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

Exact modeling of multiple access interference, ber derivation and a method to improve the performance of UWB communication systems

Master'sMASTER OF ENGINEERIN

Improving the data rate versus distance in communications using ultra wide bandwidth technology, 2007

Ultra-Wideband Communication is increasingly being considered as an attractive solution for high data rate short range wireless and position location applications. Current designs for UWB focus on a small number of modulation and pulse shaping schemes and antenna design techniques. As such, simple improvements should be investigated first to increase system range, such as better modulation schemes, channel coding, antenna types, and/or Rake receivers. More sophisticated designs should then be investigated. In this thesis we investigate the use of M-ary PPM modulation techniques using isotropic, dipole, and horn antennas to improve the data rates versus distance in communications using UWB technology, by means of using two different path loss models

UWB communication systems acquisition at symbol rate sampling for IEEE standard channel models

For ultra-wideband (UWB) communications, acquisition is challenging. The reason is from the ultra short pulse shape and ultra dense multipath interference. Ultra short pulse indicates the acquisition region is very narrow. Sampling is another challenge for UWB design due to the need for ultra high speed analog-to digital converter.A sub-optimum and under-sampling scheme using pilot codes as transmitted reference is proposed here for acquisition. The sampling rate for the receiver is at the symbol rate. A new architecture, the reference aided matched filter is studied in this project. The reference aided matched filter method avoids using complex rake receiver to estimate channel parameters and high sampling rate for interpolation. A limited number of matched filters are used as a filter bank to search for the strongest path. Timing offset for acquisition is then estimated and passed to an advanced verification algorithm. For optimum performance of acquisition, the adaptive post detection integration is proposed to solve the problem from dense inter-symbol interference during the acquisition. A low-complex early-late gate tracking loop is one element of the adaptive post detection integration. This tracking scheme assists in improving acquisition accuracy. The proposed scheme is evaluated using Matlab Simulink simulations in term of mean acquisition time, system performance and false alarm. Simulation results show proposed algorithm is very effective in ultra dense multipath channels. This research proves reference aided acquisition with tracking loop is promising in UWB application

Ultra Wideband Communications: from Analog to Digital

Ultrabreitband-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 müssen. Ein Funknetzsystem mit einer derart großen Bandbreite ist normalerweise auch durch eine große Anzahl an Mehrwegekomponenten mit jeweils verschiedenen Pfadamplituden gekennzeichnet. Daher ist es schwierig, die zeitlich verteilte Energie effektiv zu erfassen. Außerdem ist in vielen Fällen der naheliegende Ansatz, ein kohärenter Empfänger 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 „Impulse Radio UWB”-Systeme mit niedriger Datenrate. Bei diesen Systemen kommt ein inkohärenter Empfänger zum Einsatz. Inkohärente Signaldetektion stellt insofern einen vielversprechenden Ansatz dar, als das damit aufwandsgünstige und robuste Implementierungen möglich sind. Dies trifft vor allem in Anwendungsfällen wie den von drahtlosen Sensornetzen zu, wo preiswerte Geräte mit langer Batterielaufzeit nötigsind. Dies verringert den für die Kanalschätzung und die Synchronisation nötigen Aufwand, was jedoch auf Kosten der Leistungseffizienz geht und eine erhöhte Störempfindlichkeit gegenüber Interferenz (z.B. Interferenz durch mehrere Nutzer oder schmalbandige Interferenz) zur Folge hat. Um die Bitfehlerrate der oben genannten Verfahren zu bestimmen, wurde zunächst ein inkohärenter Combining-Verlust spezifiziert, welcher auftritt im Gegensatz zu kohärenter Detektion mit Maximum Ratio Multipath Combining. Dieser Verlust hängt von dem Produkt aus der Länge des Integrationsfensters und der Signalbandbreite ab. Um den Verlust durch inkohärentes Combining zu reduzieren und somit die Leistungseffizienz des Empfängers zu steigern, werden verbesserte Combining-Methoden für Mehrwegeempfang vorgeschlagen. Ein analoger Empfänger, bei dem der Hauptteil des Mehrwege-Combinings durch einen „Integrate and Dump”-Filter implementiert ist, wird für UWB-Systeme mit Zeit-Hopping gezeigt. Dabei wurde die Einsatzmöglichkeit von dünn besetzten Codes in solchen System diskutiert und bewertet. Des Weiteren wird eine Regel für die Code-Auswahl vorgestellt, welche die Stabilität des Systems gegen Mehrnutzer-Störungen sicherstellt und gleichzeitig den Verlust durch inkohärentes Combining verringert. Danach liegt der Fokus auf digitalen Lösungen bei inkohärenter Demodulation. Im Vergleich zum Analogempfänger besitzt ein Digitalempfänger einen Analog-Digital-Wandler im Zeitbereich gefolgt von einem digitalen Optimalfilter. Der digitale Optimalfilter dekodiert den Mehrfachzugriffscode kohärent und beschränkt das inkohärente Combining auf die empfangenen Mehrwegekomponenten im Digitalbereich. Es kommt ein schneller Analog-Digital-Wandler mit geringer Auflösung zum Einsatz, um einen vertretbaren Energieverbrauch zu gewährleisten. 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 inkohärenten Combining-Verlust, sonder zeigt auch eine stärkere Resistenz gegenüber 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 ausfällt. 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 Abhängigkeit der verwendeten Mehrfachzugriffscodes und der Modulationsart. Wir zeigen, wie unter Anwendung erweiterter Modulationsverfahren die Leistungseffizienz verbessert werden kann und schlagen ein Verfahren zur Unterdrückung schmalbandiger Störer vor, welches auf Soft Limiting aufbaut. Durch die Untersuchungen und Ergebnissen zeigt sich, dass inkohärente Empfänger in UWB-Kommunikationssystemen mit niedriger Datenrate ein großes Potential aufweisen. Außerdem wird die Auswahl der benutzbaren Bandbreite untersucht, um einen Kompromiss zwischen inkohärentem Combining-Verlust und Stabilität gegenüber langsamen Schwund zu erreichen. Dadurch wurde ein neues Konzept für UWB-Systeme erarbeitet: wahlweise kohärente oder inkohärente Empfänger, 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 kostengünstigen Analog-Digital-Wandlern. Dies stellt eine neue Epoche in der Forschung im Bereich drahtloser Sensorfunknetze dar. Der Schwerpunkt des zweiten Abschnitts stellt adaptiven Signalverarbeitung für hohe Datenraten mit „Direct Sequence”-UWB-Systemen in den Vordergrund. In solchen Systemen entstehen, wegen der großen Anzahl der empfangenen Mehrwegekomponenten, starke Inter- bzw. Intrasymbolinterferenzen. Außerdem kann die Funktionalität des Systems durch Mehrnutzerinterferenz und Schmalbandstörungen deutlich beeinflusst werden. Um sie zu eliminieren, wird die „Widely Linear”-Rangreduzierung benutzt. Dabei verbessert die Rangreduzierungsmethode das Konvergenzverhalten, besonders wenn der gegebene Vektor eine sehr große Anzahl an Abtastwerten beinhaltet (in Folge hoher einer Abtastrate). Zusätzlich kann das System durch die Anwendung der R-linearen Verarbeitung die Statistik zweiter Ordnung des nicht-zirkularen Signals vollständig ausnutzen, was sich in verbesserten Schätzergebnissen widerspiegelt. Allgemeine kann die Methode der „Widely Linear”-Rangreduzierung auch in andern Bereichen angewendet werden, z.B. in „Direct Sequence”-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.● 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.● We propose to use optical orthogonal codes in a time hopping impulse radio UWB system based on an analog non-coherent receiver. The “analog” 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.● 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).● 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

Enhancing the bit error rate performance of ultra wideband systems using time-hopping pulse position modulation in multiple access environments

Ultra-Wide Band (UWB) technology is one of the possible solutions for future short-range indoor data communication with uniquely attractive features inviting major advances in wireless communications, networking, radar, imaging, and positioning systems. A major challenge when designing UWB systems is choosing a suitable modulation technique. Data rate, transceiver complexity, and BER performance of the transmitted signal are all related to the employed modulation scheme. Several classical modulation schemes can be used to create UWB signals, some are more efficient than others. These schemes are namely, Pulse Position Modulation (PPM), Pulse Amplitude Modulation (PAM), Binary Phase Shift Keying (BPSK), and On-Off Keying (OOK) are reviewed. In the thesis, the performance of PPM system, combined with Time Hopping Spread Spectrum (THSS) multiple access technique is evaluated in an asynchronous multiple access free space environment. The multiple access interference is first assumed to be a zero mean Gaussian random process to simulate the scenario of a multi user environment. An exact BER calculation is then evaluated based on the characteristic function (CF) method, for Time Hopping-Pulse Position Modulation Ultra Wide Band (TH-PPM UWB) systems with multiple access interference (MAI) in AWGN environment. The resulting analytical expression is then used to assess the accuracy of the MAI Gaussian Approximation (GA) first assumed. The GA is shown to be inaccurate for predicting BERs for medium and large signal-to-noise ratio (SNR) values. Furthermore, the analysis of TH-PPM system is further extended to evaluate the influence of changing and optimising some of the system or signal parameters. It can be shown how the system is greatly sensitive to variations in some signal parameters, like the pulse shape, the time-shift parameter associated with PPM, and the pulse length. In addition, the system performance can be greatly improved by optimising other system parameters like the number of pulses per bit, Ns, and the number of time slots per frame, Nh. All these evaluation are addressed through numerical examples. Then, we can say that, by improving signal or system parameters, the BER performance of the system is greatly enhanced. This is achieved without imposing exact complexity to the transceiver and with moderate computational calculations

Ultra Wide Band Multiple Access Performance Using TH-PPM and DS-BPSK Modulations

The increasing demand for portable, high data rate communications has focused much attention on wireless technology. Ultra Wide Band (UWB) waveforms have the ability to deliver megabits of information while maintaining low average power consumption. In accordance with recent FCC ruling, UWB systems are now allowed to operate in the unlicensed spectrum of 3.1 to 10.6 GHz, motivating renewed interest in the forty year old concept of impulse radio. Gaussian monocycles produce UWB waveforms occupying large bandwidths with multiple access (MA) capability enabled by spread spectrum techniques. Time Hopping (TH) and Direct Sequence (DS) modulations are considered here for UWB MA applications. This work extends Gold coding results and characterizes UWB performance using Simulated Annealing (SA) and Random Integer (RI) codes for TH and DS UWB applications. TH-PPM and DS-BPSK performance is evaluated using simulated probability of bit error P(sub b) under MA interference (MAI), multipath interference (MPI), and narrow band interference (NBI) conditions for synchronous and asynchronous networks