Details

Abstrakt in Englisch

The recent advancements in wireless communications have made possible not only the definition, but also the implementation of entirely new applications with diverse requirements regarding data rate, coverage, latency and power consumption. Thus, the infrastructure behind these new and upcoming applications has to provide the flexibility necessary to configure each part of a communication system appropriately and fulfill the specific requirements. This thesis focuses on the investigation of two crucial tasks that have to be performed at the receiver of a communication system, namely frame detection and synchronization. Matched filtering with the assistance of linear frequency modulated (LFM) signals constitutes a low latency and high-performance technique for frame detection. Furthermore, in combination with their complex conjugate versions, LFM signals facilitate the estimation of the synchronization parameters by decoupling the time and frequency offsets. However, even though LFM signals are significantly robust against frequency offsets when subjected to matched filtering, the digitalization conducted at the receiver can lead to a strong degradation for certain conditions of time and frequency offsets. Currently, most of existing solutions to this problem resort to oversampling as well as interpolation techniques that are associated with an inevitable increase in complexity. One of the major goals of this work is to identify and solve the main challenges that degrade the detection performance and the estimation of the synchronization parameters when using matched filtering together with discrete versions of LFM signals. The analysis conducted in this dissertation indicates that the sources of degradation can be efficiently tackled with a suitable extension of the transmitted reference signal and a detector consisting of two matched filters. It is shown that, without employing computationally expensive procedures, the proposed solution offers a detection performance similar to the ideal one achievable in the absence of offsets. The structure and properties of the reference signals have been properly taken into consideration for the development of new synchronization algorithms. It is found that reversing the traditional order of estimation and compensation of the components of the carrier frequency offset can lead to a low complexity and ambiguity-free estimation approach. Moreover, the effectiveness of methods based on reversed autocorrelation metrics in resolving estimation ambiguities has been successfully demonstrated. In conclusion, the results gained during this dissertation prove the validity of the proposed approaches in dealing with the degradation of detection and synchronization performance associated to the use of matched filtering with LFM signals in digital communication receivers. Furthermore, the findings of the comparative study of detection based on different metrics can be used as a guideline for the selection of algorithms and the design of reference signals that can meet specific requirements.

Abstrakt in Deutsch

Die neuesten Fortschritte in drahtlosen Kommunikationssystemen haben nicht nur die Definition, sondern auch die Implementierung von vollkommen neuen Anwendungen mit unterschiedlichen Anforderungen in Bezug auf Datenrate, Abdeckung, Latenzzeit und Stromverbrauch ermöglicht. Daher muss die Infrastruktur, die hinter diesen neuen und zukünftigen Anwendungen steht, die nötige Flexibilität bieten, um jeden Teil eines Kommunikationssystems entsprechend zu konfigurieren und die spezifischen Anforderungen zu erfüllen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von zwei entscheidenden Aufgaben, die am Empfänger eines Kommunikationssystems durchgeführt werden müssen, nämlich der Framedetektion und der Synchronisierung. Matched-Filterung mit Hilfe von linear frequenzmodulierten (LFM) Signalen stellt eine Technik mit geringer Latenz und hoher Leistung für die Framedetektion dar. Darüber hinaus erleichtern LFM-Signale in Kombination mit ihren komplex konjugierten Versionen die Schätzung der Synchronisationsparameter durch Entkopplung der Zeit- und Frequenzversätze. Obwohl LFM-Signale bei Matched-Filterung sehr robust gegenüber Frequenzversätzen sind, kann die im Empfänger durchgeführte Digitalisierung bei bestimmten Bedingungen von Zeit- und Frequenzversätzen zu einer starken Degradierung führen. Zurzeit greifen die meisten existierenden Lösungen für dieses Problem auf Überabtastungs- und Interpolationstechniken zurück, die zwangsläufig mit einem Anstieg der Komplexität verbunden sind. Ein Hauptziel dieser Arbeit ist es, die wichtigsten Probleme zu identifizieren und zu lösen, die die Leistung der Detektion und die Schätzung der Synchronisationsparameter bei der Verwendung von Matched Filtern zusammen mit diskreten Versionen von LFM-Signalen beeinträchtigen. Die in dieser Dissertation durchgeführte Analyse zeigt, dass die Ursachen der Degradierung mit einer geeigneten Erweiterung des übertragenen Referenzsignals und einem Detektor, der aus zwei Matched-Filtern besteht, wirksam bekämpft werden können. Es wird gezeigt, dass die vorgeschlagene Lösung ohne den Einsatz rechenintensiver Verfahren eine Detektionsleistung bietet, die der idealen Leistung entspricht, wenn kein Versatz vorhanden ist. Die Struktur und die Eigenschaften der Referenzsignale wurden bei der Entwicklung neuer Synchronisierungsalgorithmen angemessen berücksichtigt. Es hat sich gezeigt, dass die Umkehrung der traditionellen Reihenfolge von Schätzung und Kompensation der Komponenten des Trägerfrequenzversatzes zu einem Schätzungsansatz mit geringer Komplexität und ohne Mehrdeutigkeit führen kann. Darüber hinaus wurde die Wirksamkeit von Methoden, die auf umgekehrten Autokorrelation-Metriken basieren, bei der Lösung von Schätzungsmehrdeutigkeiten erfolgreich demonstriert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in dieser Dissertation gewonnenen Ergebnisse die Gültigkeit der vorgeschlagenen Ansätze im Umgang mit der Verschlechterung der Detektions- und Synchronisierungsleistung im Zusammenhang mit der Verwendung von Matched-Filtern mit LFM-Signalen in digitalen Kommunikationsempfängern belegen. Weiterhin können die Ergebnisse der vergleichenden Studie zur Erkennung auf der Grundlage verschiedener Metriken als Richtlinie für die Auswahl von Algorithmen und die Gestaltung von Referenzsignalen verwendet werden, die spezifische Anforderungen erfüllen können.