Η διαμόρφωση με πολύπλεξη συχνότητας ορθογωνίων φερουσών (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM) έχει εδραιωθεί ως μία από τις επικρατέστερες μεθόδους διαμόρφωσης για την υψηλού ρυθμού μετάδοση πληροφορίας μέσω ασύρματων μέσων. Σε ένα σύστημα OFDM, ένα από τα βασικότερα και υπολογιστικά πολυπλοκότερα τμήματα είναι ο υπολογισμούς του Ταχύ Μετασχηματισμού Fourier. Αντικείμενο της εργασίας αυτής είναι η μελέτη της χρήσης εναλλακτικής αριθμητικής για την υλοποίηση κυκλωμάτων FFT. Τυπικά, τέτοιου είδους κυκλώματα υλοποιούνται χρησιμοποιώντας κάποια γραμμική αναπαράσταση σταθερής υποδιαστολής. Στη βιβλιογραφία έχουν προταθεί υλοποιήσεις του FFT με χρήση του Λογαριθμικού Συστήματος Αρίθμησης (Logarithmic Numbering System – LNS) και έχουν αναφερθεί κέρδη για συγκεκριμένους παράγοντες όπως το σφάλμα κβαντισμού, η επιφάνεια ολοκλήρωσης και η κατανάλωση ισχύος. Η αποδοτικότητα αυτών των λύσεων ερευνάται για τη συγκεκριμένη περίπτωση της εφαρμογής του FFT σε OFDM modems. Εστιάζοντας στην περίπτωση του FFT 64 σημείων για OFDM modem για ασύρματα δίκτυα 802.11a, μία από τις πλέον επιτυχημένες αρχιτεκτονικές που έχουν προταθεί για την υλοποίηση του, στηρίζεται στη λογική του FFT γραμμής – στήλης και παρουσιάζει έναν τρόπο πραγματοποίησης του υπολογισμού χωρίς κανένα ψηφιακό πολλαπλασιαστή. Με το βασικό πλεονέκτημα της λογαριθμικής αναπαράστασης να είναι η απλοποίηση των κυκλωμάτων πολλαπλασιασμού (με ταυτόχρονη όμως αύξηση του κόστους για την πραγματοποίηση προσθέσεων), δείχνεται ότι τελικά η υλοποίηση ενός FFT αμιγώς σε LNS δεν είναι προτιμητέα. Αν και η αρχιτεκτονική του FFT γραμμής – στήλης μπορεί να προσφέρει υψηλή απόδοση με χαμηλό κόστος υλοποίησης, παρουσιάζει μια σειρά από αδυναμίες, που σχετίζονται κυρίως με τη χρήση ειδικών κυκλωμάτων για την εκτέλεση των πολλαπλασιασμών με τις σταθερές που εμφανίζονται στον FFT (twiddle factors). Για την αντιμετώπιση αυτών των περιορισμών προτείνεται η εισαγωγή του LNS σε κάποια τμήματα του κυκλώματος του FFT, οδηγώντας έτσι στη δημιουργία ενός συστήματος μικτής αναπαράστασης. Σε τέτοιου είδους υβριδικά συστήματα τίθενται δύο βασικά ζητήματα. Το πρώτο αφορά τον ορισμό της ισοδυναμίας μεταξύ των διαφορετικών αναπαραστάσεων και το δεύτερο τον αποδοτικό τρόπο υλοποίησης των κυκλωμάτων μετατροπής από το ένα αριθμητικό σύστημα στο άλλο. Τυπικά, τα κριτήρια ισοδυναμίας που επιλέγονται είναι αυστηρά μαθηματικά ορισμένα, όπως για παράδειγμα ο Λόγος Σήματος προς Θόρυβο (Signal-to-Noise Ratio - SNR) ή το Μέσο Σχετικό Σφάλμα Αναπαράστασης (Average Relative Representation Error – ARRE). Στη συγκεκριμένη εργασία ακολουθείται μια λιγότερο δεσμευτική προσέγγιση, ορίζοντας την ισοδυναμία δύο αναπαραστάσεων με βάση την τελική απόδοση του συστήματος OFDM όσον αφορά το ρυθμό λαθών στο δέκτη (Bit Error Rate - BER). Με βάση αυτή τη λογική, αποδεικνύεται ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν αναπαραστάσεις πολύ μικρού μεγέθους λέξης και οι προσεγγίσεις που χρειάζεται να γίνουν κατά τις μετατροπές μεταξύ των δύο συστημάτων δεν είναι ανάγκη να είναι ιδιαίτερα ακριβείς. Έτσι, τα σχετικά κυκλώματα μπορούν να υλοποιηθούν αποδοτικά και με μικρό κόστος. Η υλοποίηση δύο συστημάτων για τον FFT 64 σημείων, ένα βασισμένο αποκλειστικά σε γραμμική αναπαράσταση σταθερής υποδιαστολής και ένα υβριδικό που χρησιμοποιεί γραμμική και λογαριθμική αναπαράσταση, δείχνει ότι χωρίς διαφορές όσον αφορά το BER και την καθυστέρηση (delay), η υβριδική προσέγγιση απαιτεί μικρότερη επιφάνεια ολοκλήρωσης και παρουσιάζει σημαντικά χαμηλότερη κατανάλωση ισχύος. / Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) has been established as one of the most prevalent methods for high data rate transmission through wireless channels. In an OFDM communication system, one of the fundamental and most computationally intensive parts is the computation of the Fast Fourier Transform (FFT). The subject of this thesis is to investigate the use of alternative arithmetic representation systems for the implementation of FFT circuits. Typically, these circuits are implemented using linear fixed-point representations. In literature, implementations of the FFT using the Logarithmic Numbering System (LNS) have been proposed and significant gains in quantization errors, chip area and power consumption have been reported. The effectiveness of these proposals in the case of the FFT for OFDM systems is investigated. Focusing on the case of the 64-point FFT for an OFDM modem for an 802.11a wireless network, one of the most efficient architectures proposed is based on the concept of row-column FFT and presents a way of implementing the computation without using any digital (non-fixed input) multiplier. The most important feature of the LNS representation is the fact that multiplication operations turn to mere additions, thus there are significant implementation gains. On the downside though, addition in LNS is very expensive. Combining the aforementioned, it is shown that the implementation of the whole FFT computation in LNS is not a preferable solution. Although the row-column FFT architecture may offer high performance and low implementation cost, it presents a number of deficiencies mainly due to the fact that special purpose circuits are used to perform the multiplications with the complex constants (twiddle factors) that appear in the computation. In order to alleviate these deficiencies, it is proposed to use the LNS representation in some parts of the FFT circuit, thus forming a hybrid-representation system. In hybrid-representation systems two major issues are raised. The first one is how to define equivalence between the arithmetic representation systems used and the second one is related to the cost of the circuits required to perform the conversions between the numbers of the different arithmetic systems. Typically, the equivalence criterion used is mathematically defined and metrics like the Signal-to-Noise Ratio (SNR) or Average Relative Representation Error (ARRE) are commonly used. In this report, a less restrictive metric is used: two arithmetic representations are defined to be equal if the Bit Error Rate (BER) performance of the overall OFDM system is equal. Using this approach, it is shown that short word-length representations may be used and the conversions between the linear and logarithmic systems need not be very accurate. This results in great simplification of the conversion process and the respected circuits can be implemented with low cost. For comparison, two 64-point FFT systems have been implemented, one using a linear fixed-point 2’s complement representation and one using both linear and LNS representation. Without any differences in BER performance and circuit delay, the hybrid-representation system requires less chip area and consumes significantly lower power.

Η παρούσα διπλωματική εργασία, πραγματεύεται την εύρεση της κυματομορφής της μεταβολής της φωτεινότητας φωτονίων που διέρχονται από το χέρι ανθρώπου και δίνουν πληροφορία για την αρτηριακή πίεση και κατ’ επέκταση τον υπολογισμό του καρδιακού ρυθμού ενός ατόμου με τη χρήση τεχνικών επεξεργασίας εικόνας. Χρησιμοποιώντας μια σειρά από διόδους εκπομπής, στο ορατό και υπέρυθρο φάσμα, κατευθύνουμε το φως προς ένα δίκτυο ιστών όπου αυτό είναι λεπτό και το διαπερνά (δάκτυλο, λοβίο αυτιού κλπ). Στη συνέχεια, μέσω μιας βιντεοκάμερας παίρνουμε τα υπό εξέταση δεδομένα. Συγκρίνοντας την απορρόφηση του φωτός στις διαδοχικές εικόνες και ύστερα από κατάλληλη επεξεργασία των εικόνων με τη βοήθεια του Matlab οδηγούμαστε στην εύρεση του καρδιακού ρυθμού. / The present thesis deals with the determination of the waveform that depicts the fluctuation of the brightness of photons which pass through the hand of a person and provides information for the arterial pressure. Exploiting the results through digital image processing techniques, subject’s cardiac rhythm can be conclusively calculated. Using a series of diodes emitting in the visible spectrum along with a second series of diodes emitting in the infrared spectrum, we direct their light to a part of the human tissue which is thin (finger, earlobe etc) and can be easily penetrated. Afterwards via a CCD video camera we capture picture data of the light that is not absorbed. Cardiac rhythm can be calculated by comparing the absorption of light in successive pictures processed by digital imaging processing tools of Matlab.

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.

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.