate communications without the need for complex channel estimation and have significant advantages over the previous techniques in terms of performance and/or implementation complexity. This thesis presents a UWB testbed as a general experimental platform to explore pulse-based UWB communications and discusses design and implementation issues. A testbed is built as a flexible solution for hardware implementation of a CR UWB system.Gürlevik, OsmanM.S

Digital ADCs and ultra-wideband RF circuits for energy constrained wireless applications by Denis Clarke Daly.

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2009.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 173-183).Ongoing advances in semiconductor technology have enabled a multitude of portable, low power devices like cellular phones and wireless sensors. Most recently, as transistor device geometries reach the nanometer scale, transistor characteristics have changed so dramatically that many traditional circuits and architectures are no longer optimal and/or feasible. As a solution, much research has focused on developing 'highly digital' circuits and architectures that are tolerant of the increased leakage, variation and degraded voltage headrooms associated with advanced CMOS processes. This thesis presents several highly digital, mixed-signal circuits and architectures designed for energy constrained wireless applications. First, as a case study, a highly digital, voltage scalable flash ADC is presented. The flash ADC, implemented in 0.18 [mu]m CMOS, leverages redundancy and calibration to achieve robust operation at supply voltages from 0.2 V to 0.9 V. Next, the thesis expands in scope to describe a pulsed, noncoherent ultra-wideband transceiver chipset, implemented in 90 nm CMOS and operating in the 3-to-5 GHz band. The all-digital transmitter employs capacitive combining and pulse shaping in the power amplifier to meet the FCC spectral mask without any off-chip filters. The noncoherent receiver system-on-chip achieves both energy efficiency and high performance by employing simple amplifier and ADC structures combined with extensive digital calibration. Finally, the transceiver chipset is integrated in a complete system for wireless insect flight control.(cont.) Through the use of a flexible PCB and 3D die stacking, the total weight of the electronics is kept to 1 g, within the carrying capacity of an adult Manduca sexta moth. Preliminary wireless flight control of a moth in a wind tunnel is demonstrated.Ph.D

Subsampling receivers with applications to software defined radio systems

Este trabajo de tesis propone la utilización sistemas basados en submuestreo como una alternativa para la implementación de la etapa de down-conversion de los receptores de radio frecuencia (RF) empleados para aplicaciones multi-estándar y SDR (Software Defined Radio). El objetivo principal será el de optimizar el diseño en cuanto a flexibilidad y simplicidad, las cuales son propiedades inherentes en los sistemas basados en submuestreo. Por tanto, como reducir el número de componentes al mínimo es clave cuando un mismo receptor procesa diferentes estándares de comunicación, las arquitecturas basadas en submuestreo han sido seleccionadas, donde la reusabilidad de los componentes empleados es posible, así como la reducción de los costes totales de los receptores de comunicación y de los equipos de certificación que emplean estas arquitecturas. Un motivo adicional por el que los sistemas basados en submuestreo han sido seleccionados es el concerniente a la topología del receptor. Como la idea de la tecnología SDR es implementar todas las funcionalidades del receptor (filtrado, amplificación) en el dominio digital, el convertidores analógico-digital (ADC) deberá estar localizado en la cadena de recepción lo más cerca posible a la antena, siendo el objetivo final el convertir la señal directamente de RF a digital. Sin embargo, con los actuales ADC no es posible implementar esta idea debido al alto ancho de banda que necesitarían sin perder resolución para cubrir las especificaciones de los estándares de comunicaciones inalámbricas. Por tanto, los sistemas basados en submuestreo se presentan como la opción más adecuada para implementar este tipo de sistemas debido a que pueden muestrear la señal de entrada por debajo de la tasa de Nyquist, si se cumplen ciertas restricciones en cuanto a la elección de la frecuencia de muestreo. De este modo, los requerimientos del ADC serán relajados ya que, usando estas arquitecturas, este componente procesará la señal a frecuencias intermedias. Una vez se han introducido los conceptos principales de las técnicas de submuestreo, esta tesis doctoral presenta el diseño de una tarjeta de adquisición de datos basada en submuestreo con la finalidad de ser implementada como un receptor de test y certificación de banda ancha. El sistema propuesto proporciona una alta resolución para un elevado ancho de banda, a partir del uso de un S&H de bajo jitter y de un convertidor analógico digital ADC que trabaja a frecuencias intermedias. El sistema es implementado usando dispositivos comerciales en una placa de circuito impreso diseñada y fabricada, y cuya caracterización experimental muestra una resolución de más 8 bits para un ancho de banda analógico de 20 MHz. Concretamente, la resolución medida será mayor de 9 bits hasta una frecuencia de entrada de 2.9 GHz y mayor de 8 bits para una frecuencia de entrada de hasta 6.5 GHz, lo cual resulta suficiente para cubrir los requerimientos de la mayor parte de los actuales estándares de comunicaciones inalámbricas (GPS, GSM, GPRS, UMTS, Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX). Sin embargo, los receptores basados en submuestreo presentan algunos importantes inconvenientes, como son adicionales fuentes de ruido (jitter y plegado de ruido térmico) y una dificultad añadida para implementarlo en escenarios multi-banda y no lineales. Acerca del plegado de ruido en la banda de interés, esta tesis propone el uso de una técnica basada en una arquitectura de reloj múltiple con el objetivo de aumentar la resolución y cubrir un número mayor de estándares para su test y certificación. Empleando una frecuencia de muestreo mayor para el caso del S&H, se conseguirá reducir este efecto, aumentando la resolución en aproximadamente 0.5-1 bit respecto al caso de sólo usar una fuente de reloj. Las expresiones teóricas de esta mejora son desarrolladas y presentadas en esta tesis, siendo posteriormente corroboradas de modo experimental. Por otra parte, esta tesis también propone novedosas técnicas para la aplicación de estos sistemas de submuestreo en entornos multi-banda y no lineales, los cuales presentan desafíos adicionales por el hecho de existir la posibilidad de solapamiento entre la señal de interés y los otros canales de comunicación, así como de solapamiento con sus armónicos. De este modo, esta tesis extiende el uso de los sistemas basados en submuestreo para este tipo de entornos, proponiendo técnicas para la elección de la frecuencia óptima de muestreo que evitan el solapamiento entre señales, a la vez que consiguen incrementar la resolución del receptor. Finalmente, se presentará la optimización en cuanto a características de ruido de un receptor concreto para aplicaciones de banda dual en entornos no lineales. Dicho receptor estará basado en las técnicas de reloj múltiple presentadas anteriormente y en una estructura de multi-filtro entre el S&H y el ADC. El sistema diseñado podrá emplearse para diversas aplicaciones a ambos lados de la cadena de comunicación, tal como en receptores de detección de espectro para radio cognitiva, o implementando el bucle de realimentación de un transmisor para la linealización de amplificadores de potencia. Por tanto, la presente tesis doctoral cuenta con tres contribuciones diferenciadas. La primera de ellas es la dedicada al diseño de un prototipo de recepción multi-estándar basado en submuestreo para aplicaciones de test y certificación. La segunda aportación es la dedicada a la optimización de las especificaciones de ruido a partir de las técnicas presentadas basadas en reloj múltiple. Por último, la tercera contribución principal es la relacionada con la extensión de este tipo de técnicas a sistemas multi-banda en entornos no lineales. Todas estas contribuciones han sido estudiadas teóricamente y experimentalmente validadas