A programmable microsystem using system-on-chip for real-time biotelemetry

A telemetry microsystem, including multiple sensors, integrated instrumentation and a wireless interface has been implemented. We have employed a methodology akin to that for System-on-Chip microelectronics to design an integrated circuit instrument containing several "intellectual property" blocks that will enable convenient reuse of modules in future projects. The present system was optimized for low-power and included mixed-signal sensor circuits, a programmable digital system, a feedback clock control loop and RF circuits integrated on a 5 mm × 5 mm silicon chip using a 0.6 μm, 3.3 V CMOS process. Undesirable signal coupling between circuit components has been investigated and current injection into sensitive instrumentation nodes was minimized by careful floor-planning. The chip, the sensors, a magnetic induction-based transmitter and two silver oxide cells were packaged into a 36 mm × 12 mm capsule format. A base station was built in order to retrieve the data from the microsystem in real-time. The base station was designed to be adaptive and timing tolerant since the microsystem design was simplified to reduce power consumption and size. The telemetry system was found to have a packet error rate of 10<sup>-</sup><sup>3</sup> using an asynchronous simplex link. Trials in animal carcasses were carried out to show that the transmitter was as effective as a conventional RF device whilst consuming less power

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

Timing Recovery for Ultra Wideband Systems

This paper examines the problems of symbol timing estimation and timing recovery for ultra wideband impulse radio signals. Two different approaches based onthe maximum likelihood technique are investigated. The first approach is based on derivative matched filter and the second one takes advantage of the early-late technique. Furthermore, two non-coherent timing recovery circuits are proposed and discussed. The first circuit is a digital delay-locked loop (DDLL) and the second circuit is based on early-late technique. Finally, performance analysis of the proposed techniques for IEEE 802.15.3a channel models in terms of the minimum squared error (MSE) is provided

Adaptive multilevel quadrature amplitude radio implementation in programmable logic

Emerging broadband wireless packet data networks are increasingly employing spectrally efficient modulation methods like Quadrature Amplitude Modulation (QAM) to increase the channel efficiency and maximize data throughput. Unfortunately, the performance of high level QAM modulations in the wireless channel is sensitive to channel imperfections and throughput is degraded significantly at low signal-to-noise ratios due to bit errors and packet retransmission. To obtain a more “robust” physical layer, broadband systems are employing multilevel QAM (M-QAM) to mitigate this reduction in throughput by adapting the QAM modulation level to maintain acceptable packet error rate (PER) performance in changing channel conditions. This thesis presents an adaptive M-QAM modem hardware architecture, suitable for use as a modem core for programmable software defined radios (SDRs) and broadband wireless applications. The modem operates in “burst” mode, and can reliably synchronize to different QAM constellations “burst-by-burst”. Two main improvements exploit commonality in the M-QAM constellations to minimize the redundant hardware required. First, the burst synchronization functions (carrier, clock, amplitude, and modulation level) operate reliably without prior knowledge of the QAM modulation level used in the burst. Second, a unique bit stuffing and shifting technique is employed which supports variable bit rate operation, while reducing the core signal processing functions to common hardware for all constellations. These features make this architecture especially attractive for implementation with Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) and Application-Specific Integrated Circuits (ASICs); both of which are becoming popular for highly integrated, cost-effective wireless transceivers