Recent Advances in Signal Processing

The signal processing task is a very critical issue in the majority of new technological inventions and challenges in a variety of applications in both science and engineering fields. Classical signal processing techniques have largely worked with mathematical models that are linear, local, stationary, and Gaussian. They have always favored closed-form tractability over real-world accuracy. These constraints were imposed by the lack of powerful computing tools. During the last few decades, signal processing theories, developments, and applications have matured rapidly and now include tools from many areas of mathematics, computer science, physics, and engineering. This book is targeted primarily toward both students and researchers who want to be exposed to a wide variety of signal processing techniques and algorithms. It includes 27 chapters that can be categorized into five different areas depending on the application at hand. These five categories are ordered to address image processing, speech processing, communication systems, time-series analysis, and educational packages respectively. The book has the advantage of providing a collection of applications that are completely independent and self-contained; thus, the interested reader can choose any chapter and skip to another without losing continuity

Discrete Wavelet Transforms

The discrete wavelet transform (DWT) algorithms have a firm position in processing of signals in several areas of research and industry. As DWT provides both octave-scale frequency and spatial timing of the analyzed signal, it is constantly used to solve and treat more and more advanced problems. The present book: Discrete Wavelet Transforms: Algorithms and Applications reviews the recent progress in discrete wavelet transform algorithms and applications. The book covers a wide range of methods (e.g. lifting, shift invariance, multi-scale analysis) for constructing DWTs. The book chapters are organized into four major parts. Part I describes the progress in hardware implementations of the DWT algorithms. Applications include multitone modulation for ADSL and equalization techniques, a scalable architecture for FPGA-implementation, lifting based algorithm for VLSI implementation, comparison between DWT and FFT based OFDM and modified SPIHT codec. Part II addresses image processing algorithms such as multiresolution approach for edge detection, low bit rate image compression, low complexity implementation of CQF wavelets and compression of multi-component images. Part III focuses watermaking DWT algorithms. Finally, Part IV describes shift invariant DWTs, DC lossless property, DWT based analysis and estimation of colored noise and an application of the wavelet Galerkin method. The chapters of the present book consist of both tutorial and highly advanced material. Therefore, the book is intended to be a reference text for graduate students and researchers to obtain state-of-the-art knowledge on specific applications

Entropie‐dominierte Selbstorganisationsprozesse birnenförmiger Teilchensysteme

The ambition to recreate highly complex and functional nanostructures found in living organisms marks one of the pillars of today‘s research in bio- and soft matter physics. Here, self-assembly has evolved into a prominent strategy in nanostructure formation and has proven to be a useful tool for many complex structures. However, it is still a challenge to design and realise particle properties such that they self-organise into a desired target configuration. One of the key design parameters is the shape of the constituent particles. This thesis focuses in particular on the shape sensitivity of liquid crystal phases by addressing the entropically driven colloidal self-assembly of tapered ellipsoids, reminiscent of „pear-shaped“ particles. Therefore, we analyse the formation of the gyroid and of the accompanying bilayer architecture, reported earlier in the so-called pear hard Gaussian overlap (PHGO) approximation, by applying various geometrical tools like Set-Voronoi tessellation and clustering algorithms. Using computational simulations, we also indicate a method to stabilise other bicontinuous structures like the diamond phase. Moreover, we investigate both computationally and theoretically(density functional theory) the influence of minor variations in shape on different pearshaped particle systems, including the stability of the PHGO gyroid phase. We show that the formation of the gyroid is due to small non-additive properties of the PHGO potential. This phase does not form in pears with a „true“ hard pear-shaped potential. Overall our results allow for a better general understanding of necessity and sufficiency of particle shape in regards to colloidal self-assembly processes. Furthermore, the pear-shaped particle system sheds light on a unique collective mechanism to generate bicontinuous phases. It suggests a new alternative pathway which might help us to solve still unknown characteristics and properties of naturally occurring gyroid-like nano- and microstructures.Ein wichtiger Bestandteil der heutigen Forschung in Bio- und Soft Matter Physik besteht daraus, Technologien zu entwickeln, um hoch komplexe und funktionelle Strukturen, die uns aus der Natur bekannt sind, nachzubilden. Hinsichtlich dessen ist vor allem die Methode der Selbstorganisation von Mikro- und Nanoteilchen hervorzuheben, durch die eine Vielzahl verschiedener Strukturen erzeugt werden konnten. Jedoch stehen wir bei diesem Verfahren noch immer vor der Herausforderung, Teilchen mit bestimmten Eigenschaften zu entwerfen, welche die spontane Anordnung der Teilchen in eine gewünschte Struktur bewirken. Einer der wichtigsten Designparameter ist dabei die Form der Bausteinteilchen. In dieser Dissertation konzentrieren wir uns besonders auf die Anfälligkeit von Flüssigkristallphasen bezüglich kleiner Änderungen der Teilchenform und nutzen dabei das Beispiel der Selbstorganisation von Entropie-dominierter Kolloide, die dem Umriss nach verjüngten Ellipsoiden oder "Birnen" ähneln. Mit Hilfe von geometrischen Werkzeugen wie z.B. Set-Voronoi Tessellation oder Cluster-Algorithmen analysieren wir insbesondere die Entstehung der Gyroidphase und der dazugehörigen Bilagenformation, welche bereits in Systemen von harten Birnen, die durch das pear hard Gaussian overlap (PHGO) Potential angenähert werden, entdeckt wurden. Des Weiteren zeigen wir durch Computersimulationen eine Strategie auf, um andere bikontinuierliche Strukturen, wie die Diamentenphase, zu stabilisieren. Schlussendlich betrachten wir sowohl rechnerisch (durch Simulationen) als auch theoretisch (durch Dichtefunktionaltheorie) die Auswirkungen kleiner Abweichungen der Teilchenform auf das Verhalten des kolloiden, birnenförmigen Teilchensystems, inklusive der Stabilität der PHGO Gyroidphase. Wir zeigen, dass die Entstehung des Gyroids auf kleinen nicht-additiven Eigenschaften des PHGO Birnenmodells beruhen. In ''echten'' harten Teilchensystemen entwickelt sich diese Struktur nicht. Insgesamt ermöglichen unsere Ergebnisse einen besseren Einblick auf das Konzept von notwendiger und hinreichender Teilchenform in Selbstorganistationsprozessen. Die birnenförmigen Teilchensysteme geben außerdem Aufschluss über einen ungewöhnlichen, kollektiven Mechanismus, um bikontinuierliche Phasen zu erzeugen. Dies deutet auf einen neuen, alternativen Konstruktionsweg hin, der uns möglicherweise hilft, noch unbekannte Eigenschaften natürlich vorkommender, gyroidähnlicher Nano- und Mikrostrukturen zu erklären

Linear Transmit-Receive Strategies for Multi-user MIMO Wireless Communications

Die Notwendigkeit zur Unterdrueckung von Interferenzen auf der einen Seite und zur Ausnutzung der durch Mehrfachzugriffsverfahren erzielbaren Gewinne auf der anderen Seite rueckte die raeumlichen Mehrfachzugriffsverfahren (Space Division Multiple Access, SDMA) in den Fokus der Forschung. Ein Vertreter der raeumlichen Mehrfachzugriffsverfahren, die lineare Vorkodierung, fand aufgrund steigender Anzahl an Nutzern und Antennen in heutigen und zukuenftigen Mobilkommunikationssystemen besondere Beachtung, da diese Verfahren das Design von Algorithmen zur Vorcodierung vereinfachen. Aus diesem Grund leistet diese Dissertation einen Beitrag zur Entwicklung linearer Sende- und Empfangstechniken fuer MIMO-Technologie mit mehreren Nutzern. Zunaechst stellen wir ein Framework zur Approximation des Datendurchsatzes in Broadcast-MIMO-Kanaelen mit mehreren Nutzern vor. In diesem Framework nehmen wir das lineare Vorkodierverfahren regularisierte Blockdiagonalisierung (RBD) an. Durch den Vergleich von Dirty Paper Coding (DPC) und linearen Vorkodieralgorithmen (z.B. Zero Forcing (ZF) und Blockdiagonalisierung (BD)) ist es uns moeglich, untere und obere Schranken fuer den Unterschied bezueglich Datenraten und bezueglich Leistung zwischen beiden anzugeben. Im Weiteren entwickeln wir einen Algorithmus fuer koordiniertes Beamforming (Coordinated Beamforming, CBF), dessen Loesung sich in geschlossener Form angeben laesst. Dieser CBF-Algorithmus basiert auf der SeDJoCo-Transformation und loest bisher vorhandene Probleme im Bereich CBF. Im Anschluss schlagen wir einen iterativen CBF-Algorithmus namens FlexCoBF (flexible coordinated beamforming) fuer MIMO-Broadcast-Kanaele mit mehreren Nutzern vor. Im Vergleich mit bis dato existierenden iterativen CBF-Algorithmen kann als vielversprechendster Vorteil die freie Wahl der linearen Sende- und Empfangsstrategie herausgestellt werden. Das heisst, jede existierende Methode der linearen Vorkodierung kann als Sendestrategie genutzt werden, waehrend die Strategie zum Empfangsbeamforming frei aus MRC oder MMSE gewaehlt werden darf. Im Hinblick auf Szenarien, in denen Mobilfunkzellen in Clustern zusammengefasst sind, erweitern wir FlexCoBF noch weiter. Hier wurde das Konzept der koordinierten Mehrpunktverbindung (Coordinated Multipoint (CoMP) transmission) integriert. Zuletzt stellen wir drei Moeglichkeiten vor, Kanalzustandsinformationen (Channel State Information, CSI) unter verschiedenen Kanalumstaenden zu erlangen. Die Qualitaet der Kanalzustandsinformationen hat einen starken Einfluss auf die Guete des Uebertragungssystems. Die durch unsere neuen Algorithmen erzielten Verbesserungen haben wir mittels numerischer Simulationen von Summenraten und Bitfehlerraten belegt.In order to combat interference and exploit large multiplexing gains of the multi-antenna systems, a particular interest in spatial division multiple access (SDMA) techniques has emerged. Linear precoding techniques, as one of the SDMA strategies, have obtained more attention due to the fact that an increasing number of users and antennas involved into the existing and future mobile communication systems requires a simplification of the precoding design. Therefore, this thesis contributes to the design of linear transmit and receive strategies for multi-user MIMO broadcast channels in a single cell and clustered multiple cells. First, we present a throughput approximation framework for multi-user MIMO broadcast channels employing regularized block diagonalization (RBD) linear precoding. Comparing dirty paper coding (DPC) and linear precoding algorithms (e.g., zero forcing (ZF) and block diagonalization (BD)), we further quantify lower and upper bounds of the rate and power offset between them as a function of the system parameters such as the number of users and antennas. Next, we develop a novel closed-form coordinated beamforming (CBF) algorithm (i.e., SeDJoCo based closed-form CBF) to solve the existing open problem of CBF. Our new algorithm can support a MIMO system with an arbitrary number of users and transmit antennas. Moreover, the application of our new algorithm is not only for CBF, but also for blind source separation (BSS), since the same mathematical model has been used in BSS application.Then, we further propose a new iterative CBF algorithm (i.e., flexible coordinated beamforming (FlexCoBF)) for multi-user MIMO broadcast channels. Compared to the existing iterative CBF algorithms, the most promising advantage of our new algorithm is that it provides freedom in the choice of the linear transmit and receive beamforming strategies, i.e., any existing linear precoding method can be chosen as the transmit strategy and the receive beamforming strategy can be flexibly chosen from MRC or MMSE receivers. Considering clustered multiple cell scenarios, we extend the FlexCoBF algorithm further and introduce the concept of the coordinated multipoint (CoMP) transmission. Finally, we present three strategies for channel state information (CSI) acquisition regarding various channel conditions and channel estimation strategies. The CSI knowledge is required at the base station in order to implement SDMA techniques. The quality of the obtained CSI heavily affects the system performance. The performance enhancement achieved by our new strategies has been demonstrated by numerical simulation results in terms of the system sum rate and the bit error rate