Area-Efficient Linear Regression Architecture for Real-Time Signal Processing on FPGAs

Linear regression is a technique widely used in digital signal processing. It consists on finding the linear function that better fits a given set of samples. This paper proposes different hardware architectures for the implementation of the linear regression method on FPGAs, specially targeting area restrictive systems. It saves area at the cost of constraining the lengths of the input signal to some fixed values. We have implemented the proposed scheme in an Automatic Modulation Classifier, meeting the hard real-time constraints this kind of systems have.

Time evolution of frequency components In a chaotic digital signal

The type of signals obtained has conditioned chaos analysis tools. Almost in every case, they have analogue characteristics. But in certain cases, a chaotic digital signal is obtained and theses signals need a different approach than conventional analogue ones. The main objective of this paper will be to present some possible approaches to the study of this signals and how information about their characteristics may be obtained in the more straightforward possible way. We have obtained digital chaotic signals from an Optical Logic Cell with some feedback between output and one of the possible control gates. This chaos has been reported in several papers and its characteristics have been employed as a possible method to secure communications and as a way to encryption. In both cases, the influence of some perturbation in the transmission medium gave problems both for the synchronization of chaotic generators at emitter and receiver and for the recovering of information data. A proposed way to analyze the presence of some perturbation is to study the noise contents of transmitted signal and to implement a way to eliminate it. In our present case, the digital signal will be converted to a multilevel one by grouping bits in packets of 8 bits and applying conventional methods of time-frequency analysis to them. The results give information about the change in signals characteristics and hence some information about the noise or perturbations present. Equivalent representations to the phase and to the Feigenbaum diagrams for digital signals are employed in this case.

Digital image processing techniques as a tool for evaluating and mapping patinas on granite monuments

Monument conservation is related to the interaction between the original petrological parameters of the rock and external factors in the area where the building is sited, such as weather conditions, pollution, and so on. Depending on the environmental conditions and the characteristics of the materials used, different types of weathering predominate. In all, the appearance of surface crusts constitutes a first stage, whose origin can often be traced to the properties of the material itself. In the present study, different colours of “patinas” were distinguished by defining the threshold levels of greys associated with “pathology” in the histogram. These data were compared to background information and other parameters, such as mineralogical composition, porosity, and so on, as well as other visual signs of deterioration. The result is a map of the pathologies associated with “cover films” on monuments, which generate images by relating colour characteristics to desired properties or zones of interest.

Optical signal processing with electrooptic modulators and dispersion

A review of the main techniques that have been proposed for temporal processing of optical pulses that are the counterpart of the well-known spatial arrangements will be presented. They are translated to the temporal domain via the space-time duality and implemented with electrooptical phase and amplitude modulators and dispersive devices. We will introduce new variations of the conventional approaches and we will focus on their application to optical communications systems

Técnicas de procesado digital de señal aplicadas a acelerómetros

En este proyecto se estudian y analizan las diferentes técnicas de procesado digital de señal aplicadas a acelerómetros. Se hace uso de una tarjeta de prototipado, basada en DSP, para realizar las diferentes pruebas. El proyecto se basa, principalmente, en realizar filtrado digital en señales provenientes de un acelerómetro en concreto, el 1201F, cuyo campo de aplicación es básicamente la automoción. Una vez estudiadas la teoría de procesado y las características de los filtros, diseñamos una aplicación basándonos sobre todo en el entorno en el que se desarrollaría una aplicación de este tipo. A lo largo del diseño, se explican las diferentes fases: diseño por ordenador (Matlab), diseño de los filtros en el DSP (C), pruebas sobre el DSP sin el acelerómetro, calibración del acelerómetro, pruebas finales sobre el acelerómetro... Las herramientas utilizadas son: la plataforma Kit de evaluación 21-161N de Analog Devices (equipado con el entorno de desarrollo Visual DSP 4.5++), el acelerómetro 1201F, el sistema de calibración de acelerómetros CS-18-LF de Spektra y los programas software MATLAB 7.5 y CoolEditPRO 2.0. Se realizan únicamente filtros IIR de 2º orden, de todos los tipos (Butterworth, Chebyshev I y II y Elípticos). Realizamos filtros de banda estrecha, paso-banda y banda eliminada, de varios tipos, dentro del fondo de escala que permite el acelerómetro. Una vez realizadas todas las pruebas, tanto simulaciones como físicas, se seleccionan los filtros que presentan un mejor funcionamiento y se analizan para obtener conclusiones. Como se dispone de un entorno adecuado para ello, se combinan los filtros entre sí de varias maneras, para obtener filtros de mayor orden (estructura paralelo). De esta forma, a partir de filtros paso-banda, podemos obtener otras configuraciones que nos darán mayor flexibilidad. El objetivo de este proyecto no se basa sólo en obtener buenos resultados en el filtrado, sino también de aprovechar las facilidades del entorno y las herramientas de las que disponemos para realizar el diseño más eficiente posible. In this project, we study and analize digital signal processing in order to design an accelerometer-based application. We use a hardware card of evaluation, based on DSP, to make different tests. This project is based in design digital filters for an automotion application. The accelerometer type is 1201F. First, we study digital processing theory and main parameters of real filters, to make a design based on the application environment. Along the application, we comment all the different steps: computer design (Matlab), filter design on the DSP (C language), simulation test on the DSP without the accelerometer, accelerometer calibration, final tests on the accelerometer... Hardware and software tools used are: Kit of Evaluation 21-161-N, based on DSP, of Analog Devices (equiped with software development tool Visual DSP 4.5++), 1201-F accelerometer, CS-18-LF calibration system of SPEKTRA and software tools MATLAB 7.5 and CoolEditPRO 2.0. We only perform 2nd orden IIR filters, all-type : Butterworth, Chebyshev I and II and Ellyptics. We perform bandpass and stopband filters, with very narrow band, taking advantage of the accelerometer's full scale. Once all the evidence, both simulations and physical, are finished, filters having better performance and analyzed and selected to draw conclusions. As there is a suitable environment for it, the filters are combined together in different ways to obtain higher order filters (parallel structure). Thus, from band-pass filters, we can obtain many configurations that will give us greater flexibility. The purpose of this project is not only based on good results in filtering, but also to exploit the facilities of the environment and the available tools to make the most efficient design possible.

Digital Coherent Receivers and Advanced Optical Modulation Formats in 100 and 200 Gb/s DWDM Systems

Recent advances in coherent optical receivers is reviewed. Digital-Signal-Processing (DSP) based phase and polarization management techniques make coherent detection robust and feasible. With coherent detection, the complex field of the received optical signal is fully recovered, allowing compensation of linear and nonlinear optical impairments including chromatic dispersion (CD) and polarization-mode dispersion (PMD) using digital filters. Coherent detection and advanced optical modulation formats have become a key ingredient to the design of modern dense wavelength-division multiplexed (DWDM) optical broadband networks. In this paper, firstly we present the different subsystems of a digital coherent optical receiver, and secondly, we will compare the performance of some multi-level and multi-dimensional modulation formats in some physical impairments and in high spectral-efficiency (SE) and high-capacity DWDM transmissions, simulating the DSP with Matlab and the optical network performance with OptiSystem software.

Diseño y análisis de unidades didácticas para Procesado Digital de la Señal.

Este Proyecto Fin de Carrera pretende desarrollar una serie de unidades didácticas orientadas a mejorar el aprendizaje de la teoría de procesado digital de señales a través de la aplicación práctica. Con tal fin, se han diseñado una serie de prácticas que permitan al alumno alcanzar un apropiado nivel de conocimiento de la asignatura, la adquisición de competencias y alcanzar los resultados de aprendizaje previstos. Para desarrollar el proyecto primero se ha realizado una selección apropiada de los contenidos de la teoría de procesado digital de señales en relación con los resultados de aprendizaje esperados, seguidamente se han diseñado y validado unas prácticas basadas en un entorno de trabajo basado en MATLAB y DSP, y por último se ha redactado un manual de laboratorio que combina una parte teórica con su práctica correspondiente. El objetivo perseguido con la realización de estas prácticas es alcanzar un equilibrio teórico/práctico que permita sacar el máximo rendimiento de la asignatura desde el laboratorio, trabajando principalmente con el IDE Code Composer Studio junto con un kit de desarrollo basado en un DSP. ABSTRACT. This dissertation intends to develop some lessons oriented to improve about the digital signal processing theory. In order to get this objective some practices have been developed to allow to the students to achieve an appropriate level of knowledge of the subject, acquire skills and achieve the intended learning outcomes. To develop the project firstly it has been made an appropriate selection of the contents of the digital signal processing theory related with the expected results. After that, five practices based in a work environment based on Matlab and DSP have been designed and validated, and finally a laboratory manual has been drafted that combines the theoretical part with its corresponding practice. The objective with the implementation of these practices is to achieve a theoretical / practical balance to get the highest performance to the subject from the laboratory working mainly with the Code Composer Studio IDE together a development kit based on DSP.

Desarrollo de herramientas para la autoevaluación del Laboratorio de Procesado Digital de la Señal

Este proyecto tiene como objetivo el desarrollo de una herramienta que permita al alumno la autocorrección de prácticas de la asignatura de Procesado Digital de la Señal. La herramienta será diseñada por medio del GUI de Matlab, que permite la creación de interfaces gráficos de usuario para la interacción con el alumno, así él mismo podrá comprobar si los resultado obtenidos para el enunciado de la práctica facilitado son correctos. La evaluación del alumno se llevará a cabo pidiendo distintas respuestas sobre las prácticas y comparándolas posteriormente con los resultados correctos. El código invisible al usuario será el encargado de indicar si el resultado es correcto o no lo es. ABSTRACT. The aim of this project is to develop a tool for the students of Digital Signal Processing that help them self-correct their lab exercises. The tool will be designed using the Matlab GUI, which allows the creation of graphical user interfaces to interact with the student, who can check whether the results obtained are correct or not. The student will be asked about different results of the exercises and the answers will be compared with the correct results. A part of the tool hidden to the student will reveal to the lecturer the outcome of this comparison.

Some applications of distributed signal processing

In this work we review some earlier distributed algorithms developed by the authors and collaborators, which are based on two different approaches, namely, distributed moment estimation and distributed stochastic approximations. We show applications of these algorithms on image compression, linear classification and stochastic optimal control. In all cases, the benefit of cooperation is clear: even when the nodes have access to small portions of the data, by exchanging their estimates, they achieve the same performance as that of a centralized architecture, which would gather all the data from all the nodes.

Piezoelectric sensing and non-parametric statistical signal processing for health monitoring of hysteretic dampers used in seismic-resistant structures

The paper proposes a new application of non-parametric statistical processing of signals recorded from vibration tests for damage detection and evaluation on I-section steel segments. The steel segments investigated constitute the energy dissipating part of a new type of hysteretic damper that is used for passive control of buildings and civil engineering structures subjected to earthquake-type dynamic loadings. Two I-section steel segments with different levels of damage were instrumented with piezoceramic sensors and subjected to controlled white noise random vibrations. The signals recorded during the tests were processed using two non-parametric methods (the power spectral density method and the frequency response function method) that had never previously been applied to hysteretic dampers. The appropriateness of these methods for quantifying the level of damage on the I-shape steel segments is validated experimentally. Based on the results of the random vibrations, the paper proposes a new index that predicts the level of damage and the proximity of failure of the hysteretic damper

Development of Efficient FPGA-Based Multi-Channel Phase Meters for IR-Interferometers

Infrared (IR) interferometry is a method for measuring the line-electron density of fusion plasmas. The significant performance achieved by FPGAs in solving digital signal processing tasks advocates the use of this type of technology in two-color IR interferometers of modern stellarators, such as the TJ-II (Madrid, Spain) and the future W7-X (Greifswald, Germany). In this work the implementation of a line-average electron density measuring system in an FPGA device is described. Several optimizations for multichannel systems are detailed and test results from the TJ-II as well as from a W7-X prototype are presented.

Implementation of wireless communication based on Software Defined Radio

In current communication systems, there are many new challenges like various competitive standards, the scarcity of frequency resource, etc., especially the development of personal wireless communication systems result the new system update faster than ever before, the conventional hardware-based wireless communication system is difficult to adapt to this situation. The emergence of SDR enabled the third revolution of wireless communication which from hardware to software and build a flexible, reliable, upgradable, reusable, reconfigurable and low cost platform. The Universal Software Radio Peripheral (USRP) products are commonly used with the GNU Radio software suite to create complex SDR systems. GNU Radio is a toolkit where digital signal processing blocks are written in C++, and connected to each other with Python. This makes it easy to develop more sophisticated signal processing systems, because many blocks already written by others and you can quickly put them together to create a complete system. Although the main function of GNU Radio is not be a simulator, but if there is no RF hardware components,it supports to researching the signal processing algorithm based on pre-stored and generated data by signal generator. This thesis introduced SDR platform from hardware (USRP) and software(GNU Radio), as well as some basic modulation techniques in wireless communication system. Based on the examples provided by GNU Radio, carried out some related experiments, for example GSM scanning and FM radio station receiving on USRP. And make a certain degree of improvement based on the experience of some investigators to observe OFDM spectrum and simulate real-time video transmission. GNU Radio combine with USRP hardware proved to be a valuable lab platform for implementing complex radio system prototypes in a short time. RESUMEN. Software Defined Radio (SDR) es una tecnología emergente que está creando un impacto revolucionario en la tecnología de radio convencional. Un buen ejemplo de radio software son los sistemas de código abierto llamados GNU Radio que emplean un kit de herramientas de desarrollo de software libre. En este trabajo se ha empleado un kit de desarrollo comercial (Ettus Research) que consiste en un módulo de procesado de señal y un hardaware sencillo. El módulo emplea un software de desarrollo basado en Linux sobre el que se pueden implementar aplicaciones de radio software muy variadas. El hardware de desarrollo consta de un microprocesador de propósito general, un dispositivo programable (FPGA) y un interfaz de radiofrecuencia que cubre de 50 a 2200MHz. Este hardware se conecta al PC por medio de un interfaz USB de 8Mb/s de velocidad. Sobre la plataforma de Ettus se pueden ejecutar aplicaciones GNU radio que utilizan principalmente lenguaje de programación Python para implementarse. Sin embargo, su módulo de procesado de señal está construido en C + + y emplea un microprocesador con aritmética de coma flotante. Por lo tanto, los desarrolladores pueden rápida y fácilmente construir aplicaciones en tiempo real sistemas de comunicación inalámbrica de alta capacidad. Aunque su función principal no es ser un simulador, si no puesto que hay componentes de hardware RF, Radio GNU sirve de apoyo a la investigación del algoritmo de procesado de señales basado en pre-almacenados y generados por los datos del generador de señal. En este trabajo fin de máster se ha evaluado la plataforma de hardware de DEG (USRP) y el software (GNU Radio). Para ello se han empleado algunas técnicas de modulación básicas en el sistema de comunicación inalámbrica. A partir de los ejemplos proporcionados por GNU Radio, hemos realizado algunos experimentos relacionados, por ejemplo, escaneado del espectro, demodulación de señales de FM empleando siempre el hardware de USRP. Una vez evaluadas aplicaciones sencillas se ha pasado a realizar un cierto grado de mejora y optimización de aplicaciones complejas descritas en la literatura. Se han empleado aplicaciones como la que consiste en la generación de un espectro de OFDM y la simulación y transmisión de señales de vídeo en tiempo real. Con estos resultados se está ahora en disposición de abordar la elaboración de aplicaciones complejas.

Integración del descodificador OpenSVC en el DSP del OMAP3530

Hoy en día el uso de dispositivos portátiles multimedia es ya una realidad totalmente habitual. Además, estos dispositivos tienen una capacidad de cálculo y unos recursos gráficos y de memoria altos, tanto es así que por ejemplo en un móvil se pueden reproducir vídeos de muy alta calidad o tener capacidad para manejar entornos 3D. El precio del uso de estos recursos es un mayor consumo de batería que en ocasiones es demasiado alto y acortan en gran medida la vida de la carga útil de la batería. El Grupo de Diseño Electrónico y Microelectrónico de la Universidad Politécnica de Madrid ha abierto una línea de trabajo que busca la optimización del consumo de energía en este tipo de dispositivos, concretamente en el ámbito de la reproducción de vídeo. El enfoque para afrontar la solución del problema se basa en obtener un mayor rendimiento de la batería a costa de disminuir la experiencia multimedia del usuario. De esta manera, cuando la carga de la batería esté por debajo de un determinado umbral mientras el dispositivo esté reproduciendo un vídeo de alta calidad será el dispositivo quien se autoconfigure dinámicamente para consumir menos potencia en esta tarea, reduciendo la tasa de imágenes por segundo o la resolución del vídeo que se descodifica. Además de lo citado anteriormente se propone dividir la descodificación y la representación del vídeo en dos procesadores, uno de propósito general y otro para procesado digital de señal, con esto se consigue que tener la misma capacidad de cálculo que con un solo procesador pero a una frecuencia menor. Para materializar la propuesta se usará la tarjeta BeagleBoard basada en un procesador multinúcleo OMAP3530 de Texas Instrument que contiene dos núcleos: un ARM1 Cortex-A8 y un DSP2 de la familia C6000. Este procesador multinúcleo además permite modificar la frecuencia de reloj y la tensión de alimentación dinámicamente para conseguir reducir de este modo el consumo del terminal. Por otro lado, como reproductor de vídeos se utilizará una versión de MPlayer que integra un descodificador de vídeo escalable que permite elegir dinámicamente la resolución o las imágenes por segundo que se decodifican para posteriormente mostrarlas. Este reproductor se ejecutará en el núcleo ARM pero debido a la alta carga computacional de la descodificación de vídeos, y que el ARM no está optimizado para este tipo de procesado de datos, el reproductor debe encargar la tarea de la descodificación al DSP. El objetivo de este Proyecto Fin de Carrera consiste en que mientras el descodificador de vídeo está ejecutándose en el núcleo DSP y el Mplayer en el núcleo ARM del OMAP3530 se pueda elegir dinámicamente qué parte del vídeo se descodifica, es decir, seleccionar en tiempo real la calidad o capa del vídeo que se quiere mostrar. Haciendo esto, se podrá quitar carga computacional al núcleo ARM y asignársela al DSP el cuál puede procesarla a menor frecuencia para ahorrar batería. 1 ARM: Es una arquitectura de procesadores de propósito general basada en RISC (Reduced Instruction Set Computer). Es desarrollada por la empresa inglesa ARM holdings. 2 DSP: Procesador Digital de Señal (Digital Signal Processor). Es un sistema basado en procesador, el cual está orientado al cálculo matemático a altas velocidad. Generalmente poseen varias unidades aritmético-lógicas (ALUs) para conseguir realizar varias operaciones simultáneamente. SUMMARY. Nowadays, the use of multimedia devices is a well known reality. In addition, these devices have high graphics and calculus performance and a lot of memory as well. In instance, we can play high quality videos and 3D environments in a mobile phone. That kind of use may increase the device's power consumption and make shorter the battery duration. Electronic and Microelectronic Design Group of Technical University of Madrid has a research line which is looking for optimization of power consumption while these devices are playing videos. The solution of this trouble is based on taking more advantage of battery by decreasing multimedia user experience. On this way, when battery charge is under a threshold while device is playing a high quality video the device is going to configure itself dynamically in order to decrease its power consumption by decreasing frame per second rate, video resolution or increasing the noise in the decoded frame. It is proposed splitting decoding and representation tasks in two processors in order to have the same calculus capability with lower frecuency. The first one is specialized in digital signal processing and the other one is a general purpose processor. In order to materialize this proposal we will use a board called BeagleBoard which is based on a multicore processor called OMAP3530 from Texas Instrument. This processor includes two cores: ARM Cortex-A8 and a TMS320C64+ DSP core. Changing clock frequency and supply voltage is allowed by OMAP3530, we can decrease the power consumption on this way. On the other hand, MPlayer will be used as video player. It includes a scalable video decoder which let us changing dynamically the resolution or frames per second rate of the video in order to show it later. This player will be executed by ARM core but this is not optimized for this task, for that reason, DSP core will be used to decoding video. The target of this final career project is being able to choose which part of the video is decoded each moment while decoder is executed by DSP and Mplayer by ARM. It will be able to change in real time the video quality, resolution and frames per second that user want to show. On this way, reducing the computational charge within the processor will be possible.

El sistema de grabación y reproducción sonora ambiofónico

Este proyecto fin de carrera trata del sistema de grabación y reproducción sonora ambiofónico, destacar que este sistema y la tecnología que emplea es de dominio público. La ambiofonía se basa en un amalgama de investigaciones recientes y de los ya bien sabidos principios psicoacústicos y binaurales. Estos avances han expandido nuevas fronteras en lo concerniente a la grabación y reproducción de audio, así como de presentar al oyente un campo sonoro a la entrada de sus oídos lo más parecido posible al campo sonoro al que se expondría al oyente en el momento y lugar de la toma de sonido, es decir, reconstruye un campo sonora binaural. Este sistema ha podido desarrollarse, de una manera bastante satisfactoria, gracias a todos los estudios y textos anteriores en materia de psicoacústica y del mecanismo de escucha humano. Otro factor gracias al cual es posible y asequible, tanto el desarrollo como el disfrute de esta tecnología, es el hecho que en nuestros días es muy económico disponer de ordenadores lo suficientemente potentes y rápidos para realizar el procesado de señales que se requiere de una manera bastante rápida. Los desarrolladores de dicha tecnología han publicado diversos documentos y archivos descargables de la red con aplicaciones para la implementación de sistemas ambiofónicos de manera gratuita para uso privado. El sistema ambiofónico se basa en la combinación de factores psicoacústicos ignorados o subestimados y lo ya sabido sobre las propiedades acústicas de salas, tanto de salas en las que tienen lugar las ejecuciones musicales (auditorios, teatros, salas de conciertos...), como de salas de escucha (salones de domicilios, controles de estudios...). En la parte práctica del proyecto se van a realizar una serie de grabaciones musicales empleando tanto técnicas estereofónicas tradicionales como ambiofónicas de grabación con el fin de describir y comparar ambas técnicas microfónicas. También servirá para estudiar hasta que punto es favorable subjetivamente para el oyente el hecho de realizar la toma de sonido teniendo en cuenta las propiedades del sistema de reproducción ambiofónico. Esta comparación nos dará una idea de hasta donde se puede llegar, en cuanto a sensación de realidad para el oyente, al tener en cuenta durante el proceso de grabación efectos como la respuesta del pabellón auditivo del oyente, la cual es única, y que posteriormente la diafonía interaural va a ser cancelada mediante un procesado digital de señal. ABSTRACT. This final project is about the ambiophonic recording and playback system, note that this system and the technology it uses is of public domain. Ambiophonics is based on an amalgam of recent research and to the well known and binaural psychoacoustic principles. These advances have expanded new frontiers with regard to the audio recording and playback, as well as to present the listener a sound field at the entrance of their ears as close as possible to the sound field that would the listener be exposed to at the time and place of the mucial interpretation, so we can say that ambiophonics reconstructs a binaural sound field . This system has been developed, in a fairly satisfactory way, thanks to all the studies and previous texts on psychoacoustics and human listening mechanism. Another factor by which it is possible and affordable, both the development and the enjoyment of this technology, is the fact that in our days is inexpensive to usres to own computers that are powerful and fast enough to perform the signal processing that is required in a short time. The developers of this technology have published several documents and downloadable files on the network with applications for ambiophonics system implementation for free. Ambiophonics is based on a combination of factors ignored or underestimated psychoacousticly and what is already known about the acoustic properties of rooms, including rooms where musical performances take place (auditoriums, theaters, concert halls...), and listening rooms (concet halls, studios controls...). In the practical part of the project will be making a series of musical recordings using both traditional stereo recording techniques and recording techiniques compatible with ambiophonics in order to describe and compare both recording techniques. It will also examine to what extent is subjectively favorable for the listener the fact of considering the playback system properties of ambiophonics during the recording stage. This comparison will give us an idea of how far can we get, in terms of sense of reality to the listener, keeping in mind during the recording process the effects introduced by the response of the ear of the listener, which is unique, and that the subsequently interaural crosstalk will be canceled by a digital signal processing.

Design and Validation of an Optimized MB-OFDM Ultra Wideband Transceiver System

Esta tesis está incluida dentro del campo del campo de Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ultra Wideband (MB-OFDM UWB), el cual ha adquirido una gran importancia en las comunicaciones inalámbricas de alta tasa de datos en la última década. UWB surgió con el objetivo de satisfacer la creciente demanda de conexiones inalámbricas en interiores y de uso doméstico, con bajo coste y alta velocidad. La disponibilidad de un ancho de banda grande, el potencial para alta velocidad de transmisión, baja complejidad y bajo consumo de energía, unido al bajo coste de implementación, representa una oportunidad única para que UWB se convierta en una solución ampliamente utilizada en aplicaciones de Wireless Personal Area Network (WPAN). UWB está definido como cualquier transmisión que ocupa un ancho de banda de más de 20% de su frecuencia central, o más de 500 MHz. En 2002, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) definió que el rango de frecuencias de transmisión de UWB legal es de 3.1 a 10.6 GHz, con una energía de transmisión de -41.3 dBm/Hz. Bajo las directrices de FCC, el uso de la tecnología UWB puede aportar una enorme capacidad en las comunicaciones de corto alcance. Considerando las ecuaciones de capacidad de Shannon, incrementar la capacidad del canal requiere un incremento lineal en el ancho de banda, mientras que un aumento similar de la capacidad de canal requiere un aumento exponencial en la energía de transmisión. En los últimos años, s diferentes desarrollos del UWB han sido extensamente estudiados en diferentes áreas, entre los cuales, el protocolo de comunicaciones inalámbricas MB-OFDM UWB está considerado como la mejor elección y ha sido adoptado como estándar ISO/IEC para los WPANs. Combinando la modulación OFDM y la transmisión de datos utilizando las técnicas de salto de frecuencia, el sistema MB-OFDM UWB es capaz de soportar tasas de datos con que pueden variar de los 55 a los 480 Mbps, alcanzando una distancia máxima de hasta 10 metros. Se esperara que la tecnología MB-OFDM tenga un consumo energético muy bajo copando un are muy reducida en silicio, proporcionando soluciones de bajo coste que satisfagan las demandas del mercado. Para cumplir con todas estas expectativas, el desarrollo y la investigación del MBOFDM UWB deben enfrentarse a varios retos, como son la sincronización de alta sensibilidad, las restricciones de baja complejidad, las estrictas limitaciones energéticas, la escalabilidad y la flexibilidad. Tales retos requieren un procesamiento digital de la señal de última generación, capaz de desarrollar sistemas que puedan aprovechar por completo las ventajas del espectro UWB y proporcionar futuras aplicaciones inalámbricas en interiores. Esta tesis se centra en la completa optimización de un sistema de transceptor de banda base MB-OFDM UWB digital, cuyo objetivo es investigar y diseñar un subsistema de comunicación inalámbrica para la aplicación de las Redes de Sensores Inalámbricas Visuales. La complejidad inherente de los procesadores FFT/IFFT y el sistema de sincronización así como la alta frecuencia de operación para todos los elementos de procesamiento, se convierten en el cuello de la botella para el diseño y la implementación del sistema de UWB digital en base de banda basado en MB-OFDM de baja energía. El objetivo del transceptor propuesto es conseguir baja energía y baja complejidad bajo la premisa de un alto rendimiento. Las optimizaciones están realizadas tanto a nivel algorítmico como a nivel arquitectural para todos los elementos del sistema. Una arquitectura hardware eficiente en consumo se propone en primer lugar para aquellos módulos correspondientes a núcleos de computación. Para el procesado de la Transformada Rápida de Fourier (FFT/IFFT), se propone un algoritmo mixed-radix, basado en una arquitectura con pipeline y se ha desarrollado un módulo de Decodificador de Viterbi (VD) equilibrado en coste-velocidad con el objetivo de reducir el consumo energético e incrementar la velocidad de procesamiento. También se ha implementado un correlador signo-bit simple basado en la sincronización del tiempo de símbolo es presentado. Este correlador es usado para detectar y sincronizar los paquetes de OFDM de forma robusta y precisa. Para el desarrollo de los subsitemas de procesamiento y realizar la integración del sistema completo se han empleado tecnologías de última generación. El dispositivo utilizado para el sistema propuesto es una FPGA Virtex 5 XC5VLX110T del fabricante Xilinx. La validación el propuesta para el sistema transceptor se ha implementado en dicha placa de FPGA. En este trabajo se presenta un algoritmo, y una arquitectura, diseñado con filosofía de co-diseño hardware/software para el desarrollo de sistemas de FPGA complejos. El objetivo principal de la estrategia propuesta es de encontrar una metodología eficiente para el diseño de un sistema de FPGA configurable optimizado con el empleo del mínimo esfuerzo posible en el sistema de procedimiento de verificación, por tanto acelerar el periodo de desarrollo del sistema. La metodología de co-diseño presentada tiene la ventaja de ser fácil de usar, contiene todos los pasos desde la propuesta del algoritmo hasta la verificación del hardware, y puede ser ampliamente extendida para casi todos los tipos de desarrollos de FPGAs. En este trabajo se ha desarrollado sólo el sistema de transceptor digital de banda base por lo que la comprobación de señales transmitidas a través del canal inalámbrico en los entornos reales de comunicación sigue requiriendo componentes RF y un front-end analógico. No obstante, utilizando la metodología de co-simulación hardware/software citada anteriormente, es posible comunicar el sistema de transmisor y el receptor digital utilizando los modelos de canales propuestos por IEEE 802.15.3a, implementados en MATLAB. Por tanto, simplemente ajustando las características de cada modelo de canal, por ejemplo, un incremento del retraso y de la frecuencia central, podemos estimar el comportamiento del sistema propuesto en diferentes escenarios y entornos. Las mayores contribuciones de esta tesis son: • Se ha propuesto un nuevo algoritmo 128-puntos base mixto FFT usando la arquitectura pipeline multi-ruta. Los complejos multiplicadores para cada etapa de procesamiento son diseñados usando la arquitectura modificada shiftadd. Los sistemas word length y twiddle word length son comparados y seleccionados basándose en la señal para cuantización del SQNR y el análisis de energías. • El desempeño del procesador IFFT es analizado bajo diferentes situaciones aritméticas de bloques de punto flotante (BFP) para el control de desbordamiento, por tanto, para encontrar la arquitectura perfecta del algoritmo IFFT basado en el procesador FFT propuesto. • Para el sistema de receptor MB-OFDM UWB se ha empleado una sincronización del tiempo innovadora, de baja complejidad y esquema de compensación, que consiste en funciones de Detector de Paquetes (PD) y Estimación del Offset del tiempo. Simplificando el cross-correlation y maximizar las funciones probables solo a sign-bit, la complejidad computacional se ve reducida significativamente. • Se ha propuesto un sistema de decodificadores Viterbi de 64 estados de decisión-débil usando velocidad base-4 de arquitectura suma-comparaselecciona. El algoritmo Two-pointer Even también es introducido en la unidad de rastreador de origen con el objetivo de conseguir la eficiencia en el hardware. • Se han integrado varias tecnologías de última generación en el completo sistema transceptor basebanda , con el objetivo de implementar un sistema de comunicación UWB altamente optimizado. • Un diseño de flujo mejorado es propuesto para el complejo sistema de implementación, el cual puede ser usado para diseños de Cadena de puertas de campo programable general (FPGA). El diseño mencionado no sólo reduce dramáticamente el tiempo para la verificación funcional, sino también provee un análisis automático como los errores del retraso del output para el sistema de hardware implementado. • Un ambiente de comunicación virtual es establecido para la validación del propuesto sistema de transceptores MB-OFDM. Este método es provisto para facilitar el uso y la conveniencia de analizar el sistema digital de basebanda sin parte frontera analógica bajo diferentes ambientes de comunicación. Esta tesis doctoral está organizada en seis capítulos. En el primer capítulo se encuentra una breve introducción al campo del UWB, tanto relacionado con el proyecto como la motivación del desarrollo del sistema de MB-OFDM. En el capítulo 2, se presenta la información general y los requisitos del protocolo de comunicación inalámbrica MBOFDM UWB. En el capítulo 3 se habla de la arquitectura del sistema de transceptor digital MB-OFDM de banda base . El diseño del algoritmo propuesto y la arquitectura para cada elemento del procesamiento está detallado en este capítulo. Los retos de diseño del sistema que involucra un compromiso de discusión entre la complejidad de diseño, el consumo de energía, el coste de hardware, el desempeño del sistema, y otros aspectos. En el capítulo 4, se ha descrito la co-diseñada metodología de hardware/software. Cada parte del flujo del diseño será detallado con algunos ejemplos que se ha hecho durante el desarrollo del sistema. Aprovechando esta estrategia de diseño, el procedimiento de comunicación virtual es llevado a cabo para probar y analizar la arquitectura del transceptor propuesto. Los resultados experimentales de la co-simulación y el informe sintético de la implementación del sistema FPGA son reflejados en el capítulo 5. Finalmente, en el capítulo 6 se incluye las conclusiones y los futuros proyectos, y también los resultados derivados de este proyecto de doctorado. ABSTRACT In recent years, the Wireless Visual Sensor Network (WVSN) has drawn great interest in wireless communication research area. They enable a wealth of new applications such as building security control, image sensing, and target localization. However, nowadays wireless communication protocols (ZigBee, Wi-Fi, and Bluetooth for example) cannot fully satisfy the demands of high data rate, low power consumption, short range, and high robustness requirements. New communication protocol is highly desired for such kind of applications. The Ultra Wideband (UWB) wireless communication protocol, which has increased in importance for high data rate wireless communication field, are emerging as an important topic for WVSN research. UWB has emerged as a technology that offers great promise to satisfy the growing demand for low-cost, high-speed digital wireless indoor and home networks. The large bandwidth available, the potential for high data rate transmission, and the potential for low complexity and low power consumption, along with low implementation cost, all present a unique opportunity for UWB to become a widely adopted radio solution for future Wireless Personal Area Network (WPAN) applications. UWB is defined as any transmission that occupies a bandwidth of more than 20% of its center frequency, or more than 500 MHz. In 2002, the Federal Communications Commission (FCC) has mandated that UWB radio transmission can legally operate in the range from 3.1 to 10.6 GHz at a transmitter power of －41.3 dBm/Hz. Under the FCC guidelines, the use of UWB technology can provide enormous capacity over short communication ranges. Considering Shannon’s capacity equations, increasing the channel capacity requires linear increasing in bandwidth, whereas similar channel capacity increases would require exponential increases in transmission power. In recent years, several different UWB developments has been widely studied in different area, among which, the MB-OFDM UWB wireless communication protocol is considered to be the leading choice and has recently been adopted in the ISO/IEC standard for WPANs. By combing the OFDM modulation and data transmission using frequency hopping techniques, the MB-OFDM UWB system is able to support various data rates, ranging from 55 to 480 Mbps, over distances up to 10 meters. The MB-OFDM technology is expected to consume very little power and silicon area, as well as provide low-cost solutions that can satisfy consumer market demands. To fulfill these expectations, MB-OFDM UWB research and development have to cope with several challenges, which consist of high-sensitivity synchronization, low- complexity constraints, strict power limitations, scalability, and flexibility. Such challenges require state-of-the-art digital signal processing expertise to develop systems that could fully take advantages of the UWB spectrum and support future indoor wireless applications. This thesis focuses on fully optimization for the MB-OFDM UWB digital baseband transceiver system, aiming at researching and designing a wireless communication subsystem for the Wireless Visual Sensor Networks (WVSNs) application. The inherent high complexity of the FFT/IFFT processor and synchronization system, and high operation frequency for all processing elements, becomes the bottleneck for low power MB-OFDM based UWB digital baseband system hardware design and implementation. The proposed transceiver system targets low power and low complexity under the premise of high performance. Optimizations are made at both algorithm and architecture level for each element of the transceiver system. The low-power hardwareefficient structures are firstly proposed for those core computation modules, i.e., the mixed-radix algorithm based pipelined architecture is proposed for the Fast Fourier Transform (FFT/IFFT) processor, and the cost-speed balanced Viterbi Decoder (VD) module is developed, in the aim of lowering the power consumption and increasing the processing speed. In addition, a low complexity sign-bit correlation based symbol timing synchronization scheme is presented so as to detect and synchronize the OFDM packets robustly and accurately. Moreover, several state-of-the-art technologies are used for developing other processing subsystems and an entire MB-OFDM digital baseband transceiver system is integrated. The target device for the proposed transceiver system is Xilinx Virtex 5 XC5VLX110T FPGA board. In order to validate the proposed transceiver system in the FPGA board, a unified algorithm-architecture-circuit hardware/software co-design environment for complex FPGA system development is presented in this work. The main objective of the proposed strategy is to find an efficient methodology for designing a configurable optimized FPGA system by using as few efforts as possible in system verification procedure, so as to speed up the system development period. The presented co-design methodology has the advantages of easy to use, covering all steps from algorithm proposal to hardware verification, and widely spread for almost all kinds of FPGA developments. Because only the digital baseband transceiver system is developed in this thesis, the validation of transmitting signals through wireless channel in real communication environments still requires the analog front-end and RF components. However, by using the aforementioned hardware/software co-simulation methodology, the transmitter and receiver digital baseband systems get the opportunity to communicate with each other through the channel models, which are proposed from the IEEE 802.15.3a research group, established in MATLAB. Thus, by simply adjust the characteristics of each channel model, e.g. mean excess delay and center frequency, we can estimate the transmission performance of the proposed transceiver system through different communication situations. The main contributions of this thesis are: • A novel mixed radix 128-point FFT algorithm by using multipath pipelined architecture is proposed. The complex multipliers for each processing stage are designed by using modified shift-add architectures. The system wordlength and twiddle word-length are compared and selected based on Signal to Quantization Noise Ratio (SQNR) and power analysis. • IFFT processor performance is analyzed under different Block Floating Point (BFP) arithmetic situations for overflow control, so as to find out the perfect architecture of IFFT algorithm based on the proposed FFT processor. • An innovative low complex timing synchronization and compensation scheme, which consists of Packet Detector (PD) and Timing Offset Estimation (TOE) functions, for MB-OFDM UWB receiver system is employed. By simplifying the cross-correlation and maximum likelihood functions to signbit only, the computational complexity is significantly reduced. • A 64 state soft-decision Viterbi Decoder system by using high speed radix-4 Add-Compare-Select architecture is proposed. Two-pointer Even algorithm is also introduced into the Trace Back unit in the aim of hardware-efficiency. • Several state-of-the-art technologies are integrated into the complete baseband transceiver system, in the aim of implementing a highly-optimized UWB communication system. • An improved design flow is proposed for complex system implementation which can be used for general Field-Programmable Gate Array (FPGA) designs. The design method not only dramatically reduces the time for functional verification, but also provides automatic analysis such as errors and output delays for the implemented hardware systems. • A virtual communication environment is established for validating the proposed MB-OFDM transceiver system. This methodology is proved to be easy for usage and convenient for analyzing the digital baseband system without analog frontend under different communication environments. This PhD thesis is organized in six chapters. In the chapter 1 a brief introduction to the UWB field, as well as the related work, is done, along with the motivation of MBOFDM system development. In the chapter 2, the general information and requirement of MB-OFDM UWB wireless communication protocol is presented. In the chapter 3, the architecture of the MB-OFDM digital baseband transceiver system is presented. The design of the proposed algorithm and architecture for each processing element is detailed in this chapter. Design challenges of such system involve trade-off discussions among design complexity, power consumption, hardware cost, system performance, and some other aspects. All these factors are analyzed and discussed. In the chapter 4, the hardware/software co-design methodology is proposed. Each step of this design flow will be detailed by taking some examples that we met during system development. Then, taking advantages of this design strategy, the Virtual Communication procedure is carried out so as to test and analyze the proposed transceiver architecture. Experimental results from the co-simulation and synthesis report of the implemented FPGA system are given in the chapter 5. The chapter 6 includes conclusions and future work, as well as the results derived from this PhD work.