Η ενσωμάτωση των κωδίκων Turbo σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών λόγω της εκπληκτικής αποδόσεώς τους που προσεγγίζει το θεμελιώδες όριο του Shannon, απαιτεί αποδοτικές αρχιτεκτονικές και υλοποιήσεις υψηλού ρυθμού διεκπεραίωσης και χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας όσον αφορά την εξαιρετικά πολύπλοκη και χρονοβόρα επαναληπτική αποκωδικοποίησή τους. Η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά την χρήση της τεχνολογίας Πυριτίου-Γερμανίου (SiGe) BiCMOS σε αναλογικές αρχιτεκτονικές για την υλοποίηση αποκωδικοποιητών Turbo υψηλού ρυθμού διεκπεραίωσης και όσο το δυνατόν χαμηλής κατανάλωσης ισχύος. Η σχεδίαση βάσει των διπολικών τρανζίστορ ετεροεπαφής προσδίδει ιδιαίτερα υψηλή ταχύτητα στην απόκριση του αναλογικού συστήματος σε αντίθεση με τα συμβατικά διπολικά τρανζίστορ ή με τα τρανζίστορ πεδίου MOS, τα οποία λειτουργούν στην περιοχή υποκατωφλίου για τη διατήρηση της διαγραμμικής αρχής. Στα πλαίσια της διατριβής αυτής παρουσιάζεται μια γενική μεθοδολογία χρησιμοποιώντας τους γράφους παραγόντων για την προδιαγραφή συστημάτων ελέγχου λαθών. Έπειτα, πραγματοποιείται η σύζευξη της επιτευχθείσας προδιαγραφής με την κυκλωματική συμπεριφορά των τοπολογιών λαμβάνοντας υπ’ όψιν φυσικά τα χαρακτηριστικά της τεχνολογίας SiGe BiCMOS και καταλήγουμε στην αποδοτική σχεδίαση και ολοκλήρωση αποκωδικοποιητών διόρθωσης λαθών υψηλής ταχύτητας. Χρήσιμα συμπεράσματα, για την υιοθέτηση της προτεινόμενης μεθοδολογίας και τη χρήση της τεχνολογίας Πυριτίου-Γερμανίου, αναφέρονται με την παρουσίαση της πρώτης επιτυχούς υλοποίησης σε τεχνολογία 0.35μm AMS SiGe BiCMOS ενός αναλογικού Trellis αποκωδικοποιητή και των εξομοιωτικών αποτελεσμάτων του αντίστοιχου αποκωδικοποιητή Turbo, ο οποίος ενσωματώνει τον παραπάνω Trellis αποκωδικοποιητή. / The incorporation of Turbo codes into a wide range of applications due to their amazing performance close to the fundamental Shannon limit, demands efficient architectures and implementations of high-throughput and low energy consumption in the case of the extremely complex and time consuming procedure of iterative decoding. The present dissertation studies the use of SiGe BiCMOS technology in analog architectures for the implementation of high-throughput and moderate power consumption Turbo decoders. The design is based on Heterojunction Bipolar Transistors and leads to a significant increment of the analog system’s speed in contrast to the designs based on conventional bipolar transistors or MOS transistor, which operate in the subthreshold region in order to conform to the translinear principle. A generic methodology, using factor-graphs for the specification procedure of error control systems, is also presented. Furthermore, we map the derived specification onto the appropriate acircuit topology taking into account the characteristics of the SiGe BiCMOS technology. Finally, the methodology leads to an efficient design and consistent integration of high-speed analog decoders. We report useful conclusions for the adoption of the proposed methodology, and the use of Silicon-Germanium technology by presenting the first successful implementation of an analog Trellis decoder, and the simulation results of the relevant Turbo decoder in a 0.35μm AMS SiGe BiCMOS technology.

This thesis presents novel signal processing algorithms for speech and music dereverberation. The proposed algorithms focus on blind single-channel suppression of late reverberation; however binaural and semi-blind methods have also been introduced. Late reverberation is a particularly harmful distortion, since it significantly decreases the perceived quality of the reverberant signals but also degrades the performance of Automatic Speech Recognition (ASR) systems and other speech and music processing algorithms. Hence, the proposed deverberation methods can be either used as standalone enhancing techniques or implemented as preprocessing schemes prior to ASR or other applied systems. The main dereverberation method proposed here is a blind dereverberation technique based on perceptual reverberation modeling has been developed. This technique employs a computational auditory masking model and locates the signal regions where late reverberation is audible, i.e. where it is unmasked from the clean signal components. Following a selective signal processing approach, only such signal regions are further processed through sub-band gain filtering. The above technique has been evaluated for both speech and music signals and for a wide range of reverberation conditions. In all cases it was found to minimize the processing artifacts and to produce perceptually superior clean signal estimations than any other tested technique. Moreover, extensive ASR tests have shown that it significantly improves the recognition performance, especially in highly reverberant environments. / Η διατριβή αποτελείται από εννιά κεφάλαια, δύο παραρτήματα καθώς και την σχετική βιβλιογραφία. Είναι γραμμένη στα αγγλικά ενώ περιλαμβάνει και ελληνική περίληψη. Στην παρούσα διατριβή, αναπτύσσονται μεθόδοι ψηφιακής επεξεργασίας σήματος για την αφαίρεση αντήχησης από σήματα ομιλίας και μουσικής. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι καλύπτουν ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών αρχικά εστιάζοντας στην τυφλή (“blind”) αφαίρεση για μονοκαναλικά σήματα. Στοχεύοντας σε πιο ειδικά σενάρια χρήσης προτείνονται επίσης αμφιωτικοί αλγόριθμοι αλλά και τεχνικές που προϋποθέτουν την πραγματοποίηση κάποιας ακουστικής μέτρησης. Οι αλγόριθμοι επικεντρώνουν στην αφαίρεση της καθυστερημένης αντήχησης που είναι ιδιαίτερα επιβλαβής για την ποιότητα σημάτων ομιλίας και μουσικής και μειώνει την καταληπτότητα της ομιλίας. Επίσης, επειδή αλλοιώνει σημαντικά τα στατιστικά των σημάτων, μειώνει σημαντικά την απόδοση συστημάτων αυτόματης αναγνώρισης ομιλίας καθώς και άλλων αλγορίθμων ψηφιακής επεξεργασίας ομιλίας και μουσικής. Έτσι οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι μπορούν είτε να χρησιμοποιηθούν σαν αυτόνομες τεχνικές βελτίωσης της ποιότητας των ακουστικών σημάτων είτε να ενσωματωθούν σαν στάδια προ-επεξεργασίας σε άλλες εφαρμογές. Η κύρια μέθοδος αφαίρεσης αντήχησης που προτείνεται στην διατριβή, είναι βασισμένη στην αντιληπτική μοντελοποίηση και χρησιμοποιεί ένα σύγχρονο ψυχοακουστικό μοντέλο. Με βάση αυτό το μοντέλο γίνεται μία εκτίμηση των σημείων του σήματος που η αντήχηση είναι ακουστή δηλαδή που δεν επικαλύπτεται από το ισχυρότερο σε ένταση καθαρό από αντήχηση σήμα. Η συγκεκριμένη εκτίμηση οδηγεί σε μία επιλεκτική επεξεργασία σήματος όπου η αφαίρεση πραγματοποιείται σε αυτά και μόνο τα σημεία, μέσω πρωτότυπων υβριδικών συναρτήσεων κέρδους που βασίζονται σε δείκτες αντικειμενικής και υποκειμενικής αλλοίωσης. Εκτεταμένα αντικειμενικά και υποκειμενικά πειράματα δείχνουν ότι η προτεινόμενη τεχνική δίνει βέλτιστες ποιοτικά ανηχωικές εκτιμήσεις ανεξάρτητα από το μέγεθος του χώρου.

Τα σύγχρονα τηλεπικοινωνιακά συστήματα, καθώς επίσης και οι επόμενες γενιές τους, πρέπει να προσαρμόζονται για να υποστηρίζουν ένα μεγάλο αριθμό από υπηρεσίες με διαφορετικές απαιτήσεις ποιότητας. Για παράδειγμα, στα κυψελικά συστήματα, οι κυψέλες μικραίνουν σε μέγεθος και αυξάνονται σε πλήθος για να υποστηρίζουν ένα συνεχώς αυξανόμενο πλήθος χρηστών. Επίσης, σε μια άλλη κατεύθυνση, τα δίκτυα αισθητήρων αποτελούνται από μικρές συσκευές που εισάγουν περιορισμούς μεγέϑους, ενέργειας και επεξεργαστικής ισχύος. Αυτά τα δυο παραδείγματα επιδεικνύου τόσο την αυξανόμενη πολυπλοκότητα των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων όσο και τις ιδιαίτερες απαιτήσεις που υπάρχουν στους μεμονωμένους κόμβους τους. Τα τηλεπικοινωνιακά συστήματα πολλαπλών εισόδων και εξόδων έχουν την δυνατότητα να προσφέρουν αυξημένη χωρητικότητα και αξιοπιστία στην μετάδοση δεδομένων μέσω της έννοιας της χωρικής ποικιλομορφίας (space diversity). Συγκεκριμένα, αυτό επιτυγχάνεται με την μετάδοση της ζητούμενης πληροφορίας μέσω ενός αριθμού από διαφορετικά χωρικά μονοπάτια τα οποία δημιουργούνται από την ύπαρξη πολλαπλών κεραιών στον πομπό ή/και στον δέκτη. Ωστόσο, η προαναφερόμενη πολυπλοκότητα στα τηλεπικοινωνιακά συστήματα και οι ιδιαίτερες απαιτήσεις των κόμβων έχουν ως αποτέλεσμα να μην επαρκούν οι τεχνικές που έχουν αναπτυχθεί. Μια πιθανή διέξοδο έρχεται να δώσει η ιδέα της συνεργασίας. Η έννοια της συνεργασίας έχει διάφορες οπτικές γωνίες σε ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα. Πρώτον, αν οι συσκευές δεν μπορούν να υποστηρίξουν πολλαπλές κεραίες (π.χ. λόγω μεγέϑους όπως στα δίκτυα αισθητήρων και στα κινητά τηλέφωνα), σίγουρα μπορούν να συνεργαστούν ώστε με έναν κατανεμημένο τρόπο να προσφέρουν σε επίπεδο συστήματος τα απαραίτητα διαφορετικά χωρικά μονοπάτια. Δεύτερον, ακόμη και αν είναι δυνατή η χρήση πολλαπλών κεραιών σε κάποιον κόμβο ενός δικτύου, π.χ. σε σταθμούς ϐάσης κυψελικών συστημάτων, ο αριθμός τους μπορεί απλώς να μην αρκεί λόγω της αυξημένης πολυπλοκότητας και του μεγέθους του δικτύου. Η κατάλληλη χρήση συνεργατικών κόμβων μπορεί να δώσει επίσης λύση στον εν λόγω περιορισμό.Η παρούσα διδακτορική διατριβή ϑα ϐασιστεί πάνω σε συνεργατικά συστήματα υπό την πρώτη οπτική γωνία που παρουσιάστηκε παραπάνω. Συγκεκριμένα, ϑα ϑεωϱηθεί ένα συνεργατικό δίκτυο με τρεις κόμβους, δηλαδή μια πηγή, έναν αναμεταδότη και έναν προορισμό. ϑα μελετηθούν τεχνικές εκτίμησης των καναλιών που συμμετέχουν στην μετάδοση της πληροφορίας αναδεικνύοντας τα ϐασικά χαρακτηριστικά που εισάγει η έννοια της συνεργασίας στις εν λόγω τεχνικές. Επίσης, ϑα παρουσιαστούν υλοποιήσεις διαφόρων συνεργατικών πρωτοκόλλων μετάδοσης σε ένα πραγματικό τηλεπικοινωνιακό σύστημα προσφέροντας έτσι την απαραίτητη πρακτική διαίσθηση πίσω από αυτά τα συστήματα. Συγκεκριμένα, αφού παρουσιαστούν κάποιες ϐασικές έννοιες για τις συνεργατικές επικοινωνίες και την λειτουργία της εκτίμησης καναλιών, ϑα μελετηθεί το πρόβλημα εκτίμησης με μερική επίβλεψη σε σχέση με το μοντέλο του συνεργατικού συστήματος που ϑεωρήθηκε. Προτείνονται εναλλακτικά σχήματα για την υλοποίηση του εκτιμητή καθώς επίσης και ένας απλός σχεδιασμός της ακολουθίας συμβόλων που υποβοηθάει το εφαρμοζόμενο κριτήριο ετεροσυσχέτισης. ΄Ολες οι έννοιες που παρουσιάζονται σε αυτό το κεφάλαιο υποστηρίζονται με πειραματικά και ημιαναλυτικά επιχειρήματα. Στην συνέχεια, παρουσιάζεται το πρόβλημα σχεδιασμού της κατανομής ενέργειας σε σύμβολα εκμάθησης για την εκτίμηση συσχετισμένων καναλιών. Αφού περιγραφεί το προς μελέτη πρόβλημα, ϑα επικεντρωθούμε στο κριτήριο ελαχίστων τετραγώνων για το οποίο παρουσιάζονται η ϐέλτιστη και τρεις υποβέλτιστες λύσεις που συνοδεύονται από χρήσιμα συμπεράσματα και παρατηρήσεις. ΄Επειτα, μελετάται το κριτήριο ελάχιστου μέσου τετραγωνικού σφάλματος για δυο περιπτώσεις. Στην πρώτη, παρουσιάζεται μια ανάλυση χειρότερης περίπτωσης και γίνεται η σύνδεση των λύσεων του προβλήματος με τις λύσεις του προηγούμενου κριτηρίου. Επίσης, υπό την υπόθεση των καναλιών χωρίς συσχέτιση, παρουσιάζεται η ϐέλτιστη λύση για τον σχεδιασμό της ακολουθίας των συμβόλων εκμάθησης. Στην τρίτη κατεύθυνση, ϑα παρουσιαστεί αρχικά το σύστημα στο οποίο ϑα υλοποιηθούν και εκτελεστούν τα πρωτόκολλα συνεργατικής επικοινωνίας. Στην συνέχεια, παρουσιάζονται τα εν λόγω σχήματα και το κεφάλαιο καταλήγει με την πειραματική διαδικασία, την παρουσίαση και αξιολόγηση των αποτελεσμάτων καθώς και την εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων. Στο τέλος της διατριβής περιγράφονται συνοπτικά τα ϐασικά συμπεράσματα που έχουν προκύψει και παρουσιάζονται κάποιες ενδιαφέρουσες νέες κατευθύνσεις. / Contemporary communication systems, as well as their next generations, are expected to adapt to a rapidly increasing number of desired applications and quality of service levels. For example, in cellular systems, the cells are getting smaller in size and larger in numbers in order to support the increasing number of users. Also, towards another direction, wireless sensor network consist of small devices that comply with stringent constraints such as size, consumed energy and computational power. These examples demonstrate both the high complexity of communication networks and the specific requirements that exist in individual communication nodes. Multiple input multiple output systems are capable of offering high capacity and reliable data communications utilizing the notion of spatial diversity. This is achieved by transmitting the desired information through different spatial paths that are created because of multiple antennas at the transmitter and/or the receiver side. However, the aforementioned complexity of communication networks and the specific requirements of the nodes have as a result that currently proposed techniques, for such systems, are inadequate. A possible solution to this dead end is the idea of cooperation. Cooperation has several aspects in a communication system. Firstly, if the nodes cannot support multiple antennas (e.g. due to size restriction as in sensor networks and mobile phones), they can cooperate in order to provide, in a distributed manner, the desired spatial paths. Secondly, even if multiple antennas can be used, as in base stations, their number might not be good enough because of the increased complexity and size of the network. The appropriate use of cooperative nodes can provide a solution to this problem, too. This dissertation has been focused on cooperative systems that are viewed according to the first aspect. Specifically, it has been assumed that the cooperative network consists of three nodes, a source, a relay and a destination. On this network, channel estimation techniques have been studied pointing out the main characteristics that are inherent to cooperation. Moreover, test-bed implementations have been provided for several well known cooperative schemes and protocols pointing out the practical aspects of such systems. In more detail, after the presentation of some introductory notions on cooperation and channel estimation, a semi-blind technique has been studied that is based on the so called cross-relation criterion. Two alternative schemes for constructing the channel estimator have been proposed as well as a simple training design procedure for improving the estimation performance has been devised. The results that have been produced are supported by semi analytic arguments and computer simulations. Then, a training design problem has been studied for a training based channel estimator. The design has been focused on the energy allocation of training symbols under the assumption that channel taps are correlated. After the description of the problem, the least squares criterion has been utilized and the optimal solution, along with three suboptimal ones, has been presented and useful conclusions have been drawn. Also, the problem has been studied under the minimum mean square error criterion for two cases. In the first one, a worst case analysis has been presented. There, a connection to the least squares solution was provided. In the second case, relaxing the assumption of correlated channel taps, the optimal solution has been presented. In the third direction, a number of well known protocols have been implemented in a test-bed system. A measurement campaign has been conducted to acquire the bit error performance and the computational complexity of the protocols. The protocols have been compared according to three different metrics and useful insights have been identified. The dissertation is concluded with a brief presentation of the main points that have been raised in the aforementioned directions. Moreover, new interesting research directions have been provided.

Η υλοποίηση πρακτικών ασύρματων συστημάτων επικοινωνίας δεδομένων στην τεχνολογία UWB παρουσιάζει ιδιαίτερες προκλήσεις, κυρίως λόγω της χαμηλής ισχύος εκπομπής και της πολύ σύντομης διάρκειας των παλμών που χρησιμοποιούνται, οι οποίοι θα πρέπει να στέλνονται με πολύ μεγάλες ταχύτητες για την επίτευξη των επιθυμητών ρυθμών μετάδοσης. Το κανάλι μετάδοσης είναι ιδιαίτερα επιλεκτικό ως προς την συχνότητα και εξαιρετικά πυκνό και πλούσιο σε πολυοδικές συνιστώσες με αρκετά μεγάλες καθυστερήσεις. Αυτές οι συνιστώσες μπορούν να ανιχνευθούν και να συλλεχθούν χρησιμοποιώντας κατάλληλες δομές δεκτών RAKE, οι οποίοι τις συνθέτουν ώστε να μεγιστοποιηθεί η ενέργεια του ωφέλιμου σήματος, αυξάνοντας την απόδοση του συστήματος. Οι δομές αυτές παρουσιάζουν την καλύτερη απόδοση σε τέτοια συστήματα, αλλά έχουν μεγάλη υπολογιστική πολυπλοκότητα, καθώς για την ικανοποιητική απόδοση του συστήματος πρέπει να συνδυάσουν πολλές συνιστώσες, δεδομένης και της χαμηλής ισχύος εκπομπής της τεχνολογίας. Συνεπώς, για την υλοποίηση ενός πρακτικού και αποδοτικού συστήματος, σημαντικό ζήτημα αποτελεί ο τρόπος επιλογής και συνδυασμού των συνιστωσών μέσω ενός αλγορίθμου που θα χρησιμοποιεί τον μικρότερο δυνατό αριθμό δακτύλων. Στόχοι της διατριβής ήταν η μελέτη της τεχνολογίας UWB, η διερεύνηση των παραμέτρων των παλμικών UWB συστημάτων, η μελέτη και εξομοίωση μοντέλων του καναλιού, η κατανόηση των οποίων είναι απαραίτητη για την αποτελεσματική ανίχνευση του σήματος και τον σχεδιασμό των αλγορίθμων ψηφιακής επεξεργασίας του σήματος, η διερεύνηση δεκτών RAKE καθώς και εναλλακτικών δομών, οι εξομοιώσεις πομποδέκτη παλμικού UWB σε επίπεδο συστήματος με έμφαση στον RAKE και τον εκτιμητή καναλιού, η διερεύνηση παραμέτρων και τεχνικών για την υλοποίηση σε υλικό και τέλος η ανάπτυξη, ο σχεδιασμός και υλοποίηση μιας πρακτικής δομής δέκτη με RAKE αποδιαμορφωτή και εκτιμητή καναλιού που συνδυάζει χαμηλή πολυπλοκότητα και ικανοποιητική απόδοση. Παρουσιάζονται και συγκρίνονται τρεις νέες διαφορετικές προσεγγίσεις σχεδίασης, οι οποίες βασίζονται σε προτεινόμενο υβριδικό αλγόριθμο (HPS) για την μείωση της πολυπλοκότητας του RAKE και δίνονται αποτελέσματα που αφορούν στην αξιοποίηση του υλικού και στις επιδόσεις του συστήματος. Tα αποτελέσματα παρουσιάζουν το trade-off ανάμεσα στην συλλογή ενέργειας, την απόδοση του δέκτη και την πολυπλοκότητά του. Η αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών επαληθεύεται μέσω ειδικής πλατφόρμας αναδιατασσόμενου υλικού στην οποία υλοποιήθηκε η σχεδίαση. / Τhe implementation of practical wireless data communications systems for the UWB technology is very challenging due to the use of low-power ns-duration pulses which have to be sent in a high-frequency in order to achieve the desirable data rates. The UWB channel is highly frequency selective and it is characterized by dense and rich multipath propagation and large multipath delay spreads in some cases. A RAKE receiver can be employed in order to exploit multipath diversity and effectively capture the desired signal energy which is dispersed over the various multipath components, helping to mitigate fading. However, the particular nature of UWB results in very low-energy paths which, in conjunction with high multipath diversity, leads to a RAKE receiver that must exploit a large number of MPCs in order to optimize the received SNR. Thus, for the implementation of a low-complexity system it is important to define a novel method for the selection and combining of MPCs and develop an algorithm that is able to utilize a minimum number of fingers in the RAKE structure. Our work was focused in the study of UWB technology, the investigation of the parameters of IR-UWB systems, the study and understanding of the channel models which is necessary for the design of practical and efficient DSP algorithms, the investigation of RAKE type receivers as well as other alternative structures, the system-level simulations of the IR-UWB transceiver with emphasis given to the algorithms for the RAKE demodulator and channel estimator, the investigation of the parameters and techniques for the implementation of the system in hardware and finally, the development, design, and implementation of a practical receiver structure that includes a RAKE demodulator and a channel estimator and combines low complexity and satisfactory performance. The ultimate goal of this work is the presentation and investigation of the proposed channel estimator and (MRC)-RAKE receiver architecture which is based on a proposed novel hybrid algorithm called HPS. Three different design approaches aiming to a practical system implementation in an FPGA are proposed and compared and system/algorithm performance, hardware utilization results are provided. The obtained results demonstrate the trade-off between energy capture, performance and receiver complexity. The effectiveness of the proposed architectures is verified on a special FPGA platform which was used for the implementation of the receiver structure.