Η διαμόρφωση με πολύπλεξη συχνότητας ορθογωνίων φερουσών (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM) είναι μια μέθοδος η οποία εξασφαλίζει άριστη αξιοποίηση του διαθέσιμου εύρους συχνοτήτων, ενώ παράλληλα παρέχει τα πλεονεκτήματα της μετάδοσης μέσω πολλαπλών φερουσών (multicarrier transmission). Το σημαντικότερο χαρακτηριστικό της είναι ότι επιτρέπει τη μετάδοση μέσω επιλεκτικών στη συχνότητα καναλιών χρησιμοποιώντας απλές διαδικασίες ισοστάθμισης. Το χαρακτηριστικό αυτό συνέβαλε στην εδραίωσή της ως μία από τις επικρατέστερες μεθόδους διαμόρφωσης για την υψηλού ρυθμού μετάδοση δεδομένων μέσω ασύρματων μέσων. Το αντικείμενο της εργασίας είναι η μελέτη αλγορίθμων και αρχιτεκτονικών για το συγχρονισμό σε ασύρματους τηλεπικοινωνιακούς δέκτες που στηρίζονται στη διαμόρφωση OFDM. Ο συγχρονισμός είναι μία διαδικασία η οποία αποτελεί ακρογωνιαίο λίθο για οποιοδήποτε τηλεπικοινωνιακό σύστημα. Ιδιαίτερα όμως για δέκτες OFDM, έχει εντοπιστεί ως ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση. Το πρόβλημα παρουσιάζει εξαιρετικό ενδιαφέρον, καθώς η φύση της διαμόρφωσης καθιστά απαγορευτική την εφαρμογή πολλών από τις μεθόδους που έχουν αναπτυχθεί για συστήματα μετάδοσης με μονή φέρουσα, ενώ παράλληλα θέτει νέες παραμέτρους στο πρόβλημα. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε κατά την εκπόνηση της εργασίας περιλάμβανε σε πρώτη φάση τη μελέτη αλγοριθμικών λύσεων που έχουν προταθεί κατά καιρούς για το συγχρονισμό. Το ενδιαφέρον επικεντρώθηκε σε βασικές τεχνικές με ευρεία εφαρμοσιμότητα ενώ ο στόχος της ανάλυσης ήταν να γίνουν κατανοητές με διαισθητικό τρόπο, στοιχειώδεις ιδέες οι οποίες χρησιμοποιούνται κατά κόρον για την επίλυση του προβλήματος του συγχρονισμού. Κατά τη δεύτερη φάση έγινε μια μελέτη γύρω από τις λεπτομέρειες που σχετίζονται με την υλοποίηση ορισμένων από τους αλγορίθμους συγχρονισμού σε επίπεδο αρχιτεκτονικής VLSI. Το ενδιαφέρον επικεντρώθηκε σε μια αρχιτεκτονική μέσω της οποίας μπορεί να επιτευχθεί τυφλός συγχρονισμός για έναν ασύρματο δέκτη OFDM. Κατά την ανάλυση χρησιμοποιήθηκε ως βάση ένα αρκετά γενικό μοντέλο συστήματος OFDM βασικής ζώνης. Για την αξιολόγηση της αρχιτεκτονικής εκτελέστηκε ένα εκτενές σύνολο πειραμάτων, το οποίο είχε ως στόχο τον προσδιορισμό και την ποσοτικοποίηση των επιδόσεων τόσο για τη μονάδα συγχρονισμού, όσο και για το συνολικό τηλεπικοινωνιακό σύστημα. Από τα αποτελέσματα της πειραματικής διαδικασίας προέκυψαν πολύ ενδιαφέροντα συμπεράσματα για την ευαισθησία της τεχνικής OFDM σε σφάλματα συγχρονισμού καθώς επίσης και για την πολυπλοκότητα υλοποίησης της μονάδας συγχρονισμού. / The summary is not available.

Η εφαρμογή της μικροκυματικής ραδιομετρίας έχει επεκταθεί στο χώρο της ιατρικής, καθότι τα τελευταία χρόνια γίνονται έρευνες με σκοπό την εκμετάλλευση των ιδιοτήτων της μεθόδου στη διαγνωστική αλλά και στη θεραπευτική ιατρική. Στα πλαίσια μιας διδακτορικής διατριβής που εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Μικροκυμάτων και Οπτικών Ινών (ΕΜΟΙ) της σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου και ολοκληρώθηκε το 2003, κατασκευάστηκε ένα τρισδιάστατο σύστημα παθητικής μικροκυματικής ραδιομετρικής απεικόνισης (ΜiRaIS) για διαγνωστικές εφαρμογές εγκεφάλου. Στη συγκεκριμένη μέθοδο χρησιμοποιείται μια αγώγιμη ελλειψοειδής κοιλότητα, ώστε να επιτευχθεί μέγιστη συγκέντρωση και εστίαση ακτινοβολίας που εκπέμπει το φυσικό σώμα ενδιαφέροντος, σε συνδυασμό με ραδιομετρικούς δέκτες ολικής ισχύος και ομοιοκατευθυντικές κεραίες λήψης στο φάσμα συχνοτήτων 1-4GHz. Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται θεωρητική και πειραματική μελέτη ενός νέου μικροκυματικού ραδιομετρικού συστήματος. Η αρχή λειτουργίας του είναι όμοια με αυτήν του MiRaIS, δηλαδή πλήρως παθητική και μη επεμβατική. Η βασική διαφορά του είναι ότι χρησιμοποιεί μια τροποποιημένη ελλειψοειδή κοιλότητα η οποία βελτιώνει την εργονομία του συστήματος διατηρώντας παράλληλα της ιδιότητες εστίασης του πρωτότυπου ελλειψοειδούς. Στη θεωρητική μελέτη, με τη βοήθεια του λογισμικού High Frequency Structure Simulation (HFSS) που βασίζεται στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, αναλύονται δυο μέθοδοι για τη βελτίωση των ιδιοτήτων εστίασης του συστήματος (πχ. βάθος διείσδυσης της ακτινοβολίας, χωρική διακριτική ικανότητα) με τη χρήση διηλεκτρικών υλικών και υλικών με αρνητικό δείκτη διάθλασης (Left Handed Materials-LHM). Στην πρώτη περίπτωση, τα υλικά αυτά χρησιμοποιούνται ως στρώματα προσαρμογής που τοποθετούνται γύρω από το μοντέλο κεφαλιού για την επίτευξη βηματικής αλλαγής του δείκτη διάθλασης στη διεπιφάνεια αέρα-μοντέλου ανθρώπινου κεφαλιού. Στη δεύτερη προσέγγιση του προβλήματος, χρησιμοποιείται μια σφαίρα από διηλεκτρικό σε συνδυασμό με ένα στρώμα προσαρμογής από LHM για την καλύτερη εστίαση του συστήματος. Προς την ίδια κατεύθυνση, στη δεύτερη αυτή περίπτωση χρησιμοποιείται επίσης ένας ελλειψοειδής ανακλαστήρας μειωμένου όγκου το εσωτερικό του οποίου είναι γεμάτο με διηλεκτρικό με χαμηλές απώλειες, με τα αποτελέσματα να δείχνουν σημαντική βελτίωση της χωρικής διακριτικής ικανότητας του συστήματος. Η πειραματική διάταξη τοποθετήθηκε σε ανηχοϊκό θάλαμο όπου και πραγματοποιήθηκαν όλες οι μετρήσεις. Στις πειραματικές διαδικασίες που ακολουθήθηκαν, χρησιμοποιήθηκαν ομοιώματα νερού (phantoms) σε διάφορα μεγέθη και θερμοκρασίες για την επιβεβαίωση της διατήρησης των ιδιοτήτων εστίασης του νέου ελλειψοειδούς ανακλαστήρα. Επίσης, διενεργήθηκαν μετρήσεις με στρώματα προσαρμογής φτιαγμένα από διηλεκτρικά υλικά, τα οποία τοποθετούνταν γύρω από το αντικείμενο ενδιαφέροντος, για την πληρέστερη κατανόηση της επίδρασης των υλικών αυτών στις ιδιότητες εστίασης του συστήματος και για την επιβεβαίωση των αντίστοιχων θεωρητικών αποτελεσμάτων. / In the framework of a PhD thesis which was completed in the Laboratory of Microwaves and Fiber Optics (MFOL), School of Electrical and Computer Engineering, National Technical University of Athens (NTUA) in 2003, a Three Dimensional Passive Microwave Radiometry Imaging System (MiRaIS) was designed and constructed for brain diagnostic applications. The novelty of the proposed methodology consists in the use of a conductive ellipsoidal cavity to achieve maximum peak of radiation pattern in order to measure the intensity of the microwave energy, radiated by the medium of interest, by using two microwave total power radiometers and relevant non-contacting antennas within the range of 1-4GHz. In the present thesis, a new microwave radiometry system is theoretically and experimentally studied. It has the same operation principal with MiRaIS as it operates in an entirely non-invasive and passive manner. Its main difference is that it comprises a modified ellipsoidal cavity which improves the system’s ergonomy preserving the focusing properties of the original cavity. In the theoretical study, two methods for the improvement of the system’s focusing properties (e.g. penetration depth of the electromagnetic field, spatial sensitivity) using dielectric materials and left-handed materials (LHM) are tested with the use of a commercially available software tool, High Frequency Structure Simulation (HFSS). In the first case, those materials are used as matching layers placed around the human head model for the achievement of stepped change of the refraction index on the air-human head model interface. On the second approach, a sphere made of dielectric material is used in conjunction with a LHM matching layer in order to improve the system’s spatial sensitivity. Towards the same direction, a reduced volume ellipsoidal cavity filled with low loss dielectric material is used showing promising results. The experiments were performed inside an anechoic chamber providing maximum accuracy avoiding any external intergerence. In the experimental procedures that were performed, water phantoms of several sizes and temperatures were used in order to confirm that the new ellipsoidal beamformer maintains the focusing properties of the original one. Also, measurements were conducted using dielectric matching layers, placed around the medium of interest, in order to fully understand the effect of those materials in the system’s focusing properties as well as confirm the relative theoretical results.

Η χωροχρονική μπλοκ κωδικοποίηση (STBC) αποτελεί μία αποδοτική και ευρέως διαδεδομένη τεχνική διαφορετικότητας μετάδοσης για την αντιμετώπιση του φαινομένου της εξασθένησης στις ασύρματες επικοινωνίες. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι ο ορθογώνιος κώδικας του σχήματος Alamouti, ο οποίος με δύο κεραίες μετάδοσης επιτυγχάνει τη μέγιστη χωρική διαφορετικότητα στο μέγιστο δυνατό ρυθμό μετάδοσης, για οποιονδήποτε (πραγματικό ή μιγαδικό) αστερισμό συμβόλων. Ωστόσο, το σχήμα Alamouti έχει σχεδιαστεί για συχνοτικά επίπεδα κανάλια. Στην παρούσα εργασία μελετούμε την εφαρμογή STBC σε κανάλια συχνοτικά επιλεκτικής εξασθένησης. Εστιάζουμε κυρίως στο συνδυασμό του σχήματος Alamouti με τεχνικές εξάλειψης της διασυμβολικής παρεμβολής, εξετάζοντας τα σχήματα OFDM-STBC, FDE-STBC και TR-STBC, που έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία. Επιπρόσθετα των συμβατικών δεκτών, για τα δύο τελευταία σχήματα περιγράφουμε και προσαρμοστικούς δέκτες, οι οποίοι παρακολουθούν τις μεταβολές του καναλιού, χωρίς να απαιτούν την ακριβή εκτίμησή του. Η έρευνα πάνω στα προηγούμενα σχήματα οδήγησε σε ορισμένα αξιόλογα αποτελέσματα. Κατ’ αρχήν, αποδεικνύουμε ότι τα σχήματα FDE-STBC και TR-STBC είναι ισοδύναμα, μολονότι καθένα εφαρμόζει διαφορετική κωδικοποίηση στα μεταδιδόμενα δεδομένα. Επίσης, σχεδιάζουμε έναν νέο δέκτη για το σχήμα TR-STBC, τον οποίο αναπτύσσουμε και σε προσαρμοστική μορφή. Βασικό πλεονέκτημα του προτεινόμενου δέκτη είναι ότι εκμεταλλεύεται τους κυκλικούς πίνακες συνέλιξης για τη μείωση της πολυπλοκότητας αποκωδικοποίησης. Τέλος, η απόδοση κάθε σχήματος και δέκτη αξιολογείται σε διάφορες συνθήκες εξασθένησης μέσω προσομοιώσεων σε υπολογιστικό περιβάλλον. / Space-time block coding (STBC) is an effective and widely used transmit diversity technique to combat multipath fading in wireless communication systems. A prominent example of STBC is the orthogonal code of Alamouti scheme, which achieves full spatial diversity at full transmission rate for two transmit antennas and any (real or complex) signal constellation. However, Alamouti scheme has been designed only for frequency-flat channels. In this thesis we study the application of STBC in frequency-selective channels. We mainly focus on combining Alamouti scheme with techniques for mitigating intersymbol interference, by studying several schemes (OFDM-STBC, FDE-STBC and TR-STBC) that have been proposed in literature. In addition to the conventional receivers, for FDE-STBC and TR-STBC we describe adaptive receivers too, which have the ability of tracking channel variations, without requiring explicit channel estimation. Research made upon the above schemes has come to some remarkable results. First, we prove that TR-STBC and FDE-STBC are equivalent, although each one encodes differently the transmitted data. Then, we design a new receiver for TR-STBC, which exploits the circulant convolution matrices, in order to reduce decoding complexity and we, also, develop an adaptive structure for the proposed receiver. At last, we evaluate the performance of all the described schemes and receivers in different fading conditions, by using computer simulations.

Τα τελευταία χρόνια χαρακτηρίζονται από μια αλματώδη ανάπτυξη των προϊόντων και υπηρεσιών που βασίζονται στα δίκτυα ασύρματης επικοινωνίας, ενώ προκύπτουν σημαντικές ερευνητικές προκλήσεις. Τα συστήματα πολλαπλών κεραιών στον πομπό και στο δέκτη, γνωστά και ως συστήματα MIMO (multi-input multi-output), καθώς και η τεχνολογία πολλαπλής προσπέλασης με χρήση κωδικών (code division multiple access, CDMA) αποτελούν δύο από τα βασικά μέτωπα ανάπτυξης των ασύρματων τηλεπικοινωνιών. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής, ασχοληθήκαμε με την ανάπτυξη και μελέτη αλγορίθμων επεξεργασίας σήματος για τα δύο παραπάνω συστήματα, όπως περιγράφεται αναλυτικά παρακάτω. Σχετικά με τα συστήματα MIMO, η πρωτοποριακή έρευνα που πραγματοποιήθηκε στα Bell Labs γύρω στα 1996, όπου αναπτύχθηκε η αρχιτεκτονική BLAST (Bell Labs Layered Space-Time), απέδειξε ότι η χρήση πολλαπλών κεραιών μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική αύξηση της χωρητικότητας των ασύρματων συστημάτων. Προκειμένου να αξιοποιηθούν οι παραπάνω δυνατότητες, απαιτείται η σχεδίαση σύνθετων δεκτών MIMO. Προς αυτήν την κατεύθυνση, έχει προταθεί ένας μεγάλος αριθμός μεθόδων ισοστάθμισης του καναλιού. Ωστόσο, οι περισσότερες από αυτές υποθέτουν ότι το ασύρματο κανάλι είναι: 1) χρονικά σταθερό, 2) συχνοτικά επίπεδο (δεν εισάγει διασυμβολική παρεμβολή), και κυρίως 3) ότι είναι γνωστό στο δέκτη. Δεδομένου ότι σε ευρυζωνικά συστήματα μονής φέρουσας οι παραπάνω υποθέσεις είναι δύσκολο να ικανοποιηθούν, στραφήκαμε προς τις προσαρμοστικές μεθόδους ισοστάθμισης. Συγκεκριμένα, αναπτύξαμε τρεις βασικούς αλγορίθμους. Ο πρώτος αλγόριθμος αποτελεί έναν προσαρμοστικό ισοσταθμιστή ανάδρασης αποφάσεων (decision feedback equalizer, DFE) για συχνοτικά επίπεδα κανάλια ΜΙΜΟ. Ο προτεινόμενος MIMO DFE ακολουθεί την αρχιτεκτονική BLAST, και ανανεώνεται με βάση τον αλγόριθμο αναδρομικών ελαχίστων τετραγώνων (RLS) τετραγωνικής ρίζας. Ο ισοσταθμιστής μπορεί να παρακολουθήσει ένα χρονικά μεταβαλλόμενο κανάλι, και, από όσο γνωρίζουμε, έχει τη χαμηλότερη πολυπλοκότητα από όλους τους δέκτες BLAST που έχουν προταθεί έως σήμερα. Ο δεύτερος αλγόριθμος αποτελεί την επέκταση του προηγούμενου σε συχνοτικά επιλεκτικά κανάλια. Μέσω κατάλληλης μοντελοποίησης του προβλήματος ισοστάθμισης, οδηγηθήκαμε σε έναν αποδοτικό DFE για ευρυζωνικά κανάλια MIMO. Τότε, η διαδικασία της ισοστάθμισης εμφανίζει προβλήματα αριθμητικής ευστάθειας, που λόγω της υλοποίησης RLS τετραγωνικής ρίζας αντιμετωπίστηκαν επιτυχώς. Κινούμενοι προς την κατεύθυνση περαιτέρω μείωσης της πολυπλοκότητας, προτείναμε έναν προσαρμοστικό MIMO DFE που ανανεώνεται με βάση τον αλγόριθμο ελαχίστων μέσων τετραγώνων (LMS) υλοποιημένο εξ ολοκλήρου στο πεδίο της συχνότητας. Με χρήση του ταχύ μετασχηματισμού Fourier (FFT), μειώνεται η απαιτούμενη πολυπλοκότητα. Παράλληλα, η μετάβαση στο πεδίο των συχνοτήτων έχει ως αποτέλεσμα την προσεγγιστική διαγωνοποίηση του συστήματος, προσφέροντας ανεξάρτητη ανανέωση των φίλτρων ανά συχνοτική συνιστώσα και επιτάχυνση της σύγκλισης του αλγορίθμου. Ο προτεινόμενος ισοσταθμιστής πετυχαίνει μια καλή ανταλλαγή μεταξύ απόδοσης και πολυπλοκότητας. Παράλληλα με τα παραπάνω, ασχοληθήκαμε με την εκτίμηση του ασύρματου καναλιού σε ένα ασύγχρονο σύστημα CDMA. Το βασικό σενάριο είναι ότι ο σταθμός βάσης γνωρίζει ήδη τους ενεργούς χρήστες, και καλείται να εκτιμήσει τις παραμέτρους του καναλιού ανερχόμενης ζεύξης ενός νέου χρήστη που εισέρχεται στο σύστημα. Το πρόβλημα περιγράφεται από μια συνάρτηση ελαχίστων τετραγώνων, η οποία είναι γραμμική ως προς τα κέρδη του καναλιού, και μη γραμμική ως προς τις καθυστερήσεις του. Αποδείξαμε ότι το πρόβλημα έχει μια προσεγγιστικά διαχωρίσιμη μορφή, και προτείναμε μια επαναληπτική μέθοδο υπολογισμού των παραμέτρων. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος δεν απαιτεί κάποια ειδική ακολουθία διάχυσης και λειτουργεί αποδοτικά ακόμη και για περιορισμένη ακολουθία εκπαίδευσης. Είναι εύρωστος στην παρεμβολή πολλαπλών χρηστών και περισσότερο ακριβής από μια υπάρχουσα μέθοδο εις βάρος μιας ασήμαντης αύξησης στην υπολογιστική πολυπλοκότητα. / Over the last decades, a dramatic progress in the products and services based on wireless communication networks has been observed, while, at the same time, new research challenges arise. The systems employing multiple antennas at the transmitter and the receiver, known as MIMO (multi-input multi-output) systems, as well as code division multiple access (CDMA) systems, are two of the main technologies employed for the evolution of wireless communications. During this PhD thesis, we worked on the design and analysis of signal processing algorithms for the two above systems, as it is described in detail next. Concerning the MIMO systems, the pioneering work performed at Bell Labs around 1996, where the BLAST (Bell Labs Layered Space-Time) architecture has been developed, proved that by using multiple antennas can lead to a significant increase in wireless systems capacity. To exploit this potential, sophisticated MIMO receivers should be designed. To this end, a large amount of channel equalizers has been proposed. However, most of these methods assume that the wireless channel is: 1) static, 2) frequency flat (no intersymbol interference is introduced), and mainly 3) it is perfectly known at the receiver. Provided that in high rate single carrier systems these assumptions are difficult to be met, we focused our attention on adaptive equalization methods. More specifically, three basic algorithms have been developed. The first algorithm is an adaptive decision feedback equalizer (DFE) for frequency flat MIMO channels. The proposed MIMO DFE implements the BLAST architecture, and it is updated by the recursive least squares (RLS) algorithm in its square root form. The new equalizer can track time varying channels, and, to the best of our knowledge, it has the lowest computational complexity among the BLAST receivers that have been proposed up to now. The second algorithm is an extension of the previous one to the frequency selective channel case. By proper modeling of the equalization problem, we arrived at an efficient DFE for wideband MIMO channels. In this case, the equalization process encounters numerical instability problems, which were successfully treated by the square root RLS implementation employed. To further reduce complexity, we proposed an adaptive MIMO DFE that is updated by the least mean square (LMS) algorithm, fully implemented in the frequency domain. By using the fast Fourier transform (FFT), the complexity required is considerably reduced. Moreover, the frequency domain implementation leads to an approximate decoupling of the equalization problem at each frequency bin. Thus, an independent update of the filters at each frequency bin allows for a faster convergence of the algorithm. The proposed equalizer offers a good performance - complexity tradeoff. Furthermore, we worked on channel estimation for an asynchronous CDMA system. The assumed scenario is that the base station has already acquired all the active users, while the uplink channel parameters of a new user entering the system should be estimated. The problem can be described via a least squares cost function, which is linear with respect to the channel gains, and non linear to its delays. We proved that the problem is approximately decoupled, and a new iterative parameter estimation method has been proposed. The suggested method does not require any specific pilot sequence and performs well even for a short training interval. It is robust to multiple access interference and more accurate compared to an existing method, at the expense of an insignificant increase in computational complexity.