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

Modern Methods of Time-Frequency Warping of Sound Signals

Tato práce se zabývá reprezentací nestacionárních harmonických signálů s časově proměnnými komponentami. Primárně je zaměřena na Harmonickou transformaci a jeji variantu se subkvadratickou výpočetní složitostí, Rychlou harmonickou transformaci. V této práci jsou prezentovány dva algoritmy využívající Rychlou harmonickou transformaci. Prvni používá jako metodu odhadu změny základního kmitočtu sbírané logaritmické spektrum a druhá používá metodu analýzy syntézou. Oba algoritmy jsou použity k analýze řečového segmentu pro porovnání vystupů. Nakonec je algoritmus využívající metody analýzy syntézou použit na reálné zvukové signály, aby bylo možné změřit zlepšení reprezentace kmitočtově modulovaných signálů za použití Harmonické transformace.This thesis deals with representation of non-stationary harmonic signals with time-varying components. Its main focus is aimed at Harmonic Transform and its variant with subquadratic computational complexity, the Fast Harmonic Transform. Two algorithms using the Fast Harmonic Transform are presented. The first uses the gathered log-spectrum as fundamental frequency change estimation method, the second uses analysis-by-synthesis approach. Both algorithms are used on a speech segment to compare its output. Further the analysis-by-synthesis algorithm is applied on several real sound signals to measure the increase in the ability to represent real frequency-modulated signals using the Harmonic Transform.

Low Complexity Decoding for Higher Order Punctured Trellis-Coded Modulation Over Intersymbol Interference Channels

Trellis-coded modulation (TCM) is a power and bandwidth efficient digital transmission scheme which offers very low structural delay of the data stream. Classical TCM uses a signal constellation of twice the cardinality compared to an uncoded transmission with one bit of redundancy per PAM symbol, i.e., application of codes with rates $\frac{n-1}{n}$ when $2^{n}$ denotes the cardinality of the signal constellation. Recently published work allows rate adjustment for TCM by means of puncturing the convolutional code (CC) on which a TCM scheme is based on. In this paper it is shown how punctured TCM-signals transmitted over intersymbol interference (ISI) channels can favorably be decoded. Significant complexity reductions at only minor performance loss can be achieved by means of reduced state sequence estimation.Comment: 4 pages, 5 figures, 3 algorithms, accepted and published at 6th International Symposium on Communications, Control, and Signal Processing (ISCCSP 2014

Near-Instantaneously Adaptive HSDPA-Style OFDM Versus MC-CDMA Transceivers for WIFI, WIMAX, and Next-Generation Cellular Systems

Burts-by-burst (BbB) adaptive high-speed downlink packet access (HSDPA) style multicarrier systems are reviewed, identifying their most critical design aspects. These systems exhibit numerous attractive features, rendering them eminently eligible for employment in next-generation wireless systems. It is argued that BbB-adaptive or symbol-by-symbol adaptive orthogonal frequency division multiplex (OFDM) modems counteract the near instantaneous channel quality variations and hence attain an increased throughput or robustness in comparison to their fixed-mode counterparts. Although they act quite differently, various diversity techniques, such as Rake receivers and space-time block coding (STBC) are also capable of mitigating the channel quality variations in their effort to reduce the bit error ratio (BER), provided that the individual antenna elements experience independent fading. By contrast, in the presence of correlated fading imposed by shadowing or time-variant multiuser interference, the benefits of space-time coding erode and it is unrealistic to expect that a fixed-mode space-time coded system remains capable of maintaining a near-constant BER

Efficient Fast-Convolution-Based Waveform Processing for 5G Physical Layer

This paper investigates the application of fast-convolution (FC) filtering schemes for flexible and effective waveform generation and processing in the fifth generation (5G) systems. FC-based filtering is presented as a generic multimode waveform processing engine while, following the progress of 5G new radio standardization in the Third-Generation Partnership Project, the main focus is on efficient generation and processing of subband-filtered cyclic prefix orthogonal frequency-division multiplexing (CP-OFDM) signals. First, a matrix model for analyzing FC filter processing responses is presented and used for designing optimized multiplexing of filtered groups of CP-OFDM physical resource blocks (PRBs) in a spectrally well-localized manner, i.e., with narrow guardbands. Subband filtering is able to suppress interference leakage between adjacent subbands, thus supporting independent waveform parametrization and different numerologies for different groups of PRBs, as well as asynchronous multiuser operation in uplink. These are central ingredients in the 5G waveform developments, particularly at sub-6-GHz bands. The FC filter optimization criterion is passband error vector magnitude minimization subject to a given subband band-limitation constraint. Optimized designs with different guardband widths, PRB group sizes, and essential design parameters are compared in terms of interference levels and implementation complexity. Finally, extensive coded 5G radio link simulation results are presented to compare the proposed approach with other subband-filtered CP-OFDM schemes and time-domain windowing methods, considering cases with different numerologies or asynchronous transmissions in adjacent subbands. Also the feasibility of using independent transmitter and receiver processing for CP-OFDM spectrum control is demonstrated

Orthogonal Transform Multiplexing with Memoryless Nonlinearity: a Possible Alternative to Traditional Coded-Modulation Schemes

In this paper, we propose a novel joint coding-modulation technique based on serial concatenation of orthogonal linear transform, such as discrete Fourier transform (DFT) or Walsh-Hadamard transform (WHT), with memoryless nonlinearity. We demonstrate that such a simple signal construction may exhibit properties of a random code ensemble, as a result approaching channel capacity. Our computer simulations confirm that if the decoder relies on a modified approximate message passing algorithm, the proposed modulation technique exhibits performance on par with state-of-the-art coded modulation schemes that use capacity-approaching component codes. The proposed modulation scheme could be used directly or as a pre-coder for a conventional orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) transmitter, resulting in a system possessing all benefits of OFDM along with reduced peak-to-average power ratio (PAPR)

Efficient implementation of filter bank multicarrier systems using circular fast convolution

In this paper, filter bank-based multicarrier systems using a fast convolution approach are investigated. We show that exploiting offset quadrature amplitude modulation enables us to perform FFT/IFFT-based convolution without overlapped processing, and the circular distortion can be discarded as a part of orthogonal interference terms. This property has two advantages. First, it leads to spectral efficiency enhancement in the system by removing the prototype filter transients. Second, the complexity of the system is significantly reduced as the result of using efficient FFT algorithms for convolution. The new scheme is compared with the conventional waveforms in terms of out-of-band radiation, orthogonality, spectral efficiency, and complexity. The performance of the receiver and the equalization methods are investigated and compared with other waveforms through simulations. Moreover, based on the time variant nature of the filter response of the proposed scheme, a pilot-based channel estimation technique with controlled transmit power is developed and analyzed through lower-bound derivations. The proposed transceiver is shown to be a competitive solution for future wireless networks

System Concepts for Bi- and Multi-Static SAR Missions

The performance and capabilities of bi- and multistatic spaceborne synthetic aperture radar (SAR) are analyzed. Such systems can be optimized for a broad range of applications like frequent monitoring, wide swath imaging, single-pass cross-track interferometry, along-track interferometry, resolution enhancement or radar tomography. Further potentials arises from digital beamforming on receive, which allows to gather additional information about the direction of the scattered radar echoes. This directional information can be used to suppress interferences, to improve geometric and radiometric resolution, or to increase the unambiguous swath width. Furthermore, a coherent combination of multiple receiver signals will allow for a suppression of azimuth ambiguities. For this, a reconstruction algorithm is derived, which enables a recovery of the unambiguous Doppler spectrum also in case of non-optimum receiver aperture displacements leading to a non-uniform sampling of the SAR signal. This algorithm has also a great potential for systems relying on the displaced phase center (DPC) technique, like the high resolution wide swath (HRWS) SAR or the split antenna approach in the TerraSAR-X and Radarsat II satellites