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

Equalization of CPM signals over doubly-selective aeronautical channels

Communication technologies have always been one of the fundamental milestones of the aeronautical environment. Despite the growing demand for high performances, the aviation context is reluctant to move towards new technologies. Common communication strategies are not suitable to transmit at very high data rates over time- and/or frequency-dispersive (i.e., doubly-selective) air-ground channels, therefore, new requirements have to be fulfilled by an incremental approach, that is, by updating some parts of the legacy systems. This thesis deals with receiver synthesis for aeronautical communication data-links employing continuous-phase modulated (CPM) signals over doubly-selective wireless communication channels. The goal is to design efficient and low-complexity time-varying equalizers, by exploiting all of the CPM signal features, in order to compensate for the effects due to the rapidly time-varying aeronautical channels. The application of the basis expansion model (BEM) to a typical aeronautical communication channel is considered and validated by computer simulations. The second-order statistical characterization of the pseudo-symbols arising from Laurent representation of CPM signals is introduced and discussed. Both linear time-varying (LTV) and widely-linear time-varying (WLTV) zero forcing (ZF) and minimum mean square error (MMSE) receiver structures for CPM signals operating over doubly-selective channels are proposed and implemented by using the BEM model for the channel. Monte Carlo simulation results, carried out in typical aeronautical scenarios, show that the proposed approaches are able to work satisfactorily also over rapidly time-varying channels

NASA Tech Briefs, October 2002

Topics include: a technology focus on sensors, electronic components and systems, software, materials, materials, mechanics, manufacturing, physical sciences, information sciences, book and reports, motion control and a special section of Photonics Tech Briefs

Estimation efficace des paramètres de signaux d'usagers radio-mobile par traitement avec antenne-réseau

Cette thèse aborde le problème d’estimation des paramètres de signaux d’usagers radio-mobile par traitement avec antenne-réseau. On adopte une approche de traitement théorique rigoureuse au problème en tentant de pallier aux limitations et désavantages des méthodes d’estimation existantes en ce domaine. Les chapitres principaux ont été rédigés en couvrant uniquement les aspects théoriques en lien aux contributions principales, tout en présentant une revue de littérature adéquate sur les sujets concernés. La thèse présente essentiellement trois volets distincts en lien à chacune des contributions en question. Suite à une revue des notions de base, on montre d’abord comment une méthode d’estimation exploitant des statistiques d’ordre supérieur a pu être développée à partir de l’amélioration d’un algorithme existant en ce domaine. On présente ensuite le cheminement qui a conduit à l’élaboration d’une technique d’estimation non linéaire exploitant les propriétés statistiques spécifiques des enveloppes complexes reçues, et ne possédant pas les limitations des algorithmes du second et quatrième ordre. Finalement, on présente le développement relatif à un algorithme d’estimation exploitant le caractère cyclostationnaire intrinsèque des signaux de communication dans un environnement asynchrone naturel. On montre comment un tel algorithme parvient à estimer la matrice de canal des signaux incidents indépendamment du caractère de corrélation spatiotemporel du bruit, et permettant de ce fait même une pleine exploitation du degré de liberté du réseau. La procédure d’estimation consiste en la résolution d’un problème de diagonalisation conjointe impliquant des matrices cibles issues d’une opération différentielle entre des matrices d’autocorrélation obtenues uniquement à partir de statistiques d’ordre deux. Pour chacune des contributions, des résultats de simulations sont présentés afin de confirmer l’efficacité des méthodes proposées.This thesis addresses the problem of parameter estimation of radio signals from mobile users using an antenna array. A rigorous theoretical approach to the problem is adopted in an attempt to overcome the limitations and disadvantages of existing estimation methods in this field. The main chapters have been written covering only the theoretical aspects related to the main contributions of the thesis, while at the same time providing an appropriate literature review on the considered topics. The thesis is divided into three main parts related to the aforesaid contributions. Following a review of the basics concepts in antenna array processing techniques for signal parameter estimation, we first present an improved version of an existing estimation algorithm expoiting higher-order statistics of the received signals. Subsequently, we show how a nonlinear estimation technique exploiting the specific statistical distributions of the received complex envelopes at the array can be developed in order to overcome the limitations of second and fourth-order algorithms. Finally, we present the development of an estimation algorithm exploiting the cyclostationary nature of communication signals in a natural asynchronous environment. We show how such an algorithm is able to estimate the channel matrix of the received signals independently of the spatial or temporal correlation structure of the noise, thereby enabling a full exploitation of the array’s degree of freedom. The estimation process is carried out by solving a joint diagonalization problem involving target matrices computed by a differential operation between autocorrelation matrices obtained by the sole use of second-order statistics. Various simulation experiments are presented for each contribution as a means of supporting and evidencing the effectiveness of the proposed methods

NASA Tech Briefs, August 2000

Topics include: Simulation/Virtual Reality; Test and Measurement; Computer-Aided Design and Engineering; Electronic Components and Circuits; Electronic Systems; Physical Sciences; Materials; Computer Programs; Mechanics; Machinery/Automation; Manufacturing/Fabrication; Mathematics and Information Sciences; Medical Design

Optimization of DSSS Receivers Using Hardware-in-the-Loop Simulations

Over the years, there has been significant interest in defining a hardware abstraction layer to facilitate code reuse in software defined radio (SDR) applications. Designers are looking for a way to enable application software to specify a waveform, configure the platform, and control digital signal processing (DSP) functions in a hardware platform in a way that insulates it from the details of realization. This thesis presents a tool-based methodolgy for developing and optimizing a Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) transceiver deployed in custom hardware like Field Programmble Gate Arrays (FPGAs). The system model consists of a tranmitter which employs a quadrature phase shift keying (QPSK) modulation scheme, an additive white Gaussian noise (AWGN) channel, and a receiver whose main parts consist of an analog-to-digital converter (ADC), digital down converter (DDC), image rejection low-pass filter (LPF), carrier phase locked loop (PLL), tracking locked loop, down-sampler, spread spectrum correlators, and rectangular-to-polar converter. The design methodology is based on a new programming model for FPGAs developed in the industry by Xilinx Inc. The Xilinx System Generator for DSP software tool provides design portability and streamlines system development by enabling engineers to create and validate a system model in Xilinx FPGAs. By providing hierarchical modeling and automatic HDL code generation for programmable devices, designs can be easily verified through hardware-in-the-loop (HIL) simulations. HIL provides a significant increase in simulation speed which allows optimization of the receiver design with respect to the datapath size for different functional parts of the receiver. The parameterized datapath points used in the simulation are ADC resolution, DDC datapath size, LPF datapath size, correlator height, correlator datapath size, and rectangular-to-polar datapath size. These parameters are changed in the software enviornment and tested for bit error rate (BER) performance through real-time hardware simualtions. The final result presents a system design with minimum harware area occupancy relative to an acceptable BER degradation

Study of continuous-phase four-state modulation for cordless telecommunications. Assessment by simulation of CP-QFSK as an alternative modulation scheme for TDMA digital cordless telecommunications systems operating in indoor applications

One of the major driving elements behind the explosive boom in wireless revolution is the advances in the field of modulation which plays a fundamental role in any communication system, and especially in cellular radio systems. Hence, the elaborate choice of an efficient modulation scheme is of paramount importance in the design and employment of any communications system. Work presented in this thesis is an investigation (study) of the feasibility of whether multilevel FSK modulation scheme would provide a viable alternative modem that can be employed in TDMA cordless communications systems. In the thesis the design and performance analysis of a non-coherent multi-level modem that offers a great deal of bandwidth efficiency and hardware simplicity is studied in detail. Simulation results demonstrate that 2RC pre-modulation filter pulse shaping with a modulation index of 0.3, and pre-detection filter normalized equivalent noise bandwidth of 1.5 are optimum system parameter values. Results reported in chapter 5 signify that an adjacent channel rejection factor of around 40 dB has been achieved at channel spacing of 1.5 times the symbol rate while the DECT system standards stipulated a much lower rejection limit criterion (25-30dB), implying that CP-QFSK modulation out-performs the conventional GMSK as it causes significantly less ACI, thus it is more spectrally efficient in a multi-channel system. However, measured system performance in terms of BER indicates that this system does not coexist well with other interferers as at delay spreads between 100ns to 200ns, which are commonly encountered in such indoor environment, a severe degradation in system performance apparently caused by multi-path fading has been noticed, and there exists a noise floor of about 40 dB, i.e. high irreducible error rate of less than 5.10-3. Implementing MRC diversity combiner and BCH codec has brought in a good gain.Higher Education Ministr