Achievable Rate and Modulation for Bandlimited Channels with Oversampling and 1-Bit Quantization at the Receiver

Sustainably realizing applications of the future with high performance demands requires that energy efficiency becomes a central design criterion for the entire system. For example, the power consumption of the analog-to-digital converter (ADC) can become a major factor when transmitting at large bandwidths and carrier frequencies, e.g., for ultra-short range high data rate communication. The consumed energy per conversion step increases with the sampling rate such that high resolution ADCs become unfeasible in the sub-THz regime at the very high sampling rates required. This makes signaling schemes adapted to 1-bit quantizers a promising alternative. We therefore quantify the performance of bandlimited 1-bit quantized wireless communication channels using techniques like oversampling and faster-than-Nyquist (FTN) signaling to compensate for the loss of achievable rate. As a limiting case, we provide bounds on the mutual information rate of the hard bandlimited 1-bit quantized continuous-time – i.e., infinitely oversampled – additive white Gaussian noise channel in the mid-to-high signal-to-noise ratio (SNR) regime. We derive analytic expressions using runlength encoded input signals. For real signals the maximum value of the lower bound on the spectral efficiency in the high-SNR limit was found to be approximately 1.63 bit/s/Hz. Since in practical scenarios the oversampling ratio remains finite, we derive bounds on the achievable rate of the bandlimited oversampled discrete-time channel. These bounds match the results of the continuous-time channel remarkably well. We observe spectral efficiencies up to 1.53 bit/s/Hz in the high-SNR limit given hard bandlimitation. When excess bandwidth is tolerable, spectral efficiencies above 2 bit/s/Hz per domain are achievable w.r.t. the 95 %-power containment bandwidth. Applying the obtained bounds to a bandlimited oversampled 1-bit quantized multiple-input multiple-output channel, we show the benefits when using appropriate power allocation schemes. As a constant envelope modulation scheme, continuous phase modulation is considered in order to relieve linearity requirements on the power amplifier. Noise-free performance limits are investigated for phase shift keying (PSK) and continuous phase frequency shift keying (CPFSK) using higher-order modulation alphabets and intermediate frequencies. Adapted waveforms are designed that can be described as FTN-CPFSK. With the same spectral efficiency in the high-SNR limit as PSK and CPFSK, these waveforms provide a significantly improved bit error rate (BER) performance. The gain in SNR required for achieving a certain BER can be up to 20 dB.Die nachhaltige Realisierung von zukünftigen Übertragungssystemen mit hohen Leistungsanforderungen erfordert, dass die Energieeffizienz zu einem zentralen Designkriterium für das gesamte System wird. Zum Beispiel kann die Leistungsaufnahme des Analog-Digital-Wandlers (ADC) zu einem wichtigen Faktor bei der Übertragung mit großen Bandbreiten und Trägerfrequenzen werden, z. B. für die Kommunikation mit hohen Datenraten über sehr kurze Entfernungen. Die verbrauchte Energie des ADCs steigt mit der Abtastrate, so dass hochauflösende ADCs im Sub-THz-Bereich bei den erforderlichen sehr hohen Abtastraten schwer einsetzbar sind. Dies macht Signalisierungsschemata, die an 1-Bit-Quantisierer angepasst sind, zu einer vielversprechenden Alternative. Wir quantifizieren daher die Leistungsfähigkeit von bandbegrenzten 1-Bit-quantisierten drahtlosen Kommunikationssystemen, wobei Techniken wie Oversampling und Faster-than-Nyquist (FTN) Signalisierung eingesetzt werden, um den durch Quantisierung verursachten Verlust der erreichbaren Rate auszugleichen. Wir geben Grenzen für die Transinformationsrate des Extremfalls eines strikt bandbegrenzten 1-Bit quantisierten zeitkontinuierlichen – d.h. unendlich überabgetasteten – Kanals mit additivem weißen Gauß’schen Rauschen bei mittlerem bis hohem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) an. Wir leiten analytische Ausdrücke basierend auf lauflängencodierten Eingangssignalen ab. Für reelle Signale ist der maximale Wert der unteren Grenze der spektralen Effizienz im Hoch-SNR-Bereich etwa 1,63 Bit/s/Hz. Da die Überabtastrate in praktischen Szenarien endlich bleibt, geben wir Grenzen für die erreichbare Rate eines bandbegrenzten, überabgetasteten zeitdiskreten Kanals an. Diese Grenzen stimmen mit den Ergebnissen des zeitkontinuierlichen Kanals bemerkenswert gut überein. Im Hoch-SNR-Bereich sind spektrale Effizienzen bis zu 1,53 Bit/s/Hz bei strikter Bandbegrenzung möglich. Wenn Energieanteile außerhalb des Frequenzbandes tolerierbar sind, können spektrale Effizienzen über 2 Bit/s/Hz pro Domäne – bezogen auf die Bandbreite, die 95 % der Energie enthält – erreichbar sein. Durch die Anwendung der erhaltenen Grenzen auf einen bandbegrenzten überabgetasteten 1-Bit quantisierten Multiple-Input Multiple-Output-Kanal zeigen wir Vorteile durch die Verwendung geeigneter Leistungsverteilungsschemata. Als Modulationsverfahren mit konstanter Hüllkurve betrachten wir kontinuierliche Phasenmodulation, um die Anforderungen an die Linearität des Leistungsverstärkers zu verringern. Beschränkungen für die erreichbare Datenrate bei rauschfreier Übertragung auf Zwischenfrequenzen mit Modulationsalphabeten höherer Ordnung werden für Phase-shift keying (PSK) and Continuous-phase frequency-shift keying (CPFSK) untersucht. Weiterhin werden angepasste Signalformen entworfen, die als FTN-CPFSK beschrieben werden können. Mit der gleichen spektralen Effizienz im Hoch-SNR-Bereich wie PSK und CPFSK bieten diese Signalformen eine deutlich verbesserte Bitfehlerrate (BER). Die Verringerung des erforderlichen SNRs zur Erreichung einer bestimmten BER kann bis zu 20 dB betragen

Delta-Sigma Digitization and Optical Coherent Transmission of DOCSIS 3.1 Signals in Hybrid Fiber Coax Networks

We first demonstrate delta-sigma digitization and coherent transmission of data over cable system interface specification (DOCSIS) 3.1 signals in a hybrid fiber coax (HFC) network. Twenty 192-MHz DOCSIS 3.1 channels with modulation up to 16384QAM are digitized by a low-pass cascade resonator feedback (CRFB) delta-sigma analog-to-digital converter (ADC) and transmitted over 80 km fiber using coherent single-λ 128-Gb/s dual-polarization (DP)-QPSK and 256-Gb/s DP-16QAM optical links. Both one-bit and two-bit delta-sigma digitization are implemented and supported by the QPSK and 16QAM coherent transmission systems, respectively. To facilitate its practical application in access networks, the coherent system is built using a low-cost narrowband optical modulator and RF amplifiers. Modulation error ratio (MER) larger than 50 dB is successfully demonstrated for all 20 DOCSIS 3.1 channels, and high order modulation up to 16384QAM is delivered over fiber for the first time in HFC networks. The raw DOCSIS data capacity is 54 Gb/s with net user information ~45 Gb/s. Moreover, the bit error ratio (BER) tolerance is evaluated by measuring the MER performance as BER increases. Negligible MER degradation is observed for BER up to 1.5 × 10−6 and 1.7 × 10−4, for one-bit and two-bit digitization, respectively

On the data hiding theory and multimedia content security applications

This dissertation is a comprehensive study of digital steganography for multimedia content protection. With the increasing development of Internet technology, protection and enforcement of multimedia property rights has become a great concern to multimedia authors and distributors. Watermarking technologies provide a possible solution for this problem. The dissertation first briefly introduces the current watermarking schemes, including their applications in video,, image and audio. Most available embedding schemes are based on direct Spread Sequence (SS) modulation. A small value pseudo random signature sequence is embedded into the host signal and the information is extracted via correlation. The correlation detection problem is discussed at the beginning. It is concluded that the correlator is not optimum in oblivious detection. The Maximum Likelihood detector is derived and some feasible suboptimal detectors are also analyzed. Through the calculation of extraction Bit Error Rate (BER), it is revealed that the SS scheme is not very efficient due to its poor host noise suppression. The watermark domain selection problem is addressed subsequently. Some implications on hiding capacity and reliability are also studied. The last topic in SS modulation scheme is the sequence selection. The relationship between sequence bandwidth and synchronization requirement is detailed in the work. It is demonstrated that the white sequence commonly used in watermarking may not really boost watermark security. To address the host noise suppression problem, the hidden communication is modeled as a general hypothesis testing problem and a set partitioning scheme is proposed. Simulation studies and mathematical analysis confirm that it outperforms the SS schemes in host noise suppression. The proposed scheme demonstrates improvement over the existing embedding schemes. Data hiding in audio signals are explored next. The audio data hiding is believed a more challenging task due to the human sensitivity to audio artifacts and advanced feature of current compression techniques. The human psychoacoustic model and human music understanding are also covered in the work. Then as a typical audio perceptual compression scheme, the popular MP3 compression is visited in some length. Several schemes, amplitude modulation, phase modulation and noise substitution are presented together with some experimental results. As a case study, a music bitstream encryption scheme is proposed. In all these applications, human psychoacoustic model plays a very important role. A more advanced audio analysis model is introduced to reveal implications on music understanding. In the last part, conclusions and future research are presented

Framework of Real-Time Optical Nyquist-WDM Receiver using Matlab & Simulink

I investigate an optical Nyquist-WDM Bit Error Rate (BER) detection system. A transmitter and receiver system is simulated, using Matlab and Simulink, to form a working algorithm and to study the effects of the different processes of the data chain. The inherent lack of phase information in the N-WDM scheme presents unique challenges and requires a precise phase recovery system to accurately decode a message. Furthermore, resource constraints are applied by a cost-effective Field Programmable Gate Array (FPGA). To compensate for the speed, gate, and memory constraints of a budget FPGA, several techniques are employed to design the best possible receiver. I study the resource intensive operations and vary their resource utilization to discover the effect on the BER. To conclude, a full VHDL design is delineated, including peripheral initialization, input data sorting and storage, timing synchronization, state machine and control signal implementation, N-WDM demodulation, phase recovery, QAM decoding, and BER calculation

Xampling: Signal Acquisition and Processing in Union of Subspaces

We introduce Xampling, a unified framework for signal acquisition and processing of signals in a union of subspaces. The main functions of this framework are two. Analog compression that narrows down the input bandwidth prior to sampling with commercial devices. A nonlinear algorithm then detects the input subspace prior to conventional signal processing. A representative union model of spectrally-sparse signals serves as a test-case to study these Xampling functions. We adopt three metrics for the choice of analog compression: robustness to model mismatch, required hardware accuracy and software complexities. We conduct a comprehensive comparison between two sub-Nyquist acquisition strategies for spectrally-sparse signals, the random demodulator and the modulated wideband converter (MWC), in terms of these metrics and draw operative conclusions regarding the choice of analog compression. We then address lowrate signal processing and develop an algorithm for that purpose that enables convenient signal processing at sub-Nyquist rates from samples obtained by the MWC. We conclude by showing that a variety of other sampling approaches for different union classes fit nicely into our framework.Comment: 16 pages, 9 figures, submitted to IEEE for possible publicatio

Trellis phase codes for power-bandwith efficient satellite communications

Support work on improved power and spectrum utilization on digital satellite channels was performed. Specific attention is given to the class of signalling schemes known as continuous phase modulation (CPM). The specific work described in this report addresses: analytical bounds on error probability for multi-h phase codes, power and bandwidth characterization of 4-ary multi-h codes, and initial results of channel simulation to assess the impact of band limiting filters and nonlinear amplifiers on CPM performance

An Architecture for High Data Rate Very Low Frequency Communication

Very low frequency (VLF) communication is used for long range shore-to-ship broadcasting applications. This paper proposes an architecture for high data rate VLF communication using Gaussian minimum shift keying (GMSK) modulation and low delay parity check (LDPC) channel coding. Non-data aided techniques are designed and used for carrier phase synchronization, symbol timing recovery, and LDPC code frame synchronization. These require the estimation of the operative Eb/N0 for which a kurtosis based algorithm is used. Also, a method for modeling the probability density function of the received signal under the bit condition is presented in this regard. The modeling of atmospheric radio noise (ARN) that corrupts VLF signals is described and an algorithm for signal enhancement in the presence of ARN in given. The BER performance of the communication system is evaluated for bit rates of 400 bps, 600 bps, and 800 bps for communication bandwidth of ~200 Hz.Defence Science Journal, 2013, 63(1), pp.25-33, DOI:http://dx.doi.org/10.14429/dsj.63.376

Security Aspects of Printed Electronics Applications

Gedruckte Elektronik (Printed Electronics (PE)) ist eine neu aufkommende Technologie welche komplementär zu konventioneller Elektronik eingesetzt wird. Dessen einzigartigen Merkmale führten zu einen starken Anstieg von Marktanteilen, welche 2010 \$6 Milliarden betrugen, \$41 Milliarden in 2019 und in 2027 geschätzt \$153 Milliarden. Gedruckte Elektronik kombiniert additive Technologien mit funktionalen Tinten um elektronische Komponenten aus verschiedenen Materialien direkt am Verwendungsort, kosteneffizient und umweltfreundlich herzustellen. Die dabei verwendeten Substrate können flexibel, leicht, transparent, großflächig oder implantierbar sein. Dadurch können mit gedruckter Elektronik (noch) visionäre Anwendungen wie Smart-Packaging, elektronische Einmalprodukte, Smart Labels oder digitale Haut realisiert werden. Um den Fortschritt von gedruckten Elektronik-Technologien voranzutreiben, basierten die meisten Optimierungen hauptsächlich auf der Erhöhung von Produktionsausbeute, Reliabilität und Performance. Jedoch wurde auch die Bedeutung von Sicherheitsaspekten von Hardware-Plattformen in den letzten Jahren immer mehr in den Vordergrund gerückt. Da realisierte Anwendungen in gedruckter Elektronik vitale Funktionalitäten bereitstellen können, die sensible Nutzerdaten beinhalten, wie zum Beispiel in implantierten Geräten und intelligenten Pflastern zur Gesundheitsüberwachung, führen Sicherheitsmängel und fehlendes Produktvertrauen in der Herstellungskette zu teils ernsten und schwerwiegenden Problemen. Des Weiteren, wegen den charakteristischen Merkmalen von gedruckter Elektronik, wie zum Beispiel additive Herstellungsverfahren, hohe Strukturgröße, wenige Schichten und begrenzten Produktionsschritten, ist gedruckte Hardware schon per se anfällig für hardware-basierte Attacken wie Reverse-Engineering, Produktfälschung und Hardware-Trojanern. Darüber hinaus ist die Adoption von Gegenmaßnahmen aus konventionellen Technologien unpassend und ineffizient, da solche zu extremen Mehraufwänden in der kostengünstigen Fertigung von gedruckter Elektronik führen würden. Aus diesem Grund liefert diese Arbeit eine Technologie-spezifische Bewertung von Bedrohungen auf der Hardware-Ebene und dessen Gegenmaßnahmen in der Form von Ressourcen-beschränkten Hardware-Primitiven, um die Produktionskette und Funktionalitäten von gedruckter Elektronik-Anwendungen zu schützen. Der erste Beitrag dieser Dissertation ist ein vorgeschlagener Ansatz um gedruckte Physical Unclonable Functions (pPUF) zu entwerfen, welche Sicherheitsschlüssel bereitstellen um mehrere sicherheitsrelevante Gegenmaßnahmen wie Authentifizierung und Fingerabdrücke zu ermöglichen. Zusätzlich optimieren wir die multi-bit pPUF-Designs um den Flächenbedarf eines 16-bit-Schlüssels-Generators um 31\% zu verringern. Außerdem entwickeln wir ein Analyse-Framework basierend auf Monte Carlo-Simulationen für pPUFs, mit welchem wir Simulationen und Herstellungs-basierte Analysen durchführen können. Unsere Ergebnisse haben gezeigt, dass die pPUFs die notwendigen Eigenschaften besitzen um erfolgreich als Sicherheitsanwendung eingesetzt zu werden, wie Einzigartigkeit der Signatur und ausreichende Robustheit. Der Betrieb der gedruckten pPUFs war möglich bis zu sehr geringen Betriebsspannungen von nur 0.5 V. Im zweiten Beitrag dieser Arbeit stellen wir einen kompakten Entwurf eines gedruckten physikalischen Zufallsgenerator vor (True Random Number Generator (pTRNG)), welcher unvorhersehbare Schlüssel für kryptographische Funktionen und zufälligen "Authentication Challenges" generieren kann. Der pTRNG Entwurf verbessert Prozess-Variationen unter Verwendung von einer Anpassungsmethode von gedruckten Widerständen, ermöglicht durch die individuelle Konfigurierbarkeit von gedruckten Schaltungen, um die generierten Bits nur von Zufallsrauschen abhängig zu machen, und damit ein echtes Zufallsverhalten zu erhalten. Die Simulationsergebnisse legen nahe, dass die gesamten Prozessvariationen des TRNGs um das 110-fache verbessert werden, und der zufallsgenerierte Bitstream der TRNGs die "National Institute of Standards and Technology Statistical Test Suit"-Tests bestanden hat. Auch hier können wir nachweisen, dass die Betriebsspannungen der TRNGs von mehreren Volt zu nur 0.5 V lagen, wie unsere Charakterisierungsergebnisse der hergestellten TRNGs aufgezeigt haben. Der dritte Beitrag dieser Dissertation ist die Beschreibung der einzigartigen Merkmale von Schaltungsentwurf und Herstellung von gedruckter Elektronik, welche sehr verschieden zu konventionellen Technologien ist, und dadurch eine neuartige Reverse-Engineering (RE)-Methode notwendig macht. Hierfür stellen wir eine robuste RE-Methode vor, welche auf Supervised-Learning-Algorithmen für gedruckte Schaltungen basiert, um die Vulnerabilität gegenüber RE-Attacken zu demonstrieren. Die RE-Ergebnisse zeigen, dass die vorgestellte RE-Methode auf zahlreiche gedruckte Schaltungen ohne viel Komplexität oder teure Werkzeuge angewandt werden kann. Der letzte Beitrag dieser Arbeit ist ein vorgeschlagenes Konzept für eine "one-time programmable" gedruckte Look-up Table (pLUT), welche beliebige digitale Funktionen realisieren kann und Gegenmaßnahmen unterstützt wie Camouflaging, Split-Manufacturing und Watermarking um Attacken auf der Hardware-Ebene zu verhindern. Ein Vergleich des vorgeschlagenen pLUT-Konzepts mit existierenden Lösungen hat gezeigt, dass die pLUT weniger Flächen-bedarf, geringere worst-case Verzögerungszeiten und Leistungsverbrauch hat. Um die Konfigurierbarkeit der vorgestellten pLUT zu verifizieren, wurde es simuliert, hergestellt und programmiert mittels Tintenstrahl-gedruckter elektrisch leitfähiger Tinte um erfolgreich Logik-Gatter wie XNOR, XOR und AND zu realisieren. Die Simulation und Charakterisierungsergebnisse haben die erfolgreiche Funktionalität der pLUT bei Betriebsspannungen von nur 1 V belegt