On optimal design and applications of linear transforms

Linear transforms are encountered in many fields of applied science and engineering. In the past, conventional block transforms provided acceptable answers to different practical problems. But now, under increasing competitive pressures, with the growing reservoir of theory and a corresponding development of computing facilities, a real demand has been created for methods that systematically improve performance. As a result the past two decades have seen the explosive growth of a class of linear transform theory known as multiresolution signal decomposition. The goal of this work is to design and apply these advanced signal processing techniques to several different problems. The optimal design of subband filter banks is considered first. Several design examples are presented for M-band filter banks. Conventional design approaches are found to present problems when the number of constraints increases. A novel optimization method is proposed using a step-by-step design of a hierarchical subband tree. This method is shown to possess performance improvements in applications such as subband image coding. The subband tree structuring is then discussed and generalized algorithms are presented. Next, the attention is focused on the interference excision problem in direct sequence spread spectrum (DSSS) communications. The analytical and experimental performance of the DSSS receiver employing excision are presented. Different excision techniques are evaluated and ranked along with the proposed adaptive subband transform-based excises. The robustness of the considered methods is investigated for either time-localized or frequency-localized interferers. A domain switchable excision algorithm is also presented. Finally, sonic of the ideas associated with the interference excision problem are utilized in the spectral shaping of a particular biological signal, namely heart rate variability. The improvements for the spectral shaping process are shown for time-frequency analysis. In general, this dissertation demonstrates the proliferation of new tools for digital signal processing

Low probability of detection underwater acoustic communications

Low probability of detection (LPD) underwater acoustic communications are an essential requirement for command and control of autonomous underwater vehicles (AUV) or submarines performing covert missions, avoiding their detection while communicating. Based on low power signals, these covert communications may also extend the autonomy of battery-operated AUVs, and contribute to reducing the impacts of the environmental noise level on marine life. The present thesis aims to develop LPD communications based on modeled and real data from three shallow water experiments. Thus, a superimposed training method has been proposed. A bitstream is created superimposing a long probe to the message before transmission. Computationally simple, the algorithm explores temporal diversity to increase the processing gain and uses a Wiener filter for equalization. Experimental results presented bit-error rates (BER) < 10−2 for signal-tonoise ratios (SNR) < −8 dB. To understand the effects of coastal upwelling phenomena over low SNR communications, a study compares the acoustic propagation for different sound speed profiles using a propagation model and analyzes data from the BioCom’19 experiment, performed off Cabo Frio Island (Brazil). Temporal and spatial coherence of low power signals propagating in this harsh environment are estimated, and both a criterion for multichannel combining and a double Wiener filter to improve equalization are presented. Passive time-reversal (pTR) techniques have been widely employed for communications. To address the pTR channel mismatch due to the environmental variability between the probe and the data transmissions, this work proposes a superimposed training pTR (STpTR) approach for single and multichannel systems. Despite the high noise levels, varying from -5 to +6 dB, the STpTR combined with a Wiener filter achieved BER < 10−2, for bit rates up to 220 bps. To improve covert communications for AUVs, this work also presents a study about vector sensor multichannel combining. Using the STpTR approach, results from an experiment on the coast of Algarve/Portugal indicate that combining the pressure and particle velocity channels of a vector sensor may provide an average SNR and mean squared-error gain of up to 9.4 and 3.1 dB, respectively, compared to the pressure channel. Therefore, a better understanding of the environment combined with the superimposed training pTR using a vector sensor may improve the LPD communication system’s performance and robustness while keeping covertness.No ´últimos anos, os trabalhos de investigação sobre comunicações acústicas submarinas com baixa probabilidade de deteção (BPD) tem sido incentivados pela indústria, pelos governos, e pela própria academia em razão de suas m´múltiplas aplicações. Na ´área militar, as comunicações BPD permitem que submarinos e veículos autónomos possam se comunicar sem serem detectados. Na ´área civil, permitem a economia de energia de sensores alimentados por baterias, aumentando o tempo de funcionamento, bem como contribui para reduzir os impactos sobre a vida marinha causados pelos altos n´ıveis de ru´ıdo submarino, entre outras aplica¸c˜oes. Neste contexto, esta tese pretende desenvolver comunica¸c˜oes BPD utilizando um modelo de propaga¸c˜ao ac´ustica e dados obtidos a partir de trˆes experimentos em ´aguas rasas. Este trabalho apresenta um m´etodo de treinamento superposto para comunica¸c˜oes submarinas em um ambiente com baixa rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo, e demonstra sua aplica¸c˜ao para comunica¸c˜oes BPD. Computacionalmente simples, o m´etodo foi desenvolvido para funcionar com um ´único projetor acústico, transmitindo com baixa potência, e um hidrofone, sem o ganho de um arranjo de sensores distribuídos no espaço. Antes da transmissão, uma longa sequência de comprimento m´máximo ´e somada `a mensagem para efeitos de equalização e sincronismo. Os dois sinais são binários, modulados em fase e possuem 2047 bits. Porém, possuem amplitudes diferentes. Na realidade, a amplitude do sinal de treinamento ´e ligeiramente superior `a da mensagem. Em um ambiente com baixa rela¸c˜ao sinal ru´ıdo, um sinal de treinamento mais forte permite ocultar a mensagem a ser transmitida, bem como melhorar o ganho para a estima¸c˜ao da resposta impulsiva e para a sincroniza¸c˜ao do sistema. A mensagem ´e composta por 3 bits nulos e 4 sequˆencias de 511 bits. Delimitados por uma curta sequˆencia de comprimento m´aximo de 31 bits, para dupla sincroniza¸c˜ao, os pacotes de dados possuem 480 bits e transportam o seguinte pangrama: (The Quick Brown Fox Jumps Over the Lazy Dog 0123456789!@#$). O m´etodo explora a diversidade temporal do canal, transmitindo a mesma sequˆencia diversas vezes para aumentar o ganho de processamento do sinal e implementar a corre¸c˜ao de erros atrav´es da soma coerente dos sinais. A resposta impulsiva do canal ´e estimada pela transformada r´apida de Hadamard, e a equaliza¸c˜ao do sinal ´e feita por um filtro de Wiener. A remo¸c˜ao da interferˆencia causada pelo sinal de treinamento ´e realizada pelo m´etodo “hyperslice cancellation by coordinate zeroing (HCC0)”, e a seguir a mensagem ´e decodificada. Resultados obtidos a partir de um experimento em ´aguas rasas, utilizando uma fonte e um ´único hidrofone, apresentaram taxas de erro de bit menores que 10−2, para relações sinal/ruído inferiores a −8 dB. A ressurgência costeira ´e um fenómeno oceanográfico dinâmico que modifica, profundamente, a estratificação de temperatura do oceano, influenciando diretamente na propagação acústica. Por outro lado, os crescentes n´níveis de ruído antropogénico não apenas reduzem o desempenho dos sistema de comunicação, corrompendo a informação transmitida, mas tamb´em afetam a vida marinha. Para compreender os efeitos da ressurgˆencia costeira sobre as comunica¸c˜oes com baixa rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo, um estudo analisa os dados do experimento BioCom’19, realizado nas proximidades da Ilha do Cabo Frio, Rio de Janeiro (Brasil). As respostas impulsivas do canal e a propaga¸c˜ao ac´ustica, para diferentes perfis de velocidade do som, foram estimadas usando o modelo de propaga¸c˜ao ac´ustica “Monterey-Miami Parabolic Equation model (MMPE)”. Al´em disso, o desempenho do sistema de comunica¸c˜oes foi correlacionado com os perfis de temperatura durante o experimento. Os resultados obtidos indicam uma significativa redu¸c˜ao da energia ac´ustica nos receptores durante a ressurgˆencia, degradando o desempenho do sistema. A coerˆencia temporal e espacial dos sinais de baixa potˆencia transmitidos no experimento BioCom’19 foi estimada, e um crit´erio para combina¸c˜ao dos sinais, provenientes dos m´ultiplos hidrofones, foi proposto. Utilizando dados de um arranjo piramidal e um arranjo vertical linear, de 4 hidrofones cada, a coerˆencia foi estimada antes e depois do filtro de Wiener para mostrar o impacto do multicaminhamento sobre a taxa de erro de bit. Os resultados mostram que a coˆerencia temporal pode ser utilizada como crit´erio para combinar sinais consecutivos em um mesmo canal, enquanto a diversidade espacial permite a combina¸c˜ao de m´ultiplos canais do arranjo de sensores. Sequˆencias cuja coerˆencia temporal esteja acima de um limite pr´e-definido s˜ao somadas. A coerˆencia espacial entre canais foi estimada e comparada em termos da taxa de erro de bit. Para diferentes taxas de transmiss˜ao, as taxas de erro de bit est˜ao em concordˆancia com a evoluc˜ao da coerˆencia espacial. Quanto mais elevada a coerˆencia, melhor o desempenho e menor a taxa de erro de bit. Um duplo filtro de Wiener para melhorar a equaliza¸c˜ao dos sinais de baixa potˆencia, durante a ressurgˆencia, tambem foi proposto. Utilizando dados dos 4 hidrofones de um arranjo piramidal, as respostas impulsivas foram estimadas para observar a variabilidade das condi¸c˜oes de propaga¸c˜ao. Em uma condi¸c˜ao de perfil de temperatura isot´ermico, as respostas impulsivas apresentaram multicaminhamento curto, com chegadas mais fortes nos receptores. `A medida que a ressurgˆencia ocorria, foram observadas quedas abruptas de temperatura superiores a 10◦C, na posi¸c˜ao dos hidrofones, acarretando uma forte refra¸c˜ao da onda sonora para o fundo marinho. Em consequˆencia, sinais mais fracos foram observados nos hidrofones. Os resultados obtidos com dados do BioCom’19 mostram que, para uma rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo variando entre −3.9 e 7.3 dB, o duplo filtro de Wiener forneceu um ganho do erro m´edio quadr´atico de at´e 2.8 dB, comparado com o filtro de Wiener simples. As t´ecnicas de tempo reverso passivo (TRP) tem sido amplamente empregadas nas comunica¸c˜oes submarinas. Por´em, as r´apidas altera¸c˜oes das condi¸c˜oes de propaga¸c˜ao em canais submarinos variantes no tempo, durante as transmiss˜oes da sequˆencia de treinamento e da mensagem, degradam o desempenho das t´ecnicas TRP de equaliza¸c˜ao. Assim, esse trabalho prop˜oe um m´etodo de TRP utilizando treinamento superposto, para sistemas com um ou m´ultiplos sensores. O m´etodo proposto utiliza uma sequˆencia de treinamento, com o efeito Doppler corrigido, para estimar o canal e realizar o TRP. O m´etodo compara 3 differentes estrat´egias para melhorar a performance do sistema de comunica¸c˜ao: a diversidade temporal devido aos sinais idˆenticos transmitidos continuamente, a diversidade espacial devido aos 2 arranjos de hidrofones, piramidal e linear, com 4 hidrofones cada um, al´em da combina¸c˜ao dos 2 arranjos (8 hidrofones). Neste m´etodo, a t´ecnica de TRP com treinamento superposto minimiza o multicaminhamento e realiza a corre¸c˜ao de erros atrav´es da soma coerente dos diferentes canais. A interferˆencia intersimb´olica residual ´e removida pelo filtro de Wiener. Resultados obtidos com dados do experimento BioCom’19 mostram que o m´etodo proposto pode fornecer um ganho do erro médio quadrático de até 1.62 dB para canais independentes, e 3.13 dB, para canais combinados, comparativamente ao m´etodo sem o TRP, usando apenas o filtro de Wiener. Neste contexto, o m´etodo de TRP utilizando treinamento superposto alcan¸cou taxas de erro de bit < 10−2 para uma rela¸c˜ao sinal ru´ıdo, na banda de transmiss˜ao, variando entre −5 a +6 dB. Focado em comunica¸c˜oes com baixa probabilidade de detec¸c˜ao para pequenos ve´ıculos submarinos, este trabalho tamb´em apresenta um estudo sobre a combina¸c˜ao dos canais de press˜ao e velocidade de part´ıcula dos sensores vetoriais. Os sensores vetoriais possuem pequenas dimens˜oes, adequadas `a utilizac˜ao em ve´ıculos autˆonomos, e permitem obter um ganho de diversidade para as comunica¸c˜oes BPD. Para testar o m´etodo de treinamento superposto com o tempo reverso passivo utilizando sensores vetoriais, um experimento foi realizado, em ´aguas rasas, na costa do Algarve/Portugal. Para reduzir a rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo para uma faixa de 0 a −10 dB, foi adicionado ru´ıdo gravado no experimento. Os resultados experimentais indicam que a combina¸c˜ao dos canais podem fornecer um ganho da rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo e do erro m´edio quadr´atico de at´e 9.4 e 3.1 dB, respectivamente, comparados com os resultados do sensor de press˜ao. Portanto, as principais contribui¸c˜oes dessa tese s˜ao (i) a proposta do m´etodo de treinamento superposto para comunica¸c˜oes com baixa probabilidade de detec¸c˜ao, (ii) a compreens ˜ao dos efeitos da ressurgˆencia costeira sobre as comunica¸c˜oes, e seus impactos sobre a coerˆencia temporal e espacial, (iii) o m´etodo de treinamento superposto em conjunto com o tempo reverso passivo para lidar com a varia¸c˜ao do canal entre o tempo de recep¸c˜ao do sinal de treinamento e da mensagem, e (iv) a combina¸c˜ao dos m´ultiplos canais dos sensores vetoriais para comunica¸c˜oes BPD. Dessa forma, uma melhor compreens˜ao do canal submarino e a utiliza¸c˜ao dos m´etodos propostos combinados com sensores do estado da arte, como os sensores vetoriais, se configura como um avan¸co neste campo do conhecimento, permitindo aumentar a robustez do sistema BPD, bem como reduzir a probabilidade de detec¸c˜ao, mantendo a ocultação das comunicações.I am also grateful for the sponsorship provided by the Brazilian Navy through the Postgraduate Study Abroad Program, Grant No. Port.227/MB/2019

Signal Existence Verification (SEV) for GPS Low Received Power Signal Detection Using the Time-Frequency Approach

The detection of low received power of global positioning system (GPS) signals in the signal acquisition process is an important issue for GPS applications. Improving the miss-detection problem of low received power signal is crucial, especially for urban or indoor environments. This paper proposes a signal existence verification (SEV) process to detect and subsequently verify low received power GPS signals. The SEV process is based on the time-frequency representation of GPS signal, and it can capture the characteristic of GPS signal in the time-frequency plane to enhance the GPS signal acquisition performance. Several simulations and experiments are conducted to show the effectiveness of the proposed method for low received power signal detection. The contribution of this work is that the SEV process is an additional scheme to assist the GPS signal acquisition process in low received power signal detection, without changing the original signal acquisition or tracking algorithms

Tensor-based tracking schemes for time-delay estimation in GNSS multi-antenna receivers

Trabalho de Conclusão de Curso (graduação)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2017.Embora os receptores GNSS (Global Navigation Satellite Systems) alcancem atualmente alta precisão ao processar sua localização geográfica sob condições de Linha de Visão (Line of Sight), erros devido a interferência por componentes multipercurso e ruído são as fontes mais degradantes desse sistema. A fim de resolver a interferência multipercurso, receptores baseados em múltiplas antenas tornaram-se o foco de pesquisa e desenvolvimento tecnológico devido ao fato de que podem mitigar a ocorrência de multipercurso fornecendo as melhores estimativas para o atraso do sinal transmitido, que é um parâmetro relevante para determinar a geolocalização do usuário. Neste contexto, abordagens tensoriais baseadas em modelos PARAFAC (PArallel FActor Analysis) têm sido propostas na literatura, proporcionando um ótimo desempenho. Como essas técnicas são baseadas em subespaços, considerando um cenário de rastreamento em tempo real, o cálculo de uma EVD (Eigenvalue Decomposition)/SVD (Singular Value Decomposition) completa para estimativa de subespaço de sinal em cada instante de amostragem não é adequado, devido a razões de complexidade. Portanto, uma alternativa para reduzir o tempo de computação (Time of Computing) de estimativas de subespacos tem sido o desenvolvimento de algoritmos de rastreamento de subespaço. Este trabalho propõe o emprego de dois esquemas de rastreamento de subespaços para fornecer uma redução no desempenho computacional geral das técnicas de estimativa de atraso de tempo baseadas em tensores.Although Global Navigation Satellite Systems (GNSS) receivers nowadays achieve high accuracy when processing their geographic location under conditions of Line of Sight (LOS), errors due to interference by multipath and noise are the most degrading sources of accuracy. In order to solve the multipath interference, receivers based on multiple antennas have become the focus of technological research and development due to the fact they can mitigate multipath occurrence providing best estimates to the transmitted signal time-delay, which is a relevant parameter for determining the user’s geolocation. In this context, tensor-based approaches based on PArallel FActor Analysis (PARAFAC) models have been proposed in the literature, providing optimal performance. As these techniques are subspace-based, considering a real-time tracking scenario, the computation of a full Eigenvalue Decomposition (EVD)/Singular Value Decomposition (SVD) for signal subspace estimation at every sampling instant is not suitable, due to complexity reasons. Therefore, an alternative to reduce the Time of Computing (ToC) of subspace estimations has been the development of subspace tracking algorithms. This work proposes the employment of two subspace tracking schemes to provide a reduction in the overall computational performance of tensor-based time-delay estimation techniques

Software defined radar system

Software defined radar concept and simulation -- Signal processing methods of synthetic software defined radar -- Mixer-based synthetic software defined radar -- Six-port-based syunthetic software defined radar -- Performance study of synthetic software defined radar

Enhancing the performance of spread spectrum techniques in different applications

Spread spectrum, Automotive Radar, Indoor Positioning Systems, Ultrasonic and Microwave Imaging, super resolution technique and wavelet transformMagdeburg, Univ., Fak. für Elektrotechnik und Informationstechnik, Diss., 2006von Omar Abdel-Gaber Mohamed Al

Adaptive Interference Mitigation in GPS Receivers

Satellite navigation systems (GNSS) are among the most complex radio-navigation systems, providing positioning, navigation, and timing (PNT) information. A growing number of public sector and commercial applications rely on the GNSS PNT service to support business growth, technical development, and the day-to-day operation of technology and socioeconomic systems. As GNSS signals have inherent limitations, they are highly vulnerable to intentional and unintentional interference. GNSS signals have spectral power densities far below ambient thermal noise. Consequently, GNSS receivers must meet high standards of reliability and integrity to be used within a broad spectrum of applications. GNSS receivers must employ effective interference mitigation techniques to ensure robust, accurate, and reliable PNT service. This research aims to evaluate the effectiveness of the Adaptive Notch Filter (ANF), a precorrelation mitigation technique that can be used to excise Continuous Wave Interference (CWI), hop-frequency and chirp-type interferences from GPS L1 signals. To mitigate unwanted interference, state-of-the-art ANFs typically adjust a single parameter, the notch centre frequency, and zeros are constrained extremely close to unity. Because of this, the notch centre frequency converges slowly to the target frequency. During this slow converge period, interference leaks into the acquisition block, thus sabotaging the operation of the acquisition block. Furthermore, if the CWI continuously hops within the GPS L1 in-band region, the subsequent interference frequency is locked onto after a delay, which means constant interference occurs in the receiver throughout the delay period. This research contributes to the field of interference mitigation at GNSS's receiver end using adaptive signal processing, predominately for GPS. This research can be divided into three stages. I first designed, modelled and developed a Simulink-based GPS L1 signal simulator, providing a homogenous test signal for existing and proposed interference mitigation algorithms. Simulink-based GPS L1 signal simulator provided great flexibility to change various parameters to generate GPS L1 signal under different conditions, e.g. Doppler Shift, code phase delay and amount of propagation degradation. Furthermore, I modelled three acquisition schemes for GPS signals and tested GPS L1 signals acquisition via coherent and non-coherent integration methods. As a next step, I modelled different types of interference signals precisely and implemented and evaluated existing adaptive notch filters in MATLAB in terms of Carrier to Noise Density (\u1d436/\u1d4410), Signal to Noise Ratio (SNR), Peak Degradation Metric, and Mean Square Error (MSE) at the output of the acquisition module in order to create benchmarks. Finally, I designed, developed and implemented a novel algorithm that simultaneously adapts both coefficients in lattice-based ANF. Mathematically, I derived the full-gradient term for the notch's bandwidth parameter adaptation and developed a framework for simultaneously adapting both coefficients of a lattice-based adaptive notch filter. I evaluated the performance of existing and proposed interference mitigation techniques under different types of interference signals. Moreover, I critically analysed different internal signals within the ANF structure in order to develop a new threshold parameter that resets the notch bandwidth at the start of each subsequent interference frequency. As a result, I further reduce the complexity of the structural implementation of lattice-based ANF, allowing for efficient hardware realisation and lower computational costs. It is concluded from extensive simulation results that the proposed fully adaptive lattice-based provides better interference mitigation performance and superior convergence properties to target frequency compared to traditional ANF algorithms. It is demonstrated that by employing the proposed algorithm, a receiver is able to operate with a higher dynamic range of JNR than is possible with existing methods. This research also presents the design and MATLAB implementation of a parameterisable Complex Adaptive Notch Filer (CANF). Present analysis on higher order CANF for detecting and mitigating various types of interference for complex baseband GPS L1 signals. In the end, further research was conducted to suppress interference in the GPS L1 signal by exploiting autocorrelation properties and discarding some portion of the main lobe of the GPS L1 signal. It is shown that by removing 30% spectrum of the main lobe, either from left, right, or centre, the GPS L1 signal is still acquirable

Modeling the Effects of the Local Environment on a Received GNSS Signal

There is an ongoing need in the GNSS community for the development of high-fidelity simulators which generate data that replicates what can truly be expected from a challenging environment such as an urban canyon or an indoor environment. The algorithm developed for use in the research in this dissertation, the Signal Decomposition and Parameterization Algorithm (SDPA), is presented in order to respond to this need. This algorithm is designed to decompose a signal received using a GNSS recording and playback system and output parameters that can be used to reconstruct the effects on the signal of the environment local to the receiver at the time of recording. The SDPA itself is presented and compared with what is believed to be the state-of-the-art in GNSS multipath parameterization, a Space Alternating Generalized Expectation Maximization (SAGE) algorithm. The development and characterization of a stopping criteria that can be used to halt the SDPA when parameterization of salient components within a recorded signal has been completed