Analog‐to‐Digital Conversion for Cognitive Radio: Subsampling, Interleaving, and Compressive Sensing

This chapter explores different analog-to-digital conversion techniques that are suitable to be implemented in cognitive radio receivers. This chapter details the fundamentals, advantages, and drawbacks of three promising techniques: subsampling, interleaving, and compressive sensing. Due to their major maturity, subsampling- and interleaving-based systems are described in further detail, whereas compressive sensing-based systems are described as a complement of the previous techniques for underutilized spectrum applications. The feasibility of these techniques as part of software-defined radio, multistandard, and spectrum sensing receivers is demonstrated by proposing different architectures with reduced complexity at circuit level, depending on the application requirements. Additionally, the chapter proposes different solutions to integrate the advantages of these techniques in a unique analog-to-digital conversion process

Etude et conception de convertisseur analogique numérique large bande basé sur la modulation sigma delta

The work presented in this Ph.D. dissertation deals with the design of a wideband and accurate Analog-to-Digital Converter (ADC) able to digitize signals of different wireless communications standards. Thereby, itresponds to the Software Defined Radio concept (SDR). The purpose is reconfigurability by software andintegrability of the multistandard radio terminal. Oversampling (Sigma Delta) ADCs have been interestingcandidates in this context of multistandard SDR reception thanks to their high accuracy. Although they presentlimited operating bandwidth, it is possible to use them in a parallel architecture thus the bandwidth isextended. Therefore, we propose in this work the design and implementation of a parallel frequency banddecomposition ADC based on Discrete-time modulators in an SDR receiver handling E-GSM, UMTS andIEEE802.11a standard signals. The novelty of this proposed architecture is its programmability. Where,according to the selected standard digitization is made by activating only required branches are activated withspecified sub-bandwidths and sampling frequency. In addition the frequency division plan is non-uniform.After validation of the theoretical design by simulation, the overall baseband stage has been designed. Resultsof this study have led to a single passive 6th order Butterworth anti-aliasing filter (AAF) permitting theelimination of the automatic gain control circuit (AGC) which is an analog component. FBD architecturerequires digital processing able to recombine parallel branches outputs signals in order to reconstruct the finaloutput signal. An optimized design of this digital reconstruction signal stage has been proposed. Synthesis ofthe baseband stage has revealed modulators stability problems. To deal with this problem, a solution basedon non-unitary STF has been elaborated. Indeed, phase mismatches have been shown in the recombinedoutput signal and they have been corrected in the digital stage. Analytic study and system level design havebeen completed by an implementation of the parallel ADC digital reconstruction stage. Two design flows havebeen considered, one associated to the FPGA and another independent of the chosen target (standard VHDL).Proposed architecture has been validated using a VIRTEX6 FPGA Xilinx target. A dynamic range over 74 dB hasbeen measured for UMTS use case, which responds to the dynamic range required by this standard.Les travaux de recherche de cette thèse de doctorat s’inscrivent dans le cadre de la conception d’unconvertisseur analogique-numérique (ADC, Analog-to-Digital Converter) large bande et à haute résolution afinde numériser plusieurs standards de communications sans fil. Il répond ainsi au concept de la radio logiciellerestreinte (SDR, Software Defined Radio). L’objectif visé est la reconfigurabilité par logiciel et l’intégrabilité envue d’un système radio multistandard. Les ADCs à sur-échantillonnage de type sigma-delta () s’avèrent debons candidats dans ce contexte de réception SDR multistandard en raison de leur précision accrue. Bien queleur bande passante soit réduite, il est possible de les utiliser dans une architecture en parallèle permettantd’élargir la bande passante. Nous nous proposons alors dans cette thèse de dimensionner et d’implanter unADC parallèle à décomposition fréquentielle (FBD) basé sur des modulateurs à temps-discret pour unrécepteur SDR supportant les standards E-GSM, UMTS et IEEE802.11a. La nouveauté dans l’architectureproposée est qu’il est programmable, la numérisation d’un signal issu d’un standard donné se réalise enactivant seulement les branches concernées de l’architecture parallèle avec des sous-bandes defonctionnement et une fréquence d’échantillonnage spécifiée. De plus, le partage fréquentiel des sous-bandesest non uniforme. Après validation du dimensionnement théorique par simulation, l’étage en bande de base aété dimensionné. Cette étude conduit à la définition d’un filtre anti-repliement passif unique d’ordre 6 et detype Butterworth, permettant l’élimination du circuit de contrôle de gain automatique (AGC). L’architectureFBD requière un traitement numérique permettant de combiner les signaux à la sortie des branches enparallèle pour reconstruire le signal de sortie finale. Un dimensionnement optimisé de cet étage numérique àbase de démodulation a été proposé. La synthèse de l’étage en bande de base a montré des problèmes destabilité des modulateurs . Pour y remédier, une solution basée sur la modification de la fonction detransfert du signal (STF) afin de filtrer les signaux hors bande d’intérêt par branche a été élaborée. Unediscontinuité de phase a été également constatée dans le signal de sortie reconstruit. Une solution deraccordement de phase a été proposée. L’étude analytique et la conception niveau système ont étécomplétées par une implantation de la reconstruction numérique de l’ADC parallèle. Deux flots de conceptionont été considérés, un associé au FPGA et l’autre indépendant de la cible choisie (VHDL standard).L’architecture proposée a été validée sur un FPGA Xilinx de type VIRTEX6. Une dynamique de 74 dB a étémesurée pour le cas d’étude UMTS, ce qui est compatible avec celle requise du standard UMTS

Subsampling receivers with applications to software defined radio systems

Este trabajo de tesis propone la utilización sistemas basados en submuestreo como una alternativa para la implementación de la etapa de down-conversion de los receptores de radio frecuencia (RF) empleados para aplicaciones multi-estándar y SDR (Software Defined Radio). El objetivo principal será el de optimizar el diseño en cuanto a flexibilidad y simplicidad, las cuales son propiedades inherentes en los sistemas basados en submuestreo. Por tanto, como reducir el número de componentes al mínimo es clave cuando un mismo receptor procesa diferentes estándares de comunicación, las arquitecturas basadas en submuestreo han sido seleccionadas, donde la reusabilidad de los componentes empleados es posible, así como la reducción de los costes totales de los receptores de comunicación y de los equipos de certificación que emplean estas arquitecturas. Un motivo adicional por el que los sistemas basados en submuestreo han sido seleccionados es el concerniente a la topología del receptor. Como la idea de la tecnología SDR es implementar todas las funcionalidades del receptor (filtrado, amplificación) en el dominio digital, el convertidores analógico-digital (ADC) deberá estar localizado en la cadena de recepción lo más cerca posible a la antena, siendo el objetivo final el convertir la señal directamente de RF a digital. Sin embargo, con los actuales ADC no es posible implementar esta idea debido al alto ancho de banda que necesitarían sin perder resolución para cubrir las especificaciones de los estándares de comunicaciones inalámbricas. Por tanto, los sistemas basados en submuestreo se presentan como la opción más adecuada para implementar este tipo de sistemas debido a que pueden muestrear la señal de entrada por debajo de la tasa de Nyquist, si se cumplen ciertas restricciones en cuanto a la elección de la frecuencia de muestreo. De este modo, los requerimientos del ADC serán relajados ya que, usando estas arquitecturas, este componente procesará la señal a frecuencias intermedias. Una vez se han introducido los conceptos principales de las técnicas de submuestreo, esta tesis doctoral presenta el diseño de una tarjeta de adquisición de datos basada en submuestreo con la finalidad de ser implementada como un receptor de test y certificación de banda ancha. El sistema propuesto proporciona una alta resolución para un elevado ancho de banda, a partir del uso de un S&H de bajo jitter y de un convertidor analógico digital ADC que trabaja a frecuencias intermedias. El sistema es implementado usando dispositivos comerciales en una placa de circuito impreso diseñada y fabricada, y cuya caracterización experimental muestra una resolución de más 8 bits para un ancho de banda analógico de 20 MHz. Concretamente, la resolución medida será mayor de 9 bits hasta una frecuencia de entrada de 2.9 GHz y mayor de 8 bits para una frecuencia de entrada de hasta 6.5 GHz, lo cual resulta suficiente para cubrir los requerimientos de la mayor parte de los actuales estándares de comunicaciones inalámbricas (GPS, GSM, GPRS, UMTS, Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX). Sin embargo, los receptores basados en submuestreo presentan algunos importantes inconvenientes, como son adicionales fuentes de ruido (jitter y plegado de ruido térmico) y una dificultad añadida para implementarlo en escenarios multi-banda y no lineales. Acerca del plegado de ruido en la banda de interés, esta tesis propone el uso de una técnica basada en una arquitectura de reloj múltiple con el objetivo de aumentar la resolución y cubrir un número mayor de estándares para su test y certificación. Empleando una frecuencia de muestreo mayor para el caso del S&H, se conseguirá reducir este efecto, aumentando la resolución en aproximadamente 0.5-1 bit respecto al caso de sólo usar una fuente de reloj. Las expresiones teóricas de esta mejora son desarrolladas y presentadas en esta tesis, siendo posteriormente corroboradas de modo experimental. Por otra parte, esta tesis también propone novedosas técnicas para la aplicación de estos sistemas de submuestreo en entornos multi-banda y no lineales, los cuales presentan desafíos adicionales por el hecho de existir la posibilidad de solapamiento entre la señal de interés y los otros canales de comunicación, así como de solapamiento con sus armónicos. De este modo, esta tesis extiende el uso de los sistemas basados en submuestreo para este tipo de entornos, proponiendo técnicas para la elección de la frecuencia óptima de muestreo que evitan el solapamiento entre señales, a la vez que consiguen incrementar la resolución del receptor. Finalmente, se presentará la optimización en cuanto a características de ruido de un receptor concreto para aplicaciones de banda dual en entornos no lineales. Dicho receptor estará basado en las técnicas de reloj múltiple presentadas anteriormente y en una estructura de multi-filtro entre el S&H y el ADC. El sistema diseñado podrá emplearse para diversas aplicaciones a ambos lados de la cadena de comunicación, tal como en receptores de detección de espectro para radio cognitiva, o implementando el bucle de realimentación de un transmisor para la linealización de amplificadores de potencia. Por tanto, la presente tesis doctoral cuenta con tres contribuciones diferenciadas. La primera de ellas es la dedicada al diseño de un prototipo de recepción multi-estándar basado en submuestreo para aplicaciones de test y certificación. La segunda aportación es la dedicada a la optimización de las especificaciones de ruido a partir de las técnicas presentadas basadas en reloj múltiple. Por último, la tercera contribución principal es la relacionada con la extensión de este tipo de técnicas a sistemas multi-banda en entornos no lineales. Todas estas contribuciones han sido estudiadas teóricamente y experimentalmente validadas

Apport de l'échantillonnage aléatoire à temps quantifié pour le traitement en bande de base dans un contexte radio logicielle restreinte

The work presented in this Ph.D. dissertation deals with the design of multistandard radio receivers that process signals with heterogeneous specifications. The originality of these research activities comes from the application of random sampling at the baseband stage of a software defined radio receiver. The purpose behind the choice of random sampling is to take advantage of its alias-free feature. The originality of this work is the analytic proof of the alias attenuation feature of the time quantized random sampling, the implementation version of the random sampling. A second contribution concerns also the analytic study of the simplest implementation version of the random sampling, the time quantized pseudo-random sampling (TQ-PRS). Theoretical formulas allow the estimation of the alias attenuation in terms of time quantization factor and oversampling ratio. Alias attenuation measurement permits to design the baseband stage of the proposed multistandard radio receiver architecture. The design concerns different configuration of the baseband stage according to the performances of the used analog-to-digital converters (ADC). The TQPRS allows decreasing the anti-aliasing filter order or the sampling frequency. The design of the baseband stage reveals a difference on the choice of the time quantization factor for each standard. The power consumption budget analysis demonstrates a power consumption gain of 30% regarding the power consumption of the analog baseband stage. This gain becomes 27.5% when the TQ-PRS clock and the digital canal selection stages are considered.Ces travaux de recherche s’inscrivent dans le cadre de la conception de récepteurs multistandard optimisés pouvant traiter des signaux à spécifications hétérogènes. L’idée est d’appliquer l’échantillonnage aléatoire au niveau de l’étage en bande de base d’un récepteur radio logicielle restreinte afin de tirer profit de son pouvoir d’anti-repliement. La nouveauté dans ces travaux est l’étude analytique de la réduction du repliement spectral par l’échantillonnage aléatoire à temps quantifié, candidat favorable à l’implémentation matérielle. Une deuxième contribution concerne aussi l’étude analytique de l’échantillonnage pseudo-aléatoire à temps quantifié (TQ-PRS) dont l’importance réside en sa grande facilité d’implémentation matérielle. Les formulations théoriques ont permis d’estimer l’atténuation des répliques en fonction du facteur de la quantification temporelle et du facteur du sur-échantillonnage. Les mesures de l’atténuation du repliement spectral ont permis de dimensionner l’étage en bande de base d’une architecture de réception multistandard. Le dimensionnement s’intéresse à différentes configurations de l’étage en bande de base régies par les performances du convertisseur analogique numérique (ADC) utilisé.Les travaux de recherche ont démontré que l’application du TQ-PRS au niveau de l’ADC mène soit à une réduction de l’ordre du filtre anti-repliement soit à une réduction de la fréquence d’échantillonnage. Un bilan global de la consommation de puissance a permis un gain de 30% de la consommation de l’étage en bande de base analogique. En tenant compte du générateur de l’horloge TQ-PRS et de l’étage de sélection numérique du canal, ce gain devient 25%

Design of a high-gain silicon BJT and an E- pHEMT hybrid matrix amplifier with an optimum filter-matching technique

Software-defined radio (SDR) is an advanced wireless transmission paradigm that supports all the consumer wireless protocols such as 2G, 3G, Long-Term Evolution, Wi-Fi (2.4 and 5 GHz), Bluetooth, and Zigbee, by software rather than hardware. A typical frequency band of operation is in the range of 0.5–6 GHz. The challenge to bring an SDR system on portable devices is the availability of ultra-wide-band compact amplifiers with a high gain over a wide frequency band. A novel hybrid silicon bipolar junction transistor (BJT) and an enhancement-mode pseudomorphic-high-electron-mobility-transistor (E- pHEMT) matrix amplifier with two rows and four columns (2 × 4) of transistors are designed, realised, and tested demonstrating a 0.65–5.8 GHz frequency band to satisfy the SDR specifications. The novel optimum filter-matching technique is applied to optimise the performance and overcome the limit of the hybrid approach. The proposed matrix amplifier exhibits an average gain of 37.5 dB and an average output power of 18 dBm across the 0.65–5.8 GHz band with only 3 V supply voltage. The gain is the highest in the state of the art for the frequency range. A bandwidth of 5.15 GHz, 20.3 dBm above the 1-dB compression point at 1.35 GHz, 10–16% power added efficiency, and 1.2 W DC power consumptions are obtained

Applications of nonuniform sampling in wideband multichannel communication systems

This research is an investigation into utilising randomised sampling in communication systems to ease the sampling rate requirements of digitally processing narrowband signals residing within a wide range of overseen frequencies. By harnessing the aliasing suppression capabilities of such sampling schemes, it is shown that certain processing tasks, namely spectrum sensing, can be performed at significantly low sampling rates compared to those demanded by uniform-sampling-based digital signal processing. The latter imposes sampling frequencies of at least twice the monitored bandwidth regardless of the spectral activity within. Aliasing can otherwise result in irresolvable processing problems, as the spectral support of the present signal is a priori unknown. Lower sampling rates exploit the processing module(s) resources (such as power) more efficiently and avoid the possible need for premium specialised high-cost DSP, especially if the handled bandwidth is considerably wide. A number of randomised sampling schemes are examined and appropriate spectral analysis tools are used to furnish their salient features. The adopted periodogram-type estimators are tailored to each of the schemes and their statistical characteristics are assessed for stationary, and cyclostationary signals. Their ability to alleviate the bandwidth limitation of uniform sampling is demonstrated and the smeared-aliasing defect that accompanies randomised sampling is also quantified. In employing the aforementioned analysis tools a novel wideband spectrum sensing approach is introduced. It permits the simultaneous sensing of a number of nonoverlapping spectral subbands constituting a wide range of monitored frequencies. The operational sampling rates of the sensing procedure are not limited or dictated by the overseen bandwidth antithetical to uniform-sampling-based techniques. Prescriptive guidelines are developed to ensure that the proposed technique satisfies certain detection probabilities predefined by the user. These recommendations address the trade-off between the required sampling rate and the length of the signal observation window (sensing time) in a given scenario. Various aspects of the introduced multiband spectrum sensing approach are investigated and its applicability highlighted