Characterization and modelling of software defined radio front-ends

O presente trabalho tem por objectivo estudar a caracterização e modelação de arquitecturas de rádio frequência para aplicações em rádios definidos por software e rádios cognitivos. O constante aparecimento no mercado de novos padrões e tecnologias para comunicações sem fios têm levantado algumas limitações à implementação de transceptores rádio de banda larga. Para além disso, o uso de sistemas reconfiguráveis e adaptáveis baseados no conceito de rádio definido por software e rádio cognitivo assegurará a evolução para a próxima geração de comunicações sem fios. A ideia base desta tese passa por resolver alguns problemas em aberto e propor avanços relevantes, tirando para isso partido das capacidades providenciadas pelos processadores digitais de sinal de forma a melhorar o desempenho global dos sistemas propostos. Inicialmente, serão abordadas várias estratégias para a implementação e projecto de transceptores rádio, concentrando-se sempre na aplicabilidade específica a sistemas de rádio definido por software e rádio cognitivo. Serão também discutidas soluções actuais de instrumentação capaz de caracterizar um dispositivo que opere simultaneamente nos domínios analógico e digital, bem como, os próximos passos nesta área de caracterização e modelação. Além disso, iremos apresentar novos formatos de modelos comportamentais construídos especificamente para a descrição e caracterização não-linear de receptores de amostragem passa-banda, bem como, para sistemas nãolineares que utilizem sinais multi-portadora. Será apresentada uma nova arquitectura suportada na avaliação estatística dos sinais rádio que permite aumentar a gama dinâmica do receptor em situações de multi-portadora. Da mesma forma, será apresentada uma técnica de maximização da largura de banda de recepção baseada na utilização do receptor de amostragem passa-banda no formato complexo. Finalmente, importa referir que todas as arquitecturas propostas serão acompanhadas por uma introdução teórica e simulações, sempre que possível, sendo após isto validadas experimentalmente por protótipos laboratoriais.

This work investigates the characterization and modeling of radio frequency front-ends for software defined radio and cognitive radio applications. The emergence of new standards and technologies in the wireless communications market are raising several issues to the implementation of wideband transceiver systems. Also, reconfigurable and adaptable systems based on software defined and cognitive radio models are paving the way for the next generation of wireless systems. In this doctoral thesis the fundamental idea is to address the particular open issues and propose appropriate advancements by exploring and taking profit from new capabilities of digital signal processors in a way to improve the overall performance of the novel schemes. Receiver and transmitter strategies for radio communications are summarized by concentrating on the usability for software defined radio and cognitive radio systems. Available instrumentation and next steps for analog and digital radio frequency hardware characterization is also discussed. Wideband behavioral model formats are proposed for nonlinear description and characterization of bandpass sampling receivers, as well as, for multi-carrier nonlinear systems operation. The proposed models share a great flexibility and have the freedom to be simply expanded to other fields. A new design for receiver dynamic range improvement in multi-carrier scenarios is proposed, which is supported on the useful wireless signals statistical evaluation. Additionally, receiver-side bandwidth maximization based on higher-order bandpass sampling approaches is evaluated. All the proposed designs and modeling strategies are accompanied by theoretical backgrounds and simulations whenever possible, being then experimentally validated by laboratory prototypes.

Doutoramento em Engenharia Electrotécnica