NASA Tech Briefs, December 2009

Topics include: A Deep Space Network Portable Radio Science Receiver; Detecting Phase Boundaries in Hard-Sphere Suspensions; Low-Complexity Lossless and Near-Lossless Data Compression Technique for Multispectral Imagery; Very-Long-Distance Remote Hearing and Vibrometry; Using GPS to Detect Imminent Tsunamis; Stream Flow Prediction by Remote Sensing and Genetic Programming; Pilotless Frame Synchronization Using LDPC Code Constraints; Radiometer on a Chip; Measuring Luminescence Lifetime With Help of a DSP; Modulation Based on Probability Density Functions; Ku Telemetry Modulator for Suborbital Vehicles; Photonic Links for High-Performance Arraying of Antennas; Reconfigurable, Bi-Directional Flexfet Level Shifter for Low-Power, Rad-Hard Integration; Hardware-Efficient Monitoring of I/O Signals; Video System for Viewing From a Remote or Windowless Cockpit; Spacesuit Data Display and Management System; IEEE 1394 Hub With Fault Containment; Compact, Miniature MMIC Receiver Modules for an MMIC Array Spectrograph; Waveguide Transition for Submillimeter-Wave MMICs; Magnetic-Field-Tunable Superconducting Rectifier; Bonded Invar Clip Removal Using Foil Heaters; Fabricating Radial Groove Gratings Using Projection Photolithography; Gratings Fabricated on Flat Surfaces and Reproduced on Non-Flat Substrates; Method for Measuring the Volume-Scattering Function of Water; Method of Heating a Foam-Based Catalyst Bed; Small Deflection Energy Analyzer for Energy and Angular Distributions; Polymeric Bladder for Storing Liquid Oxygen; Pyrotechnic Simulator/Stray-Voltage Detector; Inventions Utilizing Microfluidics and Colloidal Particles; RuO2 Thermometer for Ultra-Low Temperatures; Ultra-Compact, High-Resolution LADAR System for 3D Imaging; Dual-Channel Multi-Purpose Telescope; Objective Lens Optimized for Wavefront Delivery, Pupil Imaging, and Pupil Ghosting; CMOS Camera Array With Onboard Memory; Quickly Approximating the Distance Between Two Objects; Processing Images of Craters for Spacecraft Navigation; Adaptive Morphological Feature-Based Object Classifier for a Color Imaging System; Rover Slip Validation and Prediction Algorithm; Safety and Quality Training Simulator; Supply-Chain Optimization Template; Algorithm for Computing Particle/Surface Interactions; Cryogenic Pupil Alignment Test Architecture for Aberrated Pupil Images; and Thermal Transport Model for Heat Sink Design

UNDERWATER COMMUNICATIONS WITH ACOUSTIC STEGANOGRAPHY: RECOVERY ANALYSIS AND MODELING

In the modern warfare environment, communication is a cornerstone of combat competence. However, the increasing threat of communications-denied environments highlights the need for communications systems with low probability of intercept and detection. This is doubly true in the subsurface environment, where communications and sonar systems can reveal the tactical location of platforms and capabilities, subverting their covert mission set. A steganographic communication scheme that leverages existing technologies and unexpected data carriers is a feasible means of increasing assurance of communications, even in denied environments. This research works toward a covert communication system by determining and comparing novel symbol recovery schemes to extract data from a signal transmitted under a steganographic technique and interfered with by a simulated underwater acoustic channel. We apply techniques for reliably extracting imperceptible information from unremarkable acoustic events robust to the variability of the hostile operating environment. The system is evaluated based on performance metrics, such as transmission rate and bit error rate, and we show that our scheme is sufficient to conduct covert communications through acoustic transmissions, though we do not solve the problems of synchronization or equalization.Lieutenant, United States NavyApproved for public release. Distribution is unlimited

Scalable Energy-Recovery Architectures.

Energy efficiency is a critical challenge for today's integrated circuits, especially for high-end digital signal processing and communications that require both high throughput and low energy dissipation for extended battery life. Charge-recovery logic recovers and reuses charge using inductive elements and has the potential to achieve order-of-magnitude improvement in energy efficiency while maintaining high performance. However, the lack of large-scale high-speed silicon demonstrations and inductor area overheads are two major concerns. This dissertation focuses on scalable charge-recovery designs. We present a semi-automated design flow to enable the design of large-scale charge-recovery chips. We also present a new architecture that uses in-package inductors, eliminating the area overheads caused by the use of integrated inductors in high-performance charge-recovery chips. To demonstrate our semi-automated flow, which uses custom-designed standard-cell-like dynamic cells, we have designed a 576-bit charge-recovery low-density parity-check (LDPC) decoder chip. Functioning correctly at clock speeds above 1 GHz, this prototype is the first-ever demonstration of a GHz-speed charge-recovery chip of significant complexity. In terms of energy consumption, this chip improves over recent state-of-the-art LDPCs by at least 1.3 times with comparable or better area efficiency. To demonstrate our architecture for eliminating inductor overheads, we have designed a charge-recovery LDPC decoder chip with in-package inductors. This test-chip has been fabricated in a 65nm CMOS flip-chip process. A custom 6-layer FC-BGA package substrate has been designed with 16 inductors embedded in the fifth layer of the package substrate, yielding higher Q and significantly improving area efficiency and energy efficiency compared to their on-chip counterparts. From measurements, this chip achieves at least 2.3 times lower energy consumption with better area efficiency over state-of-the-art published designs.PhDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/116653/1/terryou_1.pd

Synchronization for capacity -approaching coded communication systems

The dissertation concentrates on synchronization of capacity approaching error-correction codes that are deployed in noisy channels with very low signal-to-noise ratio (SNR). The major topics are symbol timing synchronization and frame synchronization.;Capacity-approaching error-correction codes, like turbo codes and low-density parity-check (LDPC) codes, are capable of reaching very low bit error rates and frame error rates in noisy channels by iterative decoding. To fully achieve the potential decoding capability of Turbo codes and LDPC codes, proper symbol timing synchronization, frame synchronization and channel state estimation are required. The dissertation proposes a joint estimator of symbol time delay and channel SNR for symbol timing recovery, and a maximum a posteriori (MAP) frame synchronizer for frame synchronization.;Symbol timing recovery is implemented by sampling and interpolation. The received signal is sampled multiple times per symbol period with unknown delay and unknown SNR. A joint estimator estimates the time delay and the SNR. The signal is rebuilt by interpolating available samples using estimated time delay. The intermediate decoding results enable decision-feedback estimation. The estimates of time delay and SNR are refined by iterative processing. This refinement improves the system performance significantly.;Usually the sampling rate is assumed to be a strict integer multiple of the symbol rate. However, in a practical system the local oscillators in the transmitter and the receiver may have random drifts. Therefore the sampling rate is no longer an exact multiple of the symbol rate, and the sampling time follows a random walk. This random walk may harm the system performance severely. The dissertation analyzes the effect of random time walks and proposes to mitigate the effect by overlapped sliding windows and iterative processing.;Frame synchronization is required to find the correct boundaries of codewords. MAP frame synchronization in the sense of minimizing the frame sync failure rate is investigated. The MAP frame synchronizer explores low-density parity-check attributes of the capacity-approaching codes. The accuracy of frame synchronization is adequate for considered coded systems to work reliably under very low SNR

Transmission strategies for broadband wireless systems with MMSE turbo equalization

This monograph details efficient transmission strategies for single-carrier wireless broadband communication systems employing iterative (turbo) equalization. In particular, the first part focuses on the design and analysis of low complexity and robust MMSE-based turbo equalizers operating in the frequency domain. Accordingly, several novel receiver schemes are presented which improve the convergence properties and error performance over the existing turbo equalizers. The second part discusses concepts and algorithms that aim to increase the power and spectral efficiency of the communication system by efficiently exploiting the available resources at the transmitter side based upon the channel conditions. The challenging issue encountered in this context is how the transmission rate and power can be optimized, while a specific convergence constraint of the turbo equalizer is guaranteed.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der Analyse von effizienten Übertragungs-konzepten für drahtlose, breitbandige Einträger-Kommunikationssysteme mit iterativer (Turbo-) Entzerrung und Kanaldekodierung. Dies beinhaltet einerseits die Entwicklung von empfängerseitigen Frequenzbereichs-entzerrern mit geringer Komplexität basierend auf dem Prinzip der Soft Interference Cancellation Minimum-Mean Squared-Error (SC-MMSE) Filterung und andererseits den Entwurf von senderseitigen Algorithmen, die durch Ausnutzung von Kanalzustandsinformationen die Bandbreiten- und Leistungseffizienz in Ein- und Mehrnutzersystemen mit Mehrfachantennen (sog. Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)) verbessern. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein allgemeiner Ansatz für Verfahren zur Turbo-Entzerrung nach dem Prinzip der linearen MMSE-Schätzung, der nichtlinearen MMSE-Schätzung sowie der kombinierten MMSE- und Maximum-a-Posteriori (MAP)-Schätzung vorgestellt. In diesem Zusammenhang werden zwei neue Empfängerkonzepte, die eine Steigerung der Leistungsfähigkeit und Verbesserung der Konvergenz in Bezug auf existierende SC-MMSE Turbo-Entzerrer in verschiedenen Kanalumgebungen erzielen, eingeführt. Der erste Empfänger - PDA SC-MMSE - stellt eine Kombination aus dem Probabilistic-Data-Association (PDA) Ansatz und dem bekannten SC-MMSE Entzerrer dar. Im Gegensatz zum SC-MMSE nutzt der PDA SC-MMSE eine interne Entscheidungsrückführung, so dass zur Unterdrückung von Interferenzen neben den a priori Informationen der Kanaldekodierung auch weiche Entscheidungen der vorherigen Detektions-schritte berücksichtigt werden. Durch die zusätzlich interne Entscheidungsrückführung erzielt der PDA SC-MMSE einen wesentlichen Gewinn an Performance in räumlich unkorrelierten MIMO-Kanälen gegenüber dem SC-MMSE, ohne dabei die Komplexität des Entzerrers wesentlich zu erhöhen. Der zweite Empfänger - hybrid SC-MMSE - bildet eine Verknüpfung von gruppenbasierter SC-MMSE Frequenzbereichsfilterung und MAP-Detektion. Dieser Empfänger besitzt eine skalierbare Berechnungskomplexität und weist eine hohe Robustheit gegenüber räumlichen Korrelationen in MIMO-Kanälen auf. Die numerischen Ergebnisse von Simulationen basierend auf Messungen mit einem Channel-Sounder in Mehrnutzerkanälen mit starken räumlichen Korrelationen zeigen eindrucksvoll die Überlegenheit des hybriden SC-MMSE-Ansatzes gegenüber dem konventionellen SC-MMSE-basiertem Empfänger. Im zweiten Teil wird der Einfluss von System- und Kanalmodellparametern auf die Konvergenzeigenschaften der vorgestellten iterativen Empfänger mit Hilfe sogenannter Korrelationsdiagramme untersucht. Durch semi-analytische Berechnungen der Entzerrer- und Kanaldecoder-Korrelationsfunktionen wird eine einfache Berechnungsvorschrift zur Vorhersage der Bitfehlerwahrscheinlichkeit von SC-MMSE und PDA SC-MMSE Turbo Entzerrern für MIMO-Fadingkanäle entwickelt. Des Weiteren werden zwei Fehlerschranken für die Ausfallwahrscheinlichkeit der Empfänger vorgestellt. Die semi-analytische Methode und die abgeleiteten Fehlerschranken ermöglichen eine aufwandsgeringe Abschätzung sowie Optimierung der Leistungsfähigkeit des iterativen Systems. Im dritten und abschließenden Teil werden Strategien zur Raten- und Leistungszuweisung in Kommunikationssystemen mit konventionellen iterativen SC-MMSE Empfängern untersucht. Zunächst wird das Problem der Maximierung der instantanen Summendatenrate unter der Berücksichtigung der Konvergenz des iterativen Empfängers für einen Zweinutzerkanal mit fester Leistungsallokation betrachtet. Mit Hilfe des Flächentheorems von Extrinsic-Information-Transfer (EXIT)-Funktionen wird eine obere Schranke für die erreichbare Ratenregion hergeleitet. Auf Grundlage dieser Schranke wird ein einfacher Algorithmus entwickelt, der für jeden Nutzer aus einer Menge von vorgegebenen Kanalcodes mit verschiedenen Codierraten denjenigen auswählt, der den instantanen Datendurchsatz des Mehrnutzersystems verbessert. Neben der instantanen Ratenzuweisung wird auch ein ausfallbasierter Ansatz zur Ratenzuweisung entwickelt. Hierbei erfolgt die Auswahl der Kanalcodes für die Nutzer unter Berücksichtigung der Einhaltung einer bestimmten Ausfallwahrscheinlichkeit (outage probability) des iterativen Empfängers. Des Weiteren wird ein neues Entwurfskriterium für irreguläre Faltungscodes hergeleitet, das die Ausfallwahrscheinlichkeit von Turbo SC-MMSE Systemen verringert und somit die Zuverlässigkeit der Datenübertragung erhöht. Eine Reihe von Simulationsergebnissen von Kapazitäts- und Durchsatzberechnungen werden vorgestellt, die die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Algorithmen und Optimierungsverfahren in Mehrnutzerkanälen belegen. Abschließend werden außerdem verschiedene Maßnahmen zur Minimierung der Sendeleistung in Einnutzersystemen mit senderseitiger Singular-Value-Decomposition (SVD)-basierter Vorcodierung untersucht. Es wird gezeigt, dass eine Methode, welche die Leistungspegel des Senders hinsichtlich der Bitfehlerrate des iterativen Empfängers optimiert, den konventionellen Verfahren zur Leistungszuweisung überlegen ist