Interference Suppression for Spread Spectrum Signals Using Adaptive Beamforming and Adaptive Temporal Filter

Interference and jamming signals are a serious concern in an operational military communication environment. This thesis examines the utility and performance of combining adaptive temporal filtering with adaptive spatial filtering (i.e. adaptive beamforming) to improve the signal-to-jammer ratio (SJR) in the presence of narrowband and wideband interference. Adaptive temporal filters are used for narrowband interference suppression while adaptive beamforming is used to suppress wideband interference signals. A procedure is presented for the design and implementation of a linear constraints minimum variance generalized sidelobe canceler (LCMV-GSC) beamformer. The adaptive beamformer processes the desired signal with unity gain while simultaneously and adaptively minimizing the output due to any undesired signal. Using the LCMV-GSC beamformer with a least mean squares (LMS) adaptive algorithm, it was shown that the tapped delay line (TDL) adaptive antenna array is more effective for the suppression of wideband jammer suppression than the linear array sensors (LAS) adaptive antenna array. Also a new technique for adaptive beamforming is presented which improves wideband interference suppression in a frequency-hopped environment. The output SJR improvement for the new technique compared to the conventional technique is as much as 15dB. Sometimes, multipath signals and jammers generated by a smart enemy are correlated with the desired signal which destroys the traditional beamformer\u27s performance. After performing a spatial smoothing technique, adaptive beamforming can also be effective in suppressing the jamming signals that are highly correlated with the desired signal

Filter-Bank-Based Narrowband Interference Detection and Suppression in Spread Spectrum Systems

<p/> <p>A filter-bank-based narrowband interference detection and suppression method is developed and its performance is studied in a spread spectrum system. The use of an efficient, complex, critically decimated perfect reconstruction filter bank with a highly selective subband filter prototype, in combination with a newly developed excision algorithm, offers a solution with efficient implementation and performance close to the theoretical limit derived as a function of the filter bank stopband attenuation. Also methods to cope with the transient effects in case of frequency hopping interference are developed and the resulting performance shows only minor degradation in comparison to the stationary case.</p

Study of spread spectrum multiple access systems for satellite communications with overlay on current services

The feasibility of using spread spectrum techniques to provide a low-cost multiple access system for a very large number of low data terminals was investigated. Two applications of spread spectrum technology to very small aperture terminal (VSAT) satellite communication networks are presented. Two spread spectrum multiple access systems which use a form of noncoherent M-ary FSK (MFSK) as the primary modulation are described and the throughput analyzed. The analysis considers such factors as satellite power constraints and adjacent satellite interference. Also considered is the effect of on-board processing on the multiple access efficiency and the feasibility of overlaying low data rate spread spectrum signals on existing satellite traffic as a form of frequency reuse is investigated. The use of chirp is examined for spread spectrum communications. In a chirp communication system, each data bit is converted into one or more up or down sweeps of frequency, which spread the RF energy across a broad range of frequencies. Several different forms of chirp communication systems are considered, and a multiple-chirp coded system is proposed for overlay service. The mutual interference problem is examined in detail and a performance analysis undertaken for the case of a chirp data channel overlaid on a video channel

Investigation of pre-detection signal processing of pseudonoise communication signals in the presence of additive white gaussian noise and CW and bursty interference

By comparison to conventional communication systems, spread-spectrum systems are known to be less affected by interference because of their large dimensionality in signal space. Nevertheless, significant performance degradation is experienced when large interference exists in a few or even one signal coordinates. In this case, interference reduction techniques are also known to provide additional processing gain. A novel class of pseudonoise (PN) invariant algorithms is derived to reduce the impact of interference and restore much of the structure of PN signals received in the presence of interference and noise. A PN signal received by a pre-detection signal process (PDSP) implementing a PN invariant algorithm remains unchanged at the output. When an interference waveform is added to the PN signal, most of the DC bias as well as other smooth components of the interference may be significantly reduced at the output of the same PDSP. If n is the longest run in the PN sequence of maximal length N, and Ro is the chip rate, it is shown that the algorithms work well when the interference is sinusoidal with a frequency deviation from the carrier up to Ro/N. At such a low frequency deviation, the processing gain is observed to be relatively high and independent of the phase deviation. As the frequency deviation Increases to nRo/N, the performance of the spread-spectrum system decreases to the level that would have been obtained in the absence of the PDSP

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

An adaptive correlator receiver for combined suppression of co-channel interference and narrow-band jammers in a slowly fading channel

This work deals with the adaptive correlation of a direct sequence spread spectrum signal in the presence of narrow-band, multipath and multiple user interference. The Least Mean Square and Recursive Least Square algorithms are employed for the adaptive convergence of the correlator receiver to minimize the mean squared error. The performance of the adaptive correlator is compared with the matched filter correlator receiver and the conventional prediction filter for the suppression of narrow-band interference by calculating the bit error probability rate. The adaptive correlator is also compared with the RAKE receiver for multipath suppression and compared to the decorelating detector for the suppression of multiple user interference. It is shown that the adaptive correlator is capable of suppressing interference when the spread spectrum signal is corrupted by a combination of disturbances, such as narrow-band jammers and multipath or multiple users on the same channel