Digital signal processing in radio receivers and transmitters

The interface between analog and digital signal processing paths in radio receivers and transmitters is steadily migrating toward the antenna as engineers learn to combine the unique attributes and capabilities of DSP with those of traditional communication system designs to achieve system s with superior and broadened capabilities while reducing system cost. Digital signal processing (DSP) techniques are rapidly being applied to many signal conditioning and signal processing tasks traditionally performed by analog components and subsystems in RF communication receivers and transmitters [1±4]. The incentive to replace analog implementations of signal processing functions with DSP-based processing includes reduced cost, enhanced performance, improved reliability, ease of manufacturing and maintenance, and operating ¯exibility and con® gurabilit

Diseño y realización del sistema de osciladores para un receptor de TDT

El objetivo de este proyecto es explicar todos los pasos necesarios, desde principio a fin, que se utilizan a nivel profesional para el diseño de circuitos electrónicos y de microondas, desde su primera concepción como idea hasta su posterior desarrollo, fabricación y finalmente test y validación. Para ello se va a realizar la síntesis de diseño de un oscilador local doble de altas prestaciones, utilizando la tecnología que actualmente se nutre la industria electrónica y de telecomunicaciones. Entre muchas de sus otras aplicaciones, dicho oscilador doble se utiliza comúnmente para implementar receptores profesionales superheterodinos de doble conversión para equipos repetidores y remisores de Televisión Digital Terrena. Se ha realizado el diseño final de tres osciladores locales basados en bucles PLL. El primero de ellos se utiliza para implementar una frecuencia fija de 30MHz a partir de una referencia externa de 10MHz de gran pureza espectral que comúnmente se encuentra en los centros transmisores procedente de la recepción GPS. Dicha referencia de 30MHz la van a utilizar los siguientes dos osciladores locales para sintetizar frecuencias con buenas prestaciones en ruido de fase que van a utilizarse a posteriori para implementar un receptor complejo de doble conversión. El primero de los osciladores locales para la doble conversión sintetiza frecuencias de 1GHz a 2GHz con pasos de 5MHz, y se utiliza en el receptor superheterodino para obtener una primera FI elevada y solventar el problema del canal imagen del receptor común. El segundo oscilador local sintetiza frecuencias de 500MHz a 1GHz con pasos de 1MHz y se utiliza para obtener una segunda FI la cual a posteriori va a ser la que se va a demodular y tratar digitalmente en el receptor profesional

Design of Analog-to-Digital Converters with Embedded Mixing for Ultra-Low-Power Radio Receivers

In the field of radio receivers, down-conversion methods usually rely on one (or more) explicit mixing stage(s) before the analog-to-digital converter (ADC). These stages not only contribute to the overall power consumption but also have an impact on area and can compromise the receiver’s performance in terms of noise and linearity. On the other hand, most ADCs require some sort of reference signal in order to properly digitize an analog input signal. The implementation of this reference signal usually relies on bandgap circuits and reference buffers to generate a constant, stable, dc signal. Disregarding this conventional approach, the work developed in this thesis aims to explore the viability behind the usage of a variable reference signal. Moreover, it demonstrates that not only can an input signal be properly digitized, but also shifted up and down in frequency, effectively embedding the mixing operation in an ADC. As a result, ADCs in receiver chains can perform double-duty as both a quantizer and a mixing stage. The lesser known charge-sharing (CS) topology, within the successive approximation register (SAR) ADCs, is used for a practical implementation, due to its feature of “pre-charging” the reference signal prior to the conversion. Simulation results from an 8-bit CS-SAR ADC designed in a 0.13 μm CMOS technology validate the proposed technique

Synchronization algorithms and architectures for wireless OFDM systems

Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a multicarrier modulation technique that has become a viable method for wireless communication systems due to the high spectral efficiency, immunity to multipath distortion, and being flexible to integrate with other techniques. However, the high-peak-to-average power ratio and sensitivity to synchronization errors are the major drawbacks for OFDM systems. The algorithms and architectures for symbol timing and frequency synchronization have been addressed in this thesis because of their critical requirements in the development and implementation of wireless OFDM systems. For the frequency synchronization, two efficient carrier frequency offset (CFO) estimation methods based on the power and phase difference measurements between the subcarriers in consecutive OFDM symbols have been presented and the power difference measurement technique is mapped onto reconfigurable hardware architecture. The performance of the considered CFO estimators is investigated in the presence of timing uncertainty conditions. The power difference measurements approach is further investigated for timing synchronization in OFDM systems with constant modulus constellation. A new symbol timing estimator has been proposed by measuring the power difference either between adjacent subcarriers or the same subcarrier in consecutive OFDM symbols. The proposed timing metric has been realized in feedforward and feedback configurations, and different implementation strategies have been considered to enhance the performance and reduce the complexity. Recently, multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communication systems have received considerable attention. Therefore, the proposed algorithms have also been extended for timing recovery and frequency synchronization in MIMO-OFDM systems. Unlike other techniques, the proposed timing and frequency synchronization architectures are totally blind in the sense that they do not require any information about the transmitted data, the channel state or the signal-to-noise-ratio (SNR). The proposed frequency synchronization architecture has low complexity because it can be implemented efficiently using the three points parameter estimation approach. The simulation results confirmed that the proposed algorithms provide accurate estimates for the synchronization parameters using a short observation window. In addition, the proposed synchronization techniques have demonstrated robust performance over frequency selective fading channels that significantly outperform other well-established methods which will in turn benefit the overall OFDM system performance. Furthermore, an architectural exploration for mapping the proposed frequency synchronization algorithm, in particular the CFO estimation based on the power difference measurements, on reconfigurable computing architecture has been investigated. The proposed reconfigurable parallel and multiplexed-stream architectures with different implementation alternatives have been simulated, verified and compared for field programmable gate array (FPGA) implementation using the Xilinx’s DSP design flow.EThOS - Electronic Theses Online ServiceMinistry of Higher Education and Scientific Research (MOHSR) of IraqGBUnited Kingdo

Oscillator Architectures and Enhanced Frequency Synthesizer

A voltage controlled oscillator (VCO), that generates a periodic signal whose frequency is tuned by a voltage, is a key building block in any integrated circuit systems. A sine wave oscillator can be used for a built-in self testing where high linearity is required. A bandpass filter (BPF) based oscillator is a preferred solution, and high quality factor (Q-factor) is needed to improve the linearity. However, a stringent linearity specification may require very high Q-factor, not practical to implement. To address this problem, a frequency harmonic shaping technique is proposed. It utilizes a finite impulse response filter improving the linearity by rejecting certain harmonics. A prototype SC BPF oscillator with an oscillating frequency of 10 MHz is designed and measurement results show that linearity is improved by 20 dB over a conventional oscillator. In radio frequency area, preferred oscillator structures are an LC oscillator and a ring oscillator. An LC oscillator exhibits good phase noise but an expensive cost of an inductor is disadvantageous. A ring oscillator can be built in standard CMOS process, but suffers due to a poor phase noise and is sensitive to supply noise. A RC BPF oscillator is proposed to compromise the above difficulties. A RC BPF oscillator at 2.5 GHz is designed and measured performance is better than ring oscillators when compared using a figure of merit. In particular, the frequency tuning range of the proposed oscillator is superior to the ring oscillator. VCO is normally incorporated with a frequency synthesizer (FS) for an accurate frequency control. In an integer-N FS, reference spur is one of the design concerns in communication systems since it degrades a signal to noise ratio. Reference spurs can be rejected more by either the lower loop bandwidth or the higher loop filter. But the former increases a settling time and the latter decreases phase margin. An adaptive lowpass filtering technique is proposed. The loop filter order is adaptively increased after the loop is locked. A 5.8 GHz integer-N FS is designed and measurement results show that reference spur rejection is improved by 20 dB over a conventional FS without degrading the settling time. A new pulse interleaving technique is proposed and several design modifications are suggested as a future work

Recent Trends in Communication Networks

In recent years there has been many developments in communication technology. This has greatly enhanced the computing power of small handheld resource-constrained mobile devices. Different generations of communication technology have evolved. This had led to new research for communication of large volumes of data in different transmission media and the design of different communication protocols. Another direction of research concerns the secure and error-free communication between the sender and receiver despite the risk of the presence of an eavesdropper. For the communication requirement of a huge amount of multimedia streaming data, a lot of research has been carried out in the design of proper overlay networks. The book addresses new research techniques that have evolved to handle these challenges

GNSS array-based acquisition: theory and implementation

This Dissertation addresses the signal acquisition problem using antenna arrays in the general framework of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) receivers. The term GNSS classi es those navigation systems based on a constellation of satellites, which emit ranging signals useful for positioning. Although the American GPS is already available, which coexists with the renewed Russian Glonass, the forthcoming European contribution (Galileo) along with the Chinese Compass will be operative soon. Therefore, a variety of satellite constellations and signals will be available in the next years. GNSSs provide the necessary infrastructures for a myriad of applications and services that demand a robust and accurate positioning service. The positioning availability must be guaranteed all the time, specially in safety-critical and mission-critical services. Examining the threats against the service availability, it is important to take into account that all the present and the forthcoming GNSSs make use of Code Division Multiple Access (CDMA) techniques. The ranging signals are received with very low precorrelation signal-to-noise ratio (in the order of ���22 dB for a receiver operating at the Earth surface). Despite that the GNSS CDMA processing gain o ers limited protection against Radio Frequency interferences (RFI), an interference with a interference-to-signal power ratio that exceeds the processing gain can easily degrade receivers' performance or even deny completely the GNSS service, specially conventional receivers equipped with minimal or basic level of protection towards RFIs. As a consequence, RFIs (either intentional or unintentional) remain as the most important cause of performance degradation. A growing concern of this problem has appeared in recent times. Focusing our attention on the GNSS receiver, it is known that signal acquisition has the lowest sensitivity of the whole receiver operation, and, consequently, it becomes the performance bottleneck in the presence of interfering signals. A single-antenna receiver can make use of time and frequency diversity to mitigate interferences, even though the performance of these techniques is compromised in low SNR scenarios or in the presence of wideband interferences. On the other hand, antenna arrays receivers can bene t from spatial-domain processing, and thus mitigate the e ects of interfering signals. Spatial diversity has been traditionally applied to the signal tracking operation of GNSS receivers. However, initial tracking conditions depend on signal acquisition, and there are a number of scenarios in which the acquisition process can fail as stated before. Surprisingly, to the best of our knowledge, the application of antenna arrays to GNSS signal acquisition has not received much attention. This Thesis pursues a twofold objective: on the one hand, it proposes novel arraybased acquisition algorithms using a well-established statistical detection theory framework, and on the other hand demonstrates both their real-time implementation feasibility and their performance in realistic scenarios. The Dissertation starts with a brief introduction to GNSS receivers fundamentals, providing some details about the navigation signals structure and the receiver's architecture of both GPS and Galileo systems. It follows with an analysis of GNSS signal acquisition as a detection problem, using the Neyman-Pearson (NP) detection theory framework and the single-antenna acquisition signal model. The NP approach is used here to derive both the optimum detector (known as clairvoyant detector ) and the sov called Generalized Likelihood Ratio Test (GLRT) detector, which is the basis of almost all of the current state-of-the-art acquisition algorithms. Going further, a novel detector test statistic intended to jointly acquire a set of GNSS satellites is obtained, thus reducing both the acquisition time and the required computational resources. The eff ects of the front-end bandwidth in the acquisition are also taken into account. Then, the GLRT is extended to the array signal model to obtain an original detector which is able to mitigate temporally uncorrelated interferences even if the array is unstructured and moderately uncalibrated, thus becoming one of the main contributions of this Dissertation. The key statistical feature is the assumption of an arbitrary and unknown covariance noise matrix, which attempts to capture the statistical behavior of the interferences and other non-desirable signals, while exploiting the spatial dimension provided by antenna arrays. Closed form expressions for the detection and false alarm probabilities are provided. Performance and interference rejection capability are modeled and compared both to their theoretical bound. The proposed array-based acquisition algorithm is also compared to conventional acquisition techniques performed after blind null-steering beamformer approaches, such as the power minimization algorithm. Furthermore, the detector is analyzed under realistic conditions, accounting for the presence of errors in the covariance matrix estimation, residual Doppler and delay errors, and signal quantization e ects. Theoretical results are supported by Monte Carlo simulations. As another main contribution of this Dissertation, the second part of the work deals with the design and the implementation of a novel Field Programmable Gate Array (FPGA)-based GNSS real-time antenna-array receiver platform. The platform is intended to be used as a research tool tightly coupled with software de ned GNSS receivers. A complete signal reception chain including the antenna array and the multichannel phase-coherent RF front-end for the GPS L1/ Galileo E1 was designed, implemented and tested. The details of the digital processing section of the platform, such as the array signal statistics extraction modules, are also provided. The design trade-o s and the implementation complexities were carefully analyzed and taken into account. As a proof-of-concept, the problem of GNSS vulnerability to interferences was addressed using the presented platform. The array-based acquisition algorithms introduced in this Dissertation were implemented and tested under realistic conditions. The performance of the algorithms were compared to single antenna acquisition techniques, measured under strong in-band interference scenarios, including narrow/wide band interferers and communication signals. The platform was designed to demonstrate the implementation feasibility of novel array-based acquisition algorithms, leaving the rest of the receiver operations (mainly, tracking, navigation message decoding, code and phase observables, and basic Position, Velocity and Time (PVT) solution) to a Software De ned Radio (SDR) receiver running in a personal computer, processing in real-time the spatially- ltered signal sample stream coming from the platform using a Gigabit Ethernet bus data link. In the last part of this Dissertation, we close the loop by designing and implementing such software receiver. The proposed software receiver targets multi-constellation/multi-frequency architectures, pursuing the goals of e ciency, modularity, interoperability, and exibility demanded by user domains that require non-standard features, such as intermediate signals or data extraction and algorithms interchangeability. In this context, we introduce an open-source, real-time GNSS software de ned receiver (so-named GNSS-SDR) that contributes with several novel features such as the use of software design patterns and shared memory techniques to manage e ciently the data ow between receiver blocks, the use of hardware-accelerated instructions for time-consuming vector operations like carrier wipe-o and code correlation, and the availability to compile and run on multiple software platforms and hardware architectures. At this time of writing (April 2012), the receiver enjoys of a 2-dimensional Distance Root Mean Square (DRMS) error lower than 2 meters for a GPS L1 C/A scenario with 8 satellites in lock and a Horizontal Dilution Of Precision (HDOP) of 1.2.Esta tesis aborda el problema de la adquisición de la señal usando arrays de antenas en el marco general de los receptores de Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS). El término GNSS engloba aquellos sistemas de navegación basados en una constelación de satélites que emiten señales útiles para el posicionamiento. Aunque el GPS americano ya está disponible, coexistiendo con el renovado sistema ruso GLONASS, actualmente se está realizando un gran esfuerzo para que la contribución europea (Galileo), junto con el nuevo sistema chino Compass, estén operativos en breve. Por lo tanto, una gran variedad de constelaciones de satélites y señales estarán disponibles en los próximos años. Estos sistemas proporcionan las infraestructuras necesarias para una multitud de aplicaciones y servicios que demandan un servicio de posicionamiento confiable y preciso. La disponibilidad de posicionamiento se debe garantizar en todo momento, especialmente en los servicios críticos para la seguridad de las personas y los bienes. Cuando examinamos las amenazas de la disponibilidad del servicio que ofrecen los GNSSs, es importante tener en cuenta que todos los sistemas presentes y los sistemas futuros ya planificados hacen uso de técnicas de multiplexación por división de código (CDMA). Las señales transmitidas por los satélites son recibidas con una relación señal-ruido (SNR) muy baja, medida antes de la correlación (del orden de -22 dB para un receptor ubicado en la superficie de la tierra). A pesar de que la ganancia de procesado CDMA ofrece una protección inherente contra las interferencias de radiofrecuencia (RFI), esta protección es limitada. Una interferencia con una relación de potencia de interferencia a potencia de la señal que excede la ganancia de procesado puede degradar el rendimiento de los receptores o incluso negar por completo el servicio GNSS. Este riesgo es especialmente importante en receptores convencionales equipados con un nivel mínimo o básico de protección frente las RFIs. Como consecuencia, las RFIs (ya sean intencionadas o no intencionadas), se identifican como la causa más importante de la degradación del rendimiento en GNSS. El problema esta causando una preocupación creciente en los últimos tiempos, ya que cada vez hay más servicios que dependen de los GNSSs Si centramos la atención en el receptor GNSS, es conocido que la adquisición de la señal tiene la menor sensibilidad de todas las operaciones del receptor, y, en consecuencia, se convierte en el factor limitador en la presencia de señales interferentes. Un receptor de una sola antena puede hacer uso de la diversidad en tiempo y frecuencia para mitigar las interferencias, aunque el rendimiento de estas técnicas se ve comprometido en escenarios con baja SNR o en presencia de interferencias de banda ancha. Por otro lado, los receptores basados en múltiples antenas se pueden beneficiar del procesado espacial, y por lo tanto mitigar los efectos de las señales interferentes. La diversidad espacial se ha aplicado tradicionalmente a la operación de tracking de la señal en receptores GNSS. Sin embargo, las condiciones iniciales del tracking dependen del resultado de la adquisición de la señal, y como hemos visto antes, hay un número de situaciones en las que el proceso de adquisición puede fallar. En base a nuestro grado de conocimiento, la aplicación de los arrays de antenas a la adquisición de la señal GNSS no ha recibido mucha atención, sorprendentemente. El objetivo de esta tesis doctoral es doble: por un lado, proponer nuevos algoritmos para la adquisición basados en arrays de antenas, usando como marco la teoría de la detección de señal estadística, y por otro lado, demostrar la viabilidad de su implementación y ejecución en tiempo real, así como su medir su rendimiento en escenarios realistas. La tesis comienza con una breve introducción a los fundamentos de los receptores GNSS, proporcionando algunos detalles sobre la estructura de las señales de navegación y la arquitectura del receptor aplicada a los sistemas GPS y Galileo. Continua con el análisis de la adquisición GNSS como un problema de detección, aplicando la teoría del detector Neyman-Pearson (NP) y el modelo de señal de una única antena. El marco teórico del detector NP se utiliza aquí para derivar tanto el detector óptimo (conocido como detector clarividente) como la denominada Prueba Generalizada de la Razón de Verosimilitud (en inglés, Generalized Likelihood Ratio Test (GLRT)), que forma la base de prácticamente todos los algoritmos de adquisición del estado del arte actual. Yendo más lejos, proponemos un nuevo detector diseñado para adquirir simultáneamente un conjunto de satélites, por lo tanto, obtiene una reducción del tiempo de adquisición y de los recursos computacionales necesarios en el proceso, respecto a las técnicas convencionales. El efecto del ancho de banda del receptor también se ha tenido en cuenta en los análisis. A continuación, el detector GLRT se extiende al modelo de señal de array de antenas para obtener un detector nuevo que es capaz de mitigar interferencias no correladas temporalmente, incluso utilizando arrays no estructurados y moderadamente descalibrados, convirtiéndose así en una de las principales aportaciones de esta tesis. La clave del detector es asumir una matriz de covarianza de ruido arbitraria y desconocida en el modelo de señal, que trata de captar el comportamiento estadístico de las interferencias y otras señales no deseadas, mientras que utiliza la dimensión espacial proporcionada por los arrays de antenas. Se han derivado las expresiones que modelan las probabilidades teóricas de detección y falsa alarma. El rendimiento del detector y su capacidad de rechazo a interferencias se han modelado y comparado con su límite teórico. El algoritmo propuesto también ha sido comparado con técnicas de adquisición convencionales, ejecutadas utilizando la salida de conformadores de haz que utilizan algoritmos de filtrado de interferencias, como el algoritmo de minimización de la potencia. Además, el detector se ha analizado bajo condiciones realistas, representadas con la presencia de errores en la estimación de covarianzas, errores residuales en la estimación del Doppler y el retardo de señal, y los efectos de la cuantificación. Los resultados teóricos se apoyan en simulaciones de Monte Carlo. Como otra contribución principal de esta tesis, la segunda parte del trabajo trata sobre el diseño y la implementación de una nueva plataforma para receptores GNSS en tiempo real basados en array de antenas que utiliza la tecnología de matriz programable de puertas lógicas (en ingles Field Programmable Gate Array (FPGA)). La plataforma está destinada a ser utilizada como una herramienta de investigación estrechamente acoplada con receptores GNSS definidos por software. Se ha diseñado, implementado y verificado la cadena completa de recepción, incluyendo el array de antenas y el front-end multi-canal para las señales GPS L1 y Galileo E1. El documento explica en detalle el procesado de señal que se realiza, como por ejemplo, la implementación del módulo de extracción de estadísticas de la señal. Los compromisos de diseño y las complejidades derivadas han sido cuidadosamente analizadas y tenidas en cuenta. La plataforma ha sido utilizada como prueba de concepto para solucionar el problema presentado de la vulnerabilidad del GNSS a las interferencias. Los algoritmos de adquisición introducidos en esta tesis se han implementado y probado en condiciones realistas. El rendimiento de los algoritmos se comparó con las técnicas de adquisición basadas en una sola antena. Se han realizado pruebas en escenarios que contienen interferencias dentro de la banda GNSS, incluyendo interferencias de banda estrecha y banda ancha y señales de comunicación. La plataforma fue diseñada para demostrar la viabilidad de la implementación de nuevos algoritmos de adquisición basados en array de antenas, dejando el resto de las operaciones del receptor (principalmente, los módulos de tracking, decodificación del mensaje de navegación, los observables de código y fase, y la solución básica de Posición, Velocidad y Tiempo (PVT)) a un receptor basado en el concepto de Radio Definida por Software (SDR), el cual se ejecuta en un ordenador personal. El receptor procesa en tiempo real las muestras de la señal filltradas espacialmente, transmitidas usando el bus de datos Gigabit Ethernet. En la última parte de esta Tesis, cerramos ciclo diseñando e implementando completamente este receptor basado en software. El receptor propuesto está dirigido a las arquitecturas de multi-constalación GNSS y multi-frecuencia, persiguiendo los objetivos de eficiencia, modularidad, interoperabilidad y flexibilidad demandada por los usuarios que requieren características no estándar, tales como la extracción de señales intermedias o de datos y intercambio de algoritmos. En este contexto, se presenta un receptor de código abierto que puede trabajar en tiempo real, llamado GNSS-SDR, que contribuye con varias características nuevas. Entre ellas destacan el uso de patrones de diseño de software y técnicas de memoria compartida para administrar de manera eficiente el uso de datos entre los bloques del receptor, el uso de la aceleración por hardware para las operaciones vectoriales más costosas, como la eliminación de la frecuencia Doppler y la correlación de código, y la disponibilidad para compilar y ejecutar el receptor en múltiples plataformas de software y arquitecturas de hardware. A fecha de la escritura de esta Tesis (abril de 2012), el receptor obtiene un rendimiento basado en la medida de la raíz cuadrada del error cuadrático medio en la distancia bidimensional (en inglés, 2-dimensional Distance Root Mean Square (DRMS) error) menor de 2 metros para un escenario GPS L1 C/A con 8 satélites visibles y una dilución de la precisión horizontal (en inglés, Horizontal Dilution Of Precision (HDOP)) de 1.2