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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
Novel wireless modulation technique based on noise
In this paper, a new RF modulation technique is presented. Instead of using sinusoidal carriers as information bearer, pure noise is applied. This allows very simple radio architectures to be used. Spread-spectrum based technology is applied to modulate the noise bearer. Since the transmission bandwidth of the noise bearer can be made very wide, up to ultra-wideband regions, extremely large processing gains can be obtained. This will provide robustness in interference-prone environments. To avoid the local regeneration of the noise reference at the receiver, the Transmit-Reference (TR) concept is applied. In this concept, both the reference noise signal and the modulated noise signal are transmitted, together forming\ud
the bearer. The reference and modulated signals are separated by applying a time offset. By applying different delay times for different channels (users) a new multiple access scheme results based on delay: Delay Division Multiple Access (DDMA). A theoretical analysis is given for the link performance of a single-user and a multi-user system. A testbed has been built to demonstrate the concept. The demonstrator operates in a 50 MHz bandwidth centered at 2.4 GHz. Processing gains ranging from 10Âż30 dB have been tested. The testbed confirms the basic behavior as predicted by the theory
Performance Analysis and Optimization of Tc-DTR IR-UWB Receivers over Multipath Fading Channels with Tone Interference
International audienceIn this paper, we analyze the performance of a particular class of transmitted-reference receivers for impulse radio ultra wideband communication systems, which is called chip-time differential transmitted-reference (Tc-DTR). The analysis aims at investigating the robustness of this receiver to single-tone and multi-tone narrowband interference (NBI) and comparing its performance with other non-coherent receivers that are proposed in the literature. It is shown that the Tc-DTR scheme provides more degrees of freedom for performance optimization and that it is inherently more robust to NBI than other non-coherent receivers. More specifically, it is analytically proved that the performance improvement is due to the chip-time-level differential encoding/decoding of the direct sequence (DS) code and to an adequate design of DS code and average pulse repetition time. The analysis encompasses performance metrics that are useful for both data detection (i.e., average bit error probability) and timing acquisition (i.e., false-alarm probability Pfa and detection probability Pd). Moving from the proposed sem-analytical framework, the optimal code design and system parameters are derived, and it is highlighted that the same optimization criteria can be applied to all the performance metrics considered in this paper. In addition, analytical frameworks and theoretical findings are substantiated through Monte Carlo simulations
A Belief Propagation Based Framework for Soft Multiple-Symbol Differential Detection
Soft noncoherent detection, which relies on calculating the \textit{a
posteriori} probabilities (APPs) of the bits transmitted with no channel
estimation, is imperative for achieving excellent detection performance in
high-dimensional wireless communications. In this paper, a high-performance
belief propagation (BP)-based soft multiple-symbol differential detection
(MSDD) framework, dubbed BP-MSDD, is proposed with its illustrative application
in differential space-time block-code (DSTBC)-aided ultra-wideband impulse
radio (UWB-IR) systems. Firstly, we revisit the signal sampling with the aid of
a trellis structure and decompose the trellis into multiple subtrellises.
Furthermore, we derive an APP calculation algorithm, in which the
forward-and-backward message passing mechanism of BP operates on the
subtrellises. The proposed BP-MSDD is capable of significantly outperforming
the conventional hard-decision MSDDs. However, the computational complexity of
the BP-MSDD increases exponentially with the number of MSDD trellis states. To
circumvent this excessive complexity for practical implementations, we
reformulate the BP-MSDD, and additionally propose a Viterbi algorithm
(VA)-based hard-decision MSDD (VA-HMSDD) and a VA-based soft-decision MSDD
(VA-SMSDD). Moreover, both the proposed BP-MSDD and VA-SMSDD can be exploited
in conjunction with soft channel decoding to obtain powerful iterative
detection and decoding based receivers. Simulation results demonstrate the
effectiveness of the proposed algorithms in DSTBC-aided UWB-IR systems.Comment: 14 pages, 12 figures, 3 tables, accepted to appear on IEEE
Transactions on Wireless Communications, Aug. 201
An efficient ultra-wideband digital transceiver for wireless applications on the field-programmable gate array platform
The ultra-wideband (UWB) technology is a promising short-range communication technology for most wireless applications. The UWB works at higher frequencies and is affected by interferences with the same frequency standards. This manuscript has designed an efficient and low-cost implementation of IEEE 802.15.4a-based UWB-digital transceiver (DTR). The design module contains UWB transmitter (TX), channel, and UWB-receiver (RX) units. Convolutional encoding and modulation units like burst position modulation and binary phase-shift keying modulation are used to construct the UWB-TX. The synchronization and Viterbi decoder units are used to recover the original data bits and are affected by noise in UWB-RX. The UWB-DTR is synthesized using Xilinx ISEÂź environment with Verilog hardware description language (HDL) and implemented on Artix-7 field-programmable gate array (FPGA). The UWB-DTR utilizes less than 2% (slices and look-up table/LUTs), operates at 268 MHz, and consumes 91 mW of total power on FPGA. The transceiver achieves a 6.86 Mbps data rate, which meets the IEEE 802.15.4a standard. The UWB-DTR module obtains the bit error rate (BER) of 2Ă10-4 by transmitting 105 data bits. The UWB-DTR module is compared with similar physical layer (PHY) transceivers with improvements in chip area (slices), power, data rate, and BER.Â
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