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    Detection of Wideband Signal Number Based on Bootstrap Resampling

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    Knowing source number correctly is the precondition for most spatial spectrum estimation methods; however, many snapshots are needed when we determine number of wideband signals. Therefore, a new method based on Bootstrap resampling is proposed in this paper. First, signals are divided into some nonoverlapping subbands; apply coherent signal methods (CSM) to focus them on the single frequency. Then, fuse the eigenvalues with the corresponding eigenvectors of the focused covariance matrix. Subsequently, use Bootstrap to construct the new resampling matrix. Finally, the number of wideband signals can be calculated with obtained vector sequences according to clustering technique. The method has a high probability of success under low signal to noise ratio (SNR) and small number of snapshots

    Glosarium Matematika

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    273 p.; 24 cm

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    White Noise Reduction for Wideband Sensor Array Signal Processing

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    The performance of wideband array signal processing algorithms is dependant on the noise level in the system. In this thesis, a method is proposed for reducing the level of white noise in wideband arrays via a judiciously designed spatial transformation followed by a bank of high-pass filters. The method is initially introduced for uniform linear arrays (ULAs) and analysed in detail. The spectrum of the signal and noise after being processed by the proposed noise reduction method is analysed, and the correlation matrix of the processed noise is derived. The reduced noise level leads to a higher signal-to-noise ratio (SNR) for the system, which can have a significant effect on the performance improvement of various beamforming methods and other array signal processing applications such as direction of arrival (DOA) estimation. The performance of two well-known beamformers, the reference signal based (RSB) beamformer and the linearly constrained minimum variance (LCMV) beamformer is reviewed. Then, the theoretical effect of applying the proposed noise reduction method as a pre-processing step on the performance enhancement of RSB and LCMV beamformers is studied. The theoretical results are then confirmed by simulation. As a representative example of wideband DOA estimation application, a compressive sensing-based DOA estimation method is employed to demonstrate the improved estimation by applying the pre-processing noise reduction method, which is confirmed by simulation. Next, the idea is extended to wideband non-uniform linear arrays (NLAs). Since, NLA does not have a uniform spacing, the beam response of the row vectors of the transformation is distorted. Therefore, the transformation is re-designed using the least squares method to satisfy the band-pass requirements of the transformation. Simulation results show a satisfactory improvement in the the performance of RSB and LCMV beamformers for the NLA structure. The idea is further extended to uniform rectangular arrays (URAs) and uniform circular arrays (UCAs), as two major types of the planar arrays. Two methods are proposed for reducing the effect of white noise in wideband URAs and for each one, a different transformation is designed. The first one is based on a two-dimensional (2D) transformation and the second one is an adaptation of the method developed for the ULA case. The developed method for the UCA structure is based on a one-dimensional (1D) transformation, with modified modulation for the transformation to satisfy the required band-pass characteristics of the transformation. Same as linear array structures, the RSB and LCMV beamformers are used to demonstrate the performance enhancement of the method for planar arrays

    Ultra Wideband Communications: from Analog to Digital

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    ï»żUltrabreitband-Signale (Ultra Wideband [UWB]) können einen signifikanten Nutzen im Bereich drahtloser Kommunikationssysteme haben. Es sind jedoch noch einige Probleme offen, die durch Systemdesigner und Wissenschaftler gelöst werden mĂŒssen. Ein Funknetzsystem mit einer derart großen Bandbreite ist normalerweise auch durch eine große Anzahl an Mehrwegekomponenten mit jeweils verschiedenen Pfadamplituden gekennzeichnet. Daher ist es schwierig, die zeitlich verteilte Energie effektiv zu erfassen. Außerdem ist in vielen FĂ€llen der naheliegende Ansatz, ein kohĂ€renter EmpfĂ€nger im Sinne eines signalangepassten Filters oder eines Korrelators, nicht unbedingt die beste Wahl. In der vorliegenden Arbeit wird dabei auf die bestehende Problematik und weitere Lösungsmöglichkeiten eingegangen. Im ersten Abschnitt geht es um „Impulse Radio UWB”-Systeme mit niedriger Datenrate. Bei diesen Systemen kommt ein inkohĂ€renter EmpfĂ€nger zum Einsatz. InkohĂ€rente Signaldetektion stellt insofern einen vielversprechenden Ansatz dar, als das damit aufwandsgĂŒnstige und robuste Implementierungen möglich sind. Dies trifft vor allem in AnwendungsfĂ€llen wie den von drahtlosen Sensornetzen zu, wo preiswerte GerĂ€te mit langer Batterielaufzeit nötigsind. Dies verringert den fĂŒr die KanalschĂ€tzung und die Synchronisation nötigen Aufwand, was jedoch auf Kosten der Leistungseffizienz geht und eine erhöhte Störempfindlichkeit gegenĂŒber Interferenz (z.B. Interferenz durch mehrere Nutzer oder schmalbandige Interferenz) zur Folge hat. Um die Bitfehlerrate der oben genannten Verfahren zu bestimmen, wurde zunĂ€chst ein inkohĂ€renter Combining-Verlust spezifiziert, welcher auftritt im Gegensatz zu kohĂ€renter Detektion mit Maximum Ratio Multipath Combining. Dieser Verlust hĂ€ngt von dem Produkt aus der LĂ€nge des Integrationsfensters und der Signalbandbreite ab. Um den Verlust durch inkohĂ€rentes Combining zu reduzieren und somit die Leistungseffizienz des EmpfĂ€ngers zu steigern, werden verbesserte Combining-Methoden fĂŒr Mehrwegeempfang vorgeschlagen. Ein analoger EmpfĂ€nger, bei dem der Hauptteil des Mehrwege-Combinings durch einen „Integrate and Dump”-Filter implementiert ist, wird fĂŒr UWB-Systeme mit Zeit-Hopping gezeigt. Dabei wurde die Einsatzmöglichkeit von dĂŒnn besetzten Codes in solchen System diskutiert und bewertet. Des Weiteren wird eine Regel fĂŒr die Code-Auswahl vorgestellt, welche die StabilitĂ€t des Systems gegen Mehrnutzer-Störungen sicherstellt und gleichzeitig den Verlust durch inkohĂ€rentes Combining verringert. Danach liegt der Fokus auf digitalen Lösungen bei inkohĂ€renter Demodulation. Im Vergleich zum AnalogempfĂ€nger besitzt ein DigitalempfĂ€nger einen Analog-Digital-Wandler im Zeitbereich gefolgt von einem digitalen Optimalfilter. Der digitale Optimalfilter dekodiert den Mehrfachzugriffscode kohĂ€rent und beschrĂ€nkt das inkohĂ€rente Combining auf die empfangenen Mehrwegekomponenten im Digitalbereich. Es kommt ein schneller Analog-Digital-Wandler mit geringer Auflösung zum Einsatz, um einen vertretbaren Energieverbrauch zu gewĂ€hrleisten. Diese Digitaltechnik macht den Einsatz langer Analogverzögerungen bei differentieller Demodulation unnötig und ermöglicht viele Arten der digitalen Signalverarbeitung. Im Vergleich zur Analogtechnik reduziert sie nicht nur den inkohĂ€renten Combining-Verlust, sonder zeigt auch eine stĂ€rkere Resistenz gegenĂŒber Störungen. Dabei werden die Auswirkungen der Auflösung und der Abtastrate der Analog-Digital-Umsetzung analysiert. Die Resultate zeigen, dass die verminderte Effizienz solcher Analog-Digital-Wandler gering ausfĂ€llt. Weiterhin zeigt sich, dass im Falle starker Mehrnutzerinterferenz sogar eine Verbesserung der Ergebnisse zu beobachten ist. Die vorgeschlagenen Design-Regeln spezifizieren die Anwendung der Analog-Digital-Wandler und die Auswahl der Systemparameter in AbhĂ€ngigkeit der verwendeten Mehrfachzugriffscodes und der Modulationsart. Wir zeigen, wie unter Anwendung erweiterter Modulationsverfahren die Leistungseffizienz verbessert werden kann und schlagen ein Verfahren zur UnterdrĂŒckung schmalbandiger Störer vor, welches auf Soft Limiting aufbaut. Durch die Untersuchungen und Ergebnissen zeigt sich, dass inkohĂ€rente EmpfĂ€nger in UWB-Kommunikationssystemen mit niedriger Datenrate ein großes Potential aufweisen. Außerdem wird die Auswahl der benutzbaren Bandbreite untersucht, um einen Kompromiss zwischen inkohĂ€rentem Combining-Verlust und StabilitĂ€t gegenĂŒber langsamen Schwund zu erreichen. Dadurch wurde ein neues Konzept fĂŒr UWB-Systeme erarbeitet: wahlweise kohĂ€rente oder inkohĂ€rente EmpfĂ€nger, welche als UWB-Systeme Frequenz-Hopping nutzen. Der wesentliche Vorteil hiervon liegt darin, dass die Bandbreite im Basisband sich deutlich verringert. Mithin ermöglicht dies einfach zu realisierende digitale Signalverarbeitungstechnik mit kostengĂŒnstigen Analog-Digital-Wandlern. Dies stellt eine neue Epoche in der Forschung im Bereich drahtloser Sensorfunknetze dar. Der Schwerpunkt des zweiten Abschnitts stellt adaptiven Signalverarbeitung fĂŒr hohe Datenraten mit „Direct Sequence”-UWB-Systemen in den Vordergrund. In solchen Systemen entstehen, wegen der großen Anzahl der empfangenen Mehrwegekomponenten, starke Inter- bzw. Intrasymbolinterferenzen. Außerdem kann die FunktionalitĂ€t des Systems durch Mehrnutzerinterferenz und Schmalbandstörungen deutlich beeinflusst werden. Um sie zu eliminieren, wird die „Widely Linear”-Rangreduzierung benutzt. Dabei verbessert die Rangreduzierungsmethode das Konvergenzverhalten, besonders wenn der gegebene Vektor eine sehr große Anzahl an Abtastwerten beinhaltet (in Folge hoher einer Abtastrate). ZusĂ€tzlich kann das System durch die Anwendung der R-linearen Verarbeitung die Statistik zweiter Ordnung des nicht-zirkularen Signals vollstĂ€ndig ausnutzen, was sich in verbesserten SchĂ€tzergebnissen widerspiegelt. Allgemeine kann die Methode der „Widely Linear”-Rangreduzierung auch in andern Bereichen angewendet werden, z.B. in „Direct Sequence”-Codemultiplexverfahren (DS-CDMA), im MIMO-Bereich, im Global System for Mobile Communications (GSM) und beim Beamforming.The aim of this thesis is to investigate key issues encountered in the design of transmission schemes and receiving techniques for Ultra Wideband (UWB) communication systems. Based on different data rate applications, this work is divided into two parts, where energy efficient and robust physical layer solutions are proposed, respectively. Due to a huge bandwidth of UWB signals, a considerable amount of multipath arrivals with various path gains is resolvable at the receiver. For low data rate impulse radio UWB systems, suboptimal non-coherent detection is a simple way to effectively capture the multipath energy. Feasible techniques that increase the power efficiency and the interference robustness of non-coherent detection need to be investigated. For high data rate direct sequence UWB systems, a large number of multipath arrivals results in severe inter-/intra-symbol interference. Additionally, the system performance may also be deteriorated by multi-user interference and narrowband interference. It is necessary to develop advanced signal processing techniques at the receiver to suppress these interferences. Part I of this thesis deals with the co-design of signaling schemes and receiver architectures in low data rate impulse radio UWB systems based on non-coherent detection.● We analyze the bit error rate performance of non-coherent detection and characterize a non-coherent combining loss, i.e., a performance penalty with respect to coherent detection with maximum ratio multipath combining. The thorough analysis of this loss is very helpful for the design of transmission schemes and receive techniques innon-coherent UWB communication systems.● We propose to use optical orthogonal codes in a time hopping impulse radio UWB system based on an analog non-coherent receiver. The “analog” means that the major part of the multipath combining is implemented by an integrate and dump filter. The introduced semi-analytical method can help us to easily select the time hopping codes to ensure the robustness against the multi-user interference and meanwhile to alleviate the non-coherent combining loss.● The main contribution of Part I is the proposal of applying fully digital solutions in non-coherent detection. The proposed digital non-coherent receiver is based on a time domain analog-to-digital converter, which has a high speed but a very low resolution to maintain a reasonable power consumption. Compared to its analog counterpart, itnot only significantly reduces the non-coherent combining loss but also offers a higher interference robustness. In particular, the one-bit receiver can effectively suppress strong multi-user interference and is thus advantageous in separating simultaneously operating piconets.The fully digital solutions overcome the difficulty of implementing long analog delay lines and make differential UWB detection possible. They also facilitate the development of various digital signal processing techniques such as multi-user detection and non-coherent multipath combining methods as well as the use of advanced modulationschemes (e.g., M-ary Walsh modulation).● Furthermore, we present a novel impulse radio UWB system based on frequency hopping, where both coherent and non-coherent receivers can be adopted. The key advantage is that the baseband bandwidth can be considerably reduced (e.g., lower than 500 MHz), which enables low-complexity implementation of the fully digital solutions. It opens up various research activities in the application field of wireless sensor networks. Part II of this thesis proposes adaptive widely linear reduced-rank techniques to suppress interferences for high data rate direct sequence UWB systems, where second-order non-circular signals are used. The reduced-rank techniques are designed to improve the convergence performance and the interference robustness especially when the received vector contains a large number of samples (due to a high sampling rate in UWB systems). The widely linear processing takes full advantage of the second-order statistics of the non-circular signals and enhances the estimation performance. The generic widely linear reduced-rank concept also has a great potential in the applications of other systems such as Direct Sequence Code Division Multiple Access (DS-CDMA), Multiple Input Multiple Output (MIMO) system, and Global System for Mobile Communications (GSM), or in other areas such as beamforming
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