Analog‐to‐Digital Conversion for Cognitive Radio: Subsampling, Interleaving, and Compressive Sensing

This chapter explores different analog-to-digital conversion techniques that are suitable to be implemented in cognitive radio receivers. This chapter details the fundamentals, advantages, and drawbacks of three promising techniques: subsampling, interleaving, and compressive sensing. Due to their major maturity, subsampling- and interleaving-based systems are described in further detail, whereas compressive sensing-based systems are described as a complement of the previous techniques for underutilized spectrum applications. The feasibility of these techniques as part of software-defined radio, multistandard, and spectrum sensing receivers is demonstrated by proposing different architectures with reduced complexity at circuit level, depending on the application requirements. Additionally, the chapter proposes different solutions to integrate the advantages of these techniques in a unique analog-to-digital conversion process

Subsampling receivers with applications to software defined radio systems

Este trabajo de tesis propone la utilización sistemas basados en submuestreo como una alternativa para la implementación de la etapa de down-conversion de los receptores de radio frecuencia (RF) empleados para aplicaciones multi-estándar y SDR (Software Defined Radio). El objetivo principal será el de optimizar el diseño en cuanto a flexibilidad y simplicidad, las cuales son propiedades inherentes en los sistemas basados en submuestreo. Por tanto, como reducir el número de componentes al mínimo es clave cuando un mismo receptor procesa diferentes estándares de comunicación, las arquitecturas basadas en submuestreo han sido seleccionadas, donde la reusabilidad de los componentes empleados es posible, así como la reducción de los costes totales de los receptores de comunicación y de los equipos de certificación que emplean estas arquitecturas. Un motivo adicional por el que los sistemas basados en submuestreo han sido seleccionados es el concerniente a la topología del receptor. Como la idea de la tecnología SDR es implementar todas las funcionalidades del receptor (filtrado, amplificación) en el dominio digital, el convertidores analógico-digital (ADC) deberá estar localizado en la cadena de recepción lo más cerca posible a la antena, siendo el objetivo final el convertir la señal directamente de RF a digital. Sin embargo, con los actuales ADC no es posible implementar esta idea debido al alto ancho de banda que necesitarían sin perder resolución para cubrir las especificaciones de los estándares de comunicaciones inalámbricas. Por tanto, los sistemas basados en submuestreo se presentan como la opción más adecuada para implementar este tipo de sistemas debido a que pueden muestrear la señal de entrada por debajo de la tasa de Nyquist, si se cumplen ciertas restricciones en cuanto a la elección de la frecuencia de muestreo. De este modo, los requerimientos del ADC serán relajados ya que, usando estas arquitecturas, este componente procesará la señal a frecuencias intermedias. Una vez se han introducido los conceptos principales de las técnicas de submuestreo, esta tesis doctoral presenta el diseño de una tarjeta de adquisición de datos basada en submuestreo con la finalidad de ser implementada como un receptor de test y certificación de banda ancha. El sistema propuesto proporciona una alta resolución para un elevado ancho de banda, a partir del uso de un S&H de bajo jitter y de un convertidor analógico digital ADC que trabaja a frecuencias intermedias. El sistema es implementado usando dispositivos comerciales en una placa de circuito impreso diseñada y fabricada, y cuya caracterización experimental muestra una resolución de más 8 bits para un ancho de banda analógico de 20 MHz. Concretamente, la resolución medida será mayor de 9 bits hasta una frecuencia de entrada de 2.9 GHz y mayor de 8 bits para una frecuencia de entrada de hasta 6.5 GHz, lo cual resulta suficiente para cubrir los requerimientos de la mayor parte de los actuales estándares de comunicaciones inalámbricas (GPS, GSM, GPRS, UMTS, Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX). Sin embargo, los receptores basados en submuestreo presentan algunos importantes inconvenientes, como son adicionales fuentes de ruido (jitter y plegado de ruido térmico) y una dificultad añadida para implementarlo en escenarios multi-banda y no lineales. Acerca del plegado de ruido en la banda de interés, esta tesis propone el uso de una técnica basada en una arquitectura de reloj múltiple con el objetivo de aumentar la resolución y cubrir un número mayor de estándares para su test y certificación. Empleando una frecuencia de muestreo mayor para el caso del S&H, se conseguirá reducir este efecto, aumentando la resolución en aproximadamente 0.5-1 bit respecto al caso de sólo usar una fuente de reloj. Las expresiones teóricas de esta mejora son desarrolladas y presentadas en esta tesis, siendo posteriormente corroboradas de modo experimental. Por otra parte, esta tesis también propone novedosas técnicas para la aplicación de estos sistemas de submuestreo en entornos multi-banda y no lineales, los cuales presentan desafíos adicionales por el hecho de existir la posibilidad de solapamiento entre la señal de interés y los otros canales de comunicación, así como de solapamiento con sus armónicos. De este modo, esta tesis extiende el uso de los sistemas basados en submuestreo para este tipo de entornos, proponiendo técnicas para la elección de la frecuencia óptima de muestreo que evitan el solapamiento entre señales, a la vez que consiguen incrementar la resolución del receptor. Finalmente, se presentará la optimización en cuanto a características de ruido de un receptor concreto para aplicaciones de banda dual en entornos no lineales. Dicho receptor estará basado en las técnicas de reloj múltiple presentadas anteriormente y en una estructura de multi-filtro entre el S&H y el ADC. El sistema diseñado podrá emplearse para diversas aplicaciones a ambos lados de la cadena de comunicación, tal como en receptores de detección de espectro para radio cognitiva, o implementando el bucle de realimentación de un transmisor para la linealización de amplificadores de potencia. Por tanto, la presente tesis doctoral cuenta con tres contribuciones diferenciadas. La primera de ellas es la dedicada al diseño de un prototipo de recepción multi-estándar basado en submuestreo para aplicaciones de test y certificación. La segunda aportación es la dedicada a la optimización de las especificaciones de ruido a partir de las técnicas presentadas basadas en reloj múltiple. Por último, la tercera contribución principal es la relacionada con la extensión de este tipo de técnicas a sistemas multi-banda en entornos no lineales. Todas estas contribuciones han sido estudiadas teóricamente y experimentalmente validadas

The 1998 November 14 Occultation of GSC 0622-00345 by Saturn. I. Techniques for Ground-Based Stellar Occultations

On 1998 November 14, Saturn and its rings occulted the star GSC 0622-00345. We observed atmospheric immersion with NSFCAM at the National Aeronautics and Space Administration's Infrared Telescope Facility on Mauna Kea, Hawaii. Immersion occurred at 55.5\circ S planetocentric latitude. A 2.3 {\mu}m, methane-band filter suppressed reflected sunlight. Atmospheric emersion and ring data were not successfully obtained. We describe our observation, light-curve production, and timing techniques, including improvements in aperture positioning, removal of telluric scintillation effects, and timing. Many of these techniques are known within the occultation community, but have not been described in the reviewed literature. We present a light curve whose signal-to-noise ratio per scale height is 267, among the best ground-based signals yet achieved, despite a disadvantage of up to 8 mag in the stellar flux compared to prior work.Comment: LaTeX/emulateapj, 6 pages, 3 figures. Online items: The FITS-format light curve and the IDL code for the timing model are available from ApJ or the lead autho

Configurable pseudo noise radar imaging system enabling synchronous MIMO channel extension

In this article, we propose an evolved system design approach to ultra-wideband (UWB) radar based on pseudo-random noise (PRN) sequences, the key features of which are its user-adaptability to meet the demands provided by desired microwave imaging applications and its multichannel scalability. In light of providing a fully synchronized multichannel radar imaging system for short-range imaging as mine detection, non-destructive testing (NDT) or medical imaging, the advanced system architecture is presented with a special focus put on the implemented synchronization mechanism and clocking scheme. The core of the targeted adaptivity is provided by means of hardware, such as variable clock generators and dividers as well as programmable PRN generators. In addition to adaptive hardware, the customization of signal processing is feasible within an extensive open-source framework using the Red Pitaya ® data acquisition platform. A system benchmark in terms of signal-to-noise ratio (SNR), jitter, and synchronization stability is conducted to determine the achievable performance of the prototype system put into practice. Furthermore, an outlook on the planned future development and performance improvement is provided

Optical domain subsampling for data-efficient optical coherence tomography (OCT)

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2013.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 97-100).Recent advances in optical coherence tomography (OCT) have led to higher-speed sources that support imaging over longer depth ranges. Limitations in the bandwidth of state-of-the-art acquisition electronics, however, prevent adoption of these advances into clinical applications. This thesis introduces optical-domain subsampling as a method for increasing the imaging range while reducing the acquisition bandwidth. Optically subsampled lasers utilize a discrete set of wavelengths to alias fringe signals along an extended depth range into a bandwidth limited window. By detecting the complex fringe signals and under the assumption of a depth-constrained signal, optical domain subsampling enables recovery of the depth-resolved scattering signal without overlapping artifacts. Key principles behind subsampled imaging will be discussed, as well as the design criteria for an experimental subsampled laser. A description of the laser, interferometer, data acquisition system, and signal processing steps is given, and the results of point spread functions compressed into a baseband window are presented. Images that were taken with the subsampled OCT system and a wide-field microscope show that this imaging scheme is viable in vivo and can advantageously image samples that span a long depth range.by Meena Siddiqui.S.M

Data Acquisition Applications

Data acquisition systems have numerous applications. This book has a total of 13 chapters and is divided into three sections: Industrial applications, Medical applications and Scientific experiments. The chapters are written by experts from around the world, while the targeted audience for this book includes professionals who are designers or researchers in the field of data acquisition systems. Faculty members and graduate students could also benefit from the book

A 1.8-pJ/b, 12.5-25-Gb/s wide range all-digital clock and data recovery circuit

Recently, there has been a strong drive to replace established analog circuits for multi-gigabit clock and data recovery (CDR) by more digital solutions. We focused on phase locked loop-based all-digital CDR (AD-CDR) techniques which contain a digital loop filter (DLF) and a digital controlled oscillator (DCO) and pushed the digital integration up to a level where our DLF is entirely synthesized. To enable this, we found that extensive subsampling can be used to decrease the speed of the DLF while maintaining a good operation. Additionally, an Inverse Alexander phase detector and a 5.5-bit resolution DCO complete the AD-CDR architecture. As a result of the low complexity and digital architecture, the AD-CDR occupies a compact active chip area of 0.050 mm(2) and consumes only 46 mW at 25 Gb/s. This is the smallest area and the lowest power consumption compared with the state-of-the-art. In addition, our implementation is highly tunable due to the synthesized logic, and supports a wide operating range (12.5-25 Gb/s), which is a significantly larger range compared with the previous work. Finally, thanks to our digital architecture, the power dissipation decreases linearly while moving to the lower speeds of our operating range. This is in contrast with the most prior work, making our design truly adaptive