Το ραδιόφωνο είναι από τις πλέον διαδεδομένες μορφές εκπομπής δεδομένων, χρησιμοποιείται δε ακόμα και σήμερα, σε μια εποχή που οι ψηφιακές τηλεπικοινωνίες επεκτείνονται ταχύτατα. Αρχικά επέτρεπε την μετάδοση μόνο ενός καναλιού ήχου, όμως επεκτάθηκε σε στερεοφωνική (δικάναλη) εκπομπή, προσετέθησαν μέθοδοι μετάδοσης ψηφιακών πληροφοριών (RDS/RBDS, DirectBand) για την πληροφόρηση χρηστών αλλά και για μεγαλύτερη ευελιξία των δεκτών. Παράδειγμα του τελευταίου είναι η λειτουργία "AF" (εναλλακτικές συχνότητες, alternative frequencies) η οποία δίνει την δυνατότητα σε ένα δέκτη να μεταπηδήσει σε άλλη συχνότητα στην οποία εκπέμπει ο ίδιος σταθμός αλλά με ισχυρότερο ή καθαρότερο σήμα. Δεδομένου του εύρους των λειτουργιών που χρησιμοποιούνται στις ραδιοφωνικές εκπομπές, είναι πολύ καλή επιλογή για την ανάπτυξη προγραμμάτων που τις εκμεταλλεύονται, από απλές μέχρι περίπλοκες τόσο στο αναλογικό όσο και στο ψηφιακό τμήμα. Για το αναλογικό τμήμα, στο ένα άκρο έχουμε έναν απλό μονοφωνικό δέκτη ενώ στο άλλο άκρο έναν στερεοφωνικό δέκτη ο οποίος μετρώντας την καθαρότητα του λαμβανόμενου σήματος επιλέγει το ποσοστό χρήσης στερεοφωνίας ώστε να επιτύχει συμβιβασμό μεταξύ διαχωρισμού καναλιών (στερεοφωνικής εικόνας) και χαμηλού θορύβου. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής, αναπτύχθηκε πρόγραμμα σε γλώσσα C το οποίο εκτελεί λειτουργία δέκτη ραδιοφωνικού σήματος διαμορφωμένου αναλογικά κατά συχνότητα (FM radio). Στον προγραμματισμό χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές Software Defined Radio (SDR). Επιπλέον, το πρόγραμμα εκτελεί λήψη ψηφιακού σήματος ραδιοφωνικών πληροφοριών (Radio Broadcast Data System, RBDS/RDS). Στόχος της διπλωματικής είναι η επίδειξη της εφαρμογής τεχνικών SDR στα πλαίσια της υλοποίησης τηλεπικοινωνιακών συστημάτων. Με την αύξηση της ανάγκης της βιομηχανίας αλλά και των χρηστών για ταχύτερη μετάδοση δεδομένων, επήλθε και αύξηση της περιπλοκότητας των μεθόδων διαμόρφωσης στα τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Η περιπλοκότητα αυτή απαιτεί χρήση αλγορίθμων που είναι αδύνατη με συστήματα με διακριτά στοιχεία. Μία λύση στο πρόβλημα αυτό είναι η αξιοποίηση σύγχρονων μικροεπεξεργαστών, των οποίων η ισχύς, ειδικά αυτή των εξειδικευμένων σε DSP, έχει γνωρίσει αλματώδη εξέλιξη. Προκειμένου να καταστεί δυνατή η αξιοποίηση του κατάλληλου υλικού για τα τηλεπικοινωνιακά συστήματα, χρειάζεται κατάλληλη μέθοδος προγραμματισμού. Η ιδέα αυτή έχει ήδη χρησιμοποιηθεί σε εμπορικά συστήματα. Ένα παράδειγμα είναι modem κοινής τηλεφωνικής γραμμής (PSTN/POTS) για οικιακούς υπολογιστές που το μεγαλύτερο μέρος της αποδιαμόρφωσης και διαμόρφωσης το εκτελούσε η κεντρική μονάδα επεξεργασίας του υπολογιστή. Συνεπώς, υπάρχουν παραδείγματα εφαρμογής αυτής της τεχνικής με ήδη υπαρκτό υλικό, δεν απαιτείται εξειδικευμένο hardware. Η εξέλιξη της ιδέας και η ευκολότερη πρόσβαση σε υλικό κατάλληλο, οδήγησε στην ανάπτυξη του Software Defined Radio. Software Defined Radio είναι ένα σύστημα ασύρματης τηλέπικοινωνίας (αν και είναι απολύτως εφικτή και η εφαρμογή σε ενσύρματα συστήματα) όπου αλγόριθμοι και μέρη του συστήματος που τυπικά υλοποιούνταν με ηλεκτρονικά στοιχεία (πυκνωτές, αντιστάτες, κ.α.) πραγματοποιούνται με προγράμματα που εκτελούνται σε σύστημα με επεξεργαστή, μικροελεγκτή ή άλλο προγραμματιζόμενο σύστημα. Η ονομασία Software Defined Radio αναφέρεται, επίσης, στο πρόγραμμα που εκτελεί το ανωτέρω σύστημα. Σε αυτά τα προγράμματα, χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο τεχνικές επεξεργασίας ψηφιακού σήματος (DSP). Ως παράδειγμα προς μελέτη της τεχνικής θα χρησιμοποιήσουμε ένα από τα πλέον γνωστά πρωτόκολλα, το οποίο δεν είναι τετριμμένο και χρησιμοποιείται ευρύτατα και στη σύγχρονη εποχή, το ραδιόφωνο FM. Το πρωτόκολλο FM είναι αρκετά απλό ώστε η ανάλυσή του να είναι προσβάσιμη χωρίς να απαιτεί εξειδικευμένες γνώσεις τηλεπικοινωνιακών συστημάτων, αλλά όχι τετριμμένο, ώστε να αναδεικνύει την χρησιμότητα της τεχνικής SDR. Ένας δεύτερος λόγος για αυτή την επιλογή είναι η ταυτόχρονη εκπομπή ψηφιακής πληροφορίας από τους σταθμούς. Η λήψη αυτών των πληροφοριών με τη χρήση SDR υπογραμμίζει την ευελιξία της τεχνικής, η οποία επιτρέπει τον ταυτόχρονο χειρισμό τόσο των αναλογικών πληροφοριών (ήχου, στη συγκεκριμένη περίπτωση) όσο και των ψηφιακών πληροφοριών (RBDS/RDS) από το ίδιο πρόγραμμα. Στο Κεφάλαιο 1 περιγράφεται η αρχή λειτουργίας της αναλογικής διαμόρφωσης κατά συχνότητα καθώς και η εφαρμογή της στη ραδιοφωνία. Ορίζονται οι σχετικές παράμετροι και καθορίζονται οι τιμές που λαμβάνουν στην κοινή ραδιοφωνία FM. Τέλος, περιγράφεται η μετάδοση ψηφιακών πληροφοριών με το πρωτόκολλο RDS. Στο Κεφάλαιο 2 περιγράφεται η δομή και λειτουργία ενός δέκτη FM με διακριτά στοιχεία. Αναλύεται η αρχή λειτουργίας του δέκτη, ονομάζονται μερικά από τα στοιχεία που χρησιμοποιούνται συνήθως και διαγράφονται βασικές ομοιότητες με τους δέκτες SDR. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφεται η αρχή λειτουργίας του SDR. Δίνονται παραδείγματα υλικού κατάλληλου για SDR και οι δυνατότητες που απαιτούνται. Δίνονται παραδείγματα λογισμικού κατάλληλου για SDR και παραδείγματα εφαρμογών του. Στο Κεφάλαιο 4 αναλύεται το υλικό που χρησιμοποιήθηκε και το πρόγραμμα που αναπτύχθηκε για την αποδιαμόρφωση σήματος FM και αποκωδικοποίηση σήματος RDS. Επίσης περιγράφεται το υλικό που χρησιμοποιήθηκε καθώς και τα κριτήρια επιλογής τους. Ορίζονται οι είσοδοι και έξοδοι του προγράμματος και περιγράφεται η δομή του. Αναλύεται η λειτουργία των επιμέρους στοιχείων του προγράμματος που αναπτύχθηκε και μελετάται η συμπεριφορά τους. Τέλος, αναλύεται η αποδιαμόρφωση και αποκωδικοποίηση του ψηφιακού σήματος (RDS) από το πρόγραμμα. Στα παραρτήματα δίδονται οι συντελεστές των ψηφιακών φίλτρων που χρησιμοποιήθηκαν στην ανάπτυξη του δέκτη, ο πλήρης κώδικας του δέκτη και οδηγίες για την δημιουργία φασματογραφημάτων με το MATLAB. / FM radio is one of the most widespread forms of data transmission, used even today, in an era where digital telecommunications are quickly spreading. Initially, it allowed transmission of only one audio channel, but it was extended to stereo (two channel) transmission, digital information methods of transmission were added (RDS/RBDS, DirectBand) for user information and for greater receiver versatility. One example of the latter is the AF ("alternative frequencies") functionality which allows a receiver to switch over to another frequency, carrying the same radio program but with better reception. Given the great width of functions that are used in radio transmissions, it is a very good choice for developing software that take advantage of them, from simple to complex, both in the analog and digital domain. For the analog domain, on one end, there may be a simple monophonic receiver and on the other end a stereo receiver which, according to the clarity of the received signal, can adjust the level of stereo separation to achieve a preferable compromise between stereo image and low noise audio. For the purposes of this project, a software program was written, in C, which functions as a frequency modulated, analog radio signal receiver (FM radio). Software Defined Radio techniques were used while developing this program. Additionally, the program performs RDS ("radio data system") signal reception. The objective of this project is to demonstrate the use of Software Defined Radio techniques in the development of telecommunication systems. The industry's, and the users', need for faster data transmission, brought an increase in modulation method complexity in telecommunication systems. This complexity requires use of algorithms that is impossible with systems with discrete components. One solution to this problem is via utilization of modern microprocessors, especially those specializing in DSP, the performance of which has increased dramatically. In order to be able to use the appropriate hardware in a telecommunication system using SDR, an appropriate method of programming them is necessary. This idea has been already used in commercial systems. One example are modems for the common copper telephone line (PSTN /POTS) for home computers, where most of the modulation and demodulation was performed by the computers central processor. Therefore, there are examples of applications of this method using common hardware. The evolution of this idea and the easier access to necessary hardware led to the development of Software Defined Radio. Software Defined Radio is a wireless telecommunication system (although a wired system is equally feasible) where algorithms and components that would, typically, be implemented with electronic elements (capacitors, resistors, etc) are realized with a software program running on a system with a microprocessor, microcontroller or other programmable device. The name Software Defined Radio is also used to refer to the program itself. In such a program, DSP techniques are commonly used. As an example for studying this method we are using one of the most widely known protocols, one that is not trivial and is widely used even in modern times, the FM radio. The FM protocol is simple enough so that its analysis is approachable without specialized knowledge of telecommunication systems, but not trivial, so that it demonstrates the usefulness of the SDR method. Another reason for this choice is the simultaneous transmission of digital information from an FM broadcast station. Reception of this signal, by the program, underlines the versatility of SDR, which allows simultaneous handling of both analog (audio, in this case) and digital (RDS) information. The first chapter presents the principle of operation of analog frequency modulation and its application in radio broadcasting. The respective parameters are defined and specific values for common FM radio broadcasting are given. Finally, digital data transmission via the RDS protocol is described. The second chapter presents the structure and functionality of an FM receiver implemented with discrete elements. Its principle of operation is analyzed, some of the more common elements used are named and similarities with SDR receivers are drawn. The third chapter presents the principle of operation of an SDR system. Examples of useful hardware and relevant requirements are given. Finally, examples of suitable software and respective applications are given. The fourth chapter presents an analysis of the hardware that was used and the software program that was developed for the demodulation of the FM signal and decoding of the RDS signal, along with the criteria for choosing them. The program structure is described and its input and output data signal formats are defined. The functionality of each component of the software program is analyzed and its behavior is studied. Finally, the demodulation and decoding process for the RDS signal by the program is analyzed. In the appendixes, the coefficients of the digital filters are listed, along with the full source code for the software program that was developed and, finally, a guide for creating spectral graphs with MATLAB, similar to those in section 4.3.2.

Αντικείμενο αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός και η υλοποιηση ενός ψηφιακού δέκτη τύπου Rake για ασύρματη λήψη UWB. / Subject of this diploma thesis is the design and implementation of a digital Rake receiver for an UWB transmission scheme.

Αντικείμενο αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση των τεχνικών διαφορισμού στους ψηφιακούς δέκτες των σύγχρονων ασύρματων δικτύων. / Purpose of this paper is the examination of combining techniques at digital receivers of modern wireless networks.

Αντικείμενο της παρούσης διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός ενός συνθέτη συχνοτήτων για MB-OFDM (Multiband Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) UWB εφαρμογές. Ο συνθέτης συχνοτήτων αποτελεί εξέχουσας σημασίας δομικό στοιχείο των RF πομποδεκτών αφού είναι υπεύθυνος για την παραγωγή του (LO oscillator) σήματος που οδηγεί τον downconverter και τον upconverter στο μονοπάτι του δέκτη και του πομπού αντίστοιχα. Μελετήθηκαν οι δομές, οι κυριότερες τοπολογίες και τα χαρακτηριστικά ενός τυπικού συνθέτη συχνοτήτων καθώς και τα κύρια εξαρτήματα που το απαρτίζουν. Αφού μελετήσαμε το βασικό και το εναλλακτικό σχέδιο συχνοτήτων όπως παρουσιάζεται από το MB-OFDM πρότυπο προτείναμε την κατάλληλη τοπολογία η οποία και διαφέρει από αυτή των τυπικών συνθετών συχνοτήτων που χρησιμοποιούνται ευρέως στα ασύρματα συστήματα τηλεπικοινωνιών λόγω των υψηλών απαιτήσεων της UWΒ τεχνολογίας. Η επιλογή των εξαρτημάτων που απαρτίζουν τον συνθέτη συχνοτήτων έγινε με βάση την ελαχιστοποίηση του θορύβου φάσης και της κατανάλωσης ισχύος, της εξάλειψης ανεπιθύμητων σημάτων στην έξοδό του, τα οποία μπορούν να δημιουργήσουν παρεμβολές σε άλλα τηλεπικοινωνιακά συστήματα καθώς και την επίτευξη μικρού χρόνου αποκατάστασης που απαιτεί ένας τέτοιος συνθέτης. Προτείνεται και εξομοιώθηκε λοιπόν συνθέτης συχνοτήτων με περιοχή λειτουργίας του από 3.1 έως 10.6 GHz με βήμα συχνότητας 528 MHz όπως αυτή ορίζεται από το πρότυπο 802.15.3 που αναφέρεται στην UWB τεχνολογία. Από τα αποτελέσματα της εξομοίωσης προκύπτει ότι επιτυγχάνεται χαμηλός θόρυβος φάσης, μικρός χρόνος αποκατάστασης και μικρή ισχύς των ανεπιθύμητων σημάτων, αποτελέσματα που συνάδουν με τις απαιτήσεις της UWB τεχνολογίας. Τέλος προτείνεται και υλοποιείται η πλακέτα του βρόχου κλειδωμένης φάσης ο οποίος και αποτελεί το βασικό δομικό στοιχείο του συνθέτη συχνοτήτων. / The subject of the present essay is the design of a frequency synthesizer for MB-OFDM (Multiband Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) UWB applications. The frequency synthesizer is a structural part of foremost importance at the RF transceivers, as it is responsible for the production of the signal (LO oscillator) that leads the downconverter and the upconverter at the path of the receiver and the transmitter correspondingly. Structures, principal topologies and a typical’s frequency synthesizer characteristics have been studied, as well as the main components that compose it. After having studied the current and the alternate frequency plan –as presented by MB-OFDM standard-, we proposed the proper topology, which is different from the one for the typical frequency synthesizers, that are widely used at the RF communication systems, due to UWB technology’s high specifications. The choice of the components that compose the frequency synthesizer is based on the minimization of the phase noise and the power consumption, on the reduction of spurious signals during its entrance, which can create interferences to other communicational systems, as well as on the accomplishment of a short settling time, which a synthesizer of this kind demands. So, a frequency synthesizer with a frequency range from 3.1 to 10.6 GHz, with a frequency step of 528 MHz -as it is defined from the standard 802.15.3 that is referred at UWB technology-, has been proposed and simulated. From the results of the simulation, it emerges that a low phase noise is accomplished, a short settling time and a low power of spurious signals, results that add up to UWB technology’s specifications. Finally, the PCB (printed circuit board) of the phase locked loop - which consists the basic structural part of the frequency synthesizer - has been proposed and implemented.

The increasing number of portable devices, such as Smart phones, laptops, tablets etc, has certainly pushed up the market of wireless communication systems. These high performance devices need to comply with the strict requirements in terms of energy consumption. Battery capacity progress is relatively slower compared with the technological evolution of devices. Therefore, energy consumption issues can be solved when innovations are introduced in the processor design and architecture side. This thesis focuses on the word-length optimization for algorithms that run on wireless receivers with multiple antennas (MIMO). The study was made for the signal’s quantization. Earlier experiments have shown that the signal conversion from floating–point to fixed–point representation requires unaffordable Bit-Error-Rate (BER) simulations that may last for hours or even for days. During this thesis, a new divide-and-conquer method has been developed. It faces the ‘quantization problem’ hierarchically by grouping signals and exploiting the correlation between quantization error and Gaussian additive noise. BER simulations were limited by involving noise simulations. This method was successfully applied to a highly adaptive digital signal processing (DSP) algorithm, improving the total simulation time up to 84%. / Η αυξανόμενος αριθμός των κινητών συσκευών, όπως τα Smart phones, laptops, tablets κλπ, έχει εκτοξεύσει υψηλά την αγορά των ασύρματων συσκευών επικοινωνίας. Αυτές οι συσκευές υψηλής τεχνολογίας πρέπει να συμμορφώνονται με τις αυστηρές απαιτήσεις στα πλαίσια της κατανάλωσης ενέργειας. Η πρόοδος της αύξησης της χωρητικότητας της μπαταρίας χαρακτηρίζεται σχετικά αργή συγκρινόμενη με την τεχνολογική εξέλιξη των συσκευών. Ως εκ τούτου, θέματα που αφορούν στην κατανάλωση ενέργειας αντιμετωπίζονται όταν πραγματοποιούνται καινοτομίες στον τομέα της σχεδίασης και αρχιτεκτονικής επεξεργαστών. Η παρούσα διατριβή εστιάζει στην βελτιστοποίηση των μηκών λέξεων (word-length optimization) για αλγορίθμους που τρέχουν σε ασύρματους δέκτες με πολλαπλές κεραίες (MIMO). Η μελέτη αφορά στην κβαντοποίηση σημάτων (signal quantization). Προηγούμενα πειράματα έδειξαν ότι η μετατροπή των σημάτων άπειρης ακρίβειας (floating-point) σε πεπερασμένης (fixed-point) απαιτεί χρονοβόρες Bit-Error-Rate (BER) προσομοιώσεις που μπορεί να διαρκέσουν πολλές ώρες ή ακόμη και ημέρες. Κατά την διάρκεια της διπλωματικής εργασίας, αναπτύχθηκε μία νέα divide-and-conquer μέθοδος. Αντιμετωπίζει το πρόβλημα της κβαντοποίησης ιεραρχικά ομαδοποιώντας τα σήματα και εκμεταλλεύοντας την συσχέτιση του σφάλματος κβαντοποίσης (quantization error) και του προσθετικού Γκαουσιανού θορύβου (AWGN). Οι BER προσoμοιώσεις περιορίστηκαν περιλαμβάνοντας προσομοιώσεις θορύβου (noise simulations). Αυτή η μέθοδος εφαρμόστηκε επιτυχώς σε πολύπλοκο αλγόριθμο υψηλής προσαρμοστικότητας για DSP, βελτιώνοντας τον συνολικό χρόνο προσομοίωσης έως και 84%.

Στην παρούσα διατριβή διερευνήθηκε το φαινόμενο της ύπαρξης διαφορών μεταξύ καταγραφών όμοιων ηλεκτρονικών οργάνων που μετρούν υπό τις ίδιες συνθήκες. Οι διαφορές πιθανώς οφείλονται στην επίδραση θορύβου που παράγεται από τα ίδια τα όργανα και παρουσιάζει διαφορετικά χαρακτηριστικά από όργανο σε όργανο (instrument dependent noise). Το φαινόμενο αυτό δεν έχει διερευνηθεί εκτενώς, ενώ παρουσιάζει μεγάλη σημασία αφού στο παρελθόν τα χαρακτηριστικά του θορύβου προερχόμενου από όργανα ίδιου τύπου θεωρούνταν σταθερά. Η διερεύνηση βασίστηκε σε σύγκριση καταγραφών από όργανα GPS ίδιου τύπου που μετρούσαν υπό τις ίδιες συνθήκες. Οι καταγραφές προήλθαν από πειράματα με δέκτες GPS ακίνητους και δέκτες που εκτελούσαν ελεγχόμενες ταλαντώσεις. Τα αποτελέσματα της σύγκρισης έδειξαν ότι ο θόρυβος των οργάνων παρουσιάζει διαφορές από όργανο σε όργανο. Η σύγκριση που πραγματοποιήθηκε περιελάμβανε: σύγκριση των στατιστικών χαρακτηριστικών (μέσος όρος, τυπική απόκλιση) και σύγκριση των φασματικών χαρακτηριστικών του θορύβου των οργάνων, έλεγχο συσχέτισης μεταξύ των οργάνων και έλεγχο χρονικής υστέρησης μεταξύ των οργάνων. Οι διαφορές στα στατιστικά χαρακτηριστικά του θορύβου των οργάνων εμφανίστηκαν μικρές. Οι κύριες διαφορές εμφανίστηκαν στα φασματικά χαρακτηριστικά του θορύβου από κάθε όργανο. Επίσης από την ανάλυση προέκυψε ότι ο θόρυβος δεν παρουσιάζει συσχέτιση από όργανο σε όργανο, ενώ δεν διαπιστώθηκε ύπαρξη χρονικής υστέρησης μεταξύ των οργάνων που εξετάστηκαν. Ο θόρυβος των οργάνων κάλυπτε συχνότητες από 0.001 μέχρι 0.2 Hz περίπου. Για μικρές συχνότητες ο θόρυβος των οργάνων χαρακτηρίζεται έγχρωμος (colored noise) ενώ για συχνότητες πάνω από 1 Hz ο θόρυβος των οργάνων χαρακτηρίζεται λευκός (white noise) με τυχαία χαρακτηριστικά. Τα παραπάνω αποτελέσματα αποτελούν ενδείξεις ότι ο θόρυβος που παράγεται από όργανα GPS ίδιου τύπου παρουσιάζει διαφορές που οφείλονται στις ιδιότητες του οργάνου. Στο μέλλον αξίζει να διερευνηθεί η επίδραση των διαφορών στις μετρήσεις, καθώς να γενικευθούν τα παραπάνω αποτελέσματα και για άλλους τύπους σύγχρονων ηλεκτρονικών οργάνων. / At the present study the differences between recordings obtained from the same instruments under the same conditions were examined. Differences are possibly owned to noise with different characteristics produced by each instrument. The case has not been covered yet and is important as noise produced by the same instruments under the same conditions is generally considered to have the same characteristics. The study was based on comparison of recordings from same GPS instruments measuring simultaneously under the same conditions. The recordings were obtained from experiments where GPS receivers were stationary or executing oscillations with known characteristics. Comparison between the recordings showed that differences exist in the noise produced by instruments of the same type. Our analysis included comparison of the statistical and spectral characteristics of the measurements and cross correlation analysis. The differences between the statistical characteristics were small while bigger differences existed in the spectral characteristics. Furthermore, no significant correlation was found between the noise produced by same instruments Significant noise frequencies existed in the band 0.001 to 0.2 Hz, with low frequency noise characterized as colored and high frequency (>1Hz) noise characterized as white. The above results indicate that instruments of the same type measuring under the same conditions may produce noise with different characteristics. Future studies should cover the effects of the differences mentioned above on GPS measurements, and also possible differences in instrumental noise for other types of instruments.

Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά στην πειραματική αξιολόγηση του μηχανισμού ανάκτησης ρυθμού συμβόλου για ψηφιακούς δέκτες τεχνολογίας SDR που λαμβάνουν δεδομένα μέσω δορυφόρου. Η ορολογία SDR/SR (Software Defined Radio/Software Radio) χρησιμοποιείται για να χαρακτηρίσει τους πομποδέκτες που μπορούν να καθορίζουν σημαντικές παραμέτρους τους και βασικές αρχές της λειτουργίας τους μέσω αναβάθμισης ή ενημέρωσης του λογισμικού τους. Ο μηχανισμός ανάκτησης του ρυθμού συμβόλου (Symbol Timing Recovery, STR) αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής του διδάκτορος Παναγιώτη Σαββόπουλου. Η παρούσα εργασία μελετά τη σύγκλιση του βρόχου υπό συνθήκες παραμένοντος σφάλματος συχνότητας καθώς επίσης και τον προσδιορισμό του λόγου σήματος προς θόρυβο στην έξοδο του βρόχου κάνοντας χρήση ενός νέου μεγέθους, metric, το οποίο έχει εισαχθεί στα πλαίσια της προαναφερθείσας διδακτορικής διατριβής, υπό συνθήκες λευκού Gaussian θορύβου. Το μέγεθος αυτό είναι σε θέση να δώσει αξιόπιστα αποτελέσματα στις ενδιάμεσες υπομονάδες του δέκτη υπό συνθήκες παραμένοντος σφάλματος συχνότητας. Στην παρούσα εργασία μελετώνται οι QPSK, 8PSK, 16-APSK και 32-APSK διαμορφώσεις διότι αυτές οι διαμορφώσεις χρησιμοποιούνται από το πρότυπο DVB-S2. / The purpose of this project is the experimental evaluation of a mechanism for the symbol timing recovery which is used in digital Software Defined Radio receivers. SDR/SR (Software Defined Radio/Software Radio) technology is used to characterise the transmitters and the receivers which are able to determine important parameters and basic primciples for their function through upgrade or briefing of their software. The symbol timing recovery mechanism (STR) was developped in terms of the doctora of dr Panagiotis Savopoylos. The precent project examines the loop’s convergence when there is frequency error as well as the signal to noise ratio in the output of STR with the use of a new size, metric, which was also developped in terms of the doctora which was mentioned before, when there is white Gaussian noise. The metric is able to give reliable results in the intermediate stages of the receiver when there is frequency error. In the precent project are examined the QPSK, 8PSK,16-APSK, 32-APSK modulations because these modulations are used in DVB-S2 standard.

Στην απαρχή της καινούριας χιλιετίας, έχει γίνει πλέον ξεκάθαρος ο σπουδαίος ρόλος και η χρησιμότητα των ασυρμάτων τηλεπικοινωνιών και των εφαρμογών τους, η εξέλιξη των οποίων επικεντρώνεται σε μεγάλο βαθμό στις Ασύρματες Προσωπικές Τηλεπικοινωνίες (ΑΠΤ). Εξαιτίας της μεγάλης δημοτικότητας που έχουν τα συστήματα αυτά, υπάρχει συνεχής ανάγκη για αύξηση της χωρητικότητας και αναβάθμιση των παρεχόμενων υπηρεσιών ϕωνής και δεδομένων. Μια πολύ σημαντική περιοχή έρευνας για τις ΑΠΤ, που έχει προκύψει από τις παραπάνω απαιτήσεις, είναι η μελέτη και η αντιμετώπιση των προβλημάτων που δημιουργούνται στην επίδοση των δικτύων αυτών από διάφορα ϕαινόμενα που επιδρούν στο ασύρματο κανάλι. Σε αυτήν την ερευνητική περιοχή εστιάζεται και η παρούσα διδακτορική διατριβή, που έχει ως στόχο τη ϑεωρητική μελέτη της επίδοσης ασύρματων ψηφιακών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων τα οποία υπόκεινται σε διαλείψεις. Για την καταπολέμηση των αρνητικών συνεπειών των διαλείψεων έχει υιοθετηθεί η τεχνική του διαφορισμού στο δέκτη. Σύμφωνα με αυτήν, ο δέκτης διαθέτει περισσότερες από μια κεραίες λήψης με αποτέλεσμα να λαμβάνει πολλαπλά αντίγραφα του εκπεμπόμενου σήματος, τα οποία συνδυάζει κατάλληλα ανάλογα με τις απαιτήσεις του διαχειριστή του δικτύου. Η διεθνής έρευνα για τη χρήση δεκτών διαφορισμού σε κανάλια Διαλείψεων Μικρής Κλίμακας (ΔΜΙΚ) είναι εκτενής και αφορά κυρίως κανάλια που βασίζονται στις κατανομές Rayleigh, Rice και Nakagamim. Δύο άλλες σημαντικές κατανομές για τη μοντελοποίηση των ΔΜΙΚ είναι η Weibull και, η γενίκευση της, η Γενικευμένη-Γάμα (ΓG), οι οποίες σε σύντομο χρονικό διάστημα έχουν κερδίσει εκτεταμένο επιστημονικό ενδιαφέρον στην περιοχή των ασύρματων κινητών τηλεπικοινωνιών. ΄Ομως, παρά το ενδιαφέρον αυτό, η μελέτη της επίδοσης δεκτών διαφορισμού σε κανάλια που μοντελοποιούνται με τις κατανομές αυτές, δεν έχει λάβει τις διαστάσεις που έχουν λάβει οι αντίστοιχες έρευνες για τις άλλες κατανομές. Αυτό οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στη μεγάλη πολυπλοκότητα, από μαϑηματικής άποψης, που παρουσιάζει η στατιστική αναπαράσταση του σήματος της εξόδου πολλών τύπων δεκτών διαφορισμού που σε συνδυασμό με τη σχετικά σύνθετη μαθηματική έκφραση των κατανομών Weibull και ΓG, δημιουργεί δυσεπίλυτα προβλήματα. Στην παρούσα διατριβή, προσπερνώντας αυτές τις δυσκολίες, αρχικά μελετήθηκε η απόδοση μιας ειδικής κατηγορίας δεκτών διαφορισμού, του δέκτη Συνδυασμού Γενικευμένης Επιλογής (ΣΓΕ), ο οποίος λειτουργεί σε Ανεξάρτητα αλλά Μη-Ομοιόμορφα Κατανεμημένα (ΑΜΟΚ) κανάλια διαλείψεων Weibull. Σε αυτήν τη μελέτη εξετάζεται η περίπτωση όπου επιλέγονται οι δύο κλάδοι με το υψηλότερο λόγο σήματος προς ϑόρυβο, Signal to Noise Ratio (SNR), από τους L διαθέσιμους, ΣΓΕ(2, L). Κατά συνέπεια, με την παρουσίαση μιας καινούριας ιδιότητας για το γινόμενο των ροπών ταξινομημένων Τυχαίων Μεταβλητών (ΤΜ) Weibull, γίνεται δυνατή η εξαγωγή εκφράσεων κλειστής μορφής για τις ροπές του SNR στην έξοδο των δεκτών ΣΓΕ(2, L). Χρησιμοποιώντας αυτές τις εκφράσεις δίνονται, σε κλειστή μορφή επίσης, σημαντικά κριτήρια επίδοσης όπως είναι ο Μέσος Λόγος Σήματος προς Θόρυβο (ΜΛΣΘ) και η Ποσότητα των Διαλείψεων (ΠΔ). Επιπλέον, με την εφαρμογή της ϑεωρίας των προσεγγιστών Pad´e και της προσέγγισης μέσω της Ροπο-Γεννήτριας Συνάρτησης (ΡΓΣ), γίνεται δυνατή η μελέτη της Πιθανότητας Διακοπής της Επικοινωνίας (ΠΔΕ) και της Μέσης Πιθανότητας Σφάλματος Bit (ΜΠΣΒ) του συστήματος. Στη συνέχεια, υποθέτοντας Ανεξάρτητα και Ομοιόμορφα Κατανεμημένα (ΑΟΚ) κανάλια διαλείψεων ΓG, παρουσιάστηκε σε κλειστή μορφή έκφραση για τις ροπές του SNR στην έξοδο των δεκτών ΣΓΕ(2, L), ενώ η ΡΓΣ και η Αθροιστική Συνάρτηση Κατανομής (ΑΣΚ) εξήχθησαν υπό τη μορφή απειροσειρών. Χρησιμοποιώντας αυτές τις εκφράσεις απλοποιείται σημαντικά η μελέτη των κριτηρίων επίδοσης της ΠΔΕ και της ΜΠΣΒ. Επιπλέον, παρουσιάστηκε η χωρητικότητα του καναλιού ΓG με τη χρήση ή όχι δεκτών διαφορισμού, με βάση πολύ γνωστές τεχνικές προσαρμογής της εκπομπής. Μια άλλη πολύ σημαντική ερευνητική περιοχή που αφορά τα κανάλια διαλείψεων και επηρεάζει σημαντικά την επίδοση των ασύρματων ψηφιακών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων που λειτουργούν σε αυτά, είναι το σύνθετο περιβάλλον διάδοσης που δημιουργείται όταν οι ΔΜΙΚ συνυπάρχουν με Διαλείψεις Μεγάλης Κλίμακας (ΔΜΕΚ). Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, αυτό το περιβάλλον διάδοσης μοντελοποιείται με τις σύνθετες κατανομές K και γενικευμένη-K (KG). Αυτές οι κατανομές είναι αρκετά γενικές, αλλά ταυτόχρονα και μαθηματικά ευέλικτες, και έχει διαπιστωθεί ότι είναι κατάλληλες για τη μοντελοποίηση των συνθηκών του καναλιού που προκύπτει όταν οι ΔΜΙΚ συμβαίνουν ταυτόχρονα με ΔΜΕΚ. Στην περίπτωση της κατανομής KG, εξάγονται σημαντικά στατιστικά χαρακτηριστικά του SNR στην έξοδο των δεκτών διαφορισμού Συνδυασμού Μεγίστου Λόγου (ΣΜΛ), Συνδυασμού ΄Ισης Απολαβής (ΣΙΑ), Συνδυασμού Μεταγωγής και Παραμονής (ΣΜΠ) και του δέκτη Διαφορισμού Επιλογής (ΔΕ). Χρησιμοποιώντας αυτές τις εκφράσεις και υποθέτωντας ΑΜΟΚ συνθήκες διαλείψεων του καναλιού KG, εξάγονται σε κλειστή μορφή τα κριτήρια επίδοσης ΜΛΣΘ, ΠΔΕ και ΠΔ. Επιπλέον, ακολουθώντας την προσέγγιση που βασίζεται στη ΡΓΣ για τους δέκτες ΣΜΛ και ΣΜΠ και τους προσεγγιστές Pad´e για τους δέκτες ΣΙΑ και ΔΕ μελετάται η ΜΠΣΒ. Για την περίπτωση της κατανομής K, υποθέτωντας επιπλέον συσχετισμένες ΤΜ, παρουσιάζεται και μελετάται η συσχετισμένη (δι-μεταβαλλόμενη) κατανομή K, η οποία χαρακτηρίζεται από μη ομοιόμορφους παράγοντες μορφοποίησης και κλίμακας. Η σύνθετη αυτή κατανομή είναι βολική για τη μοντελοποίηση του συσχετισμένου περιβάλλοντος διαλείψεων/σκίασης, όταν η συσχέτιση μεταξύ των πλατών των σημάτων και της ισχύος τους είναι διαφορετική. Για αυτήν την κατανομή, εξάγονται γενικές εκφράσεις με απειροσειρές για τη Συνάρτηση Πυκνότητας Πιθανότητας (ΣΠΠ), την ΑΣΚ και τις από κοινού ροπές. Υποθέτοντας ομοιόμορφους παράγοντες κλίμακας και ασυσχέτιστη ισχύ σημάτων, παρέχονται απλούστερες εκφράσεις για τη ΣΠΠ, την ΑΣΚ και τη χαρακτηριστική συνάρτηση, ενώ οι από κοινού ροπές εξάγονται σε κλειστή μορφή. Επιπλέον, βασιζόμενοι σε αυτές τις ϑεωρητικές εκφράσεις της δι-μεταβαλλόμενης κατανομής K, παρουσιάζεται η ανάλυση της επίδοσης σημαντικών δεκτών διαφορισμού, όπως είναι οι δέκτες ΣΜΛ, ΣΙΑ και ΔΕ οι οποίοι λειτουργούν σε συσχετισμένα κανάλια διαλείψεων K. Για το δέκτη ΔΕ μελετάται η ΠΔΕ, ενώ για τους δέκτες ΣΜΛ και ΣΙΑ η ΜΠΣΒ. Γενικά η προτεινόμενη ανάλυση συνοδεύεται από αριθμητικά αποτελέσματα, τα οποία επιδεικνύουν ξεκάθαρα τη χρησιμότητα και την ευελιξία της ϑεωρητικής προσέγγισης. Τα αριθμητικά αυτά αποτελέσματα περιλαμβάνουν σύγκριση της επίδοσης διαφορετικών δεκτών διαφορισμού, συνθηκών καναλιού και τεχνικών διαμόρφωσης. / At the beginning of the new millennium, it becomes totaly clear the important role and usefulness of the wireless communication systems and their applications, which continue to evolute in several areas including Personal Communication Services (PCS). In this context there is a continuing demand for increased capacity and integration of the provided services, such as voice, data and other types of traffic, over radio channels. One of the key technical problem areas that has emerged out is the requirement for determining the fading effects on network performance. This also the research area of the current Philosophy diploma, which aims to the theoretical study of the performance analysis of wireless communication systems, which are subject to fading. The current study has employed diversity reception as a fading mitigation technique. According to this technique, the receiver employs more than one antennae, in order to receive multiple copies of the transmitted signal. Hence, these copies are appropriate combined in order to satisfy network administrator demands. The technical literature concerning diversity reception techniques over fading channels is quite extensive. However, it deals mainly with fading channels, which are based on Rayleigh, Rice, and Nakagami-m distributions. Additionally, important distributions for modeling small scale fading are also the Weibull and, its generalization, the generalized-gamma (ΓG), which have recently gained an increased scientific interest in the wireless mobile communication area. However, the performance analysis of diversity receivers operating over fading channels, modeled by these distributions, has not been thoroughly investigated. Reasons for that include the composite statistical representation of several diversity receivers output in conjunction with the quite complicated mathematical expressions of the Weibull and/or ΓG distributions. In this thesis, by overcoming these difficulties the performance of a class of Generalized-Selection Combining (GSC) receivers operating over independent but non identically distributed Weibull fading channels is studied. The case where the two branches with the largest instantaneous Signal-to-Noise Ratio (SNR) are selected, from a total of L available GSC(2, L), is considered. By introducing a novel property for the product of moments of ordered Weibull Random Variables (RV), convenient closed form expressions for the moments of the GSC(2, L) output SNR are derived. Using these expressions, important performance criteria, such as average output SNR and amount of fading (AF ), are obtained in closed form. Furthermore, employing the Pad´e approximants theory and the Moment-Generating Function (MGF)-based approach, outage and bit-error rate performances are studied. Additionally, by considering independent and identical distributed (iid) ΓG fading channels, the moments of the output SNR of the GSC(2, L) receivers were derived, also, in closed form, while infinite series representations were obtained for the MGF and the Cumulative Distribution Function (CDF). Using these expressions, a simplified study of the Outage Probability (OP) and Average Bit Error Probability (ABEP) performance criteria can be performed. Moreover, the capacity of the ΓG fading channel, using different adaptation policies, is also studied, with and without diversity reception. Another important research issue concerning the performance analysis of wireless digital communications systems operating over fading channels, is the composite propagation environment arising in cases where fading is superimposed on shadowing. In the current thesis this propagation environment is modeled by the K and generalized-K (KG) composite distributions. These distributions are quite general and mathematical versatile, and have been found to be appropriate for accurately modeling the channel conditions when fading occurs simultaneously with shadowing. For the KG distribution, expressions for important statistical metrics of the output SNR for the Selection Diversity (SD) receiver and Maximal Ratio Combining (MRC), Equal Gain Combining (EGC), and Switch and Stay Combining (SSC) diversity receivers are derived. Using these expressions and by considering independent but not necessarily identical distributed fading channel conditions, performance criteria, such as average output SNR, AF and OP are obtained in closed form. Moreover, following the MGFbased approach for MRC and SSC receivers, and the Pad´e approximants theory for SD and EGC receivers, the ABEP is also studied. For the case of the K distribution, assuming correlated RVs, the correlated (bivariate) K distribution, with not necessarily identical shaping and scaling parameters, is introduced and studied. This composite distribution is convenient for modeling multipath/shadowing correlated fading environments when the correlations between the signal envelopes and their powers are different. For this distribution, generic infinite series representations are derived for the Probability Density Function (PDF), the CDF and the joint moments. Assuming identical shaping parameters and uncorrelated signal powers, simpler expressions for the PDF, CDF and the Characteristic Function (CF) are provided, while the joint moments are derived in closed form. Capitalizing on these theoretical expressions for the statistical characteristics of the correlated K distribution, the performance analysis of various diversity reception techniques, such as MRC, EGC and SD, over bivariate K fading channels is presented. For the SD, the outage probability is studied, while for the MRC and EGC the ABEP is obtained. In general the proposed analysis is accompanied by several numerical evaluated results, clearly demonstrating the usefulness and flexibility of the theoretical approach. These numerical results include performance comparisons of several diversity receiver structures, employing various modulation formats and different channel conditions.

Η περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων (RF) για σχεδίαση ηλεκτρονικών κυκλωμάτων για τηλεπικοινωνιακά συστήματα αποτελεί ένα χώρο έντονης ερευνητικής δραστηριότητας. Το πρότυπο υπερευρείας ζώνης με την ονομασία Ultra Wideband (UWB), που καταλαμβάνει συχνότητες από 3.1-10.6 GHz, αποτέλεσε αντικείμενο της παρούσης έρευνας με σκοπό την σχεδίαση, κατασκευή και μέτρηση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων με έμφαση στα κυκλώματα του μπροστινού τμήματος του UWB δέκτη. Η κατανόηση της λειτουργίας του πομποδέκτη και των παραμέτρων λειτουργίας σε επίπεδο συστήματος αποτέλεσε την αρχική προσέγγιση, με σκοπό τον καθορισμό των προδιαγραφών λειτουργίας των πιο κρίσιμων στοιχείων. Η ανάλυση έλαβε χώρα τόσο σε θεωρητικό επίπεδο όσο και σε επίπεδο εξομοίωσης και τα ηλεκτρονικά στοιχεία των υψηλών συχνοτήτων όπως είναι ο ενισχυτής χαμηλού θορύβου (Low Noise Amplifier - LNA) καθώς και ο μίκτης είναι τα πιο απαιτητικά στη σχεδίαση. Η έρευνα επικεντρώθηκε αρχικά στο κύκλωμα του ενισχυτή χαμηλού θορύβου , το οποίο ευρισκόμενο αμέσως μετά την κεραία λήψης, καλείται να ικανοποιήσει πολλές και αντικρουόμενες μεταξύ τους απαιτήσεις όσον αφορά το εύρος ζώνης, το κέρδος, την κατανάλωση ενέργειας και επιφανείας πυριτίου και το θόρυβο. Στα πλαίσια της μελέτης εξερευνήθηκαν και αξιολογήθηκαν οι υφιστάμενες τοπολογίες που έχουν εμφανιστεί στη βιβλιογραφία και επιλέχθηκαν δύο από αυτές για περεταίρω διερεύνηση. Το πρώτο ολοκληρωμένο που κατασκευάστηκε περιλαμβάνει τρεις ενισχυτές, οι δύο από αυτούς χρησιμοποιούν την τοπολογία κοινής πηγής με φίλτρο εισόδου και πηνίο στην πηγή (inductive source degeneration) και διαφέρουν στον τρόπο μέτρησης, όπου ο ένας ενισχυτής μετράται πάνω στο ολοκληρωμένο (on-wafer probing) και ο έτερος τοποθετείται σε πλακέτα (chip on board). Με τον τρόπο αυτό αποκτάται διαίσθηση όσον αφορά την επίδραση των παρασιτικών που υπεισέρχονται εξαιτίας των διασυνδέσεων των αγωγών (bondwires) μεταξύ ολοκληρωμένου και πλακέτας. Ταυτόχρονα για τον συγκεκριμένο ενισχυτή εφαρμόζεται και στρατηγική προστασίας από ηλεκτροστατικά φορτία (ESD). Ο τρίτος ενισχυτής βασίζεται στην τοπολογία ανάδρασης και αποτέλεσε προϊόν πρωτότυπης έρευνας και χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές διεύρυνσης του εύρους ζώνης λειτουργίας με χρήση επαγωγικών στοιχείων. Οι μετρήσεις που επακολούθησαν την κατασκευή αποδείχθηκαν επιτυχείς και κατά κανόνα υπήρξε σύγκλιση με την εξομοίωση. Ο τρίτος ενισχυτής παρουσιάζει την πιο ανταγωνιστική απόδοση και είναι ικανός να λειτουργήσει μέχρι τα 7GHz. Επακόλουθο της κυκλωματικής μελέτης των ενισχυτών χαμηλού θορύβου υπήρξε η εστίαση σε επίπεδο συστήματος για την κατασκευή του συνολικού RF τμήματος του δέκτη σε ολοκληρωμένο και για λειτουργία μέχρι τα 10.6GHz. Το σύστημα περιλαμβάνει τον LNA της τοπολογίας με ανάδραση και στη συνέχεια δύο πανομοιότυπα μονοπάτια αποτελούμενα το καθένα από μίκτη, υψιπερατό φίλτρο και απομονωτή εξόδου στα 50 Ω για τις ανάγκες της μέτρησης. Ως κύριες προκλήσεις ανέκυψαν ο σχεδιασμός του μίκτη και κυρίως της διεπαφής με τον LNA, ο οποίος παρέχει σήμα μονής εξόδου ενώ ο μίκτης λειτουργεί διαφορικά. Στα πλαίσια της διατριβής προτάθηκε μια τεχνική για κύκλωμα μετατροπής μονού σε διαφορικό σήμα (balun), η οποία συνδυαζόμενη με την τοπολογία του μίκτη που επελέγη, ουσιαστικά ενσωματώνεται στο μίκτη και παρέχει διαφορικά σήματα με πολύ καλή ακρίβεια στο πλάτος και τη φάση. Το balun βασίζεται στην τοπολογία του διαφορικού ζεύγους και επεκτείνει πάνω σε αυτήν με χρήση πηνίου που στο κέντρο του παρέχει έναν τρίτο ακροδέκτη διασύνδεσης στην τροφοδοσία. Καταυτόν τον τρόπο λαμβάνει χώρα σύζευξη μεταξύ των φορτίων του balun που εγγυάται την ακρίβεια των μεγεθών που προαναφέρθηκαν. Η τεχνική υποστηρίζεται από ενδελεχή μαθηματική ανάλυση και παρουσιάζονται συγκρίσεις μεταξύ θεωρίας και εξομοίωσης με σύγκλιση μεταξύ των. Ο μίκτης που κατέληξε η έρευνα ανήκει στην κατηγορία της συνδεσμολογίας folded cascode. Δεδομένων επίσης των περιορισμών που υπήρχαν στον εξοπλισμό μέτρησης εφαρμόστηκαν τεχνικές με πιο σημαντική την τροφοδότηση των σημάτων ταλαντωτή τα οποία εσωτερικά του ολοκληρωμένου μετατρέπονται σε διαφορικά και καθοδηγούνται για αποφυγή ασυμμετριών σε ισομήκης μεταλλικές γραμμές μεταφοράς. Σε όλα τα κρίσιμα σημεία έχει προβλεφτεί στρατηγική θωράκισης των υψίσυχνων σημάτων ενώ η τοποθέτηση ενός πολύ μεγάλου αριθμού στοιχείων στο πυρίτιο υπήρξε προϊόν συγκερασμού διαφορετικών απαιτήσεων στη χωροταξία τους με πολυάριθμες τεχνικές και εμπειρικούς κανόνες να έχουν εφαρμοστεί. Η τελική προτεινόμενη αρχιτεκτονική τύπου άμεσης μετατροπής παρόλα τα σχεδιαστικά ρίσκα που είχαν ληφθεί, λειτούργησε επιτυχώς μέχρι και τα 8.5GHz επισφραγίζοντας την συνολική προσπάθεια. / The domain of RF engineering for electronic circuits, targeting the application of telecommunication systems, constitutes a field of intense research activities. The UWB protocol that occupies a frequency spectrum between 3.1 and 10.6 GHz is the subject of the current work which aims to the design, fabrication and measurement of electronic circuits with emphasis put on the receiver’s RF front end. The initial focus of the research work targets the Low Noise Amplifier (LNA) circuit, a demanding and challenging circuit that being at the very front of the receiver’s chain, has to compromise among different and contradictory requirements, namely the extended bandwidth, the gain, the power and chip area consumption and the noise performance. Existing topologies in the literature were explored and classified and two among them were selected for further research. The first fabricated chip includes three LNAs, two of which apply the common source topology with input bandpass filter and inductive source degeneration and their difference lies in the measurement method. One amplifier is measured on wafer while the other is mounted on board. That way, intuition is acquired regarding the effect of the bondwires that act as the interface between the chip and the board. At the same time, ESD protection strategy is applied as the chip is more vulnerable to static currents. The third LNA is based on the feedback topology and constitutes a work of novelty, where bandwidth extension techniques were applied, comprising of inductive elements. The following measurement procedure was successful indicating an upper frequency of operation for the feedback LNA up to 7GHz. The focus of the work after the LNAs was shifted to system level for the implementation of the total RF front end of the receiver up to 10.6GHz. The system comprises an improved version of the feedback LNA followed by two identical paths, each one consisting of a mixer, a high pass filter and an output buffer at 50 Ohm for measurement purpose. The challenges that are mostly highlighted are the mixer design in conjunction with the necessary balun interface from the single ended output of the LNA to the differential mixer. A novel technique is proposed for the balun that builds on the differential pair topology and provides coupling between the load elements that both are implemented with a center tapped inductor. That way the designed balun achieves balanced outputs in terms of amplitude and phase. The technique is supported by mathematical analysis and the comparison between computed and simulated results show convergence. The resulting mixer that includes the balun belongs to the folded cascode differential connection. Moreover, given the limitations of the available measurement equipment, several layout techniques were applied; particularly in the issue of the external LO signal feeding. The two quadrature LO signals are provided in single ended form and traverse the chip by two equal length transmission lines that are separated at the center of the chip and reach the on chip single to differential converters that are placed close to the mixers. In every critical point, care is taken to shield the high frequency signals from interferences. In any case, the placing of a high number of individual elements that have different requirements on the same chip requires for compromises, while layout techniques and rules of thumb have been applied to the maximum extend. The final proposed architecture belongs to the direct conversion category and worked successfully up to the frequency of 8.5GHz. It achieves gain of 25dB, double sideband noise figure of 7dB and power consumption of 62.7 mW.

Οι ραγδαία αυξανόμενες απαιτήσεις για ασύρματες ευρείας ζώνης υπηρεσίες και τα πρόσφατα επιτεύγματα στο σχεδιασμό κι υλοποίηση κινητών τερματικών συσκευών με δυνατότητες παροχής υπηρεσιών διαδικτύου επισπεύδουν την εισαγωγή των ασυρμάτων συστημάτων επικοινωνίας τέταρτης γενεάς στην παγκόσμια αγορά. Βασικό ρόλο στην εκπλήρωση των απαιτήσεων για αυξημένο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων και ποιότητα υπηρεσιών που έχουν τεθεί από τα συστήματα αυτά, διαδραματίζουν οι χωροχρονικές τεχνικές επεξεργασίας σήματος που εφαρμόζονται στα ασύρματα συστήματα με πολλαπλές κεραίες στον πομπό ή/και στο δέκτη. Ευρέως διαδεδομένα και συνάμα απλά στην υλοποίηση συστήματα πολλαπλών κεραιών είναι οι δέκτες χωρικού διαφορισμού (ΔΧΔ), οι οποίοι παρέχουν τη δυνατότητα αποδοτικής αντιμετώπισης του φαινομένου των διαλείψεων πολυδιόδευσης που εμφανίζονται στο ασύρματο κανάλι, συνδυάζοντας κατάλληλα τα πολλαπλά ληφθέντα αντίγραφα του εκπεμπόμενου σήματος. Η θεωρητικά αναμενόμενη βελτίωση στις επιδόσεις ασυρμάτων συστημάτων που δύνανται να προσφέρουν οι ΔΧΔ σε σύγκριση με τους συμβατικούς δέκτες μονής κεραίας, προϋποθέτει τη στατιστική ανεξαρτησία των διαλείψεων πολυδιόδευσης που εμφανίζονται στις πολλαπλές κεραίες του δέκτη. Σε πρακτικές υλοποιήσεις, όμως, ποικίλες παράμετροι, όπως για παράδειγμα η μικρή απόσταση μεταξύ των πολλαπλών κεραιών του δέκτη, συντελούν ώστε οι διαλείψεις που εμφανίζονται στους κλάδους των ΔΧΔ να είναι αυθαίρετα συσχετισμένες. Η θεωρητική μελέτη επιδόσεων ΔΧΔ που υπόκεινται σε αυθαίρετα συσχετισμένα κανάλια διαλείψεων πολυδιόδευσης, γνωστών ως διαλείψεις μικρής κλίμακας (ΔΜΙΚ), αποτελεί το αντικείμενο έρευνας της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Αν και πολυάριθμες ερευνητικές εργασίες ασχολούνται με τη μοντελοποίηση των συσχετισμένων ΔΜΙΚ και της επίδρασής τους στις επιδόσεις ΔΧΔ, η πλειονότητά τους, χρησιμοποιώντας τις στατιστικές ιδιότητες πολυ-μεταβλητών κατανομών, περιορίζεται σε ειδικές μορφές συσχέτισης των διαλείψεων και σε συμβατικές τεχνικές ΔΧΔ. Το γεγονός αυτό οφείλεται, σε μεγάλο βαθμό, στην απουσία απλών στη χρήση και στον υπολογισμό μαθηματικών εκφράσεων για τις στατιστικές ιδιότητες πολυ-μεταβλητών κατανομών με αυθαίρετα συσχετισμένες τυχαίες μεταβλητές (ΤΜ). Στα πλαίσια της διατριβής αυτής επισκοπούνται, αρχικά, οι προταθείσες μαθηματικές εκφράσεις για τις κυριότερες στατιστικές ιδιότητες των πολυ-μεταβλητών κατανομών Rayleigh, Nakagami-m, Weibull και γενικευμένου Γάμα (ΓG) με διάφορες μορφές συσχέτισης και περιγράφονται οι δυνατότητες χρησιμοποίησής τους στη μελέτη επιδόσεων ΔΧΔ που λειτουργούν σε συσχετισμένες ΔΜΙΚ. Κατόπιν, παρουσιάζοντας μια νέα μεθοδολογία δημιουργίας αυθαίρετα συσχετισμένων και μη απαραιτήτως ταυτόσημα κατανεμημένων (ΤΚ) ΤΜ ΓG, η οποία βασίζεται σε αυθαίρετα συσχετισμένες ΤΜ Gauss και στην ειδική κατηγορία των πινάκων Householder για την τριδιαγωνιοποίηση του πίνακα συσχέτισης (ΠΣ) των ΤΜ Gauss, προέκυψαν μια κλειστής μορφής έκφραση άνω φράγματος για την από κοινού συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας (ΣΠΠ) και μια αναλυτική έκφραση άνω φράγματος σε αναπαράσταση απειροσειρών για την από κοινού αθροιστική συνάρτηση κατανομής (ΑΣΚ) αυθαίρετα συσχετισμένων και μη απαραιτήτως ΤΚ ΤΜ ΓG. Τα προταθέντα άνω φράγματα περιέχουν αρκετές γνωστές μαθηματικές εκφράσεις για τις από κοινού ΣΠΠ κι ΑΣΚ ως ειδικές περιπτώσεις. Στη συνέχεια, προσεγγίζοντας τον ΠΣ αυθαίρετα συσχετισμένων ΤΜ Gauss με έναν ειδικής κατηγορίας πίνακα Green, εξάγεται μια κλειστής μορφής έκφραση προσέγγισης για την από κοινού ΣΠΠ αυθαίρετα συσχετισμένων και μη απαραιτήτως ΤΚ ΤΜ ΓG καθώς και μια αναλυτική έκφραση προσέγγισης σε αναπαράσταση απειροσειρών για την από κοινού ΑΣΚ τους. Επίσης, παρουσιάζονται αναλυτικές εκφράσεις σε αναπαραστάσεις απειροσειρών για τις κυριότερες στατιστικές ιδιότητες της τρι-μεταβλητής κατανομής ΓG με αυθαίρετο ΠΣ και μη απαραιτήτως ΤΚ ΤΜ καθώς και της πολυ-μεταβλητής κατανομής ΓG με σταθερό ΠΣ και μη απαραιτήτως ΤΚ ΤΜ. Όλων των μορφών οι προταθείσες αναλυτικές μαθηματικές εκφράσεις για τις ΣΠΠ κι ΑΣΚ της πολυ-μεταβλητής κατανομής ΓG χρησιμοποιούνται για τη μελέτη επιδόσεων δεκτών διαφορισμού επιλογής (ΔΕ), διαφορισμού μέγιστου λόγου (ΔΜΛ) και διαφορισμού μεταγωγής κι εξέτασης (ΔΜκΕ) που υπόκεινται σε ποικίλα περιβάλλοντα αυθαίρετα συσχετισμένων ΔΜΙΚ. Αρχικά, εξάγονται αναλυτικές εκφράσεις άνω φραγμάτων για την πιθανότητα διακοπής επικοινωνίας (ΠΔΕ), τη μέση πιθανότητα σφάλματος συμβόλου (ΜΠΣΣ) διαφόρων σχημάτων διαμόρφωσης και τη μέση χωρητικότητα καναλιού (ΜΧΚ) κατά Shannon δεκτών ΔΕ που λειτουργούν σε περιβάλλον αυθαίρετα συσχετισμένων και μη απαραιτήτως ΤΚ διαλείψεων ΓG. Επίσης, παρουσιάζονται αναλυτικές εκφράσεις για τα ίδια κριτήρια επίδοσης δεκτών ΔΕ με τρεις κεραίες καθώς κι αναλυτικές εκφράσεις προσεγγίσεων για τα κριτήρια επίδοσης δεκτών ΔΕ οποιουδήποτε πλήθους κεραιών. Κατόπιν, εξάγοντας νέες αναλυτικές μαθηματικές εκφράσεις σε αναπαραστάσεις απειροσειρών για τις κυριότερες στατιστικές ιδιότητες του αθροίσματος οποιουδήποτε αριθμού αυθαίρετα συσχετισμένων και ΤΚ ΤΜ Γάμα, προκύπτουν αναλυτικές εκφράσεις για την ΠΔΕ, τη ΜΠΣΣ διαφόρων σχημάτων διαμόρφωσης και τη ΜΧΚ κατά Shannon δεκτών ΔΜΛ που λειτουργούν σε αυθαίρετα συσχετισμένες και ΤΚ διαλείψεις Nakagami-m. Για το ίδιο περιβάλλον διαλείψεων, παρουσιάζονται αναλυτικές εκφράσεις σε αναπαραστάσεις απειροσειρών για την ΠΔΕ και τη ΜΠΣΣ διαφόρων σχημάτων διαμόρφωσης δεκτών ΔΜκΕ οποιουδήποτε πλήθους κεραιών. Η στενότητα των προταθέντων άνω φραγμάτων για τα κριτήρια επίδοσης των δεκτών ΔΕ, ΔΜΛ και ΔΜκΕ που υπόκεινται σε περιβάλλοντα αυθαίρετα συσχετισμένων ΔΜΙΚ, η ορθότητα των αναλυτικών εκφράσεων για τα ίδια κριτήρια κι η ακρίβεια των προταθέντων προσεγγίσεών τους μελετήθηκαν εκτενώς συγκρίνοντας πολυάριθμα αριθμητικά αποτελέσματα των εκφράσεων αυτών με αντίστοιχα αποτελέσματα που προέκυψαν από προσομοιώσεις σε Η/Υ, οι οποίες υλοποιήθηκαν για το σκοπό αυτό. / The rapidly increasing demands for wireless wideband services and the recent advances in the design and implementation of mobile terminal devices with Internet-based service providing capabilities expedite the introduction of fourth generation (4G) wireless communications systems in the international wireless market. These systems are expected to ensure increased data rates and quality of service in an anytime anywhere basis. Wireless systems that utilize multiple antennas at the transmitter and/or receiver as well as space-time signal processing techniques play a fundamental role in accomplishing the demands imposed by 4G wireless communications systems. Well-known multiple-antenna systems that enable simple implementations are space diversity receivers (SDRs). By properly combining the multiple received replicas of the transmitted signal, SDRs are capable of effectively mitigating the detrimental effects of multipath fading, known as small-scale fading (SSF), that is inherent in wireless channels. SDRs are theoretically known to improve wireless system’s performance compared with conventional single-antenna receivers. This improvement requires that the SSF channels among multiple receiver’s antennas are statistically independent. However, in practical implementations, due to several parameters such as for example the small distance among the receiver’s multiple branches, SSF channels are arbitrarily correlated. This doctoral dissertation presents a theoretical performance study of SDRs operating over arbitrarily correlated SSF channels. Although numerous scientific papers deal with correlated SSF channel modeling and the impact of correlated SSF on the performance of SDRs, their vast majority, which utilizes the statistical properties of multivariate distributions for studying SDRs’ performance, is restricted to special forms of fading correlation and conventional SDR techniques. This happens mainly due the fact that there is a lack of simple mathematical expressions for the statistical properties of multivariate distributions with arbitrarily correlated random variables (RVs) in the literature. Within the framework of this dissertation, firstly, the previously proposed mathematical expressions for the most prevalent statistical properties of the multivariate Rayleigh, Nakagami-m, Weibull and generalized Gamma (ΓG) distributions with various forms of correlation are summarized. Moreover, their capabilities of being utilized for the performance study of SDRs operating over correlated SSF are described. Next, by presenting a new methodology for generating arbitrarily correlated and not necessarily identically distributed (ID) ΓG RVs that is based on arbitrarily correlated Gaussian RVs and the special class of Householder matrices for tridiagonalizing the correlation matrix (CM) of Gaussian RVs, a closed-form upper bound expression for the joint probability density function (PDF) and an analytical upper bound expression in infinite series form for the joint cumulative distribution function (CDF) of arbitrarily correlated and not necessarily ID ΓG RVs are derived. The proposed upper bounds contain several known mathematical expressions for the joint PDF and CDF as special cases. In addition, by approximating the CM of arbitrarily correlated Gaussian RVs with the special class of Green’s matrices, a closed-form approximate expression for the joint PDF and an analytical approximate expression in infinite series form for the joint CDF of arbitrarily correlated and not necessarily ID ΓG RVs are obtained. Furthermore, analytical expressions in infinite series form for the most prevalent statistical properties of the trivariate ΓG distribution with an arbitrary CM and not necessarily ID RVs as well as of the multivariate ΓG distribution with a constant CM and not necessarily ID RVs are presented. The proposed analytic mathematical expressions of all forms for the PDF and CDF of the multivariate ΓG distribution are used for the performance study of selection diversity (SD), maximal-ratio diversity (MRD), and switch-and-examine diversity (SED) receivers over various arbitrarily correlated SSF channels. Firstly, analytical upper bound expressions for the outage probability (OP), average symbol error probability (ASEP) for several modulation formats, and average channel capacity (ACC) in Shannon’s sense of SD receivers operating over arbitrarily correlated and not necessarily ID ΓG fading are derived. Moreover, analytical expressions for the same performance criteria of triple-branch SD receivers as well as analytical approximate expressions for the performance criteria of multibranch SD receivers are presented. Next, by obtaining new analytic mathematical expressions in infinite series form for the most prevalent statistical properties of the sum of any number of arbitrarily correlated and ID Gamma RVs, analytical expressions for the OP, ASEP for several modulation formats, and ACC in Shannon’s sense of multibranch MRD receivers operating over arbitrarily correlated and ID Nakagami-m fading are derived. For the same fading conditions, analytical expressions in infinite series form for the OP and ASEP for several modulation formats of multibranch SED receivers are presented. The tightness of the proposed upper bounds for the performance criteria of multibranch SD, MRD, and SED receivers in various arbitrarily correlated SSF environments, the correctness of the analytical expressions for the same criteria, and the accuracy of the proposed approximations for them are studied in depth through comparisons between numerically evaluated results for the expressions and equivalent results obtained by means of computer simulations that were implemented for this purpose.