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Ultra-wideband systems exploiting orthonormal waveforms
textElectrical and Computer Engineerin
Performance of Bit Error Rate and Power Spectral Density of Ultra Wideband with Time Hopping Sequences.
This thesis focuses on several modulation methods for an ultra wideband (UWB) signal. These methods are pulse position modulation (PPM), binary phase shift keying (BPSK), on/off key shifting (OOK), and pulse amplitude modulation (PAM). In addition, time hopping is considered for these modulation schemes, where the capacity per time frame of time hopping PPM is studied using different spreading ratios. This thesis proves that with the addition of time hopping to all types of modulated UWB signals, the performance of power spectral density improves in all aspects, despite the increase of data per time frame. Note that despite the increase of data per frame, the bit error rate remains the same as standard non-time hopping UWB modulated signals
Comparison of Bit Error Rate and Power Spectral Density on the Ultra Wideband Impulse Radio Systems
Ultra-Wideband (UWB) is defined as a wireless transmission scheme that occupies a bandwidth of more than 25% of its center frequency. UWB Impulse Radio (UWB-IR) is a popular implementation of the UWB technology. In UWB-IR, information is encoded in baseband without any carrier modulation. Pulse shaping and baseband modulation scheme are two of the determinants on the performance of the UWB-IR.
In this thesis, both temporal and spectral characteristics of the UWB-IR are examined because all radio signals exist in both the time and frequency domains. Firstly, the bit error rate (BER) performance of the UWB-IR is investigated via simulation using three modulation schemes: Pulse position modulation (PPM), on-off shift keying (OOK), and binary phase shift keying (BPSK). The results are verified for three different pulse shaping named Gaussian first derivative, Gaussian second derivative, and return-to-zero (RZ) Manchester. Secondly, the effects of the UWB-IR parameters on the power spectral density (PSD) are investigated because PSD provides information on how the power is distributed over the radio frequency (RF) spectrum and determines the interference of UWB-IR and the existing systems to each other in the spectrum. The investigated UWB-IR parameters include pulse duration, pulse repetition rate, modulation scheme, and pseudorandom codes
Approximation of L\"owdin Orthogonalization to a Spectrally Efficient Orthogonal Overlapping PPM Design for UWB Impulse Radio
In this paper we consider the design of spectrally efficient time-limited
pulses for ultrawideband (UWB) systems using an overlapping pulse position
modulation scheme. For this we investigate an orthogonalization method, which
was developed in 1950 by Per-Olov L\"owdin. Our objective is to obtain a set of
N orthogonal (L\"owdin) pulses, which remain time-limited and spectrally
efficient for UWB systems, from a set of N equidistant translates of a
time-limited optimal spectral designed UWB pulse. We derive an approximate
L\"owdin orthogonalization (ALO) by using circulant approximations for the Gram
matrix to obtain a practical filter implementation. We show that the centered
ALO and L\"owdin pulses converge pointwise to the same Nyquist pulse as N tends
to infinity. The set of translates of the Nyquist pulse forms an orthonormal
basis or the shift-invariant space generated by the initial spectral optimal
pulse. The ALO transform provides a closed-form approximation of the L\"owdin
transform, which can be implemented in an analog fashion without the need of
analog to digital conversions. Furthermore, we investigate the interplay
between the optimization and the orthogonalization procedure by using methods
from the theory of shift-invariant spaces. Finally we develop a connection
between our results and wavelet and frame theory.Comment: 33 pages, 11 figures. Accepted for publication 9 Sep 201
Ultra Wideband Communications: from Analog to Digital
ï»żUltrabreitband-Signale (Ultra Wideband [UWB]) können einen
signifikanten Nutzen im Bereich drahtloser Kommunikationssysteme haben. Es
sind jedoch noch einige Probleme offen, die durch Systemdesigner und
Wissenschaftler gelöst werden mĂŒssen. Ein Funknetzsystem mit einer derart
groĂen Bandbreite ist normalerweise auch durch eine groĂe Anzahl an
Mehrwegekomponenten mit jeweils verschiedenen Pfadamplituden
gekennzeichnet. Daher ist es schwierig, die zeitlich verteilte Energie
effektiv zu erfassen. AuĂerdem ist in vielen FĂ€llen der naheliegende
Ansatz, ein kohÀrenter EmpfÀnger im Sinne eines signalangepassten Filters
oder eines Korrelators, nicht unbedingt die beste Wahl. In der vorliegenden
Arbeit wird dabei auf die bestehende Problematik und weitere
Lösungsmöglichkeiten eingegangen.
Im ersten Abschnitt geht es um âImpulse Radio UWBâ-Systeme mit
niedriger Datenrate. Bei diesen Systemen kommt ein inkohÀrenter EmpfÀnger
zum Einsatz. InkohÀrente Signaldetektion stellt insofern einen
vielversprechenden Ansatz dar, als das damit aufwandsgĂŒnstige und robuste
Implementierungen möglich sind. Dies trifft vor allem in AnwendungsfÀllen
wie den von drahtlosen Sensornetzen zu, wo preiswerte GerÀte mit langer
Batterielaufzeit nötigsind. Dies verringert den fĂŒr die KanalschĂ€tzung
und die Synchronisation nötigen Aufwand, was jedoch auf Kosten der
Leistungseffizienz geht und eine erhöhte Störempfindlichkeit gegenĂŒber
Interferenz (z.B. Interferenz durch mehrere Nutzer oder schmalbandige
Interferenz) zur Folge hat.
Um die Bitfehlerrate der oben genannten Verfahren zu bestimmen, wurde
zunÀchst ein inkohÀrenter Combining-Verlust spezifiziert, welcher
auftritt im Gegensatz zu kohÀrenter Detektion mit Maximum Ratio Multipath
Combining. Dieser Verlust hÀngt von dem Produkt aus der LÀnge des
Integrationsfensters und der Signalbandbreite ab.
Um den Verlust durch inkohÀrentes Combining zu reduzieren und somit die
Leistungseffizienz des EmpfÀngers zu steigern, werden verbesserte
Combining-Methoden fĂŒr Mehrwegeempfang vorgeschlagen. Ein analoger
EmpfÀnger, bei dem der Hauptteil des Mehrwege-Combinings durch einen
âIntegrate and Dumpâ-Filter implementiert ist, wird fĂŒr UWB-Systeme
mit Zeit-Hopping gezeigt. Dabei wurde die Einsatzmöglichkeit von dĂŒnn
besetzten Codes in solchen System diskutiert und bewertet. Des Weiteren
wird eine Regel fĂŒr die Code-Auswahl vorgestellt, welche die StabilitĂ€t
des Systems gegen Mehrnutzer-Störungen sicherstellt und gleichzeitig den
Verlust durch inkohÀrentes Combining verringert.
Danach liegt der Fokus auf digitalen Lösungen bei inkohÀrenter
Demodulation. Im Vergleich zum AnalogempfÀnger besitzt ein
DigitalempfÀnger einen Analog-Digital-Wandler im Zeitbereich gefolgt von
einem digitalen Optimalfilter. Der digitale Optimalfilter dekodiert den
Mehrfachzugriffscode kohÀrent und beschrÀnkt das inkohÀrente Combining
auf die empfangenen Mehrwegekomponenten im Digitalbereich. Es kommt ein
schneller Analog-Digital-Wandler mit geringer Auflösung zum Einsatz, um
einen vertretbaren Energieverbrauch zu gewÀhrleisten. Diese Digitaltechnik
macht den Einsatz langer Analogverzögerungen bei differentieller
Demodulation unnötig und ermöglicht viele Arten der digitalen
Signalverarbeitung. Im Vergleich zur Analogtechnik reduziert sie nicht nur
den inkohÀrenten Combining-Verlust, sonder zeigt auch eine stÀrkere
Resistenz gegenĂŒber Störungen. Dabei werden die Auswirkungen der
Auflösung und der Abtastrate der Analog-Digital-Umsetzung analysiert. Die
Resultate zeigen, dass die verminderte Effizienz solcher
Analog-Digital-Wandler gering ausfÀllt. Weiterhin zeigt sich, dass im
Falle starker Mehrnutzerinterferenz sogar eine Verbesserung der Ergebnisse
zu beobachten ist. Die vorgeschlagenen Design-Regeln spezifizieren die
Anwendung der Analog-Digital-Wandler und die Auswahl der Systemparameter in
AbhÀngigkeit der verwendeten Mehrfachzugriffscodes und der Modulationsart.
Wir zeigen, wie unter Anwendung erweiterter Modulationsverfahren die
Leistungseffizienz verbessert werden kann und schlagen ein Verfahren zur
UnterdrĂŒckung schmalbandiger Störer vor, welches auf Soft Limiting
aufbaut. Durch die Untersuchungen und Ergebnissen zeigt sich, dass
inkohÀrente EmpfÀnger in UWB-Kommunikationssystemen mit niedriger
Datenrate ein groĂes Potential aufweisen.
AuĂerdem wird die Auswahl der benutzbaren Bandbreite untersucht, um einen
Kompromiss zwischen inkohÀrentem Combining-Verlust und StabilitÀt
gegenĂŒber langsamen Schwund zu erreichen. Dadurch wurde ein neues Konzept
fĂŒr UWB-Systeme erarbeitet: wahlweise kohĂ€rente oder inkohĂ€rente
EmpfÀnger, welche als UWB-Systeme Frequenz-Hopping nutzen. Der wesentliche
Vorteil hiervon liegt darin, dass die Bandbreite im Basisband sich deutlich
verringert. Mithin ermöglicht dies einfach zu realisierende digitale
Signalverarbeitungstechnik mit kostengĂŒnstigen Analog-Digital-Wandlern.
Dies stellt eine neue Epoche in der Forschung im Bereich drahtloser
Sensorfunknetze dar.
Der Schwerpunkt des zweiten Abschnitts stellt adaptiven Signalverarbeitung
fĂŒr hohe Datenraten mit âDirect Sequenceâ-UWB-Systemen in den
Vordergrund. In solchen Systemen entstehen, wegen der groĂen Anzahl der
empfangenen Mehrwegekomponenten, starke Inter- bzw.
Intrasymbolinterferenzen. AuĂerdem kann die FunktionalitĂ€t des Systems
durch Mehrnutzerinterferenz und Schmalbandstörungen deutlich beeinflusst
werden. Um sie zu eliminieren, wird die âWidely Linearâ-Rangreduzierung
benutzt. Dabei verbessert die Rangreduzierungsmethode das
Konvergenzverhalten, besonders wenn der gegebene Vektor eine sehr groĂe
Anzahl an Abtastwerten beinhaltet (in Folge hoher einer Abtastrate).
ZusÀtzlich kann das System durch die Anwendung der R-linearen Verarbeitung
die Statistik zweiter Ordnung des nicht-zirkularen Signals vollstÀndig
ausnutzen, was sich in verbesserten SchÀtzergebnissen widerspiegelt.
Allgemeine kann die Methode der âWidely Linearâ-Rangreduzierung auch in
andern Bereichen angewendet werden, z.B. in âDirect
Sequenceâ-Codemultiplexverfahren (DS-CDMA), im MIMO-Bereich, im Global
System for Mobile Communications (GSM) und beim Beamforming.The aim of this thesis is to investigate key issues encountered in the
design of transmission schemes and receiving techniques for Ultra Wideband
(UWB) communication systems. Based on different data rate applications,
this work is divided into two parts, where energy efficient and robust
physical layer solutions are proposed, respectively.
Due to a huge bandwidth of UWB signals, a considerable amount of multipath
arrivals with various path gains is resolvable at the receiver. For low
data rate impulse radio UWB systems, suboptimal non-coherent detection is a
simple way to effectively capture the multipath energy. Feasible techniques
that increase the power efficiency and the interference robustness of
non-coherent detection need to be investigated. For high data rate direct
sequence UWB systems, a large number of multipath arrivals results in
severe inter-/intra-symbol interference. Additionally, the system
performance may also be deteriorated by multi-user interference and
narrowband interference. It is necessary to develop advanced signal
processing techniques at the receiver to suppress these interferences.
Part I of this thesis deals with the co-design of signaling schemes and
receiver architectures in low data rate impulse radio UWB systems based on
non-coherent detection.â We analyze the bit error rate performance of
non-coherent detection and characterize a non-coherent combining loss,
i.e., a performance penalty with respect to coherent detection with maximum
ratio multipath combining. The thorough analysis of this loss is very
helpful for the design of transmission schemes and receive techniques
innon-coherent UWB communication systems.â We propose to use optical
orthogonal codes in a time hopping impulse radio UWB system based on an
analog non-coherent receiver. The âanalogâ means that the major part of
the multipath combining is implemented by an integrate and dump filter. The
introduced semi-analytical method can help us to easily select the time
hopping codes to ensure the robustness against the multi-user interference
and meanwhile to alleviate the non-coherent combining loss.â The main
contribution of Part I is the proposal of applying fully digital solutions
in non-coherent detection. The proposed digital non-coherent receiver is
based on a time domain analog-to-digital converter, which has a high speed
but a very low resolution to maintain a reasonable power consumption.
Compared to its analog counterpart, itnot only significantly reduces the
non-coherent combining loss but also offers a higher interference
robustness. In particular, the one-bit receiver can effectively suppress
strong multi-user interference and is thus advantageous in separating
simultaneously operating piconets.The fully digital solutions overcome the
difficulty of implementing long analog delay lines and make differential
UWB detection possible. They also facilitate the development of various
digital signal processing techniques such as multi-user detection and
non-coherent multipath combining methods as well as the use of advanced
modulationschemes (e.g., M-ary Walsh modulation).â Furthermore, we
present a novel impulse radio UWB system based on frequency hopping, where
both coherent and non-coherent receivers can be adopted. The key advantage
is that the baseband bandwidth can be considerably reduced (e.g., lower
than 500 MHz), which enables low-complexity implementation of the fully
digital solutions. It opens up various research activities in the
application field of wireless sensor networks.
Part II of this thesis proposes adaptive widely linear reduced-rank
techniques to suppress interferences for high data rate direct sequence UWB
systems, where second-order non-circular signals are used. The reduced-rank
techniques are designed to improve the convergence performance and the
interference robustness especially when the received vector contains a
large number of samples (due to a high sampling rate in UWB systems). The
widely linear processing takes full advantage of the second-order
statistics of the non-circular signals and enhances the estimation
performance. The generic widely linear reduced-rank concept also has a
great potential in the applications of other systems such as Direct
Sequence Code Division Multiple Access (DS-CDMA), Multiple Input Multiple
Output (MIMO) system, and Global System for Mobile Communications (GSM), or
in other areas such as beamforming
Performances of Hybrid Amplitude Shape Modulation for UWB Communications Systems over AWGN Channel in a Single and Multi-User Environment
This paper analyzes the performance of the hybrid Amplitude Shape Modulation (h-ASM) scheme for the time-hopping ultra-wideband (TH-UWB) communication systems in the single and multi-user environment. h-ASM is the combination of Pulse Amplitude Modulation (PAM) and Pulse Shape Modulation (PSM) based on modified Hermite pulses (MHP). This scheme is suitable for high rate data transmission applications because b = log2(MN) bits can be mapped with one waveform. The channel capacity and error probability over AWGN channel are derived and compared with other modulation schemes
An IR-UWB photonic distribution system
Experimental results are presented for a novel distribution system for an impulse radio ultra-wideband (UWB) radio signals employing a gain-switched laser. The pulse position modulated short optical pulses with a bit rate of 1.25 Gb/s are transmitted over fiber to a remote antenna unit, where the signal is converted to the electrical domain and undergoes spectral shaping to remove unwanted components according to UWB requirements. An experimental radio terminal has also been constructed to enable bit-error-rate measurements to be carried out. These experiments show that the optical distribution system will be capable of supporting the radio part of the system
Ultra Wideband Impulse Radio Systems with Multiple Pulse Types
In an ultra wideband (UWB) impulse radio (IR) system, a number of pulses,
each transmitted in an interval called a "frame", is employed to represent one
information symbol. Conventionally, a single type of UWB pulse is used in all
frames of all users. In this paper, IR systems with multiple types of UWB
pulses are considered, where different types of pulses can be used in different
frames by different users. Both stored-reference (SR) and transmitted-reference
(TR) systems are considered. First, the spectral properties of a multi-pulse IR
system with polarity randomization is investigated. It is shown that the
average power spectral density is the average of the spectral contents of
different pulse shapes. Then, approximate closed-form expressions for the bit
error probability of a multi-pulse SR-IR system are derived for RAKE receivers
in asynchronous multiuser environments. The effects of both inter-frame
interference (IFI) and multiple-access interference (MAI) are analyzed. The
theoretical and simulation results indicate that SR-IR systems that are more
robust against IFI and MAI than a "conventional" SR-IR system can be designed
with multiple types of ultra-wideband pulses. Finally, extensions to
multi-pulse TR-IR systems are briefly described.Comment: To appear in the IEEE Journal on Selected Areas in Communications -
Special Issue on Ultrawideband Wireless Communications: Theory and
Application
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