NIKEL: Electronics and data acquisition for kilopixels kinetic inductance camera

A prototype of digital frequency multiplexing electronics allowing the real time monitoring of microwave kinetic inductance detector (MKIDs) arrays for mm-wave astronomy has been developed. Thanks to the frequency multiplexing, it can monitor simultaneously 400 pixels over a 500 MHz bandwidth and requires only two coaxial cables for instrumenting such a large array. The chosen solution and the performances achieved are presented in this paper.Comment: 21 pages, 14 figure

Wavelet-based multi-carrier code division multiple access systems

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Discrete-Time Mixing Receiver Architecture for RF-Sampling Software-Defined Radio

A discrete-time (DT) mixing architecture for RF-sampling receivers is presented. This architecture makes RF sampling more suitable for software-defined radio (SDR) as it achieves wideband quadrature demodulation and wideband harmonic rejection. The paper consists of two parts. In the first part, different downconversion techniques are classified and compared, leading to the definition of a DT mixing concept. The suitability of CT-mixing and RF-sampling receivers to SDR is also discussed. In the second part, we elaborate the DT-mixing architecture, which can be realized by de-multiplexing. Simulation shows a wideband 90° phase shift between I and Q outputs without systematic channel bandwidth limitation. Oversampling and harmonic rejection relaxes RF pre-filtering and reduces noise and interference folding. A proof-of-concept DT-mixing downconverter has been built in 65 nm CMOS, for 0.2 to 0.9 GHz RF band employing 8-times oversampling. It can reject 2nd to 6th harmonics by 40 dB typically and without systematic channel bandwidth limitation. Without an LNA, it achieves a gain of -0.5 to 2.5 dB, a DSB noise figure of 18 to 20 dB, an IIP3 = +10 dBm, and an IIP2 = +53 dBm, while consuming less than 19 mW including multiphase clock generation

Back-end Design of the Readout System for Cryogenic Particle Detectors

Diese Arbeit widmet sich dem Design und der Entwicklung des digitalen Back-Ends (D-BE) für Raumtemperatur-Ausleseelektronik, die in kryogenen Quantendetektoren verwendet wird. Der Schwerpunkt liegt auf Anwendungen im Zusammenhang mit Experimenten zur Kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB, im Englischen \textit{Cosmic Microwave Background radiation} genannt), jedoch ist die Technologie anpassbar für Partikeldetektionsexperimente. Zwei Schlüsselprojekte stehen im Mittelpunkt dieser Forschung: das QUBIC-Projekt zur Erkennung der B-Mode-Polarisation des CMB und das ECHo-Experiment, das darauf abzielt, eine neue Obergrenze für die Bestimmung der Neutrinomasse im Sub-eV-Bereich festzulegen. In diesen Projekten werden Übergangskanten-Sensoren (TES) und magnetische Mikrokalorimeter (MMCs) eingesetzt. Im Fall des QUBIC-Projekts werden die TES unter Verwendung von Zeitaufteilungsmultiplexing (TDM) gemultiplext. Es wurde jedoch ein Vorschlag für einen neuen Bolo\-meter-Typ namens Magnetischer Mikrobolometer (MMB) in der QUBIC-Kollaboration vorgestellt, der die Implementierung eines Frequenzaufteilungsmultiplexing (FDM)-Sys\-tems ermöglicht. Dies könnte durch die Verwendung eines Mikrowellen-Supraleiter-Quan\-teninterferenzgerät (SQUID)-Multiplexers ($\mu$MUX) erreicht werden, ähnlich wie bei den MMCs im ECHo-Experiment. Zur Erleichterung der Auslese der gemultiplexten Detektoren wird ein mehrtoniges Signal erzeugt, wobei jede Frequenztonkomponente einen $\mu$MUX-Kanal innerhalb des Kryostaten überwacht. Dieses Signal passiert dann einen rauscharmen Verstärker (LNA, im Englischen \textit{Low-Noise Amplifier} genannt), der in der Regel in der 4 K-Stufe liegt, bevor es das Hochfrequenz-Front-End (RF-FE) erreicht. Das RF-FE umfasst Hochfrequenzelektronik, die sowohl mit dem D-BE als auch mit der Elektronik im Kryostaten verbunden ist. Diese Arbeit stellt eine neuartige Anwendung des Goertzel-Filters zur Kanalisierung von mehrtonigen Signalen vor. Durch Simulationen, die mit einem in dieser Arbeit entwickelten auf Python basierenden Softwarepaket durchgeführt wurden, wurde die optimale Konfiguration für die Signalgenerierung und -erfassung in Bezug auf Rauschleistung, Abschirmung gegen Übersprechen und Systemlinearität ermittelt. Diese Arbeit zeigt, wie dieser Ansatz effizient in einem Field Programmable Gate Array (FPGA) implementiert werden kann, was die Skalierbarkeit bei der Auslese mehrerer Sensoren ermöglicht. Diese Skalierung is im Besonderen in Anwendungen wie Radioteleskopen für CMB-Messungen, kryogenen Kalorimetern für die Partikeldetektion und Quantencomputing entscheidend. Umfangreiche Validierungsexperimente zeigen, wie die Implementierung dieses Filtersatzes die Kanalisierung des mehrtonigen Eingangssignals zur Wiederherstellung der von den Detektoren aufgezeichneten Daten ermöglicht

Low power, reduced complexity filtering and improved tracking accuracy for GNSS

This thesis addresses the power consumption problems resulting from the advent of multiple GNSS satellite systems which create the need for receivers supporting multi-frequency, multi-constellation GNSS systems. Such a multi-mode receiver requires a substantial amount of signal processing power which translates to increased hardware complexity and higher power dissipation which reduces the battery life of a mobile platform. During the course of the work undertaken, a power analysis tool was developed in order to be able to estimate the hardware utilisation as well as the power consumption of a digital system. By using the power estimation tool developed, it was established that most of the power was dissipated after the Analog to Digital Converter (ADC)by the filters associated with the decimation process. The power dissipation and the hardware complexity of the decimator can be reduced substantially by using a minimum-phase Infinite Impulse Response (IIR) filter. For Global Positioning System (GPS) civilian signals, the use of IIR filters does not deleteriously affect the positional accuracy. However, in the case where an IIR filter was deployed in a GLObalnaya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (GLONASS) receiver, the pseudorange measurements of the receiver varied by up to 200 metres. The work undertaken proposes various methods that overcomes the pseudorange measurement variation and reports on the results that are on par with linear-phase Finite Impulse Response (FIR) filters. The work also proposes a modified tracking loop that is capable of tracking very low Doppler frequencies without decreasing the tracking performance

Frequency diversity wideband digital receiver and signal processor for solid-state dual-polarimetric weather radars

2012 Summer.Includes bibliographical references.The recent spate in the use of solid-state transmitters for weather radar systems has unexceptionably revolutionized the research in meteorology. The solid-state transmitters allow transmission of low peak powers without losing the radar range resolution by allowing the use of pulse compression waveforms. In this research, a novel frequency-diversity wideband waveform is proposed and realized to extenuate the low sensitivity of solid-state radars and mitigate the blind range problem tied with the longer pulse compression waveforms. The latest developments in the computing landscape have permitted the design of wideband digital receivers which can process this novel waveform on Field Programmable Gate Array (FPGA) chips. In terms of signal processing, wideband systems are generally characterized by the fact that the bandwidth of the signal of interest is comparable to the sampled bandwidth; that is, a band of frequencies must be selected and filtered out from a comparable spectral window in which the signal might occur. The development of such a wideband digital receiver opens a window for exciting research opportunities for improved estimation of precipitation measurements for higher frequency systems such as X, Ku and Ka bands, satellite-borne radars and other solid-state ground-based radars. This research describes various unique challenges associated with the design of a multi-channel wideband receiver. The receiver consists of twelve channels which simultaneously downconvert and filter the digitized intermediate-frequency (IF) signal for radar data processing. The product processing for the multi-channel digital receiver mandates a software and network architecture which provides for generating and archiving a single meteorological product profile culled from multi-pulse profiles at an increased data date. The multi-channel digital receiver also continuously samples the transmit pulse for calibration of radar receiver gain and transmit power. The multi-channel digital receiver has been successfully deployed as a key component in the recently developed National Aeronautical and Space Administration (NASA) Global Precipitation Measurement (GPM) Dual-Frequency Dual-Polarization Doppler Radar (D3R). The D3R is the principal ground validation instrument for the precipitation measurements of the Dual Precipitation Radar (DPR) onboard the GPM Core Observatory satellite scheduled for launch in 2014. The D3R system employs two broadly separated frequencies at Ku- and Ka-bands that together make measurements for precipitation types which need higher sensitivity such as light rain, drizzle and snow. This research describes unique design space to configure the digital receiver for D3R at several processing levels. At length, this research presents analysis and results obtained by employing the multi-carrier waveforms for D3R during the 2012 GPM Cold-Season Precipitation Experiment (GCPEx) campaign in Canada

Design and implementation of a downlink MC-CDMA receiver

Cette thèse présente une étude d'un système complet de transmission en liaison descendante utilisant la technologie multi-porteuse avec l'accès multiple par division de code (Multi-Carrier Code Division Multiple Access, MC-CDMA). L'étude inclut la synchronisation et l'estimation du canal pour un système MC-CDMA en liaison descendante ainsi que l'implémentation sur puce FPGA d'un récepteur MC-CDMA en liaison descendante en bande de base. Le MC-CDMA est une combinaison de la technique de multiplexage par fréquence orthogonale (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) et de l'accès multiple par répartition de code (CDMA), et ce dans le but d'intégrer les deux technologies. Le système MC-CDMA est conçu pour fonctionner à l'intérieur de la contrainte d'une bande de fréquence de 5 MHz pour les modèles de canaux intérieur/extérieur pédestre et véhiculaire tel que décrit par le "Third Genaration Partnership Project" (3GPP). La composante OFDM du système MC-CDMA a été simulée en utilisant le logiciel MATLAB dans le but d'obtenir des paramètres de base. Des codes orthogonaux à facteur d'étalement variable (OVSF) de longueur 8 ont été choisis comme codes d'étalement pour notre système MC-CDMA. Ceci permet de supporter des taux de transmission maximum jusquà 20.6 Mbps et 22.875 Mbps (données non codées, pleine charge de 8 utilisateurs) pour les canaux intérieur/extérieur pédestre et véhiculaire, respectivement. Une étude analytique des expressions de taux d'erreur binaire pour le MC-CDMA dans un canal multivoies de Rayleigh a été réalisée dans le but d'évaluer rapidement et de façon précise les performances. Des techniques d'estimation de canal basées sur les décisions antérieures ont été étudiées afin d'améliorer encore plus les performances de taux d'erreur binaire du système MC-CDMA en liaison descendante. L'estimateur de canal basé sur les décisions antérieures et utilisant le critère de l'erreur quadratique minimale linéaire avec une matrice' de corrélation du canal de taille 64 x 64 a été choisi comme étant un bon compromis entre la performance et la complexité pour une implementation sur puce FPGA. Une nouvelle séquence d'apprentissage a été conçue pour le récepteur dans la configuration intérieur/extérieur pédestre dans le but d'estimer de façon grossière le temps de synchronisation et le décalage fréquentiel fractionnaire de la porteuse dans le domaine du temps. Les estimations fines du temps de synchronisation et du décalage fréquentiel de la porteuse ont été effectués dans le domaine des fréquences à l'aide de sous-porteuses pilotes. Un récepteur en liaison descendante MC-CDMA complet pour le canal intérieur /extérieur pédestre avec les synchronisations en temps et en fréquence en boucle fermée a été simulé avant de procéder à l'implémentation matérielle. Le récepteur en liaison descendante en bande de base pour le canal intérieur/extérieur pédestre a été implémenté sur un système de développement fabriqué par la compagnie Nallatech et utilisant le circuit XtremeDSP de Xilinx. Un transmetteur compatible avec le système de réception a également été réalisé. Des tests fonctionnels du récepteur ont été effectués dans un environnement sans fil statique de laboratoire. Un environnement de test plus dynamique, incluant la mobilité du transmetteur, du récepteur ou des éléments dispersifs, aurait été souhaitable, mais n'a pu être réalisé étant donné les difficultés logistiques inhérentes. Les taux d'erreur binaire mesurés avec différents nombres d'usagers actifs et différentes modulations sont proches des simulations sur ordinateurs pour un canal avec bruit blanc gaussien additif

System Development for Geolocation in Harsh Environments

Wireless sensor networks (WSN) consist of a set of distributed devices equipped with multiple sensors, which can be employed in different environments of varying characteristics. Nowadays, node localization has become one of their most basic and important requirements. Due to the nature of certain environments, typical positioning systems, such as Global Navigation Satellite System (GNSS), cannot be employed. Therefore, in recent years several alternative positioning mechanisms have risen. ROMOVI is a project which has as its main goal the development of low cost autonomous robots capable of monitoring and perform logistic tasks on the steep slopes of the Douro river vineyards. Integrated in this project, this dissertation proposes the development of a full-custom wireless communication system for geolocation purposes in harsh environments. Using a Symmetric Double Sided Two Way Ranging (SDS-TWR) algorithm, it is possible to achieve ranging measures between nodes, thus providing accurate relative positioning. This work focuses mainly on the study of the SDS-TWR algorithm and its major error sources, such as those due to digital clock drift, among others. A preamble based on Frank-Zadoff-Chu sequence was developed and, due to its good periodic autocorrelation properties, a system employing the transmission and reception of this preamble was implemented in hardware, through a field programmable gate array (FPGA). By employing an embedded logic processor, the Altera Nios II, control over the complete procedure of the aforementioned algorithm is possible, to perform and analyze the main advantages of the SDS-TWR algorithm. Finally, a medium access control (MAC) layer frame format was defined, in order to enable future development of communication among multiple nodes, to enhance the original algorithm and, as such, provide the capability of trilateration