High-performance signal acquisition algorithms for wireless communications receivers

Due to the uncertainties introduced by the propagation channel, and RF and mixed signal circuits imperfections, digital communication receivers require efficient and robust signal acquisition algorithms for timing and carrier recovery, and interfer- ence rejection. The main theme of this work is the development of efficient and robust signal synchronization and interference rejection schemes for narrowband, wideband and ultra wideband communications systems. A series of novel signal acquisition schemes together with their performance analysis and comparisons with existing state-of-the- art results are introduced. The design effort is first focused on narrowband systems, and then on wideband and ultra wideband systems. For single carrier modulated narrowband systems, it is found that conventional timing recovery schemes present low efficiency, e.g., certain feedback timing recov- ery schemes exhibit the so-called hang-up phenomenon, while another class of blind feedforward timing recovery schemes presents large self-noise. Based on a general re- search framework, we propose new anti-hangup algorithms and prefiltering techniques to speed up the feedback timing recovery and reduce the self-noise of feedforward tim- ing estimators, respectively. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) technique is well suited for wideband wireless systems. However, OFDM receivers require high performance car-rier and timing synchronization. A new coarse synchronization scheme is proposed for efficient carrier frequency offset and timing acquisition. Also, a novel highly accurate decision-directed algorithm is proposed to track and compensate the residual phase and timing errors after the coarse synchronization step. Both theoretical analysis and computer simulations indicate that the proposed algorithms greatly improve the performance of OFDM receivers. The results of an in-depth study show that a narrowband interference (NBI) could cause serious performance loss in multiband OFDMbased ultra-wideband (UWB) sys- tems. A novel NBI mitigation scheme, based on a digital NBI detector and adaptive analog notch filter bank, is proposed to reduce the effects of NBI in UWB systems. Simulation results show that the proposed NBI mitigation scheme improves signifi- cantly the performance of a standard UWB receiver (this improvement manifests as a signal-to-noise ratio (SNR) gain of 9 dB)

Chaos-based communication scheme using proportional and proportional-integral observers

In this paper, we propose a new chaos-based communication scheme using the observers. The novelty lies in the masking procedure that is employed to hide the confidential information using the chaotic oscillator. We use a combination of the addition and inclusion methods to mask the information. The performance of two observers, the proportional observer (P-observer) and the proportional integral observer (PI-observer) is compared that are employed as receivers for the proposed communication scheme. We show that the P-observer is not suitable scheme since it imposes unpractical constraints on the messages to be transmitted. On the other hand, we show that the PI-observer is the better solution because it allows greater flexibility in choosing the gains of the observer and does not impose any unpractical restrictions on the message

Efficient checkpointing over local area networks

Parallel and distributed computing on clusters of workstations is becoming very popular as it provides a cost effective way for high performance computing. In these systems, the bandwidth of the communication subsystem (Using Ethernet technology) is about an order of magnitude smaller compared to the bandwidth of the storage subsystem. Hence, storing a state in a checkpoint is much more efficient than comparing states over the network. In this paper we present a novel checkpointing approach that enables efficient performance over local area networks. The main idea is that we use two types of checkpoints: compare-checkpoints (comparing the states of the redundant processes to detect faults) and store-checkpoints (where the state is only stored). The store-checkpoints reduce the rollback needed after a fault is detected, without performing many unnecessary comparisons. As a particular example of this approach we analyzed the DMR checkpointing scheme with store-checkpoints. Our main result is that the overhead of the execution time can be significantly reduced when store-checkpoints are introduced. We have implemented a prototype of the new DMR scheme and run it on workstations connected by a LAN. The experimental results we obtained match the analytical results and show that in some cases the overhead of the DMR checkpointing schemes over LAN's can be improved by as much as 20%

Multichannel Sampling of Pulse Streams at the Rate of Innovation

We consider minimal-rate sampling schemes for infinite streams of delayed and weighted versions of a known pulse shape. The minimal sampling rate for these parametric signals is referred to as the rate of innovation and is equal to the number of degrees of freedom per unit time. Although sampling of infinite pulse streams was treated in previous works, either the rate of innovation was not achieved, or the pulse shape was limited to Diracs. In this paper we propose a multichannel architecture for sampling pulse streams with arbitrary shape, operating at the rate of innovation. Our approach is based on modulating the input signal with a set of properly chosen waveforms, followed by a bank of integrators. This architecture is motivated by recent work on sub-Nyquist sampling of multiband signals. We show that the pulse stream can be recovered from the proposed minimal-rate samples using standard tools taken from spectral estimation in a stable way even at high rates of innovation. In addition, we address practical implementation issues, such as reduction of hardware complexity and immunity to failure in the sampling channels. The resulting scheme is flexible and exhibits better noise robustness than previous approaches

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