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

Simulation of Multi-element Antenna Systems for Navigation Applications

The application of user terminals with multiple antenna inputs for use with the global satellite navigation systems like GPS and Galileo becomes more and more attraction in last years. Multiple antennas may be spread over the user platform and provide signals required for the platform attitude estimation or may be arranged in an antenna array to be used together with array processing algorithms for improving signal reception, e.g. for multipath and interference mitigation. In order to generate signals for testing of receivers with multiple antenna inputs and corresponding receiver algorithms in a laboratory environment a unique HW signal simulation tool for wavefront simulation has been developed. The signals for a number of antenna elements in a flexible user defined geometry are first generated as digital signals in baseband and then mixed up to individual RF-outputs. The paper describes the principle function of the system and addresses some calibration issues. Measurement set-ups and results of data processing with simulated signals for different applications are shown and discussed

Narrowband Interference Suppression in Wireless OFDM Systems

Signal distortions in communication systems occur between the transmitter and the receiver; these distortions normally cause bit errors at the receiver. In addition interference by other signals may add to the deterioration in performance of the communication link. In order to achieve reliable communication, the effects of the communication channel distortion and interfering signals must be reduced using different techniques. The aim of this paper is to introduce the fundamentals of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) and Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA), to review and examine the effects of interference in a digital data communication link and to explore methods for mitigating or compensating for these effects

A low-cost time-hopping impulse radio system for high data rate transmission

We present an efficient, low-cost implementation of time-hopping impulse radio that fulfills the spectral mask mandated by the FCC and is suitable for high-data-rate, short-range communications. Key features are: (i) all-baseband implementation that obviates the need for passband components, (ii) symbol-rate (not chip rate) sampling, A/D conversion, and digital signal processing, (iii) fast acquisition due to novel search algorithms, (iv) spectral shaping that can be adapted to accommodate different spectrum regulations and interference environments. Computer simulations show that this system can provide 110Mbit/s at 7-10m distance, as well as higher data rates at shorter distances under FCC emissions limits. Due to the spreading concept of time-hopping impulse radio, the system can sustain multiple simultaneous users, and can suppress narrowband interference effectively.Comment: To appear in EURASIP Journal on Applied Signal Processing (Special Issue on UWB - State of the Art

A pulsed Sagnac source of narrowband polarization-entangled photons

We demonstrate pulsed operation of a bidirectionally pumped polarization Sagnac interferometric down-conversion source and its generation of narrowband, high-visibility polarization-entangled photons. Driven by a narrowband, mode-locked pump at 390.35 nm, the phase-stable Sagnac source with a type-II phase-matched periodically poled KTiOPO$_4$ crystal is capable of producing 0.01 entangled pair per pulse in a 0.15-nm bandwidth centered at 780.7 nm with 1 mW of average pump power at a repetition rate of 31.1 MHz. We have achieved a mean photon-pair generation rate of as high as 0.7 pair per pulse, at which multi-pair events dominate and significantly reduce the two-photon quantum-interference visibility. For low generation probability $\alpha$, the reduced visibility $V=1-\alpha$ is independent of the throughput efficiency and of the polarization analysis basis, which can be utilized to yield an accurate estimate of the generation rate $\alpha$. At low $\alpha$ we have characterized the source entanglement quality in three different ways: average quantum-interference visibility of 99%, the Clauser-Horne-Shimony-Holt $S$ parameter of $2.739 \pm 0.119$, and quantum state tomography with 98.85% singlet-state fidelity. The narrowband pulsed Sagnac source of entangled photons is suitable for use in quantum information processing applications such as free-space quantum key distribution.Comment: 10 pages, 6 figures, accepted for publication in Phys. Rev.

Filter-Bank-Based Narrowband Interference Detection and Suppression in Spread Spectrum Systems

<p/> <p>A filter-bank-based narrowband interference detection and suppression method is developed and its performance is studied in a spread spectrum system. The use of an efficient, complex, critically decimated perfect reconstruction filter bank with a highly selective subband filter prototype, in combination with a newly developed excision algorithm, offers a solution with efficient implementation and performance close to the theoretical limit derived as a function of the filter bank stopband attenuation. Also methods to cope with the transient effects in case of frequency hopping interference are developed and the resulting performance shows only minor degradation in comparison to the stationary case.</p

Applying Spatial Diversity to Mitigate Partial Band Interference in Undersea Networks

Many acoustic channels suffer from interference which is neither narrowband nor impulsive. This relatively long duration partial band interference can be particularly detrimental to system performance. We survey recent work in interference mitigation and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) as background motivation to develop a spatial diversity receiver for use in underwater networks. The network consists of multiple distributed cabled hydrophones that receive data transmitted over a time-varying multipath channel in the presence of partial band interference produced by interfering active sonar signals as well as marine mammal vocalizations. In operational networks, many “dropped” messages are lost due to partial band interference which corrupts different portions of the received signal depending on the relative position of the interferers, information source and receivers due to the slow speed of propagation