Analysis of the impact of impulse noise in digital subscriber line systems

In recent years, Digital subscriber line (DSL) technology has been gaining popularity as a high speed network access technology, capable of the delivery of multimedia services. A major impairment for DSL is impulse noise in the telephone line. However, evaluating the data errors caused by this noise is not trivial due to its complex statistical nature, which until recently had not been well understood, and the complicated error mitigation and framing techniques used in DSL systems. This thesis presents a novel analysis of the impact of impulse noise and the DSL framing parameters on transmission errors, building on a recently proposed impulse noise model. It focuses on errors at higher protocol layers, such as asynchronous transfer mode (ATM), in the most widely used DSL version, namely Asymmetric DSL (ADSL). The impulse noise is characterised statistically through its amplitudes, duration, inter-arrival times, and frequency spectrum, using the British Telecom / University of Edinburgh / Deutsche Telekom (BT/UE/DT) model. This model is broadband, considers both the time and the frequency domains, and accounts for the impulse clustering. It is based on recent measurements in two different telephone networks (the UK and Germany) and therefore is the most complete model available to date and suited for DSL analysis. A new statistical analysis of impulse noise spectra from DT measurements shows that impulse spectra can be modelled with three spectral components with similar bandwidth statistical distributions. Also, a novel distribution of the impulse powers is derived from the impulse amplitude statistics. The performance of a generic ADSL modem is investigated in an impulse noise and crosstalk environment for different bit rates and framing parameters. ATM cell and ADSL frame error rates, and subjective MPEG2 video quality are used as performance metrics. A new modification of a bit loading algorithm is developed to enable stable convergence of the algorithm with trellis coding and restricted subtone constellation size. It is shown that while interleaving brings improvement if set at its maximum depth, at intermediate depths it actually worsens the performance of all considered metrics in comparison with no interleaving. No such performance degradation is caused by combining several symbols in a forward error correction (FEC) codeword, but this burst error mitigation technique is only viable at low bit rates. Performance improvement can also be achieved by increasing the strength of FEC, especially if combined with interleaving. In contrast, trellis coding is ineffective against the long impulse noise error bursts. Alien as opposed to kindred crosstalk degrades the error rates and this is an important issue in an unbundled network environment. It is also argued that error free data units is a better performance measure from a user perspective than the commonly used error free seconds. The impact of impulse noise on the errors in DSL systems has also been considered analytically. A new Bernoulli-Weibull impulse noise model at symbol level is proposed and it is shown that other models which assume Gaussian distributed impulse amplitudes or Rayleigh distributed impulse powers give overly optimistic error estimates in DSL systems. A novel bivariate extension of the Weibull impulse amplitudes is introduced to enable the analysis of orthogonal signals. Since an exact closed-form expression for the symbol error probability of multi-carrierQAM assuming Bernoulli-Weibull noise model does not exist, this problem has been solved numerically. Multi-carrier QAM is shown to perform better at high signal-to-noise ratio (SNR), but worse at low SNR than single carrier QAM, in both cases because of the spreading of noise power between subcarriers. Analytical expressions for errors up to frame level in the specific case of ADSL are then derived from the impulse noise model, with good agreement with simulation results. The Bernoulli-Weibull model is applied to study the errors in single-pair highspeed DSL (SHDSL). The performance of ADSL is found to be better when the burst error mitigation techniques are used, but SHDSL has advantages if low bit error rate and low latency are required

Channel equalization to achieve high bit rates in discrete multitone systems

textMulticarrier modulation (MCM) techniques such as orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) and discrete multi-tone (DMT) modulation are attractive for high-speed data communications due to the ease with which MCM can combat channel dispersion. With all the benefits MCM could give, DMT modulation has an extra ability to perform dynamic bit loading, which has the potential to exploit fully the available bandwidth in a slowly time-varying channel. In broadband wireline communications, DMT modulation is standardized for asymmetric digital subscribe line (ADSL) and very-high-bit-rate digital subscriber line (VDSL) modems. ADSL and VDSL standards are used by telephone companies to provide high speed data service to residences and offices. In an ADSL receiver, an equalizer is required to compensate for the channel’s dispersion in the time domain and the channel’s distortion in the frequency domain of the transmitted waveform. This dissertation proposes design methods for linear equalizers to increase the bit rate of the connection. The methods are amenable to implementation on programmable fixed-point digital signal processors, which are employed in ADSL/VDSL transceivers. A conventional ADSL equalizer consists of a time-domain equalizer, a fast Fourier transform, and a frequency domain equalizer. The time domain equalizer (TEQ) is a finite impulse response filter that when coupled with a discretized channel produces an equivalent channel whose impulse response is shorter than that of the discretized channel. This channel shortening is required by the ADSL standards. In this dissertation, I first propose a linear phase TEQ design that exploits symmetry in existing eigen-filter approaches such as minimum mean square error(MMSE), maximum shortening signal to noise ratio (MSSNR) and minimum intersymbol interference (Min-ISI) equalizers. TEQs with symmetric coefficients can reach the same performance as non-symmetric ones with much lower training complexity. Second, I improve Min-ISI design. I reformulate the cost function to make long TEQs design feasible. I remove the dependency of transmission delay in order to reduce the complexity associated with delay optimization. The quantized weighting is introduced to further lower the complexity. I also propose an iterative optimization procedure of Min-ISI that completely avoids Cholesky decomposition hence is better suited for a fixed-point implementation. Finally I propose a dual-path TEQ structure, which designs a standard singleFIR TEQ to achieve good bit rate over the entire transmission bandwidth, and designs another FIR TEQ to improve the bit rate over a subset of subcarriers. Dualpath TEQ can be viewed as a special case of a complex valued filter bank structure that delivers the best bit rate of existing DMT equalizers. However, dual-path TEQ provides a very good tradeoff between achievable bit rate vs. implementation complexity on a programmable digital signal processor.Electrical and Computer Engineerin

MODELING THE NETWORK PERFORMANCE OF DSL CONNECTIONS USING NETEM

With the increased use of internet based applications requiring low latency, and high bandwidth, the performance demands of the last mile network continue to grow. Additionally, the highly variant deployment scenarios of these technologies, have a high impact on their performance, creating difficult to replicate environments for application developers to test in, often requiring expensive and difficult to obtain equipment. This thesis attempts to model the networking performance of DSL using the open source tool NetEm. This is done by studying the latency performance of DSL connections under a range of conditions and configurations, to quantify the performance. That performance data can then be used to create delay models for using NetEm’s custom distribution delay models. These models can provide a powerful tool to test devices and software under simulated DSL conditions

Speech enhancement algorithms for audiological applications

Texto en inglés y resumen en inglés y españolPremio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2013-2014La mejora de la calidad de la voz es un problema que, aunque ha sido abordado durante muchos años, aún sigue abierto. El creciente auge de aplicaciones tales como los sistemas manos libres o de reconocimiento de voz automático y las cada vez mayores exigencias de las personas con pérdidas auditivas han dado un impulso definitivo a este área de investigación. Esta tesis doctoral se centra en la mejora de la calidad de la voz en aplicaciones audiológicas. La mayoría del trabajo de investigación desarrollado en esta tesis está dirigido a la mejora de la inteligibilidad de la voz en audífonos digitales, teniendo en cuenta las limitaciones de este tipo de dispositivos. La combinación de técnicas de separación de fuentes y filtrado espacial con técnicas de aprendizaje automático y computación evolutiva ha originado novedosos e interesantes algoritmos que son incluidos en esta tesis. La tesis esta dividida en dos grandes bloques. El primer bloque contiene un estudio preliminar del problema y una exhaustiva revisión del estudio del arte sobre algoritmos de mejora de la calidad de la voz, que sirve para definir los objetivos de esta tesis. El segundo bloque contiene la descripción del trabajo de investigación realizado para cumplir los objetivos de la tesis, así como los experimentos y resultados obtenidos. En primer lugar, el problema de mejora de la calidad de la voz es descrito formalmente en el dominio tiempo-frecuencia. Los principales requerimientos y restricciones de los audífonos digitales son definidas. Tras describir el problema, una amplia revisión del estudio del arte ha sido elaborada. La revisión incluye algoritmos de mejora de la calidad de la voz mono-canal y multi-canal, considerando técnicas de reducción de ruido y técnicas de separación de fuentes. Además, la aplicación de estos algoritmos en audífonos digitales es evaluada. El primer problema abordado en la tesis es la separación de fuentes sonoras en mezclas infra-determinadas en el dominio tiempo-frecuencia, sin considerar ningún tipo de restricción computacional. El rendimiento del famoso algoritmo DUET, que consigue separar fuentes de voz con solo dos mezclas, ha sido evaluado en diversos escenarios, incluyendo mezclas lineales y binaurales no reverberantes, mezclas reverberantes, y mezclas de voz con otro tipo de fuentes tales como ruido y música. El estudio revela la falta de robustez del algoritmo DUET, cuyo rendimiento se ve seriamente disminuido en mezclas reverberantes, mezclas binaurales, y mezclas de voz con música y ruido. Con el objetivo de mejorar el rendimiento en estos casos, se presenta un novedoso algoritmo de separación de fuentes que combina la técnica de clustering mean shift con la base del algoritmo DUET. La etapa de clustering del algoritmo DUET, que esta basada en un histograma ponderado, es reemplazada por una modificación del algoritmo mean shift, introduciendo el uso de un kernel Gaussiano ponderado. El análisis de los resultados obtenidos muestran una clara mejora obtenida por el algoritmo propuesto en relación con el algoritmo DUET original y una modificación que usa k-means. Además, el algoritmo propuesto ha sido extendido para usar un array de micrófonos de cualquier tamaño y geometría. A continuación se ha abordado el problema de la enumeración de fuentes de voz, que esta relacionado con el problema de separación de fuentes. Se ha propuesto un novedoso algoritmo basado en un criterio de teoría de la información y en la estimación de los retardos relativos causados por las fuentes entre un par de micrófonos. El algoritmo ha obtenido excelente resultados y muestra robustez en la enumeración de mezclas no reverberantes de hasta 5 fuentes de voz. Además se demuestra la potencia del algoritmo para la enumeración de fuentes en mezclas reverberantes. El resto de la tesis esta centrada en audífonos digitales. El primer problema tratado es el de la mejora de la inteligibilidad de la voz en audífonos monoaurales. En primer lugar, se realiza un estudio de los recursos computacionales disponibles en audífonos digitales de ultima generación. Los resultados de este estudio se han utilizado para limitar el coste computacional de los algoritmos de mejora de la calidad de la voz para audífonos propuestos en esta tesis. Para resolver este primer problema se propone un algoritmo mono-canal de mejora de la calidad de la voz de bajo coste computacional. El objetivo es la estimación de una mascara tiempo-frecuencia continua para obtener el mayor parámetro PESQ de salida. El algoritmo combina una versión generalizada del estimador de mínimos cuadrados con un algoritmo de selección de características a medida, utilizando un novedoso conjunto de características. El algoritmo ha obtenido resultados excelentes incluso con baja relación señal a ruido. El siguiente problema abordado es el diseño de algoritmos de mejora de la calidad de la voz para audífonos binaurales comunicados de forma inalámbrica. Estos sistemas tienen un problema adicional, y es que la conexión inalámbrica aumenta el consumo de potencia. El objetivo en esta tesis es diseñar algoritmos de mejora de la calidad de la voz de bajo coste computacional que incrementen la eficiencia energética en audífonos binaurales comunicados de forma inalámbrica. Se han propuesto dos soluciones. La primera es un algoritmo de extremado bajo coste computacional que maximiza el parámetro WDO y esta basado en la estimación de una mascara binaria mediante un discriminante cuadrático que utiliza los valores ILD e ITD de cada punto tiempo-frecuencia para clasificarlo entre voz o ruido. El segundo algoritmo propuesto, también de bajo coste, utiliza además la información de puntos tiempo-frecuencia vecinos para estimar la IBM mediante una versión generalizada del LS-LDA. Además, se propone utilizar un MSE ponderado para estimar la IBM y maximizar el parámetro WDO al mismo tiempo. En ambos algoritmos se propone un esquema de transmisión eficiente energéticamente, que se basa en cuantificar los valores de amplitud y fase de cada banda de frecuencia con un numero distinto de bits. La distribución de bits entre frecuencias se optimiza mediante técnicas de computación evolutivas. El ultimo trabajo incluido en esta tesis trata del diseño de filtros espaciales para audífonos personalizados a una persona determinada. Los coeficientes del filtro pueden adaptarse a una persona siempre que se conozca su HRTF. Desafortunadamente, esta información no esta disponible cuando un paciente visita el audiólogo, lo que causa perdidas de ganancia y distorsiones. Con este problema en mente, se han propuesto tres métodos para diseñar filtros espaciales que maximicen la ganancia y minimicen las distorsiones medias para un conjunto de HRTFs de diseño

Speech enhancement algorithms for audiological applications

Texto en inglés y resumen en inglés y españolPremio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2013-2014La mejora de la calidad de la voz es un problema que, aunque ha sido abordado durante muchos años, aún sigue abierto. El creciente auge de aplicaciones tales como los sistemas manos libres o de reconocimiento de voz automático y las cada vez mayores exigencias de las personas con pérdidas auditivas han dado un impulso definitivo a este área de investigación. Esta tesis doctoral se centra en la mejora de la calidad de la voz en aplicaciones audiológicas. La mayoría del trabajo de investigación desarrollado en esta tesis está dirigido a la mejora de la inteligibilidad de la voz en audífonos digitales, teniendo en cuenta las limitaciones de este tipo de dispositivos. La combinación de técnicas de separación de fuentes y filtrado espacial con técnicas de aprendizaje automático y computación evolutiva ha originado novedosos e interesantes algoritmos que son incluidos en esta tesis. La tesis esta dividida en dos grandes bloques. El primer bloque contiene un estudio preliminar del problema y una exhaustiva revisión del estudio del arte sobre algoritmos de mejora de la calidad de la voz, que sirve para definir los objetivos de esta tesis. El segundo bloque contiene la descripción del trabajo de investigación realizado para cumplir los objetivos de la tesis, así como los experimentos y resultados obtenidos. En primer lugar, el problema de mejora de la calidad de la voz es descrito formalmente en el dominio tiempo-frecuencia. Los principales requerimientos y restricciones de los audífonos digitales son definidas. Tras describir el problema, una amplia revisión del estudio del arte ha sido elaborada. La revisión incluye algoritmos de mejora de la calidad de la voz mono-canal y multi-canal, considerando técnicas de reducción de ruido y técnicas de separación de fuentes. Además, la aplicación de estos algoritmos en audífonos digitales es evaluada. El primer problema abordado en la tesis es la separación de fuentes sonoras en mezclas infra-determinadas en el dominio tiempo-frecuencia, sin considerar ningún tipo de restricción computacional. El rendimiento del famoso algoritmo DUET, que consigue separar fuentes de voz con solo dos mezclas, ha sido evaluado en diversos escenarios, incluyendo mezclas lineales y binaurales no reverberantes, mezclas reverberantes, y mezclas de voz con otro tipo de fuentes tales como ruido y música. El estudio revela la falta de robustez del algoritmo DUET, cuyo rendimiento se ve seriamente disminuido en mezclas reverberantes, mezclas binaurales, y mezclas de voz con música y ruido. Con el objetivo de mejorar el rendimiento en estos casos, se presenta un novedoso algoritmo de separación de fuentes que combina la técnica de clustering mean shift con la base del algoritmo DUET. La etapa de clustering del algoritmo DUET, que esta basada en un histograma ponderado, es reemplazada por una modificación del algoritmo mean shift, introduciendo el uso de un kernel Gaussiano ponderado. El análisis de los resultados obtenidos muestran una clara mejora obtenida por el algoritmo propuesto en relación con el algoritmo DUET original y una modificación que usa k-means. Además, el algoritmo propuesto ha sido extendido para usar un array de micrófonos de cualquier tamaño y geometría. A continuación se ha abordado el problema de la enumeración de fuentes de voz, que esta relacionado con el problema de separación de fuentes. Se ha propuesto un novedoso algoritmo basado en un criterio de teoría de la información y en la estimación de los retardos relativos causados por las fuentes entre un par de micrófonos. El algoritmo ha obtenido excelente resultados y muestra robustez en la enumeración de mezclas no reverberantes de hasta 5 fuentes de voz. Además se demuestra la potencia del algoritmo para la enumeración de fuentes en mezclas reverberantes. El resto de la tesis esta centrada en audífonos digitales. El primer problema tratado es el de la mejora de la inteligibilidad de la voz en audífonos monoaurales. En primer lugar, se realiza un estudio de los recursos computacionales disponibles en audífonos digitales de ultima generación. Los resultados de este estudio se han utilizado para limitar el coste computacional de los algoritmos de mejora de la calidad de la voz para audífonos propuestos en esta tesis. Para resolver este primer problema se propone un algoritmo mono-canal de mejora de la calidad de la voz de bajo coste computacional. El objetivo es la estimación de una mascara tiempo-frecuencia continua para obtener el mayor parámetro PESQ de salida. El algoritmo combina una versión generalizada del estimador de mínimos cuadrados con un algoritmo de selección de características a medida, utilizando un novedoso conjunto de características. El algoritmo ha obtenido resultados excelentes incluso con baja relación señal a ruido. El siguiente problema abordado es el diseño de algoritmos de mejora de la calidad de la voz para audífonos binaurales comunicados de forma inalámbrica. Estos sistemas tienen un problema adicional, y es que la conexión inalámbrica aumenta el consumo de potencia. El objetivo en esta tesis es diseñar algoritmos de mejora de la calidad de la voz de bajo coste computacional que incrementen la eficiencia energética en audífonos binaurales comunicados de forma inalámbrica. Se han propuesto dos soluciones. La primera es un algoritmo de extremado bajo coste computacional que maximiza el parámetro WDO y esta basado en la estimación de una mascara binaria mediante un discriminante cuadrático que utiliza los valores ILD e ITD de cada punto tiempo-frecuencia para clasificarlo entre voz o ruido. El segundo algoritmo propuesto, también de bajo coste, utiliza además la información de puntos tiempo-frecuencia vecinos para estimar la IBM mediante una versión generalizada del LS-LDA. Además, se propone utilizar un MSE ponderado para estimar la IBM y maximizar el parámetro WDO al mismo tiempo. En ambos algoritmos se propone un esquema de transmisión eficiente energéticamente, que se basa en cuantificar los valores de amplitud y fase de cada banda de frecuencia con un numero distinto de bits. La distribución de bits entre frecuencias se optimiza mediante técnicas de computación evolutivas. El ultimo trabajo incluido en esta tesis trata del diseño de filtros espaciales para audífonos personalizados a una persona determinada. Los coeficientes del filtro pueden adaptarse a una persona siempre que se conozca su HRTF. Desafortunadamente, esta información no esta disponible cuando un paciente visita el audiólogo, lo que causa perdidas de ganancia y distorsiones. Con este problema en mente, se han propuesto tres métodos para diseñar filtros espaciales que maximicen la ganancia y minimicen las distorsiones medias para un conjunto de HRTFs de diseño

Powerline Kommunikation: Wesentliche Technologien um PLC in CE-Geräte zu integrieren

In-house PLT (Powerline Telecommunication) enables new and highly convenient networking functions without the need for additional cables on mains-powered devices. Since wireless networks are not able to reach sufficient throughput between different rooms or even floors, PLC is considered to be the ideal backbone home network medium, providing complementary and seamless interaction with wireless networks. The need to communicate information is not new. The historical overview of this thesis compares the development of PLT to radio broadcast technologies. The consumer expects technologies to operate without interferences. Today, there are coexistence problems between these two technologies. Why does this happens, and how the problems can be resolved are the main issues of this thesis. Initial calculations of the channel capacity provide encouraging results for using the mains cabling as a communication medium. Chapter 3 forecasts how PLT modems could develop in the future. The usage of frequencies above 30 MHz will increase the throughput rate. Next, the utilization of the 3rd wire (the protective earth) for communication enhances the coverage and the reliability of powerline transmissions. The reception of common mode signals and the usage of MIMO technologies enable 8 transmission paths between one pair of outlets, which improves the performance of the bad, strongly attenuated channels. Today, the main challenge for the mass deployment of PLT is the lack of harmonized international standards on interoperability and electromagnetic interference. The absence of a standard results in the undesirable situation of PLT modems interfering with technologies from different vendors and also with radio applications. Solutions for solving these problems are given in chapter 4 and chapter 5. The approach of ‘Smart Notching’ - monitoring the existence of receivable radio broadcast stations at the time and location where a PLT modem is operating, received wide resonance in the PLT and radio broadcast communities. ‘Smart Notching’, also called ‘Dynamic Notching’ or ‘Adaptive Notching’ is considered to be the key factor in solving the endless discussions about the interferences to HF radio broadcast. Details on the creation of ETSI TS 102 578 and the implementation of a demonstrator system is documented in chapter 5. Field tests conducted together with the EBU verified the efficiency of the concept. The jointly executed tests by representatives from the radio broadcast and the PLT communities became a historical event which brought the two technologies, radio receivers and PLT modems, back into one house. Finally, a vision of the future coordination of EMC and conclusions are presented.Heutige Modems zur Powerline Telekommunikation (PLT) können im Betrieb den Empfang von Kurzwellen-Rundfunk beeinträchtigen, wenn Modem und Rundfunk-Empfänger in unmittelbarer Nachbarschaft betrieben werden. Eine neue Generation von PLT Modems, in denen das Konzept von 'Smart Notching' - dem intelligenten Einfügen von Lücken in das Kommunikationsspektrum - implementiert ist, zeigt keine Interferenzen mit dem Empfang von Rundfunkdiensten. Das Rauschen auf der Niederspannungsinstallation enthält neben sonstigen Signalen - durch andere Geräte hervorgerufen - aufgrund der Antennenwirkung Information über Rundfunksender. Beim ‚Smart Notching’ erkennen PLT Modems am Betriebsort die Existenz von Rundfunksignalen, indem sie das Signalspektrum auf der Netzleitung messen. Die Echtzeit- Bewertung der aktuellen Situation am Betriebsort ermöglicht eine Adaption des PLT Systems. Damit wird die Elektromagnetische Verträglichkeit nicht a priori (zum Herstellungs-Zeitpunkt) durch Schirmung oder eine globale Reduktion des Sendepegels, sondern durch Design des Verfahrens (welches während des Betriebs angewendet wird) hergestellt. Diese Doktorarbeit beschreibt nach einem kurzen Überblick zur Historie des Rundfunks und der Datenübertragung über das Energieverteilnetz Messungen zur Ermittlung der theoretischen Kanalkapazität. Anschließend wird ein Ausblick gegeben, wohin sich zukünftige PLT Modems entwickeln werden. Dies sind vor allem der Frequenzbereich oberhalb von 30 MHz sowie die Nutzung der dritten Kupferader in den Netzleitungen: der Schutzerde. Die Verwendung von MIMO-Algorithmen (aus der kabellosen Funkübertragung (z.B. WiFi) bereits bekannt) verbessert vor allem die Wahrscheinlichkeit, eine hohe Datenrate im Gebäude sicher zu verteilen. Sorge bereitet bei PLT ebenfalls die Koexistenz mit weiteren PLT-Systemen, sowie zu xDSL. Hierfür wird ein Vorschlag gemacht, um die Interferenzen zu nicht kompatiblen PLToder DSL-Systemen zu vermeiden, ohne dass die Systeme sich gegenseitig gezielt Informationen zusenden. Das bereits oben erwähnte Konzept des ‚Smart Notching’ wird detailliert erläutert und die Implementierung eines Demonstrators auf FPGA-Basis dokumentiert. Abschließend wird noch beschrieben, wie ‚Smart Notching’ gemeinsam mit der EBU getestet wurde und wie es seinen Weg in die Welt der Standardisierung gefunden hat. Der Veröffentlichung des Standards ETSI TS 102 578 wurde im Juli 2008 einstimmig von ETSI PLT zugestimmt

Data transmissions through HFC return channels

Master'sMASTER OF ENGINEERIN

Speech Recognition

Chapters in the first part of the book cover all the essential speech processing techniques for building robust, automatic speech recognition systems: the representation for speech signals and the methods for speech-features extraction, acoustic and language modeling, efficient algorithms for searching the hypothesis space, and multimodal approaches to speech recognition. The last part of the book is devoted to other speech processing applications that can use the information from automatic speech recognition for speaker identification and tracking, for prosody modeling in emotion-detection systems and in other speech processing applications that are able to operate in real-world environments, like mobile communication services and smart homes