Communication Subsystems for Emerging Wireless Technologies

The paper describes a multi-disciplinary design of modern communication systems. The design starts with the analysis of a system in order to define requirements on its individual components. The design exploits proper models of communication channels to adapt the systems to expected transmission conditions. Input filtering of signals both in the frequency domain and in the spatial domain is ensured by a properly designed antenna. Further signal processing (amplification and further filtering) is done by electronics circuits. Finally, signal processing techniques are applied to yield information about current properties of frequency spectrum and to distribute the transmission over free subcarrier channels

Advanced Algorithms for Satellite Communication Signal Processing

Dizertační práce je zaměřena na softwarově definované přijímače určené k úzkopásmové družicové komunikaci. Komunikační kanály družicových spojů zahrnujících komunikaci s hlubokým vesmírem jsou zatíženy vysokými úrovněmi šumu, typicky modelovaného AWGN, a silným Dopplerovým posuvem signálu způsobeným mimořádnou rychlostí pohybu objektu. Dizertační práce představuje možné postupy řešení výpočetně efektivní digitální downkonverze úzkopásmových signálů a systému odhadu kmitočtu nosné úzkopásmových signálů zatížených Dopplerovým posuvem v řádu násobků šířky pásma signálu. Popis navrhovaných algoritmů zahrnuje analytický postup jejich vývoje a tam, kde je to možné, i analytické hodnocení jejich chování. Algoritmy jsou modelovány v prostředí MATLAB Simulink a tyto modely jsou využity pro ověření vlastností simulacemi. Modely byly také využity k experimentálním testům na reálném signálu přijatém z družice PSAT v laboratoři experimentálních družic na ústavu radioelektroniky.The dissertation is focused on software defined receivers intended for narrowband satellite communication. The satellite communication channel including deep space communication suffers from a high level of noise, typically modeled by AWGN, and from a strong Doppler shift of a signal caused by the unprecedented speed of an object in motion. The dissertation shows possible approaches to the issues of computationally efficient digital downconversion of narrowband signals and the carrier frequency estimation of narrowband signals distorted by the Doppler shift in the order of multiples of the signal bandwidth. The description of the proposed algorithms includes an analytical approach of its development and, if possible, the analytical performance assessment. The algorithms are modeled in MATLAB Simulink and the models are used for validating the performance by the simulation. The models were also used for experimental tests on the real signal received from the PSAT satellite at the laboratory of experimental satellites at the department of radio electronics.

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

Low-Complexity Sub-band Digital Predistortion for Spurious Emission Suppression in Noncontiguous Spectrum Access

Noncontiguous transmission schemes combined with high power-efficiency requirements pose big challenges for radio transmitter and power amplifier (PA) design and implementation. Due to the nonlinear nature of the PA, severe unwanted emissions can occur, which can potentially interfere with neighboring channel signals or even desensitize the own receiver in frequency division duplexing (FDD) transceivers. In this article, to suppress such unwanted emissions, a low-complexity sub-band DPD solution, specifically tailored for spectrally noncontiguous transmission schemes in low-cost devices, is proposed. The proposed technique aims at mitigating only the selected spurious intermodulation distortion components at the PA output, hence allowing for substantially reduced processing complexity compared to classical linearization solutions. Furthermore, novel decorrelation based parameter learning solutions are also proposed and formulated, which offer reduced computing complexity in parameter estimation as well as the ability to track time-varying features adaptively. Comprehensive simulation and RF measurement results are provided, using a commercial LTE-Advanced mobile PA, to evaluate and validate the effectiveness of the proposed solution in real world scenarios. The obtained results demonstrate that highly efficient spurious component suppression can be obtained using the proposed solutions

Reconstruction of the gravitational wave signal h(t)h(t) during the Virgo science runs and independent validation with a photon calibrator

The Virgo detector is a kilometer-scale interferometer for gravitational wave detection located near Pisa (Italy). About 13 months of data were accumulated during four science runs (VSR1, VSR2, VSR3 and VSR4) between May 2007 and September 2011, with increasing sensitivity. In this paper, the method used to reconstruct, in the range 10 Hz-10 kHz, the gravitational wave strain time series $h(t)$ from the detector signals is described. The standard consistency checks of the reconstruction are discussed and used to estimate the systematic uncertainties of the $h(t)$ signal as a function of frequency. Finally, an independent setup, the photon calibrator, is described and used to validate the reconstructed $h(t)$ signal and the associated uncertainties. The uncertainties of the $h(t)$ time series are estimated to be 8% in amplitude. The uncertainty of the phase of $h(t)$ is 50 mrad at 10 Hz with a frequency dependence following a delay of 8 $\mu$s at high frequency. A bias lower than $4\,\mathrm{\mu s}$ and depending on the sky direction of the GW is also present.Comment: 35 pages, 16 figures. Accepted by CQ

Measurements, Models, Systems and Design

531 s.