Symbol Synchronization for SDR Using a Polyphase Filterbank Based on an FPGA

This paper is devoted to the proposal of a highly efficient symbol synchronization subsystem for Software Defined Radio. The proposed feedback phase-locked loop timing synchronizer is suitable for parallel implementation on an FPGA. The polyphase FIR filter simultaneously performs matched-filtering and arbitrary interpolation between acquired samples. Determination of the proper sampling instant is achieved by selecting a suitable polyphase filterbank using a derived index. This index is determined based on the output either the Zero-Crossing or Gardner Timing Error Detector. The paper will extensively focus on simulation of the proposed synchronization system. On the basis of this simulation, a complete, fully pipelined VHDL description model is created. This model is composed of a fully parallel polyphase filterbank based on distributed arithmetic, timing error detector and interpolation control block. Finally, RTL synthesis on an Altera Cyclone IV FPGA is presented and resource utilization in comparison with a conventional model is analyzed

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

Digital receiver study and implementation

Computer software was developed which makes it possible to use any general purpose computer with A/D conversion capability as a PSK receiver for low data rate telemetry processing. Carrier tracking, bit synchronization, and matched filter detection are all performed digitally. To aid in the implementation of optimum computer processors, a study of general digital processing techniques was performed which emphasized various techniques for digitizing general analog systems. In particular, the phase-locked loop was extensively analyzed as a typical non-linear communication element. Bayesian estimation techniques for PSK demodulation were studied. A hardware implementation of the digital Costas loop was developed

Efficient detection and signal parameter estimation with application to high dynamic GPS receiver

In a system for deriving position, velocity, and acceleration information from a received signal emitted from an object to be tracked wherein the signal comprises a carrier signal phase modulated by unknown binary data and experiencing very high Doppler and Doppler rate, this invention provides combined estimation/detection apparatus for simultaneously detecting data bits and obtaining estimates of signal parameters such as carrier phase and frequency related to receiver dynamics in a sequential manner. There is a first stage for obtaining estimates of the signal parameters related to phase and frequency in the vicinity of possible data transitions on the basis of measurements obtained within a current data bit. A second stage uses the estimates from the first stage to decide whether or not a data transition has actually occurred. There is a third stage for removing data modulation from the received signal when a data transition has occurred and a fourth stage for using the received signal with data modulation removed therefrom to update global parameters which are dependent only upon receiver dynamics and independent of data modulation. Finally, there is a fifth stage for using the global parameters to determine the position, velocity, and acceleration of the object

Onboard multichannel demultiplexer/demodulator

An investigation performed for NASA LeRC by COMSAT Labs, of a digitally implemented on-board demultiplexer/demodulator able to process a mix of uplink carriers of differing bandwidths and center frequencies and programmable in orbit to accommodate variations in traffic flow is reported. The processor accepts high speed samples of the signal carried in a wideband satellite transponder channel, processes these as a composite to determine the signal spectrum, filters the result into individual channels that carry modulated carriers and demodulate these to recover their digital baseband content. The processor is implemented by using forward and inverse pipeline Fast Fourier Transformation techniques. The recovered carriers are then demodulated using a single digitally implemented demodulator that processes all of the modulated carriers. The effort has determined the feasibility of the concept with multiple TDMA carriers, identified critical path technologies, and assessed the potential of developing these technologies to a level capable of supporting a practical, cost effective on-board implementation. The result is a flexible, high speed, digitally implemented Fast Fourier Transform (FFT) bulk demultiplexer/demodulator

Synchronization and channel estimation in experimental M-QAM OFDM radio over fiber systems using CAZAC based training preamble

In this paper, we propose a new technique for synchronization and channel estimation in M-QAM OFDM radio over fiber (RoF) system by using constant amplitude zero auto-correlation (CAZAC) sequence based training preamble. Delay and correlate method is used to identify the training sequence in the received signal vector and to correct the symbol timing offset. For an optimum demodulation of OFDM signal, optimum down sampling offset position has to be identified before applying symbol timing algorithm. To solve this issue, we present the iterative method of finding optimum down sampling offset position. We show that the training preamble used for synchronization can also be applied to estimate the channel response using averaging technique. Moreover, we used the least square estimation based channel estimation method using pilot subcarriers and compare the results with training preamble based estimation