Practical Non-Uniform Channelization for Multistandard Base Stations

A Multistandard software-defined radio base station must perform non-uniform channelization of multiplexed frequency bands. Non-uniform channelization accounts for a significant portion of the digital signal processing workload in the base station receiver and can be difficult to realize in a physical implementation. In non-uniform channelization methods based on generalized DFT filter banks, large prototype filter orders are a significant issue for implementation. In this paper, a multistage filter design is applied to two different non-uniform generalized DFT-based channelizers in order to reduce their filter orders. To evaluate the approach, a TETRA and TEDS base station is used. Experimental results show that the new multistage design reduces both the number of coefficients and operations and leads to a more feasible design and practical physical implementation

Practical Non-Uniform Channelization for Multistandard Base Stations

A Multistandard software-defined radio base station must perform non-uniform channelization of multiplexed frequency bands. Non-uniform channelization accounts for a significant portion of the digital signal processing workload in the base station receiver and can be difficult to realize in a physical implementation. In non-uniform channelization methods based on generalized DFT filter banks, large prototype filter orders are a significant issue for implementation. In this paper, a multistage filter design is applied to two different non-uniform generalized DFT-based channelizers in order to reduce their filter orders. To evaluate the approach, a TETRA and TEDS base station is used. Experimental results show that the new multistage design reduces both the number of coefficients and operations and leads to a more feasible design and practical physical implementation

Low-complexity filter for software-defined radio by modulated interpolated coefficient decimated filter in a hybrid farrow

Realising a low-complexity Farrow channelisation algorithm for multi-standard receivers in software-defined radio is a challenging task. A Farrow filter operates best at low frequencies while its performance degrades towards the Nyquist region. This makes wideband channelisation in software-defined radio a challenging task with high computational complexity. In this paper, a hybrid Farrow algorithm that combines a modulated Farrow filter with a frequency response interpolated coefficient decimated masking filter is proposed for the design of a novel filter with low computational complexity. A design example shows that the HFarrow filter bank achieved multiplier reduction of 50%, 70% and 64%, respectively, in comparison with non-uniform modulated discrete Fourier transform (NU MDFT FB), coefficient decimated filter bank (CD FB) and interpolated coefficient decimated (ICDM) filter algorithms. The HFarrow filter bank is able to provide the same number of sub-band channels as other algorithms such as non-uniform modulated discrete Fourier transform (NU MDFT FB), coefficient decimated filter bank (CD FB) and interpolated coefficient decimated (ICDM) filter algorithms, but with less computational complexity.https://www.mdpi.com/journal/sensorsam2023Electrical, Electronic and Computer Engineerin

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

Design and Implementation of an RF Front-End for Software Defined Radios

Software Defined Radios have brought a major reformation in the design standards for radios, in which a large portion of the functionality is implemented through pro­ grammable signal processing devices, giving the radio the ability to change its op­ erating parameters to accommodate new features and capabilities. A software radio approach reduces the content of radio frequency and other analog components of the traditional radios and emphasizes digital signal processing to enhance overall receiver flexibility. Field Programmable Gate Arrays (FPGA) are a suitable technology for the hardware platform as they offer the potential of hardware-like performance coupled with software-like programmability. Software defined radio is a very broad field, encompassing the design of various technologies all the way from the antenna to RF, IF, and baseband digital design. The RF section primarily consists of analog hardware modules. The IF and baseband sections are primarily digital. It is the general process of the radio to convert the incoming signal from RF to IF and then IF to baseband for better signal processing system. In this thesis, some of major building blocks of a Software defined radio are de­ signed and implemented using FPGAs. The design of a Digital front end, which provides the bridge between the baseband and analog RF portions of a wireless receiver, is synthesized. The Digital front end receiver consists of a digital down converter(DDC) which in turn comprises of a direct digital frequency synthesizer (DDFS), a phase accumulator and a low pass filter. The signal processing block of the DDFS is executed using Co-ordinate Rotation Digital Computer (CORDIC) iii Abstract algorithm. Cascaded-Integrator-Comb filters (CIC) are implemented for changing the sample rate of the incoming data. Application of a DDC includes software ra­ dios, multicarrier, multimode digital receivers, micro and pico cell systems,broadband data applications, instrumentation and test equipment and in-building wireless tele­ phony. Also, in this thesis, interfaces for connecting Texas Instruments high speed and high resolution Analog-to-Digital converters (ADC) and Digital-to-Analog converters (DAC) with Xilinx Virtex-5 FPGAs are also implemented and demonstrated

Methods and Devices for Modifying Active Paths in a K-Delta-1-Sigma Modulator

The invention relates to an improved K-Delta-1-Sigma Modulators (KG1Ss) that achieve multi GHz sampling rates with 90 nm and 45 nm CMOS processes, and that provide the capability to balance performance with power in many applications. The improved KD1Ss activate all paths when high performance is needed (e.g. high bandwidth), and reduce the effective bandwidth by shutting down multiple paths when low performance is required. The improved KD1Ss can adjust the baseband filtering for lower bandwidth, and can provide large savings in power consumption while maintaining the communication link, which is a great advantage in space communications. The improved KD1Ss herein provides a receiver that adjusts to accommodate a higher rate when a packet is received at a low bandwidth, and at a initial lower rate, power is saved by turning off paths in the KD1S Analog to Digital Converter, and where when a higher rate is required, multiple paths are enabled in the KD1S to accommodate the higher band widths

FPGA based Uniform Channelizer Implementation

Channelizers are widely used in modern digital communication systems. Advanced uniform multirate channelization have been theoretically proved to be capable of reducing the computational load, with a better performance. Therefore, in this thesis, we implement these designs on a FPGA board for the sake of the comprehensive evaluation of resource usage, performance and frequency response. The uniform filter-banks are one of the most essential unit in channelization. The Generalised Discrete Fourier Transform Modulated Filter Bank (GDFT-FB), as an important variant of basic a DFT-FB, has been implemented in FPGA and demonstrated with a better computational saving rather than traditional schemes. Moreover the oversampling version is demonstrated to have a better frequency response with an acceptable amount of extra resources. On the other hand, frequency response masking (FRM) techniques is able to reduce the number of coefficients. Therefore, the full FRM GDFT-FB and alternative narrowband FRM GDFT-FB are both implemented in FPGA platform, in order to achieve a better performance and hardware efficiency

Portable Waveform Development for Software Defined Radios

This work focuses on the question: "How can we build waveforms that can be moved from one platform to another?\u27\u27 Therefore an approach based on the Model Driven Architecture was evaluated. Furthermore, a proof of concept is given with the port of a TETRA waveform from a USRP platform to an SFF SDR platform