On error-spectrum shaping in state-space digital filters

A new scheme for shaping the error spectrum in state-space digital filter structures is proposed. The scheme is based on the application of diagonal second-order error feedback, and can be used in any arbitrary state-space structure having arbitrary order. A method to obtain noise-optimal state-space structures for fixed error feedback coefficients, starting from noise optimal structures in absence of error feedback (the Mullis and Roberts Structures), is also outlined. This optimization is based on the theory of continuous equivalence for state-space structures

Pseudo-noise test set for communication system evaluation

A test set for communications systems is described which includes a pseudo noise sequence generator providing a test signal that is fed to a pair of signal channels. The first channel includes a spectrum shaping filter and a conditioning amplifier. The second channel includes a variable delay circuit, a spectrum shaping filter matched to the first filter, and an amplifier. The output of the first channel was applied to the system under test. The output of the system and the output of the second channel are compared to determine the degree of distortion suffered by the test signal due to the communications system

Oversampling PCM techniques and optimum noise shapers for quantizing a class of nonbandlimited signals

We consider the efficient quantization of a class of nonbandlimited signals, namely, the class of discrete-time signals that can be recovered from their decimated version. The signals are modeled as the output of a single FIR interpolation filter (single band model) or, more generally, as the sum of the outputs of L FIR interpolation filters (multiband model). These nonbandlimited signals are oversampled, and it is therefore reasonable to expect that we can reap the same benefits of well-known efficient A/D techniques that apply only to bandlimited signals. We first show that we can obtain a great reduction in the quantization noise variance due to the oversampled nature of the signals. We can achieve a substantial decrease in bit rate by appropriately decimating the signals and then quantizing them. To further increase the effective quantizer resolution, noise shaping is introduced by optimizing prefilters and postfilters around the quantizer. We start with a scalar time-invariant quantizer and study two important cases of linear time invariant (LTI) filters, namely, the case where the postfilter is the inverse of the prefilter and the more general case where the postfilter is independent from the prefilter. Closed form expressions for the optimum filters and average minimum mean square error are derived in each case for both the single band and multiband models. The class of noise shaping filters and quantizers is then enlarged to include linear periodically time varying (LPTV)M filters and periodically time-varying quantizers of period M. We study two special cases in great detail

Contribution to Efficient Use of Narrowband Radio Channel

Předkládaná práce se soustředí na problematiku využívání úzkopásmového rádiového kanálu rádiovými modemy, které jsou určené pro průmyslové aplikace pozemní pohyblivé rádiové služby, specifikované v dominantní míře Evropským standardem ETSI EN 300 113. Tato rádiová zařízení se používají v kmitočtových pásmech od 30 MHz do 1 GHz s nejčastěji přidělovanou šířkou pásma 25 kHz a ve většině svých instalací jsou využívána ve fixních nebo mobilních bezdrátových sítích. Mezi typické oblasti použití patří zejména datová telemetrie, aplikace typu SCADA, nebo monitorování transportu strategických surovin. Za hlavní znaky popisovaného systému lze označit komunikační pokrytí značných vzdáleností, dané především vysokou výkonovou účinnosti datového přenosu a využívaní efektivních přístupových technik na rádiový kanál se semiduplexním komunikačním režimem. Striktní požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu umožňují těmto zařízením využívat spektrum i v oblastech kmitočtově blízkým jiným komunikačním systémům bez nutnosti vkládání dodatečných ochranných frekvenčních pásem. Úzkopásmové rádiové komunikační systémy, v současnosti používají převážně exponenciální digitální modulace s konstantní modulační obálkou zejména z důvodů velice striktních omezení pro velikost výkonu vyzářeného do sousedního kanálu. Dosahují tak pouze kompromisních hodnot komunikační účinnosti. Úpravy limitů příslušných rádiových parametrů a rychlý rozvoj prostředků číslicového zpracování signálu v nedávné době, dnes umožňují ekonomicky přijatelné využití spektrálně efektivnějších modulačních technik i v těch oblastech, kde je prioritní využívání úzkých rádiových kanálů. Cílem předkládané disertační práce je proto výzkum postupů směřující ke sjednocení výhodných vlastností lineárních a nelineárních modulací v moderní konstrukci úzkopásmového rádiového modemu. Účelem tohoto výzkumu je efektivní a „ekologické“ využívání přidělené části frekvenčního spektra. Mezi hlavní dílčí problémy, jimiž se předkládaná práce zabývá, lze zařadit zejména tyto: Nyquistova modulační filtrace, navrhovaná s ohledem na minimalizaci nežádoucích elektromagnetických interferencí, efektivní číslicové algoritmy frekvenční demodulace a rychlé rámcové a symbolové synchronizace. Součástí práce je dále analýza navrhovaného řešení z pohledu celkové konstrukce programově definovaného rádiového modemu v rovině simulací při vyšetřování robustnosti datového přenosu rádiovým kanálem s bílým Gaussovským šumem nebo kanálem s únikem v důsledku mnohacestného šíření signálu. Závěr práce je pak zaměřen na prezentování výsledků praktické části projektu, v níž byly testovány, měřeny a analyzovány dvě prototypové konstrukce rádiového zařízení. Tato finální část práce obsahuje i praktická doporučení, vedoucí k vyššímu stupni využitelnosti spektrálně efektivnějších komunikačních režimů v oblasti budoucí generace úzkopásmových zařízení pozemní pohyblivé rádiové služby.he industrial narrowband land mobile radio (LMR) devices, as considered in this dissertation project, has been subject to European standard ETSI EN 300 113. The system operates on frequencies between 30 MHz and 1 GHz, with channel separations of up to 25 kHz, and is intended for private, fixed, or mobile, radio packet switching networks. Data telemetry, SCADA, maritime and police radio services; traffic monitoring; gas, water, and electricity producing factories are the typical system applications. Long distance coverage, high power efficiency, and efficient channel access techniques in half duplex operation are the primary advantages the system relays on. Very low level of adjacent channel power emissions and robust radio receiver architectures, with high dynamic range, enable for a system’s coexistence with various communication standards, without the additional guard band frequency intervals. On the other hand, the strict limitations of the referenced standard as well as the state of the technology, has hindered the increase in communication efficiency, with which the system has used its occupied bandwidth. New modifications and improvements are needed to the standard itself and to the up-to-date architectures of narrowband LMR devices, to make the utilization of more efficient modes of system operation practically realizable. The main objective of this dissertation thesis is therefore to find a practical way how to combine the favorable properties of the advanced nonlinear and linear digital modulation techniques in a single digital modem solution, in order to increase the efficiency of the narrowband radio channel usage allocated to the new generation of the industrial LMR devices. The main attention is given to the particular areas of digital modem design such as proposal of the new family of the Nyquist filters minimizing the adjacent channel interference, design and analysis of the efficient algorithms for frequency discrimination, fast frame and symbol

Method of and means for testing a tape record/playback system

A tape record/playback system was tested by first deriving an analog test signal and a band-limited digital reference signal from a pseudo-noise sequence generator driven by a clock signal. It recorded the signals on respective tracks of the system during operation in a record mode. During the playback mode of operation of the system, a delayed analog reference signal without time base variations was reconstructed from the played back reference signal. It was compared with the played back test signal in order to obtain an error signal that was a measure of the performance of the system

Design and Simulation of Wave Shaping Schemes for a Virtual Data Communication and Impaired Link Environment System for Advanced ICT Education

Design and Simulation of Waves Shaping Schemes for a Virtual Data Communication and Impaired Link Environment System for Advanced ICT Education is aimed at providing a simulator for the performance of digital filtering of signals for data communication experiments with the aid of MATLAB. A fundamental aspect of signal processing is filtering. Filtering involves the manipulation of the spectrum of a signal by passing or blocking certain portions of the spectrum, depending on the frequency of those portions. This work is designed to provide a flexible platform for teaching the operations of waves shaping schemes (lowpass, bandpass and highpass) modelled over an additive white Gaussian noise (AWGN) channel. Keywords – Lowpass, Bandpass, Highpass, MATLAB

Optimum quantization of a class of non-bandlimited signals

We consider the quantization of a special class of non bandlimited signals, namely the class of discrete time signals that can be recovered from their decimated version. Similar to sigma-delta modulation ideas, we show that we can obtain a great reduction in the quantization noise variance due to the oversampled nature of these signals. We then consider noise shaping by optimizing a pre- and post filter around the quantizer and develop a closed form expression for the coding gain of the scheme under study. The use of an orthonormal filter bank as a sophisticated quantizer is investigated and several examples are provided