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

Efficient Acquisition and Denoising of Full-Range Event-Related Potentials Following Transient Stimulation of the Auditory Pathway

This body of work relates to recent advances in the field of human auditory event-related potentials (ERP), specifically the fast, deconvolution-based ERP acquisition as well as single-response based preprocessing, denoising and subsequent analysis methods. Its goal is the contribution of a cohesive set of methods facilitating the fast, reliable acquisition of the whole electrophysiological response generated by the auditory pathway from the brainstem to the cortex following transient acoustical stimulation. The present manuscript is divided into three sequential areas of investigation : First, the general feasibility of simultaneously acquiring auditory brainstem, middle-latency and late ERP single responses is demonstrated using recordings from 15 normal hearing subjects. Favourable acquisition parameters (i.e., sampling rate, bandpass filter settings and interstimulus intervals) are established, followed by signal analysis of the resulting ERP in terms of their dominant intrinsic scales to determine the properties of an optimal signal representation with maximally reduced sample count by means of nonlinear resampling on a logarithmic timebase. This way, a compression ratio of 16.59 is achieved. Time-scale analysis of the linear-time and logarithmic-time ERP single responses is employed to demonstrate that no important information is lost during compressive resampling, which is additionally supported by a comparative evaluation of the resulting average waveforms - here, all prominent waves remain visible, with their characteristic latencies and amplitudes remaining essentially unaffected by the resampling process. The linear-time and resampled logarithmic-time signal representations are comparatively investigated regarding their susceptibility to the types of physiological and technical noise frequently contaminating ERP recordings. While in principle there already exists a plethora of well-investigated approaches towards the denoising of ERP single-response representations to improve signal quality and/or reduce necessary aquisition times, the substantially altered noise characteristics of the obtained, resampled logarithmic-time single response representations as opposed to their linear-time equivalent necessitates a reevaluation of the available methods on this type of data. Additionally, two novel, efficient denoising algorithms based on transform coefficient manipulation in the sinogram domain and on an analytic, discrete wavelet filterbank are proposed and subjected to a comparative performance evaluation together with two established denoising methods. To facilitate a thorough comparison, the real-world ERP dataset obtained in the first part of this work is employed alongside synthetic data generated using a phenomenological ERP model evaluated at different signal-to-noise ratios (SNR), with individual gains in multiple outcome metrics being used to objectively assess algorithm performances. Results suggest the proposed denoising algorithms to substantially outperform the state-of-the-art methods in terms of the employed outcome metrics as well as their respective processing times. Furthermore, an efficient stimulus sequence optimization method for use with deconvolution-based ERP acquisition methods is introduced, which achieves consistent noise attenuation within a broad designated frequency range. A novel stimulus presentation paradigm for the fast, interleaved acquisition of auditory brainstem, middle-latency and late responses featuring alternating periods of optimized, high-rate deconvolution sequences and subsequent low-rate stimulation is proposed and investigated in 20 normal hearing subjects. Deconvolved sequence responses containing early and middle-latency ERP components are fused with subsequent late responses using a time-frequency resolved weighted averaging method based on cross-trial regularity, yielding a uniform SNR of the full-range auditory ERP across investigated timescales. Obtained average ERP waveforms exhibit morphologies consistent with both literature values and the reference recordings obtained in the first part of this manuscript, with all prominent waves being visible in the grand average waveforms. The novel stimulation approach cuts acquisition time by a factor of 3.4 while at the same time yielding a substantial gain in the SNR of obtained ERP data. Results suggest the proposed interleaved stimulus presentation and associated postprocessing methodology to be suitable for the fast, reliable extraction of full-range neural correlates of auditory processing in future studies.Diese Arbeit steht im Zusammenhang mit aktuellen Entwicklungen auf dem Gebiet der ereigniskorrelierten Potentiale (EKP) des humanen auditorischen Systems, insbesondere der schnellen, entfaltungsbasierten EKP-Aufzeichnung sowie einzelantwortbasierten Vorverarbeitungs-, Entrauschungs- und nachgelagerten Analysemethoden. Ziel ist die Bereitstellung eines vollständigen Methodensatzes, der eine schnelle, zuverlässige Erfassung der gesamten elektrophysiologischen Aktivität entlang der Hörbahn vom Hirnstamm bis zum Cortex ermöglicht, die als Folge transienter akustischer Stimulation auftritt. Das vorliegende Manuskript gliedert sich in drei aufeinander aufbauende Untersuchungsbereiche : Zunächst wird die generelle Machbarkeit der gleichzeitigen Aufzeichnung von Einzelantworten der auditorischen Hirnstammpotentiale zusammen mit mittelspäten und späten EKP anhand von Referenzmessungen an 15 normalhörenden Probanden demonstriert. Es werden hierzu geeignete Erfassungsparameter (Abtastrate, Bandpassfiltereinstellungen und Interstimulusintervalle) ermittelt, gefolgt von einer Signalanalyse der resultierenden EKP im Hinblick auf deren dominante intrinsische Skalen, um auf dieser Grundlage die Eigenschaften einer optimalen Signaldarstellung mit maximal reduzierter Anzahl an Abtastpunkten zu bestimmen, die durch nichtlineare Neuabtastung auf eine logarithmische Zeitbasis realisiert wird. Hierbei wird ein Kompressionsverhältnis von 16.59 erzielt. Zeit-Skalen-Analysen der uniform und logarithmisch abgetasteten EKP-Einzelantworten zeigen, dass bei der kompressiven Neuabtastung keine relevante Information verloren geht, was durch eine vergleichende Auswertung der resultierenden, gemittelten Wellenformen zusätzlich gestützt wird - alle prominenten Wellen bleiben sichtbar und sind hinsichtlich ihrer charakteristischen Latenzen und Amplituden von der Neuabtastung weitgehend unbeeinflusst. Die uniforme und logarithmische Signalrepräsentation werden hinsichtlich ihrer Anfälligkeit für die üblicherweise bei der EKP-Aufzeichnung auftretenden physiologischen und technischen Störquellen vergleichend untersucht. Obwohl bereits eine Fülle von gut etablierten Ansätzen für die Entrauschung von EKP-Einzelantwortdarstellungen zur Verbesserung der Signalqualität und/oder zur Reduktion der benötigten Erfassungszeiten existiert, erfordern die wesentlich veränderten Störeigenschaften der vorliegenden, logarithmisch abgetasteten Einzelantwortdarstellungen im Gegensatz zu ihrem uniformen Äquivalent eine Neubewertung der verfügbaren Methoden für diese Art von Daten. Darüber hinaus werden zwei neuartige, effiziente Entrauschungsalgorithmen geboten, die auf der Koeffizientenmanipulation einer Sinogramm-Repräsentation bzw. einer analytischen, diskreten Wavelet-Zerlegung der Einzelantworten basieren und gemeinsam mit zwei etablierten Entrauschungsmethoden einer vergleichenden Leistungsbewertung unterzogen werden. Um einen umfassenden Vergleich zu ermöglichen, werden der im ersten Teil dieser Arbeit erhaltene EKP-Messdatensatz sowie synthetischen Daten eingesetzt, die mithilfe eines phänomenologischen EKP-Modells bei verschiedenen Signal-Rausch-Abständen (SRA) erzeugt wurden, wobei die individuellen Anstiege in mehreren Zielmetriken zur objektiven Bewertung der Performanz herangezogen werden. Die erhaltenen Ergebnisse deuten darauf hin, dass die vorgeschlagenen Entrauschungsalgorithmen die etablierten Methoden sowohl in den eingesetzten Zielmetriken als auch mit Blick auf die Laufzeiten deutlich übertreffen. Weiterhin wird ein effizientes Reizsequenzoptimierungsverfahren für den Einsatz mit entfaltungsbasierten EKP-Aufzeichnungsmethoden vorgestellt, das eine konsistente Rauschunterdrückung innerhalb eines breiten Frequenzbands erreicht. Ein neuartiges Stimulus-Präsentationsparadigma für die schnelle, verschachtelte Erfassung auditorischer Hirnstammpotentiale, mittlelspäter und später Antworten durch alternierende Darbietung von optimierten, dichter Stimulussequenzen und nachgelagerter, langsamer Einzelstimulation wird eingeführt und in 20 normalhörenden Probanden evaluiert. Entfaltete Sequenzantworten, die frühe und mittlere EKP enthalten, werden mit den nachfolgenden späten Antworten fusioniert, wobei eine Zeit-Frequenz-aufgelöste, gewichtete Mittelung unter Berücksichtigung von Regularität über Einzelantworten hinweg zum Einsatz kommt. Diese erreicht einheitliche SRA der resultierenden EKP-Signale über alle untersuchten Zeitskalen hinweg. Die erhaltenen, gemittelten EKP-Wellenformen weisen Morphologien auf, die sowohl mit einschlägigen Literaturwerten als auch mit den im ersten Teil dieses Manuskripts erhaltenen Referenzaufnahmen konsistent sind, wobei alle markanten Wellen deutlich in den Gesamtmittelwerten sichtbar sind. Das neuartige Stimulationsparadigma verkürzt die Erfassungszeit um den Faktor 3.4 und vergrößert gleichzeitig den erreichten SRA erheblich. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die vorgeschlagene verschachtelte Stimuluspräsentation und die nachgelagerte EKP-Verarbeitungsmethodik zur schnellen, zuverlässigen Extraktion neuronaler Korrelate der gesamten auditorischen Verarbeitung im Rahmen zukünftiger Studien geeignet sind.Bundesministerium für Bildung und Forschung | Bimodal Fusion - Eine neurotechnologische Optimierungsarchitektur für integrierte bimodale Hörsysteme | 2016-201

RHINO software-defined radio processing blocks

This MSc project focuses on the design and implementation of a library of parameterizable, modular and reusable Digital IP blocks designed around use in Software-Defined Radio (SDR) applications and compatibility with the RHINO platform. The RHINO platform has commonalities with the better known ROACH platform, but it is a significantly cut-down and lowercost alternative which has similarities in the interfacing and FPGA/Processor interconnects of ROACH. The purpose of the library and design framework presented in this work aims to alleviate some of the commercial, high cost and static structure concerns about IP cores provided by FPGA manufactures and third-party IP vendors. It will also work around the lack of parameters and bus compatibility issues often encountered when using the freely available open resources. The RHINO hardware platform will be used for running practical applications and testing of the blocks. The HDL library that is being constructed is targeted towards both novice and experienced low-level HDL developers who can download and use it for free, and it will provide them experience of using IP Cores that support open bus interfaces in order to exploit SoC design without commercial, parameter and bus compatibility limitations. The provided modules will be of particularly benefit to the novice developers in providing ready-made examples of processing blocks, as well as parameterization settings for the interfacing blocks and associated RF receiver side configuration settings; all together these examples will help new developers establish effective ways to build their own SDR prototypes using RHINO

Study on Air Interface Variants and their Harmonization for Beyond 5G Systems

[ES] La estandarización de la Quinta Generación de redes móviles o 5G, ha concluido este año 2020. No obstante, en el año 2014 cuando la ITU empezó el proceso de estandarización IMT-2020, una de las principales interrogantes era cuál sería la forma de onda sobre la cual se construiría la capa física de esta nueva generación de tecnologías. El 3GPP se comprometió a entregar una tecnología candidata al proceso IMT-2020, y es así como dentro de este proceso de deliberación se presentaron varias formas de onda candidatas, las cuales fueron evaluadas en varios aspectos hasta que en el año 2016 el 3GPP tomó una decisión, continuar con CP-OFDM (utilizada en 4G) con numerología flexible. Una vez decidida la forma de onda, el proceso de estandarización continuó afinando la estructura de la trama, y todos los aspectos intrínsecos de la misma. Esta tesis acompañó y participó de todo este proceso. Para empezar, en esta disertación se evaluaron las principales formas de onda candidatas al 5G. Es así que se realizó un análisis teórico de cada forma de onda, destacando sus fortalezas y debilidades, tanto a nivel de implementación como de rendimiento. Posteriormente, se llevó a cabo una implementación real en una plataforma Software Defined Radio de tres de las formas de onda más prometedoras (CP-OFDM, UFMC y OQAM-FBMC), lo que permitió evaluar su rendimiento en términos de la tasa de error por bit, así como la complejidad de su implementación. Esta tesis ha propuesto también el uso de una solución armonizada como forma de onda para el 5G y sostiene que sigue siendo una opción viable para sistemas beyond 5G. Dado que ninguna de las forma de onda candidatas era capaz de cumplir por sí misma con todos los requisitos del 5G, en lugar de elegir una única forma de onda se propuso construir un transceptor que fuese capaz de construir todas las principales formas de onda candidatas (CP-OFDM, P-OFDM, UFMC, QAM-FBMC, OQAM-FBMC). Esto se consiguió identificando los bloques comunes entre las formas de onda, para luego integrarlos junto con el resto de bloques indispensables para cada forma de onda. La motivación para esta solución era tener una capa física que fuese capaz de cumplir con todos los aspectos del 5G, seleccionando siempre la mejor forma de onda según el escenario. Esta propuesta fue evaluada en términos de complejidad, y los resultados se compararon con la complejidad de cada forma de onda. La decisión de continuar con CP-OFDM con numerología flexible como forma de onda para el 5G se puede considerar también como una solución armonizada, ya que al cambiar el prefijo cíclico y el número de subportadoras, cambian también las prestaciones del sistema. En esta tesis se evaluaron todas las numerologías propuestas por el 3GPP sobre cada uno de los modelos de canal descritos para el 5G (y considerados válidos para sistemas beyond 5G), teniendo en cuenta factores como la movilidad de los equipos de usuario y la frecuencia de operación; para esto se utilizó un simulador de capa física del 3GPP, al que se hicieron las debidas adaptaciones con el fin de evaluar el rendimiento de las numerologías en términos de la tasa de error por bloque. Finalmente, se presenta un bosquejo de lo que podría llegar a ser la Sexta Generación de redes móviles o 6G, con el objetivo de entender las nuevas aplicaciones que podrían ser utilizadas en un futuro, así como sus necesidades. Completado el estudio llevado a cabo en esta tesis, se puede afirmar que como se propuso desde un principio la solución, tanto para el 5G como para beyond 5G, la solución es la armonización de las formas de onda. De los resultados obtenidos se puede corroborar que una solución armonizada permite alcanzar un ahorro computacional entre el 25-40% para el transmisor y del 15-25% para el receptor. Además, fue posible identificar qué numerología CP-OFDM es la más adecuada para cada escenario, lo que permitiría optimizar el diseño y despliegue de las redes 5G. Esto abriría la puerta a hacer lo mismo con el 6G, ya que en esta tesis se considera que será necesario abrir nuevamente el debate sobre cuál es la forma de onda adecuada para esta nueva generación de tecnologías, y se plantea que el camino a seguir es optar por una solución armonizada con distintas formas de onda, en lugar de solo una como sucede con el 5G.[CA] L'estandardització de la Quinta Generació de xarxes mòbils o 5G, ha conclòs enguany 2020. No obstant això, l'any 2014 quan la ITU va començar el procés d'estandardització IMT-2020, uns dels principals interrogants era quina seria la forma d'onda sobre la qual es construiria la capa física d'esta nova generació de tecnologies. El 3GPP es va comprometre a entregar una tecnologia candidata al procés IMT-2020, i és així com dins d'este procés de deliberació es van presentar diverses formes d'onda candidates, les quals van ser avaluades en diversos aspectes fins que l'any 2016 el 3GPP va prendre una decisió, continuar amb CP-OFDM (utilitzada en 4G) amb numerología flexible. Una vegada decidida la forma d'onda, el procés d'estandardització va continuar afinant la frame structure (no se m'ocorre nom en espanyol), i tots els aspectes intrínsecs de la mateixa. Esta tesi va acompanyar i va participar de tot este procés. Per a començar, en esta dissertació es van avaluar les principals formes d'onda candidates al 5G. És així que es va realitzar una anàlisi teòrica de cada forma d'onda, destacant les seues fortaleses i debilitats, tant a nivell d'implementació com de rendiment. Posteriorment, es va dur a terme una implementació real en una plataforma Software Defined Radio de tres de les formes d'onda més prometedores (CP-OFDM, UFMC i OQAM-FBMC), la qual cosa va permetre avaluar el seu rendiment en termes de la taxa d'error per bit, així com la complexitat de la seua implementació. Esta tesi ha proposat també l'ús d'una solució harmonitzada com a forma d'onda per al 5G i sosté que continua sent una opció viable per a sistemes beyond 5G. Atés que cap de les forma d'onda candidates era capaç de complir per si mateixa amb tots els requeriments del 5G, en compte de triar una única forma d'onda es va proposar construir un transceptor que fóra capaç de construir totes les principals formes d'onda candidates (CP-OFDM, P-OFDM, UFMC, QAM-FBMC, OQAM-FBMC). Açò es va aconseguir identificant els blocs comuns entre les formes d'onda, per a després integrar-los junt amb la resta de blocs indispensables per a cada forma d'onda. La motivació per a esta solució era tindre una capa física que fóra capaç de complir amb tots els aspectes del 5G, seleccionant sempre la millor forma d'onda segons l'escenari. Esta proposta va ser avaluada en termes de complexitat, i els resultats es van comparar amb la complexitat de cada forma d'onda. La decisió de continuar amb CP-OFDM amb numerología flexible com a forma d'onda per al 5G es pot considerar també com una solució harmonitzada, ja que al canviar el prefix cíclic i el número de subportadores, canvien també les prestacions del sistema. En esta tesi es van avaluar totes les numerologías propostes pel 3GPP sobre cada un dels models de canal descrits per al 5G (i considerats vàlids per a sistemes beyond 5G), tenint en compte factors com la mobilitat dels equips d'usuari i la freqüència d'operació; per a açò es va utilitzar un simulador de capa física del 3GPP, a què es van fer les degudes adaptacions a fi d'avaluar el rendiment de les numerologías en termes de la taxa d'error per bloc. Finalment, es presenta un esbós del que podria arribar a ser la Sexta Generació de xarxes mòbils o 6G, amb l'objectiu d'entendre les noves aplicacions que podrien ser utilitzades en un futur, així com les seues necessitats. Completat l'estudi dut a terme en esta tesi, es pot afirmar que com es va proposar des d'un principi la solució, tant per al 5G com per a beyond 5G, la solució és l'harmonització de les formes d'onda. dels resultats obtinguts es pot corroborar que una solució harmonitzada permet aconseguir un estalvi computacional entre el 25-40% per al transmissor i del 15-25% per al receptor. A més, va ser possible identificar què numerología CP-OFDM és la més adequada per a cada escenari, la qual cosa permetria optimitzar el disseny i desplegament de les xarxes 5G. Açò obriria la porta a fer el mateix amb el 6G, ja que en esta tesi es considera que serà necessari obrir novament el debat sobre quina és la forma d’onda adequada per a esta nova generació de tecnologies, i es planteja que el camí que s’ha de seguir és optar per una solució harmonitzada amb distintes formes d’onda, en compte de només una com succeïx amb el 5G.[EN] The standardization of the Fifth Generation of mobile networks or 5G is still ongoing, although the first releases of the standard were completed two years ago and several 5G networks are up and running in several countries around the globe. However, in 2014 when the ITU began the IMT-2020 standardization process, one of the main questions was which would be the waveform to be used on the physical layer of this new generation of technologies. The 3GPP committed to submit a candidate technology to the IMT-2020 process, and that is how within this deliberation process several candidate waveforms were presented. After a thorough evaluation regarding several aspects, in 2016 the 3GPP decided to continue with CP-OFDM (used in 4G) but including, as a novelty, the use of a flexible numerology. Once the waveform was decided, the standardization process continued to fine-tune the frame structure and all the intrinsic aspects of it. This thesis accompanied and participated in this entire process. To begin with, this dissertation evaluates the main 5G candidate waveforms. Therefore, a theoretical analysis of each waveform is carried out, highlighting its strengths and weaknesses, both at the implementation and performance levels. Subsequently, a real implementation on a Software Defined Radio platform of three of the most promising waveforms (CP-OFDM, UFMC, and OQAM-FBMC) is presented, which allows evaluating their performance in terms of bit error rate, as well as the complexity of its implementation. This thesis also proposes the use of a harmonized solution as a waveform for 5G and argues that it remains a viable option for systems beyond 5G. Since none of the candidate waveforms was capable of meeting on its own with all the requirements for 5G, instead of choosing a single waveform, this thesis proposes to build a transceiver capable of building all the main waveforms candidates (CP-OFDM, P-OFDM, UFMC, QAM-FBMC, OQAM-FBMC). This is achieved by identifying the common blocks between the waveforms and then integrating them with the rest of the essential blocks for each waveform. The motivation for this solution is to have a physical layer that is capable of complying with all aspects of beyond 5G technologies, always selecting the best waveform according to the scenario. This proposal is evaluated in terms of complexity, and the results are compared with the complexity of each waveform. The decision to continue with CP-OFDM with flexible numerology as a waveform for 5G can also be considered as a harmonized solution, since changing the cyclic prefix and the number of subcarriers, changes also the performance of the system. In this thesis, all the numerologies proposed by the 3GPP are evaluated on each of the channel models described for 5G (and considered valid for beyond 5G systems), taking into account factors such as the mobility of the user equipment and the operating frequency. For this, a 3GPP physical layer simulator is used, and proper adaptations are made in order to evaluate the performance of the numerologies in terms of the block error rate. Finally, a sketch of what could become the Sixth Generation of mobile networks or 6G is presented, with the aim of understanding the new applications that could be used in the future, as well as their needs. After the completion of the study carried out in this thesis, it can be said that, as stated from the beginning, for both 5G and beyond 5G systems, the solution is the waveform harmonization. From the results obtained, it can be corroborated that a harmonized solution allows achieving computational savings between 25-40% for the transmitter and 15-25% for the receiver. In addition, it is possible to identify which CP-OFDM numerology is the most appropriate for each scenario, which would allow optimizing the design and deployment of 5G networks. This would open the door to doing the same with 6G, i.e., a harmonized solution with different waveforms, instead of just one as in 5G.Flores De Valgas Torres, FJ. (2020). Study on Air Interface Variants and their Harmonization for Beyond 5G Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/164442TESI

Wavelet Filter Banks in Perceptual Audio Coding

This thesis studies the application of the wavelet filter bank (WFB) in perceptual audio coding by providing brief overviews of perceptual coding, psychoacoustics, wavelet theory, and existing wavelet coding algorithms. Furthermore, it describes the poor frequency localization property of the WFB and explores one filter design method, in particular, for improving channel separation between the wavelet bands. A wavelet audio coder has also been developed by the author to test the new filters. Preliminary tests indicate that the new filters provide some improvement over other wavelet filters when coding audio signals that are stationary-like and contain only a few harmonic components, and similar results for other types of audio signals that contain many spectral and temporal components. It has been found that the WFB provides a flexible decomposition scheme through the choice of the tree structure and basis filter, but at the cost of poor localization properties. This flexibility can be a benefit in the context of audio coding but the poor localization properties represent a drawback. Determining ways to fully utilize this flexibility, while minimizing the effects of poor time-frequency localization, is an area that is still very much open for research