Adaptive Interference Mitigation in GPS Receivers

Satellite navigation systems (GNSS) are among the most complex radio-navigation systems, providing positioning, navigation, and timing (PNT) information. A growing number of public sector and commercial applications rely on the GNSS PNT service to support business growth, technical development, and the day-to-day operation of technology and socioeconomic systems. As GNSS signals have inherent limitations, they are highly vulnerable to intentional and unintentional interference. GNSS signals have spectral power densities far below ambient thermal noise. Consequently, GNSS receivers must meet high standards of reliability and integrity to be used within a broad spectrum of applications. GNSS receivers must employ effective interference mitigation techniques to ensure robust, accurate, and reliable PNT service. This research aims to evaluate the effectiveness of the Adaptive Notch Filter (ANF), a precorrelation mitigation technique that can be used to excise Continuous Wave Interference (CWI), hop-frequency and chirp-type interferences from GPS L1 signals. To mitigate unwanted interference, state-of-the-art ANFs typically adjust a single parameter, the notch centre frequency, and zeros are constrained extremely close to unity. Because of this, the notch centre frequency converges slowly to the target frequency. During this slow converge period, interference leaks into the acquisition block, thus sabotaging the operation of the acquisition block. Furthermore, if the CWI continuously hops within the GPS L1 in-band region, the subsequent interference frequency is locked onto after a delay, which means constant interference occurs in the receiver throughout the delay period. This research contributes to the field of interference mitigation at GNSS's receiver end using adaptive signal processing, predominately for GPS. This research can be divided into three stages. I first designed, modelled and developed a Simulink-based GPS L1 signal simulator, providing a homogenous test signal for existing and proposed interference mitigation algorithms. Simulink-based GPS L1 signal simulator provided great flexibility to change various parameters to generate GPS L1 signal under different conditions, e.g. Doppler Shift, code phase delay and amount of propagation degradation. Furthermore, I modelled three acquisition schemes for GPS signals and tested GPS L1 signals acquisition via coherent and non-coherent integration methods. As a next step, I modelled different types of interference signals precisely and implemented and evaluated existing adaptive notch filters in MATLAB in terms of Carrier to Noise Density (\u1d436/\u1d4410), Signal to Noise Ratio (SNR), Peak Degradation Metric, and Mean Square Error (MSE) at the output of the acquisition module in order to create benchmarks. Finally, I designed, developed and implemented a novel algorithm that simultaneously adapts both coefficients in lattice-based ANF. Mathematically, I derived the full-gradient term for the notch's bandwidth parameter adaptation and developed a framework for simultaneously adapting both coefficients of a lattice-based adaptive notch filter. I evaluated the performance of existing and proposed interference mitigation techniques under different types of interference signals. Moreover, I critically analysed different internal signals within the ANF structure in order to develop a new threshold parameter that resets the notch bandwidth at the start of each subsequent interference frequency. As a result, I further reduce the complexity of the structural implementation of lattice-based ANF, allowing for efficient hardware realisation and lower computational costs. It is concluded from extensive simulation results that the proposed fully adaptive lattice-based provides better interference mitigation performance and superior convergence properties to target frequency compared to traditional ANF algorithms. It is demonstrated that by employing the proposed algorithm, a receiver is able to operate with a higher dynamic range of JNR than is possible with existing methods. This research also presents the design and MATLAB implementation of a parameterisable Complex Adaptive Notch Filer (CANF). Present analysis on higher order CANF for detecting and mitigating various types of interference for complex baseband GPS L1 signals. In the end, further research was conducted to suppress interference in the GPS L1 signal by exploiting autocorrelation properties and discarding some portion of the main lobe of the GPS L1 signal. It is shown that by removing 30% spectrum of the main lobe, either from left, right, or centre, the GPS L1 signal is still acquirable

Técnicas de filtrado adaptativo aplicadas al rechazo selectivo de perturbaciones en inversores fotovoltaicos trifásicos

La conexión de paneles solares fotovoltaicos a la red eléctrica puede llevarse a cabo mediante el empleo de inversores de potencia tipo VSI (Voltage Source Inverter). Los inversores pueden ser controlados en un marco de referencia estacionario (StRF, Stationary Reference Frame) mediante reguladores resonantes (PR) sintonizados tanto a la frecuencia de la red como a determinados armónicos habituales de la misma, de manera que permitan obtener un factor de potencia próximo a la unidad con una tasa de distorsión armónica (THD) en corriente dentro de los límites establecidos en las normativas de conexión a red. Para ello, es habitual estimar la fase de la red eléctrica mediante el empleo de un PLL en un marco de referencia síncrono (SRF-PLL, Synchronous Reference Frame-Phase Locked Loop). En la presente tesis se ha realizado un estudio sobre el efecto que las perturbaciones en la red eléctrica trifásica tienen sobre el SRF-PLL y los reguladores PR, y su repercusión en el deterioro del factor de potencia y en el THD en corriente del inversor, demostrando que dicho deterioro no permite, en determinados supuestos, cumplir las normativas anteriormente citadas, sobre todo si existe variación en la frecuencia de la red eléctrica de acuerdo a la tolerancia definida en distintas normativas, o bien cuando el inversor se encuentra conectado a redes de generación distribuida en situación de isla. Teniendo en cuenta que las perturbaciones más habituales son desequilibrio y distorsión armónica, para mejorar el rechazo de las mismas pueden emplearse diversas técnicas de filtrado convencional para el diseño de los reguladores PR y del SRF-PLL. No obstante, dichas técnicas se muestran poco eficientes cuando existe variación en la frecuencia de la red eléctrica. En la presente tesis se ha propuesto el empleo de técnicas de filtrado adaptativo, capaces de adaptar sus coeficientes de manera automática en función de la variación de la frecuencia de la red eléctrica.González Espín, FJ. (2010). Técnicas de filtrado adaptativo aplicadas al rechazo selectivo de perturbaciones en inversores fotovoltaicos trifásicos [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/10082Palanci

Theory, design and application of gradient adaptive lattice filters

SIGLELD:D48933/84 / BLDSC - British Library Document Supply CentreGBUnited Kingdo

Digital Filters

The new technology advances provide that a great number of system signals can be easily measured with a low cost. The main problem is that usually only a fraction of the signal is useful for different purposes, for example maintenance, DVD-recorders, computers, electric/electronic circuits, econometric, optimization, etc. Digital filters are the most versatile, practical and effective methods for extracting the information necessary from the signal. They can be dynamic, so they can be automatically or manually adjusted to the external and internal conditions. Presented in this book are the most advanced digital filters including different case studies and the most relevant literature

Integrated Microwave Photonic Processors using Waveguide Mesh Cores

Integrated microwave photonics changes the scaling laws of information and communication systems offering architectural choices that combine photonics with electronics to optimize performance, power, footprint and cost. Application Specific Photonic Integrated Circuits, where particular circuits/chips are designed to optimally perform particular functionalities, require a considerable number of design and fabrication iterations leading to long-development times and costly implementations. A different approach inspired by electronic Field Programmable Gate Arrays is the programmable Microwave Photonic processor, where a common hardware implemented by the combination of microwave, photonic and electronic subsystems, realizes different functionalities through programming. Here, we propose the first-ever generic-purpose Microwave Photonic processor concept and architecture. This versatile processor requires a powerful end-to-end field-based analytical model to optimally configure all their subsystems as well as to evaluate their performance in terms of the radiofrequency gain, noise and dynamic range. Therefore, we develop a generic model for integrated Microwave Photonics systems. The key element of the processor is the reconfigurable optical core. It requires high flexibility and versatility to enable reconfigurable interconnections between subsystems as well as the synthesis of photonic integrated circuits. For this element, we focus on a 2-dimensional photonic waveguide mesh based on the interconnection of tunable couplers. Within the framework of this Thesis, we have proposed two novel interconnection schemes, aiming for a mesh design with a high level of versatility. Focusing on the hexagonal waveguide mesh, we explore the synthesis of a high variety of photonic integrated circuits and particular Microwave Photonics applications that can potentially be performed on a single hardware. In addition, we report the first-ever demonstration of such reconfigurable waveguide mesh in silicon. We demonstrate a world-record number of functionalities on a single photonic integrated circuit enabling over 30 different functionalities from the 100 that could be potentially obtained with a simple seven hexagonal cell structure. The resulting device can be applied to different fields including communications, chemical and biomedical sensing, signal processing, multiprocessor networks as well as quantum information systems. Our work is an important step towards this paradigm and sets the base for a new era of generic-purpose photonic integrated systems.Los dispositivos integrados de fotónica de microondas ofrecen soluciones optimizadas para los sistemas de información y comunicación. Generalmente, están compuestos por diferentes arquitecturas en las que subsistemas ópticos y electrónicos se integran para optimizar las prestaciones, el consumo, el tamaño y el coste del dispositivo final. Hasta ahora, los circuitos/chips de propósito específico se han diseñado para proporcionar una funcionalidad concreta, requiriendo así un número considerable de iteraciones entre las etapas de diseño, fabricación y medida, que origina tiempos de desarrollo largos y costes demasiado elevados. Una alternativa, inspirada por las FPGA (del inglés Field Programmable Gate Array), es el procesador fotónico programable. Este dispositivo combina la integración de subsistemas de microondas, ópticos y electrónicos para realizar, mediante la programación de los mismos y sus interconexiones, diferentes funcionalidades. En este trabajo, proponemos por primera vez el concepto del procesador de propósito general, así como su arquitectura. Además, con el fin de diseñar, optimizar y evaluar las prestaciones básicas del dispositivo, hemos desarrollado un modelo analítico extremo a extremo basado en las componentes del campo electromagnético. El modelo desarrollado proporciona como resultado la ganancia, el ruido y el rango dinámico global para distintas configuraciones de modulación y detección, en función de los subsistemas y su configuración. El elemento principal del procesador es su núcleo óptico reconfigurable. Éste requiere un alto grado de flexibilidad y versatilidad para reconfigurar las interconexiones entre los distintos subsistemas y para sintetizar los circuitos para el procesado óptico. Para este subsistema, proponemos el diseño de guías de onda reconfigurables para la creación de mallados bidimensionales. En el marco de esta tesis, hemos propuesto dos nuevos nodos de interconexión óptica para mallas reconfigurables, con el objetivo de obtener un mayor grado de versatilidad. Una vez escogida la malla hexagonal para el núcleo del procesador, hemos analizado la configuración de un gran número de circuitos fotónicos integrados y de funcionalidades de fotónica de microondas. El trabajo se ha completado con la demonstración de la primera malla reconfigurable integrada en un chip de silicio, demostrando además la síntesis de 30 de las 100 funcionalidades que potencialmente se pueden obtener con la malla diseñada compuesta de 7 celdas hexagonales. Este hecho supone un record frente a los sistemas de propósito específico. El sistema puede aplicarse en diferentes campos como las comunicaciones, los sensores químicos y biomédicos, el procesado de señales, la gestión y procesamiento de redes y los sistemas de información cuánticos. El conjunto del trabajo realizado representa un paso importante en la evolución de este paradigma, y sienta las bases para una nueva era de dispositivos fotónicos de propósito general.Els dispositius integrats de Fotònica de Microones oferixen solucions optimitzades per als sistemes d'informació i comunicació. Generalment, estan compostos per diferents arquitectures en què subsistemes òptics i electrònics s'integren per a optimitzar les prestacions, el consum, la grandària i el cost del dispositiu final. Fins ara, els circuits/xips de propòsit específic s'han dissenyat per a proporcionar una funcionalitat concreta, requerint així un nombre considerable d'iteracions entre les etapes de disseny, fabricació i mesura, que origina temps de desenrotllament llargs i costos massa elevats. Una alternativa, inspirada per les FPGA (de l'anglés Field Programmable Gate Array), és el processador fotònic programable. Este dispositiu combina la integració de subsistemes de microones, òptics i electrònics per a realitzar, per mitjà de la programació dels mateixos i les seues interconnexions, diferents funcionalitats. En este treball proposem per primera vegada el concepte del processador de propòsit general, així com la seua arquitectura. A més, a fi de dissenyar, optimitzar i avaluar les prestacions bàsiques del dispositiu, hem desenrotllat un model analític extrem a extrem basat en els components del camp electromagnètic. El model desenrotllat proporciona com resultat el guany, el soroll i el rang dinàmic global per a distintes configuracions de modulació i detecció, en funció dels subsistemes i la seua configuració. L'element principal del processador és el seu nucli òptic reconfigurable. Este requerix un alt grau de flexibilitat i versatilitat per a reconfigurar les interconnexions entre els distints subsistemes i per a sintetitzar els circuits per al processat òptic. Per a este subsistema, proposem el disseny de guies d'onda reconfigurables per a la creació de mallats bidimensionals. En el marc d'esta tesi, hem proposat dos nous nodes d'interconnexió òptica per a malles reconfigurables, amb l'objectiu d'obtindre un major grau de versatilitat. Una vegada triada la malla hexagonal per al nucli del processador, hem analitzat la configuració d'un gran nombre de circuits fotónicos integrats i de funcionalitats de fotónica de microones. El treball s'ha completat amb la demostració de la primera malla reconfigurable integrada en un xip de silici, demostrant a més la síntesi de 30 de les 100 funcionalitats que potencialment es poden obtindre amb la malla dissenyada composta de 7 cèl·lules hexagonals. Este fet suposa un rècord enfront dels sistemes de propòsit específic. El sistema pot aplicarse en diferents camps com les comunicacions, els sensors químics i biomèdics, el processat de senyals, la gestió i processament de xarxes i els sistemes d'informació quàntics. El conjunt del treball realitzat representa un pas important en l'evolució d'este paradigma, i assenta les bases per a una nova era de dispositius fotónicos de propòsit general.Pérez López, D. (2017). Integrated Microwave Photonic Processors using Waveguide Mesh Cores [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/91232TESI