Study of the impact from nonlinear distortion in radio receiver architectures

A dissertação de doutoramento apresentada insere-se na área de electrónica não-linear de rádio-frequência (RF), UHF e microondas, tendo como principal campo de acção o estudo da distorção nãolinear em arquitecturas de recepção rádio, nomeadamente receptores de conversão directa como Power Meters, RFID (Radio Frequency IDentification) ou SDR (Software Define Radio) front-ends. Partindo de um estudo exaustivo das actuais arquitecturas de recepção de radiofrequência e revendo todos os conceitos teóricos relacionados com o desempenho não-linear dos sistemas/componentes electrónicos, foram desenvolvidos algoritmos matemáticos de modulação dos comportamentos não-lineares destas arquitecturas, simulados e testados em laboratório e propostas novas arquitecturas para a minimização ou cancelamento do impacto negativo de grandes interferidores em frequências vizinhas ao do sistema pretendido.

Design and optimization next generation passive all-optical networks

Este trabalho investiga novas metodologias para as redes óticas de acesso de próxima geração (NG-OAN). O trabalho está dividido em quatro tópicos de investigação: projeto da rede, modelos numéricos para efeitos não lineares da fibra ótica, impacto dos efeitos não lineares da fibra ótica e otimização da rede. A rede ótica de acesso investigada nesse trabalho está projetado para suprir os requisitos de densidade de utilizadores e cobertura, isto é, suportar muitos utilizadores ( 1000) com altas velocidades de conexão dedicada ( 1 Gb/s) ocupando uma faixa estreita do espectro ( 25 nm) e comprimentos de fibra ótica até 100 km. Os cenários são baseados em redes óticas passivas com multiplexagem por divisão no comprimento de onda de alta densidade (UDWDM-PON) utilizando transmissores/receptores coerentes nos terminais da rede. A rede é avaliada para vários ritmos de transmissão usando formatos de modulação avançados, requisitos de largura de banda por utilizador e partilha de banda com tecnologias tradicionais de redes óticas passivas (PON). Modelos numéricos baseados em funções de transferência das séries de Volterra (VSTF) são demonstrados tanto para a análise dos efeitos não lineares da fibra ótica quanto para avaliação do desempenho total da rede. São apresentadas as faixas de potência e distância de transmissão nas quais as séries de Volterra apresentam resultados semelhantes ao modelo referência Split-Step Fourier (SSF) (validado experimentalmente) para o desempenho total da rede. Além disso, um algoritmo, que evita componentes espectrais com intensidade nulo, é proposto para realizar cálculos rápidos das séries. O modelo VSTF é estendido para identificar unicamente os efeitos não lineares da fibra ótica mais relevantes no cenário investigado: Self-Phase Modulation (SPM), Cross-Phase Modulation (XPM) e Four-Wave Mixing (FWM). Simulações numéricas são apresentadas para identificar o impacto isolado de cada efeito não linear da fibra ótica, SPM, XPM e FWM, no desempenho da rede com detecção coerente UDWDM-PON, transportando canais com modulação digital em fase (M-ária PSK) ou modulação digital em amplitude (M-ária QAM). A análise numérica é estendida para diferentes comprimentos de fibra ótica mono modo (SSMF), potência por canal e ritmo de transmissão por canal. Por conseguinte, expressões analíticas são extrapoladas para determinar a evolução do SPM, XPM e FWM em função da potência e distância de transmissão em cenários NG-OAN. O desempenho da rede é otimizada através da minimização parcial da interferência FWM (via espaçamento desigual dos canais), que nesse caso, é o efeito não linear da fibra ótica mais relevante. Direções para melhorias adicionas no desempenho da rede são apresentados para cenários em que o XPM é relevante, isto é, redes transportando formatos de modulação QAM. A solução, nesse caso, é baseada na utilização de técnicas de processamento digital do sinal.

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.

SIC and PIC multiuser detection for prefix-assisted DS-CDMA systems

In this paper we present iterative frequency-domain multiuser detection (MUD) receivers for the uplink transmission of direct sequence code division multiple access systems (DS-CDMA) that combine iterative block decision feedback equalization (IB-DFE) principles with interference cancelation techniques. Both successive interference cancelation (SIC) and parallel interference cancelation (PIC) structures are considered. Our performance results show that the proposed receiver structures have excellent bit error rate (BER) performances, that can be close to the single-user matched filter bound (MFB), even for fully loaded systems and severely time-dispersive channels1.

Joint turbo equalization and cancelation of nonlinear distortion effects in MC-CDMA signals

In this paper, we consider low-PMEPR (Peak-to-Mean Envelope Power Ratio) MC-CDMA (Multicarrier Coded Division Multiple Access) schemes. We develop frequencydomain turbo equalizers combined with an iterative estimation and cancellation of nonlinear distortion effects. Our receivers have relatively low complexity, since they allow FFT-based (Fast Fourier Transform) implementations. The proposed turbo receivers allow significant performance improvements at low and moderate SNR (Signal-to-Noise Ratio), even when a low-PMEPR MC-CDMA transmission is intended.

Análise comparativa das técnicas de transmissão com modulação exterma PDSB, OSSB e OCS

Dissertação de Mestrado, Engenharia Eléctrica e Electrónica, Ramo de Tecnologias de Informação e Telecomunicações, Instituto Superior de Engenharia, Universidade do Algarve, 2009

Turbo equalization with cancellation of nonlinear distortion effects for CP-Assisted and Zero-Padded MC-CDMA signals

We consider MC-CDMA schemes, with reduced envelope fluctuations. Both CP-assisted (cyclic prefix) and ZP (zero-padded) MC-CDMA schemes are addressed. We develop turbo FDE (frequency-domain equalization) schemes, combined with cancelation of nonlinear distortion effects. The proposed turbo receivers allow significant performance improvements at low and moderate SNR, even when the transmitted signals have reduced envelope fluctuations.

Efficient content pushing in IEEE 802.11p vehicular environments

Vehicular networking is a new field that is expected to be widely adopted in the near future. One of the key applications inherent to this novel communications paradigm is content delivery to on-board users. In this paper we focus specifically on broadcast-based content delivery. We propose a content delivery scheme that is optimized for performance in order to improve the maximum amount of data than can be delivered, while also reducing delivery time to a minimum. With this goal our study combines both analytical and simulation results to determine the optimal packet size for content delivery so as to achieve the maximum throughput possible at different distances, and considering both static and mobile receivers. Experimental results show that our optimizations provide efficient delivery of multimedia contents for distances up to 200 meters when relying on IEEE 802.lip based broadcasting. Copyright © 2010 ACM.

On the structure, convergence and performance of an adaptive I/Q mismatch corrector

The I/Q mismatches in quadrature radio receivers results in finite and usually insufficient image rejection, degrading the performance greatly. In this paper we present a detailed analysis of the Blind-Source Separation (BSS) based mismatch corrector in terms of its structure, convergence and performance. The results indicate that the mismatch can be effectively compensated during the normal operation as well as in the rapidly changing environments. Since the compensation is carried out before any modulation specific processing, the proposed method works with all standard modulation formats and is amenable to low-power implementations.

Efficient low-power design and implementation of IQ-imbalance compensator using early termination

In this paper, we propose a low-complexity architecture for the implementation of adaptive IQ-imbalance compensation in quadrature zero-IF receivers. Our blind IQ-compensation scheme jointly compensates for IQ phase and gain errors without the need for test/pilot tones. The proposed architecture employs early-termination of the iteration process; this enables the powering-down of the parts of the adaptive algorithm thereby saving power. The complexity, in terms of power-down efficiency is evaluated and shows a reduction by 37-50 % for 32-PSK and 37-58 % for 64-QAM modulated signals.

A computationally efficient DAB bit-stream processor

This paper describes an MPEG (moving pictures expert group) audio layer II - LFE (lower frequency extension) bit-stream processor targeting DAB (digital audio broadcasting) receivers that will handle the decoding of the frames in a computationally efficient manner to provide a synthesis sub-band filter with the reconstructed sub-band samples. Focus is given to the frequency sample reconstruction part, which handles the re-quantization and re-scaling of the samples once the necessary information is extracted from the frame. The comparison to a direct implementation of the frequency sample reconstruction block is carried out to prove increased computational efficiency.

Validating A knowledge transfer framework in health services

The study of knowledge transfer (KT) has been proceeding in parallel but independently in health services and in business, presenting an opportunity for synergy and sharing. This paper uses a survey of 32 empirical KT studies with their 96 uniquely named determinants of KT success to identify ten unique determinants for horizontal knowledge transfer success. These determinants, the outcome measure of Knowledge Use, and separate explicit and tacit transfer flows constitute the KT Framework, extending the work of previous KT framework authors. Our Framework was validated through a case study of the transfer of clinical practice guideline knowledge between the cardiac teams of selected Ontario hospitals, using a survey of senders and receivers developed from the KT literature. The study findings were: 8 of 10 determinants were supported by the Successful Transfer Hospitals; and 4 of 10 determinants were found to a higher degree in the Successful than non-Successful transfer hospitals. Taken together, the results show substantive support for the KT Framework determinants, indicating aggregate support of 9 of these determinants, but not the 10th - Knowledge Complexity. The transfer of tacit knowledge was found to be related to the transfer of the explicit knowledge and expressed as the transfer or recreation of resource profile and internal process tacit knowledge, where this tacit transfer did not require interactions between Sender and Receiver. This study provides managers with the building blocks to assess and improve the success rates of their knowledge transfers.

The effect of clock jitter on the performance of continuous-time delta-sigma ADC for GNSS signals

Next generation Global Navigation Satellite System (GNSS) receivers will operate in multiple navigation bands. An efficient way to achieve this with lower power and cost is to employ BandPass Sampling (BPS); nevertheless, the sampling operation injects large amounts of jitter noise, which degrades the performance of the receiver. Continuous–Time (CT) Delta–Sigma (ΔΣ) modulators are capable of suppressing this noise but the impact of clock jitter at the output of the Digital– to–Analog Converter (DAC) in the feedback path of the modulator should be taken into account. This paper presents an analytical approach for describing clock jitter in GNSS receivers when a CT–ΔΣ modulator is utilized for Analog–to–Digital Conversion (ADC). The validity of the presented approach is verified through time–domain simulations using a behavioural model of the fourth–order CT–ΔΣ modulator with 1–bit NRZ DAC feedback pulse.

Dual-tracking multi-constellation GNSS front-end for high-performance receiver applications

This paper presents the design and implementation of a dual–tracking Radio Frequency (RF) front–end for a multi–constellation Global Navigation Satellite Systems (GNSS) receiver. The RF frond–end is based on the direct RF conversion architecture, which employs sub–Nyquist sampling (also known as subsampling) at RF. The dual–tracking RF front–end is composed of a few RF components that are duplicated to form the two RF channels. Employing a dual–channel Analogue–to–Digital Converter (ADC) enables synchronisation of the RF channels and minimises the errors resulting from the differences in the satellite clocks and the propagation delay between the two RF channels. The digitised GNSS signals are processed by two separate acquisition and tracking engines that are driven by the front–end’s master clock. This setup provides two synchronised receivers that are integrated onto one piece of hardware. The hardware is intended to be used for research applications such as multipath mitigation, scintillation assessment, and advanced satellite clock and spatial frame transformation modelling.

Valorização de lamas de tratamento de águas residuais urbanas para utilização agrícola

Trabalho de Dissertação de Natureza Científica para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização em Hidráulica