Arquiteturas paralelas avançadas para transmissores 5G totalmente digitais

The fifth generation of mobile communications (5G) is being prepared and should be rolled out in the early coming years. Massive number of Radio-Frequency (RF) front-ends, peak data rates of 10 Gbps (everywhere and everytime), latencies lower than 10 msec and huge device densities are some of the expected disruptive capabilities. At the same time, previous generations can not be jeopardized, fostering the design of novel flexible and highly integrated radio transceivers able to support the simultaneous transmission of multi-band and multi-standard signals. The concept of all-digital transmission is being pointed out as a promising architecture to cope with such challenging requirements, due to its fully digital radio datapath. This thesis is focused on the proposal and validation of fully integrated and advanced digital transmitter architectures that excel the state-of-the-art in different figures of merit, such as transmission bandwidth, spectral purity, carrier agility, flexibility, and multi-band capability. The first part of this thesis introduces the concept of all-digital RF transmission. In particular, the foundations inherent to this thematic line are given, together with the recent advances reported in the state-of-the-art architectures.The core of this thesis, containing the main developments achieved during the Ph.D. work, is then presented and discussed. The first key contribution to the state-of-the-art is the use of cascaded Delta-Sigma (∆Σ) architectures to relax the analog filtering requirements of the conventional All-Digital Transmitters while maintaining the constant envelope waveform. Then, it is presented the first reported architecture where Antenna Arrays are directly driven by single-chip and single-bit All-Digital Transmitters, with promising results in terms of simplification of the RF front-ends and overall flexibility. Subsequently, the thesis proposes the first reported RF-stage All-Digital Transmitter that can be embedded within a single Field-Programmable Gate Array (FPGA) device. Thereupon, novel techniques to enable the design of wideband All-Digital Transmitters are reported. Finally, the design of concurrent multi-band transmitters is introduced. In particular, the design of agile and flexible dual and triple bands All-DigitalTransmitter (ADT) is demonstrated, which is a very important topic for scenarios that demand carrier aggregation. This Ph.D. contributes withseveral advances to the state-of-the-art of RF all-digital transmitters.A quinta geração de comunicações móveis (5G) está a ser preparada e deve ser comercializada nos próximos anos. Algumas das caracterı́sticas inovadoras esperadas passam pelo uso de um número massivo de font-ends de Rádio-Frequência (RF), taxas de pico de transmissão de dados de 10 Gbps (em todos os lugares e em todas as ocasiões), latências inferiores a 10 mseg e elevadas densidades de dispositivos. Ao mesmo tempo, as gerações anteriores não podem ser ignoradas, fomentando o design de novos transceptores de rádio flexı́veis e altamente integrados, capazes de suportar a transmissão simultânea de sinais multi-banda e multi-standard. O conceito de transmissão totalmente digital é considerado como um tipo de arquitetura promissora para lidar com esses requisitos desafiantes, devido ao seu datapath de rádio totalmente digital. Esta tese é focada na proposta e validação de arquiteturas de transmissores digitais totalmente integradas e avançadas que ultrapassam o estado da arte em diferentes figuras de mérito, como largura de banda de transmissão, pureza espectral, agilidade de portadora, flexibilidade e capacidade multibanda. A primeira parte desta tese introduz o conceito de transmissores de RF totalmente digitais. Em particular, os fundamentos inerentes a esta linha temática são apresentados, juntamente com os avanços mais recentes do estado-da-arte. O núcleo desta tese, contendo os principais desenvolvimentos alcançados durante o trabalho de doutoramento, é então apresentado e discutido. A primeira contribuição fundamental para o estado da arte é o uso de arquiteturas em cascata com moduladores ∆Σ para relaxar os requisitos de filtragem analógica dos transmissores RF totalmente digitais convencionais, mantendo a forma de onda envolvente constante. Em seguida, é apresentada a primeira arquitetura em que agregados de antenas são excitados diretamente por transmissores digitais de um único bit inseridos num único chip, com resultados promissores em termos de simplificação dos front-ends de RF e flexibilidade em geral. Posteriormente, é proposto o primeiro transmissor totalmente digital RF-stage relatado que pode ser incorporado dentro de um único Agregado de Células Lógicas Programáveis. Novas técnicas para permitir o desenho de transmissores RF totalmente digitais de banda larga são também apresentadas. Finalmente, o desenho de transmissores simultâneos de múltiplas bandas é exposto. Em particular, é demonstrado o desenho de transmissores de duas e três bandas ágeis e flexı́veis, que é um tópico essencial para cenários que exigem agregação de múltiplas bandas.Apoio financeiro da Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) no âmbito de uma bolsa de doutoramento, ref. PD/BD/105857/2014.Programa Doutoral em Telecomunicaçõe

Reconfigurable Radio System Test bed for security research

Technological progress on the digital processing has opened the way to a novel implementation approach for wireless communication platforms where most of the digital signal processing is done in software rather than in hardware. Such systems have been known as Software Defined Radio (SDR) or Reconfigurable Radio Systems (RRS). A typical SDR/RRS is able to execute all the radio frequency and base-band processing though software components rather then hardware components as in conventional radio communication systems. This capability provides a high level of reconfigurability and the possibility to implement a number of different algorithms for digital processing. Therefore, SDR/RRS can be used for a variety or purposes including the possibility of implementing wireless security attacks against conventional communication systems. In this technical report, we present an application of the SDR/RRS platform to implement a security attack against a DECT platform. The SDR/RRS platform has been used to implement a DECT demodulator and a processing module to eavesdrop and capture user and control data transmitted by a DECT system. The commercially available Universal Software Radio Peripheral (USRP) has been used as SDR/RRS platform for the development of the prototype. The paper presents the technical challenges and implementation details in the development of the prototype and an overview of the capabilities of the USRP to implement wireless security attacks. The SDR/RRS platform used in the project is quite versatile and it can be used for a number of other applications related to DECT or other wireless communication systems.JRC.G.6-Security technology assessmen

Reconfigurable Receiver Front-Ends for Advanced Telecommunication Technologies

The exponential growth of converging technologies, including augmented reality, autonomous vehicles, machine-to-machine and machine-to-human interactions, biomedical and environmental sensory systems, and artificial intelligence, is driving the need for robust infrastructural systems capable of handling vast data volumes between end users and service providers. This demand has prompted a significant evolution in wireless communication, with 5G and subsequent generations requiring exponentially improved spectral and energy efficiency compared to their predecessors. Achieving this entails intricate strategies such as advanced digital modulations, broader channel bandwidths, complex spectrum sharing, and carrier aggregation scenarios. A particularly challenging aspect arises in the form of non-contiguous aggregation of up to six carrier components across the frequency range 1 (FR1). This necessitates receiver front-ends to effectively reject out-of-band (OOB) interferences while maintaining high-performance in-band (IB) operation. Reconfigurability becomes pivotal in such dynamic environments, where frequency resource allocation, signal strength, and interference levels continuously change. Software-defined radios (SDRs) and cognitive radios (CRs) emerge as solutions, with direct RF-sampling receivers offering a suitable architecture in which the frequency translation is entirely performed in digital domain to avoid analog mixing issues. Moreover, direct RF- sampling receivers facilitate spectrum observation, which is crucial to identify free zones, and detect interferences. Acoustic and distributed filters offer impressive dynamic range and sharp roll off characteristics, but their bulkiness and lack of electronic adjustment capabilities limit their practicality. Active filters, on the other hand, present opportunities for integration in advanced CMOS technology, addressing size constraints and providing versatile programmability. However, concerns about power consumption, noise generation, and linearity in active filters require careful consideration.This thesis primarily focuses on the design and implementation of a low-voltage, low-power RFFE tailored for direct sampling receivers in 5G FR1 applications. The RFFE consists of a balun low-noise amplifier (LNA), a Q-enhanced filter, and a programmable gain amplifier (PGA). The balun-LNA employs noise cancellation, current reuse, and gm boosting for wideband gain and input impedance matching. Leveraging FD-SOI technology allows for programmable gain and linearity via body biasing. The LNA's operational state ranges between high-performance and high-tolerance modes, which are apt for sensitivityand blocking tests, respectively. The Q-enhanced filter adopts noise-cancelling, current-reuse, and programmable Gm-cells to realize a fourth-order response using two resonators. The fourth-order filter response is achieved by subtracting the individual response of these resonators. Compared to cascaded and magnetically coupled fourth-order filters, this technique maintains the large dynamic range of second-order resonators. Fabricated in 22-nm FD-SOI technology, the RFFE achieves 1%-40% fractional bandwidth (FBW) adjustability from 1.7 GHz to 6.4 GHz, 4.6 dB noise figure (NF) and an OOB third-order intermodulation intercept point (IIP3) of 22 dBm. Furthermore, concerning the implementation uncertainties and potential variations of temperature and supply voltage, design margins have been considered and a hybrid calibration scheme is introduced. A combination of on-chip and off-chip calibration based on noise response is employed to effectively adjust the quality factors, Gm-cells, and resonance frequencies, ensuring desired bandpass response. To optimize and accelerate the calibration process, a reinforcement learning (RL) agent is used.Anticipating future trends, the concept of the Q-enhanced filter extends to a multiple-mode filter for 6G upper mid-band applications. Covering the frequency range from 8 to 20 GHz, this RFFE can be configured as a fourth-order dual-band filter, two bandpass filters (BPFs) with an OOB notch, or a BPF with an IB notch. In cognitive radios, the filter’s transmission zeros can be positioned with respect to the carrier frequencies of interfering signals to yield over 50 dB blocker rejection

Transmissores reconfiguráveis para rádios definidos por software

Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaFlexible radio transmitters based on the Software-Defined Radio (SDR) concept are gaining an increased research importance due to the unparalleled proliferation of new wireless standards operating at different frequencies, using dissimilar coding and modulation schemes, and targeted for different ends. In this new wireless communications paradigm, the physical layer of the radio transmitter must be able to support the simultaneous transmission of multi-band, multi-rate, multi-standard signals, which in practice is very hard or very inefficient to implement using conventional approaches. Nevertheless, the last developments in this field include novel all-digital transmitter architectures where the radio datapath is digital from the baseband up to the RF stage. Such concept has inherent high flexibility and poses an important step towards the development of SDR-based transmitters. However, the truth is that implementing such radio for a real world communications scenario is a challenging task, where a few key limitations are still preventing a wider adoption of this concept. This thesis aims exactly to address some of these limitations by proposing and implementing innovative all-digital transmitter architectures with inherent higher flexibility and integration, and where improving important figures of merit, such as coding efficiency, signal-to-noise ratio, usable bandwidth and in-band and out-of-band noise will also be addressed. In the first part of this thesis, the concept of transmitting RF data using an entirely digital approach based on pulsed modulation is introduced. A comparison between several implementation technologies is also presented, allowing to state that FPGAs provide an interesting compromise between performance, power efficiency and flexibility, thus making them an interesting choice as an enabling technology for pulse-based all-digital transmitters. Following this discussion, the fundamental concepts inherent to pulsed modulators, its key advantages, main limitations and typical enhancements suitable for all-digital transmitters are also presented. The recent advances regarding the two most common classes of pulse modulated transmitters, namely the RF and the baseband-level are introduced, along with several examples of state-of-the-art architectures found on the literature. The core of this dissertation containing the main developments achieved during this PhD work is then presented and discussed. The first key contribution to the state-of-the-art presented here consists in the development of a novel ΣΔ-based all-digital transmitter architecture capable of multiband and multi-standard data transmission in a very flexible and integrated way, where the pulsed RF output operating in the microwave frequency range is generated inside a single FPGA device. A fundamental contribution regarding the simultaneous transmission of multiple RF signals is then introduced by presenting and describing novel all-digital transmitter architectures that take advantage of multi-gigabit data serializers available on current high-end FPGAs in order to transmit in a time-interleaved approach multiple independent RF carriers. Further improvements in this design approach allowed to provide a two-stage up-conversion transmitter architecture enabling the fine frequency tuning of concurrent multichannel multi-standard signals. Finally, further improvements regarding two key limitations inherent to current all-digital transmitter approaches are then addressed, namely the poor coding efficiency and the combined high quality factor and tunability requirements of the RF output filter. The followed design approach based on poliphase multipath circuits allowed to create a new FPGA-embedded agile transmitter architecture that significantly improves important figures of merit, such as coding efficiency and SNR, while maintains the high flexibility that is required for supporting multichannel multimode data transmission.Transmissores de rádio flexíveis baseados no conceito do Rádio Definido por Software (SDR) estão a receber uma crescente importância de investigação essencialmente devido à proliferação sem precedentes de novos standards de comunicações wireless que trabalham em frequências diferentes, usando esquemas de modulação e codificação dissimilares, estando direcionados para os mais diversos fins. Neste novo paradigma de comunicações wireless, a camada física do transmissor rádio tem de ser capaz de suportar a transmissão simultânea de sinais provenientes de diferentes standards, operando em diferentes bandas de frequências e com diferentes ritmos de transmissão, o que na prática é muito difícil ou muito ineficiente de implementar utilizando abordagens convencionais. Contudo, os últimos desenvolvimentos nesta área incluem novas arquiteturas de transmissão inteiramente digitais onde o datapath do rádio é digital desde a banda base até ao RF. Tal conceito tem uma elevada flexibilidade e representa um passo importante para o desenvolvimento de transmissores baseados em SDR. No entanto, a implementação de tal rádio para cenários de comunicação reais é uma tarefa desafiadora, onde algumas limitações chave estão ainda impedindo uma maior adopção deste conceito. Esta tese tem como principal objetivo o de investigar algumas destas limitações, propondo e implementando arquiteturas inovadoras de transmissão inteiramente digitais com inerente elevada flexibilidade e integração, e onde melhorar importantes figuras de mérito, tais como a eficiência de codificação, a relação sinal-ruído, a largura de banda utilizável e o ruído dentro e fora da banda também serão abordadas. Na primeira parte deste trabalho é introduzido o conceito de transmissão de dados RF utilizando uma abordagem totalmente digital, baseada em modulação por impulsos. Uma comparação entre diversas tecnologias de implementação é também apresentada, permitindo afirmar que as FPGAs actuais oferecem um compromisso interessante entre desempenho, eficiência de energia e flexibilidade, tornando-as uma escolha interessante como uma tecnologia de implementação com elevado potencial para transmissores completamente digitais baseados em moduladores pulsados. Após esta discussão são apresentados os conceitos fundamentais inerentes aos moduladores pulsados e introduzidos os avanços relativos a transmissores RF modulados por pulsos, juntamente com vários exemplos de arquiteturas do estado da arte encontrados na literatura. Em seguida, o núcleo desta tese contendo os principais desenvolvimentos alcançados durante este trabalho de doutoramento é apresentado e discutido. O primeiro contributo fundamental para o estado da arte aqui apresentado consiste no desenvolvimento e integração em FPGA de uma nova arquitetura de transmissão inteiramente digital, baseada em moduladores ΣΔ e dotada de uma elevada flexibilidade e integração, sendo capaz de transmitir dados de multiplos standards e em multiplas bandas de RF. Uma segunda contribuição chave relativa à transmissão simultânea de vários sinais RF é então introduzida, sendo apresentadas e descritas novas arquiteturas de transmissão de sinal RF inteiramente digitais, as quais tiram proveito de serializadores de dados multi-gigabit disponíveis em FPGAs atuais de alto desempenho. Melhorias adicionais a esta abordagem permitiram desenvolver uma arquitetura de transmissão com duas fases de conversão na frequência, a qual permite a transmissão concorrente de sinais multistandard e multicanal com ajuste fino na frequência. Por ultimo, foram ainda investigadas diversas técnicas que visam reduzir duas limitações fundamentais inerentes aos actuais transmissores completamente digitais, nomeadamente, a baixa eficiência de codificação dos moduladores pulsados e o elevado fator de qualidade combinado com elevados requisitos de adaptabilidade na frequencia do filtro de reconstrução do sinal RF a transmitir. A abordagem seguida baseada em multiplos caminhos polifásicos permitiu desenvolver uma nova arquitetura de transmissão integrada em FPGA que melhora de forma significativa importantes figuras de mérito, tais como a eficiência de codificação e SNR, enquanto mantém a elevada flexibilidade que é necessária para suportar a transmissão de dados multimodo e multicanal

Frontend em tempo real para cognitive radio inspirado na cóclea humana

Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesNesta tese vamos discutir a implementação e desenvolvimento de um frontend inspirado na cóclea humana que é capaz de amostrar sinais RF com uma larga largura de banda e gama dinâmica. Este front-end usa um multiplexer de RF de 8 canais amostrado por uma placa com 8 ADCs a funcionar a 250MSPS. Uma placa de desenvolvimento com uma FPGA controla a ADC e implementa os ltros de síntese digitais e liga a um computador pessoal para transferir toda a informação e mudar os coe cientes dos ltros em tempo real.In this thesis it will be discussed the real time implementation and development of a front-end inspired by the Human Cochlea that is able to sample RF signals with a large bandwidth and dynamic range. This front-end uses an 8 channel RF multiplexer sampled by an 8 channel 250MSPS ADC board. A FPGA board controls the ADC, implements the digital synthesis lter bank and connects to a personal computer to transfer the data and to change the lters in real-time

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

Characterization and modelling of software defined radio front-ends

Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaO presente trabalho tem por objectivo estudar a caracterização e modelação de arquitecturas de rádio frequência para aplicações em rádios definidos por software e rádios cognitivos. O constante aparecimento no mercado de novos padrões e tecnologias para comunicações sem fios têm levantado algumas limitações à implementação de transceptores rádio de banda larga. Para além disso, o uso de sistemas reconfiguráveis e adaptáveis baseados no conceito de rádio definido por software e rádio cognitivo assegurará a evolução para a próxima geração de comunicações sem fios. A ideia base desta tese passa por resolver alguns problemas em aberto e propor avanços relevantes, tirando para isso partido das capacidades providenciadas pelos processadores digitais de sinal de forma a melhorar o desempenho global dos sistemas propostos. Inicialmente, serão abordadas várias estratégias para a implementação e projecto de transceptores rádio, concentrando-se sempre na aplicabilidade específica a sistemas de rádio definido por software e rádio cognitivo. Serão também discutidas soluções actuais de instrumentação capaz de caracterizar um dispositivo que opere simultaneamente nos domínios analógico e digital, bem como, os próximos passos nesta área de caracterização e modelação. Além disso, iremos apresentar novos formatos de modelos comportamentais construídos especificamente para a descrição e caracterização não-linear de receptores de amostragem passa-banda, bem como, para sistemas nãolineares que utilizem sinais multi-portadora. Será apresentada uma nova arquitectura suportada na avaliação estatística dos sinais rádio que permite aumentar a gama dinâmica do receptor em situações de multi-portadora. Da mesma forma, será apresentada uma técnica de maximização da largura de banda de recepção baseada na utilização do receptor de amostragem passa-banda no formato complexo. Finalmente, importa referir que todas as arquitecturas propostas serão acompanhadas por uma introdução teórica e simulações, sempre que possível, sendo após isto validadas experimentalmente por protótipos laboratoriais.This work investigates the characterization and modeling of radio frequency front-ends for software defined radio and cognitive radio applications. The emergence of new standards and technologies in the wireless communications market are raising several issues to the implementation of wideband transceiver systems. Also, reconfigurable and adaptable systems based on software defined and cognitive radio models are paving the way for the next generation of wireless systems. In this doctoral thesis the fundamental idea is to address the particular open issues and propose appropriate advancements by exploring and taking profit from new capabilities of digital signal processors in a way to improve the overall performance of the novel schemes. Receiver and transmitter strategies for radio communications are summarized by concentrating on the usability for software defined radio and cognitive radio systems. Available instrumentation and next steps for analog and digital radio frequency hardware characterization is also discussed. Wideband behavioral model formats are proposed for nonlinear description and characterization of bandpass sampling receivers, as well as, for multi-carrier nonlinear systems operation. The proposed models share a great flexibility and have the freedom to be simply expanded to other fields. A new design for receiver dynamic range improvement in multi-carrier scenarios is proposed, which is supported on the useful wireless signals statistical evaluation. Additionally, receiver-side bandwidth maximization based on higher-order bandpass sampling approaches is evaluated. All the proposed designs and modeling strategies are accompanied by theoretical backgrounds and simulations whenever possible, being then experimentally validated by laboratory prototypes