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.

Implementación y configuración de un receptor de radio definido por software (SDR) para estudios de propagación

The constant development of digital systems in radio communications demands the adaptation of the current receiving equipment to the new technologies. In this context, a new Software Defined Radio based receiver is being implemented with the aim of carrying out different experiments to analyze the propagation of signals through the atmosphere from a satellite beacon. The receiver selected for this task is the PERSEUS SDR from the Italian company Microtelecom s.r.l. It is a software defined VLF-LF-MF-HF receiver based on an outstanding direct sampling digital architecture which features a 14 bit 80 MSamples/s analog-to-digital converter, a high-performance FPGA-based digital down-converter and a high-speed 480 Mbit/s USB2.0 PC interface. The main goal is to implement the related software and adapt the new receiver to the current working environment. In this paper, SDR technology guidelines are given and PERSEUS receiver digital signal processing is presented with the most remarkable results.

Explointing FPGA block memories for protected cryptographic implementations

Modern Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are power packed with features to facilitate designers. Availability of features like huge block memory (BRAM), Digital Signal Processing (DSP) cores, embedded CPU makes the design strategy of FPGAs quite different from ASICs. FPGA are also widely used in security-critical application where protection against known attacks is of prime importance. We focus ourselves on physical attacks which target physical implementations. To design countermeasures against such attacks, the strategy for FPGA designers should also be different from that in ASIC. The available features should be exploited to design compact and strong countermeasures. In this paper, we propose methods to exploit the BRAMs in FPGAs for designing compact countermeasures. BRAM can be used to optimize intrinsic countermeasures like masking and dual-rail logic, which otherwise have significant overhead (at least 2X). The optimizations are applied on a real AES-128 co-processor and tested for area overhead and resistance on Xilinx Virtex-5 chips. The presented masking countermeasure has an overhead of only 16% when applied on AES. Moreover Dual-rail Precharge Logic (DPL) countermeasure has been optimized to pack the whole sequential part in the BRAM, hence enhancing the security. Proper robustness evaluations are conducted to analyze the optimization for area and security.

Estimating tremor in Vocal Fold Biomechanics for Neurological Disease characterisation

Neurological Diseases (ND) are affecting larger segments of aging population every year. Treatment is dependent on expensive accurate and frequent monitoring. It is well known that ND leave correlates in speech and phonation. The present work shows a method to detect alterations in vocal fold tension during phonation. These may appear either as hypertension or as cyclical tremor. Estimations of tremor may be produced by auto-regressive modeling of the vocal fold tension series in sustained phonation. The correlates obtained are a set of cyclicality coefficients, the frequency and the root mean square amplitude of the tremor. Statistical distributions of these correlates obtained from a set of male and female subjects are presented. Results from five study cases of female voice are also given.

Wavelet description of the Glottal Gap

The Glottal Source correlates reconstructed from the phonated parts of voice may render interesting information with applicability in different fields. One of them is defective closure (gap) detection. Through the paper the background to explain the physical foundations of defective gap are reviewed. A possible method to estimate defective gap is also presented based on a Wavelet Description of the Glottal Source. The method is validated using results from the analysis of a gender-balanced speakers database. Normative values for the different parameters estimated are given. A set of study cases with deficient glottal closure is presented and discussed.

Unidad de efectos de audio en Simulink

La tecnología moderna de computación ha permitido cambiar radicalmente la investigación tecnológica en todos los ámbitos. El proceso general utilizado previamente consistía en el desarrollo de prototipos analógicos, creando múltiples versiones del mismo hasta llegar al resultado adecuado. Este es un proceso costoso a nivel económico y de carga de trabajo. Es por ello por lo que el proceso de investigación actual aprovecha las nuevas tecnologías para lograr el objetivo final mediante la simulación. Gracias al desarrollo de software para la simulación de distintas áreas se ha incrementado el ritmo de crecimiento de los avances tecnológicos y reducido el coste de los proyectos en investigación y desarrollo. La simulación, por tanto, permite desarrollar previamente prototipos simulados con un coste mucho menor para así lograr un producto final, el cual será llevado a cabo en su ámbito correspondiente. Este proceso no sólo se aplica en el caso de productos con circuitería, si bien es utilizado también en productos programados. Muchos de los programas actuales trabajan con algoritmos concretos cuyo funcionamiento debe ser comprobado previamente, para después centrarse en la codificación del mismo. Es en este punto donde se encuentra el objetivo de este proyecto, simular algoritmos de procesado digital de la señal antes de la codificación del programa final. Los sistemas de audio están basados en su totalidad en algoritmos de procesado de la señal, tanto analógicos como digitales, siendo estos últimos los que están sustituyendo al mundo analógico mediante los procesadores y los ordenadores. Estos algoritmos son la parte más compleja del sistema, y es la creación de nuevos algoritmos la base para lograr sistemas de audio novedosos y funcionales. Se debe destacar que los grupos de desarrollo de sistemas de audio presentan un amplio número de miembros con cometidos diferentes, separando las funciones de programadores e ingenieros de la señal de audio. Es por ello por lo que la simulación de estos algoritmos es fundamental a la hora de desarrollar nuevos y más potentes sistemas de audio. Matlab es una de las herramientas fundamentales para la simulación por ordenador, la cual presenta utilidades para desarrollar proyectos en distintos ámbitos. Sin embargo, en creciente uso actualmente se encuentra el software Simulink, herramienta especializada en la simulación de alto nivel que simplifica la dificultad de la programación en Matlab y permite desarrollar modelos de forma más rápida. Simulink presenta una completa funcionalidad para el desarrollo de algoritmos de procesado digital de audio. Por ello, el objetivo de este proyecto es el estudio de las capacidades de Simulink para generar sistemas de audio funcionales. A su vez, este proyecto pretende profundizar en los métodos de procesado digital de la señal de audio, logrando al final un paquete de sistemas de audio compatible con los programas de edición de audio actuales. ABSTRACT. Modern computer technology has dramatically changed the technological research in multiple areas. The overall process previously used consisted of the development of analog prototypes, creating multiple versions to reach the proper result. This is an expensive process in terms of an economically level and workload. For this reason actual investigation process take advantage of the new technologies to achieve the final objective through simulation. Thanks to the software development for simulation in different areas the growth rate of technological progress has been increased and the cost of research and development projects has been decreased. Hence, simulation allows previously the development of simulated protoypes with a much lower cost to obtain a final product, which will be held in its respective field. This process is not only applied in the case of circuitry products, but is also used in programmed products. Many current programs work with specific algorithms whose performance should be tested beforehand, which allows focusing on the codification of the program. This is the main point of this project, to simulate digital signal processing algorithms before the codification of the final program. Audio systems are entirely based on signal processing, both analog and digital systems, being the digital systems which are replacing the analog world thanks to the processors and computers. This algorithms are the most complex part of every system, and the creation of new algorithms is the most important step to achieve innovative and functional new audio systems. It should be noted that development groups of audio systems have a large number of members with different roles, separating them into programmers and audio signal engineers. For this reason, the simulation of this algorithms is essential when developing new and more powerful audio systems. Matlab is one of the most important tools for computer simulation, which has utilities to develop projects in different areas. However, the use of the Simulink software is constantly growing. It is a simulation tool specialized in high-level simulations which simplifies the difficulty of programming in Matlab and allows the developing of models faster. Simulink presents a full functionality for the development of algorithms for digital audio processing. Therefore, the objective of this project is to study the posibilities of Simulink to generate funcional audio systems. In turn, this projects aims to get deeper into the methods of digital audio signal processing, making at the end a software package of audio systems compatible with the current audio editing software.

Análisis espectral de señales cardiacas mediante frecuencia dominante

La Ingeniería Biomédica surgió en la década de 1950 como una fascinante mezcla interdisciplinaria, en la cual la ingeniería, la biología y la medicina aunaban esfuerzos para analizar y comprender distintas enfermedades. Las señales existentes en este área deben ser analizadas e interpretadas, más allá de las capacidades limitadas de la simple vista y la experiencia humana. Aquí es donde el procesamiento digital de la señal se postula como una herramienta indispensable para extraer la información relevante oculta en dichas señales. La electrocardiografía fue una de las primeras áreas en las que se aplicó el procesado digital de señales hace más de 50 años. Las señales electrocardiográficas continúan siendo, a día de hoy, objeto de estudio por parte de cardiólogos e ingenieros. En esta área, las técnicas de procesamiento de señal han ayudado a encontrar información oculta a simple vista que ha cambiado la forma de tratar ciertas enfermedades que fueron ya diagnosticadas previamente. Desde entonces, se han desarrollado numerosas técnicas de procesado de señales electrocardiográficas, pudiéndose resumir estas en tres grandes categorías: análisis tiempo-frecuencia, análisis de organización espacio-temporal y separación de la actividad atrial del ruido y las interferencias. Este proyecto se enmarca dentro de la primera categoría, análisis tiempo-frecuencia, y en concreto dentro de lo que se conoce como análisis de frecuencia dominante, la cual se va a aplicar al análisis de señales de fibrilación auricular. El proyecto incluye una parte teórica de análisis y desarrollo de algoritmos de procesado de señal, y una parte práctica, de programación y simulación con Matlab. Matlab es una de las herramientas fundamentales para el procesamiento digital de señales por ordenador, la cual presenta importantes funciones y utilidades para el desarrollo de proyectos en este campo. Por ello, se ha elegido dicho software como herramienta para la implementación del proyecto. ABSTRACT. Biomedical Engineering emerged in the 1950s as a fascinating interdisciplinary blend, in which engineering, biology and medicine pooled efforts to analyze and understand different diseases. Existing signals in this area should be analyzed and interpreted, beyond the limited capabilities of the naked eye and the human experience. This is where the digital signal processing is postulated as an indispensable tool to extract the relevant information hidden in these signals. Electrocardiography was one of the first areas where digital signal processing was applied over 50 years ago. Electrocardiographic signals remain, even today, the subject of close study by cardiologists and engineers. In this area, signal processing techniques have helped to find hidden information that has changed the way of treating certain diseases that were already previously diagnosed. Since then, numerous techniques have been developed for processing electrocardiographic signals. These methods can be summarized into three categories: time-frequency analysis, analysis of spatio-temporal organization and separation of atrial activity from noise and interferences. This project belongs to the first category, time-frequency analysis, and specifically to what is known as dominant frequency analysis, which is one of the fundamental tools applied in the analysis of atrial fibrillation signals. The project includes a theoretical part, related to the analysis and development of signal processing algorithms, and a practical part, related to programming and simulation using Matlab. Matlab is one of the fundamental tools for digital signal processing, presenting significant functions and advantages for the development of projects in this field. Therefore, we have chosen this software as a tool for project implementation.

Sistema de seguridad basado en la clasificación de eventos sonoros

La teoría de reconocimiento y clasificación de patrones y el aprendizaje automático son actualmente áreas de conocimiento en constante desarrollo y con aplicaciones prácticas en múltiples ámbitos de la industria. El propósito de este Proyecto de Fin de Grado es el estudio de las mismas así como la implementación de un sistema software que dé solución a un problema de clasificación de ruido impulsivo, concretamente mediante el desarrollo de un sistema de seguridad basado en la clasificación de eventos sonoros en tiempo real. La solución será integral, comprendiendo todas las fases del proceso, desde la captación de sonido hasta el etiquetado de los eventos registrados, pasando por el procesado digital de señal y la extracción de características. Para su desarrollo se han diferenciado dos partes fundamentales; una primera que comprende la interfaz de usuario y el procesado de la señal de audio donde se desarrollan las labores de monitorización y detección de ruido impulsivo y otra segunda centrada únicamente en la clasificación de los eventos sonoros detectados, definiendo una arquitectura de doble clasificador donde se determina si los eventos detectados son falsas alarmas o amenazas, etiquetándolos como de un tipo concreto en este segundo caso. Los resultados han sido satisfactorios, mostrando una fiabilidad global en el proceso de entorno al 90% a pesar de algunas limitaciones a la hora de construir la base de datos de archivos de audio, lo que prueba que un dispositivo de seguridad basado en el análisis de ruido ambiente podría incluirse en un sistema integral de alarma doméstico aumentando la protección del hogar. ABSTRACT. Pattern classification and machine learning are currently expertise areas under continuous development and also with extensive applications in many business sectors. The aim of this Final Degree Project is to study them as well as the implementation of software to carry on impulsive noise classification tasks, particularly through the development of a security system based on sound events classification. The solution will go over all process stages, from capturing sound to the labelling of the events recorded, without forgetting digital signal processing and feature extraction, everything in real time. In the development of the Project a distinction has been made between two main parts. The first one comprises the user’s interface and the audio signal processing module, where monitoring and impulsive noise detection tasks take place. The second one is focussed in sound events classification tasks, defining a double classifier architecture where it is determined whether detected events are false alarms or threats, labelling them from a concrete category in the latter case. The obtained results have been satisfactory, with an overall reliability of 90% despite some limitations when building the audio files database. This proves that a safety device based on the analysis of environmental noise could be included in a full alarm system increasing home protection standards.

Simultaneous demultiplexing and clock recovery using a single electroabsorption modulator in a novel bi-directional configuration

A single electroabsorption modulator was used to demultiplex a 10 Gbit/s channel from a 40 Gbit/s OTDM data stream, whilst simultaneously recovering the 10 GHz electrical clock. This was achieved using a new bi-directional operation of the EA modulator, combined with a simple phase-locked loop feedback circuit. Excellent system performance was achieved, indicating that operation up to and beyond 100 Gbit/s is possible using current technology.

Exploiting sensitivity of nonorthogonal joint diagonalisation as a security mechanism in steganography

We have recently proposed the framework of independent blind source separation as an advantageous approach to steganography. Amongst the several characteristics noted was a sensitivity to message reconstruction due to small perturbations in the sources. This characteristic is not common in most other approaches to steganography. In this paper we discuss how this sensitivity relates the joint diagonalisation inside the independent component approach, and reliance on exact knowledge of secret information, and how it can be used as an additional and inherent security mechanism against malicious attack to discovery of the hidden messages. The paper therefore provides an enhanced mechanism that can be used for e-document forensic analysis and can be applied to different dimensionality digital data media. In this paper we use a low dimensional example of biomedical time series as might occur in the electronic patient health record, where protection of the private patient information is paramount.

Compensation of nonlinear fibre impairments in coherent systems employing spectrally efficient modulation formats

We investigate electronic mitigation of linear and non-linear fibre impairments and compare various digital signal processing techniques, including electronic dispersion compensation (EDC), single-channel back-propagation (SC-BP) and back-propagation with multiple channel processing (MC-BP) in a nine-channel 112 Gb/s PM-mQAM (m=4,16) WDM system, for reaches up to 6,320 km. We show that, for a sufficiently high local dispersion, SC-BP is sufficient to provide a significant performance enhancement when compared to EDC, and is adequate to achieve BER below FEC threshold. For these conditions we report that a sampling rate of two samples per symbol is sufficient for practical SC-BP, without significant penalties.

Channel estimation and compensation in chromatic dispersion limited optical fast OFDM systems

We experimentally investigate the channel estimation and compensation in a chromatic dispersion (CD) limited 20Gbit/s optical fast orthogonal frequency division multiplexing (F-OFDM) system with up to 840km transmission. It is shown that symmetric extension based guard interval (GI) is required to enable CD compensation using one-tap equalizers. As few as one optical F-OFDM symbol with four and six pilot tones per symbol can achieve near-optimal channel estimation and compensation performance for 600km and 840km respectively.