A performance lower bound for quadratic timing recovery accounting for the symbol transition density

The symbol transition density in a digitally modulated signal affects the performance of practical synchronization schemes designed for timing recovery. This paper focuses on the derivation of simple performance limits for the estimation of the time delay of a noisy linearly modulated signal in the presence of various degrees of symbol correlation produced by the various transition densities in the symbol streams. The paper develops high- and low-signal-to-noise ratio (SNR) approximations of the so-called (Gaussian) unconditional Cramér–Rao bound (UCRB), as well as general expressions that are applicable in all ranges of SNR. The derived bounds are valid only for the class of quadratic, non-data-aided (NDA) timing recovery schemes. To illustrate the validity of the derived bounds, they are compared with the actual performance achieved by some well-known quadratic NDA timing recovery schemes. The impact of the symbol transition density on the classical threshold effect present in NDA timing recovery schemes is also analyzed. Previous work on performance bounds for timing recovery from various authors is generalized and unified in this contribution.Peer Reviewe

Non-data-aided frequency offset and symbol timing estimation for binary CPM: performance bounds

The use of (spectrally efficient) CPM modulations may lead to a serious performance degradation of the classical non-data-aided (NDA) frequency and timing estimators due to the presence of self noise. The actual performance of these estimators is usually much worse than that predicted by the classical modified Cramer-Rao bound. We apply some well known results in the field of signal processing to these two important problems of synchronization. In particular we propose and explain the meaning of the unconditional CRB in the synchronization task. Simulation results for MSK and GMSK, along with the performance of some classical and previously proposed synchronizers, show that the proposed bound (along with the MCRB) is useful for a better prediction of the ultimate performance of the NDA estimators.Peer ReviewedPostprint (published version

Contribution to Efficient Use of Narrowband Radio Channel

Předkládaná práce se soustředí na problematiku využívání úzkopásmového rádiového kanálu rádiovými modemy, které jsou určené pro průmyslové aplikace pozemní pohyblivé rádiové služby, specifikované v dominantní míře Evropským standardem ETSI EN 300 113. Tato rádiová zařízení se používají v kmitočtových pásmech od 30 MHz do 1 GHz s nejčastěji přidělovanou šířkou pásma 25 kHz a ve většině svých instalací jsou využívána ve fixních nebo mobilních bezdrátových sítích. Mezi typické oblasti použití patří zejména datová telemetrie, aplikace typu SCADA, nebo monitorování transportu strategických surovin. Za hlavní znaky popisovaného systému lze označit komunikační pokrytí značných vzdáleností, dané především vysokou výkonovou účinnosti datového přenosu a využívaní efektivních přístupových technik na rádiový kanál se semiduplexním komunikačním režimem. Striktní požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu umožňují těmto zařízením využívat spektrum i v oblastech kmitočtově blízkým jiným komunikačním systémům bez nutnosti vkládání dodatečných ochranných frekvenčních pásem. Úzkopásmové rádiové komunikační systémy, v současnosti používají převážně exponenciální digitální modulace s konstantní modulační obálkou zejména z důvodů velice striktních omezení pro velikost výkonu vyzářeného do sousedního kanálu. Dosahují tak pouze kompromisních hodnot komunikační účinnosti. Úpravy limitů příslušných rádiových parametrů a rychlý rozvoj prostředků číslicového zpracování signálu v nedávné době, dnes umožňují ekonomicky přijatelné využití spektrálně efektivnějších modulačních technik i v těch oblastech, kde je prioritní využívání úzkých rádiových kanálů. Cílem předkládané disertační práce je proto výzkum postupů směřující ke sjednocení výhodných vlastností lineárních a nelineárních modulací v moderní konstrukci úzkopásmového rádiového modemu. Účelem tohoto výzkumu je efektivní a „ekologické“ využívání přidělené části frekvenčního spektra. Mezi hlavní dílčí problémy, jimiž se předkládaná práce zabývá, lze zařadit zejména tyto: Nyquistova modulační filtrace, navrhovaná s ohledem na minimalizaci nežádoucích elektromagnetických interferencí, efektivní číslicové algoritmy frekvenční demodulace a rychlé rámcové a symbolové synchronizace. Součástí práce je dále analýza navrhovaného řešení z pohledu celkové konstrukce programově definovaného rádiového modemu v rovině simulací při vyšetřování robustnosti datového přenosu rádiovým kanálem s bílým Gaussovským šumem nebo kanálem s únikem v důsledku mnohacestného šíření signálu. Závěr práce je pak zaměřen na prezentování výsledků praktické části projektu, v níž byly testovány, měřeny a analyzovány dvě prototypové konstrukce rádiového zařízení. Tato finální část práce obsahuje i praktická doporučení, vedoucí k vyššímu stupni využitelnosti spektrálně efektivnějších komunikačních režimů v oblasti budoucí generace úzkopásmových zařízení pozemní pohyblivé rádiové služby.he industrial narrowband land mobile radio (LMR) devices, as considered in this dissertation project, has been subject to European standard ETSI EN 300 113. The system operates on frequencies between 30 MHz and 1 GHz, with channel separations of up to 25 kHz, and is intended for private, fixed, or mobile, radio packet switching networks. Data telemetry, SCADA, maritime and police radio services; traffic monitoring; gas, water, and electricity producing factories are the typical system applications. Long distance coverage, high power efficiency, and efficient channel access techniques in half duplex operation are the primary advantages the system relays on. Very low level of adjacent channel power emissions and robust radio receiver architectures, with high dynamic range, enable for a system’s coexistence with various communication standards, without the additional guard band frequency intervals. On the other hand, the strict limitations of the referenced standard as well as the state of the technology, has hindered the increase in communication efficiency, with which the system has used its occupied bandwidth. New modifications and improvements are needed to the standard itself and to the up-to-date architectures of narrowband LMR devices, to make the utilization of more efficient modes of system operation practically realizable. The main objective of this dissertation thesis is therefore to find a practical way how to combine the favorable properties of the advanced nonlinear and linear digital modulation techniques in a single digital modem solution, in order to increase the efficiency of the narrowband radio channel usage allocated to the new generation of the industrial LMR devices. The main attention is given to the particular areas of digital modem design such as proposal of the new family of the Nyquist filters minimizing the adjacent channel interference, design and analysis of the efficient algorithms for frequency discrimination, fast frame and symbol

Blind Estimation of Multiple Carrier Frequency Offsets

Multiple carrier-frequency offsets (CFO) arise in a distributed antenna system, where data are transmitted simultaneously from multiple antennas. In such systems the received signal contains multiple CFOs due to mismatch between the local oscillators of transmitters and receiver. This results in a time-varying rotation of the data constellation, which needs to be compensated for at the receiver before symbol recovery. This paper proposes a new approach for blind CFO estimation and symbol recovery. The received base-band signal is over-sampled, and its polyphase components are used to formulate a virtual Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) problem. By applying blind MIMO system estimation techniques, the system response is estimated and used to subsequently transform the multiple CFOs estimation problem into many independent single CFO estimation problems. Furthermore, an initial estimate of the CFO is obtained from the phase of the MIMO system response. The Cramer-Rao Lower bound is also derived, and the large sample performance of the proposed estimator is compared to the bound.Comment: To appear in the Proceedings of the 18th Annual IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), Athens, Greece, September 3-7, 200