<p>Denne masteroppgaven er en fortsettelse av en prosjektoppgave gjennomført høsten 2007. Den går ut på å sette seg inn i problemet med krysstale i DSL (Digital Subscriber Lines), og da spesielt en av de beste løsningene på dette problemet, dynamisk frekvensbruk (DSM – Dynamic Spectral Management). Dette kan løses på tre nivåer, med økende kompleksitet og økende datarater ved høyere implementering. Nivå 1 omfatter distribuerte systemer, der hver bruker justerer sitt eget effektspektrum for å oppnå ønskede rater. I nivå 2 er det en sentralisert kontroller som beregner spektra for flere brukere over samme kabel. Nivå 3 trenger også en kontroller, men her blir hele kanalen undersøkt for å finne kanalmatrisen. Denne kan benyttes til å fjerne og i beste fall utnytte krysstalen. I prosjektoppgaven høsten 2007 ble en av de enkleste formene for DSM sammenlignet med optimale løsninger for krysstalekoordinering (OSM – Optimal Spectrum Management). OSM er den beste løsningen for DSM uten å ta i bruk krysstalekansellering. Søket for å finne den optimale løsningen ble gjort ved hjelp av Exhaustive search, som går igjennom alle mulige kombinasjoner og finner den beste. Konklusjonen var da at store forbedringer, spesielt med OSM, var mulige med innføring av DSM. Ulempen med Exhaustive search er at den blir veldig kompleks med økende antall delbånd og brukere, O(eKN). Derfor ble kun to brukere og tre delbånd benyttet. Dette klarte allikevel å vise hvilken effekt OSM har. Siden Exhaustive search var så kompleks ble det vurdert at andre algoritmer eventuelt måtte benyttes for implementering. Masteroppgaven tok derfor for seg Dual decomposition. Denne avanserte algortimen optimaliserer for hvert delbånd i stedet for på tvers av alle PSD. Fordelen med dette er at kompleksiteten blir vesentlig mindre fordi den blir lineær med hensyn på antall delbånd som blir benyttet, og ikke eksponentiell. På grunn av innføringen av Lagrangemultiplikatorer vil kompleksiteten stige noe på grunn av dette, men det er uvesentlig sammenlignet med Exhaustive search. Den eneste støyen som eksisterte i systemet var hvit støy og krysstale fra trafikk med samme retning (FEXT – Far End Crosstalk). Det ble vist at beregningstidene for Dual decomposition var vesentlig mye mindre for økende bitloading og delbånd enn for Exhaustive search. Med Dual decomposition var det mulig å øke både bitloading og delbånd for å oppnå store rateregioner innen relativt kort tid. Da rateregionene ble sammenlignet var det mulig å observere at Dual decomposition ikke alltid klarte å finne absolutt alle optimale punkter. Dette vil gjerne være uvesentlig tatt i betraktning at den er såpass mye mer effektiv. Ulempen med Dual decomposition er at kompleksiteten fremdeles er eksponentiell med hensyn på antall brukere. Derfor vil også Dual decomposition bli vanskelig å innføre i de systemene som blir benyttet av mange brukere. Fremtidig arbeid vil derfor være å se på andre metoder som er mer lineære med hensyn på antall brukere.</p>

<p>Denne masteroppgaven tar for seg arbeidet med utviklingen og karakteriseringen av to forskjellige PCB-antenner for ISM-båndene rundt 868 MHz (Europa) og 915 MHz (USA). Oppgaven er utført i samarbeid med Texas Instruments Norway ved Audun Andersen. Arbeidet har fokusert på å utvikle kompakte antennemodeller og har blandt annet sett på hvordan jordplanets geometri og størrelse er med på å påvirke antennenes egenskaper. Det har blitt utviklet to forskjellige antennemodeller, en meandret monopol (meanderantenne) og en meandret iif-antenne (iifa). For å karakterisere antennene har det blitt utført en rekke målinger av antennenes impedans og utstrålt effekt. Målingene har blitt utført i to omganger på to forskjellige sett med prototyper. De første prototypene ble pordusert ved NTNU og bestod kun av antennen, jordplan og en SMA-kontakt. Ved TI ble det senere produsert nye prototyper komplett med TIs radiochip CC1110. Målinger av antennetilpasningen både ved NTNU og TI viser at antennene enkelt kan tilpasses ulike jordplan og tunes inn på ønsket frekvens ved å justere antennenes totallengde. Det har blitt erfart at det er vanskelig å utføre nøyaktige målinger på elektrisk små strukturer. Det har oppstått problemer med krypstrømmer som reflekteres fra jordplanet og går tilbake på utsiden av koaksialkablen. Dette ble løst ved NTNU ved å bruke feritter, men ved TI ble det benyttet semirigide koaksialkabler noe som vanskeliggjorde monteringen av slike feritter. Det er derfor noe avvik i disse målingene. Måling av strålingsdiagram har blitt gjort både ved NTNU og ved NEMKO Comlab. Strålingsdiagrammene viser at antennene er relativt rundtstrålende. Strålingsdiagrammene fra NTNU avviker endel fra de målt hos Comlab. Dette kan skyldes flere faktorer, blandt annet ble antennene hos NTNU koblet til med kabel, mens ved Comlab ble prototypenes integrerte radio benyttet for å minimere ytre påvirkninger. I tillegg bør det her vektlegges at Comlab er et sertifisert målesenter betjent av kyndig personell hvilket burde tilsi at målingene utført her er av høy nøyaktighet. Målt rekkevidde for antennene har vært i overkant av 1300 meter for iif-antennen og 1800 meter for meanderantennen. Sistnevnte var da montert på et større utviklingskort, noe som kan forklare forskjellen i rekkevidde. Da det har vist seg å være svært vanskelig å gjøre målinger på antennene med kabler koblet til, er det avslutningsvis foreslått en enkel prosedyre for å implementere og tilpasse antennene i et produkt uten bruk av kabler. Kort forklart går metoden ut på å benyttet en spektrumsanalysator koblet til en mottakerantenne for å måle utstrålt effekt og gjøre tilpasning av antennen deretter.</p>

<p>Denne oppgaven beskriver hvilke algoritmer og metoder som kan benyttes til å utføre regneoperasjonen multiplikativ divisjon i maskinvare. Videre beskrives arkitekturen til de mest egnete metodene for å beregne divisorens resiprokal. Dette resiprokalet multipliseres så med dividenden for å produsere en kvotient. Av de grunnleggende aritmetiske operasjonene addisjon, subtraksjon og multiplikasjon, er divisjon den som er mest krevende å utføre. Kongsberg Defence & Aerospace har gidd denne oppgaven med å undersøke mulighetene for å realisere en divisjonsmodul på en FPGA. Divisjonsmodulen skal være pipelinet, operere med 16 og 32 bits operander og basert på algoritmer for multiplikativ divisjon. Det ble valgt å benytte Newton-Raphson-algoritmen for å iterere over en approksimert verdi av divisorens resiprokal. Denne approksimasjonsverdien hentes fra en bipartit oppslagstabell som adresseres med divisoren. Resiprokalene som er lagret i oppslagstabellen har en nøyaktighet på 1 ULP og Newton-Raphson-algoritmen dobler antall riktige bit for hver iterasjon. Dermed er det kun nødvendig med en iterasjon for å beregne en korrekt verdi av resiprokalet. Selve den iterative regneoperasjonen består av to sekvensielle multiplikasjoner og en subtraksjon. Arkitekturmessig er arbeidet med divisjonsprosessen fordelt på ulike hovedblokker som er sekvensielt sammenkoblet og som hver utfører sin del av prosessen. For hver blokk i de spesifiserte løsningene i denne rapporten, kommer divisjonsoperasjonen et steg nærmere en kvotient og en rest. Det ble ikke tid til å implementere de spesifiserte løsningene i VHDL så det er ikke utarbeidet noen synteserapport for løsningene. Det burde imidlertid være relativt ukomplisert å utføre implementeringen basert på arkitekturene som er spesifisert i denne rapporten. Ut i fra teoristudiet med egnete algoritmer og metoder, ble de metodene som virket best med tanke på ytelse benyttet til å spesifisere løsninger for 16 og 32 bits operander. Løsningene er like med unntak av den bipartite oppslagstabellen som får plass i RAM på FPGA for 16 bits operander, men blir så stor at den må legges i ekstern RAM for 32 bits operander. Ytelsesmessig er det ingen forskjeller på disse to løsningene, men realiseringen av løsningen for 32 bits operander er litt mer komplekst.</p>

<p>De siste årene har det dukket opp stadig nye produkter som inkluderer trådløs bruk. Det er alt fra mobiltelefoner, trådløse hjemmenettverk, pulsmålere og sensorer. For at disse systemene skal bli benyttet er det viktig at den trådløse kommunikasjonen fungerer på en tillitsfull måte. Med så mange nye trådløse produkter som, ofte benytter seg av det samme frekvensområdet, kan det oppstå interferens mellom forskjellige apparater. Da er en måte å løse problemet på å benytte seg av diversitetsteknikker. Denne oppgaven tar utgangspunkt i to spesifikke bruksområder for antennediversitet. En fjernkontroll og et trådløst tastatur som skal benytte seg av to antenner for å potensielt forbedre rekkevidden uten at det går ut over batterilevetid og økonomiske hensyn. Kapittel 2 i denne oppgaven tar for seg teorien rundt antenner og diversitetsløsninger og kapittel 3 tar for seg hvordan simuleringene og målingen er gjennomført. I kapittelene 4 og 5 tar oppgaven for seg resultatene fra simuleringene og målingene som har blitt gjort. Det er også diskutert hva som er årsaken til de resultatene målingene viser. Blant annet hvordan for liten avstand mellom to antenner i en romlig antennediversitet sørger for å forverre egenskapene til applikasjonen. Oppgaven har medført variert arbeid. Det er alt fra simuleringer, fremstilling av antenner, oppkopling i målesituasjoner og behandling av instrumenter og måledata. Det er brukt bilder for å illustrere måleoppsettene.</p>

<p>Normalt går man ut fra at lydhastigheten i havet ikke er avhengig av avstand. Det er vanlig å anta en lydhastighetsprofil som kun avhenger av dybden og la den være gyldig i et større område slik at dette blir grunnlag for eventuelle beregninger. Dette er selvfølgelig en forenkling. I noen tilfeller kan sågar lydhastigheten varierere granske kraftig som funksjon av avstand. En litteraturstudie er gjort som underbygger dette faktum. Studien har tatt for seg noen av de typer avstandsavhegige fenomener som er observert og hvordan disse kan påvirke lydutbredelsen. Ikke sjelden er påvirkningen vist å være ganske kraftig. Den raske strålegangsmodellen Lybin som er utviklet og brukes av forsvaret, er tidligere testet opp mot en annen strålegangsmodell, Ray5, for å se hvordan hvordan den klarer seg for strålegangsberegninger i et havområde med avstandsavhengig oseanografi. Sammenligningen den gangen viste at ytterligere undersøkelser var nødvendige. En del tiltak ble gjort for å forsøke å få sammenlignbare resultater fra de to modellene. Ett tiltak skilte seg ut og førte til at man fikk god sammenheng mellom resultatene fra modellene. Dette var en glattemetode som ble brukt på de avstandsavhengige lyddataene beregningene ble gjort på grunnlag av.</p>

<p>I denne oppgaven studerte man design av integrert antenne for 433 MHz. Det ble valgt å designe en invertert-F-antenne for bruk i røykvarsler produsert av ICAS AS. Invertert-F-antenne har den fordelen over monopolen at den tar mindre plass, og den er lettere å tilpasse til 50 ohm enn invertert-L-antenne. Man konsentrerte seg om fire hovedparametere ved tilpassinga av antenna; dimensjonene $h$, $d$, $w$, $l$. Man fant at høyden mellom jordplanet og antenneelementet, $h$, er en vanskelig parameter å bruke til tilpassning og bør bestemmes først. En økning i bredden på antenneelementet, $w$, gir bedring i refleksjonstap og båndbredde, opp til en gitt bredde, før det stabiliserte seg og $w$ bare endret på resonansfrekvensen. De to viktigste tilpassningsparametrene var lengden på antenneelementet, $l$, og avstanden mellom jord- og matebeinet $d$. Begge hadde innvirkning på resonansfrekvens og impedans, men $d$ hadde størst betydning for endring av reaktans, mens $l$ var mest utslagsgivende for resonansfrekvensen. $d$ ble derfor brukt til å tilpasse reaktansen og $l$ til å justere resonansfrekvensen. Siden begge parametrene virket inn på både resonansfrekvens og impedans, måtte man kompensere med den ene dimensjonen ved endring av den andre dimensjonen. Størrelsen på jordplanet er en veldig kritisk faktor ved utvikling av integrerte antenner. Da størrelsen på jordplanet minket, ble antenna mer kapasitiv. En fant at bredden på jordplanet, det vil si lengden på jordplanet som lå parallelt med antenna, var mer kritisk enn høyden. Det viste seg å være en øvre grense i jordplanstørrelsen der impedansen sluttet å endre seg. Hovedproblemet med det lille jordplanet i antennedesignet, var at den høye kapasitansen som oppstod måtte utliknes ved hjelp av en tilsvarende sterk induktans på antenna. Hvis man vurderer vanlig filterteori ser man at store reaktansverdier gir lavere båndbredde. Den største utfordringen i dette arbeidet var å måle på antennene fordi røykvarsleren som antenna ble konstruert for, hadde et elektrisk lite jordplan. For at en monopolantenne skal fungere optimalt må den reflekteres i et uendelig stort jordplan, slik at det ser ut som en dipol i fjernfeltet. Siden jordplanet var lite, ble antenna usymmetrisk og man fikk sterke strømmer i jordplanet. Da ANA ble koblet til for å måle på antenna, fant disse strømmene veien inn i jordkappa på coax-kabelen. Problemet som da oppstod var at antenna så et mye større jordplan, bestående av antennas jordplan, coax-kabelen og ANA. For å blokkere strømmen i jordkappa, og dermed isolere jordplanet for seg selv, prøvde man å koble både feritter og bazookabalun på coax-kabelen. Ferittene viste seg å ha svært liten innvirkning. Ved å legga hånda på coax-kabelen ville man gi utslag på $s_{11}$-målinger hvis det gikk strøm i jordkappa. Det ble store utslag ved målinger med og uten feritter, mens ved bruk av balun var det nært ingen utslag. Målingene med balun ga et akseptabelt avvik fra simuleringene. Bruk av feritter er bare å anbefale på elektrisk store antenner. Da gir kabelen refleksjoner og spredeeffekter som kan hindres ved å koble flere feritter langs kabelen. På antenner med små jordplan er det ikke like enkelt. Da får man en strøm på jordkappa som resultat av lite jordplan. Denne strømmen kan reflekteres ved hjelp av feritter, men det ble funnet at de også vil absorbere en del av energien. Anbefalingen falt derfor på bazookabalun. Balunen vil reflektere all strømmen i jordkappa uten å absorbere. Dimensjonene på balunen er ikke viktig, bortsett fra lengden på røret, som bestemmer senterfrekvensen. Båndbredden til det endelige utkastet ble målt til 6 MHz i fem forskjellige tilstander. Resonansfrekvensen endret seg fra 429 MHz på betong til 433 MHz på treverk. Festet på betong var båndet til røykvarsleren utenfor ETSI-båndet, 433,05 MHz - 434,79 MHz. En økning i resonansfrekvensen med 3 MHz hadde plassert antenna rundt ETSI-båndet for alle tilstander antenna ble målt i. Balunen hadde en båndbredde som lå under resonansfrekvensen til antenna alene, men dekket resonansfrekvens for antenne montert i røykvarsler. Det ble derfor ikke gjort målinger ved resonansfrekvens på antenna, men ved 435 MHz, som lå i balunens bånd. De simulerte strålingsdiagrammene for 433 MHz og antennas simulerte resonansfrekvens, 473 MHz, var svært like så man antok at målinger på 435 MHz ville gi en bedre tilnærming til antennas strålingsdiagram ved resonansfrekvens enn målinger gjort ved resonansfrekvensen uten balun. Den målte strålingen likner lite på simuleringene, men det har i den store sammenhengen lite å si for den endelige løsningen. Strålingen viste seg å være svært avhengig av hva som befant seg innenfor nærfeltet til antenna. Røykvarslerens utforming, samt vegger og tak røykvarsleren festes til, er derfor avgjørende faktorer for røykvarslerens endelige strålingsdiagram. For å være sikker på at båndbredden er god nok, og at rekkevidde og direktivitet er akseptabel, må røykvarsleren ferdigstilles med radiobrikke og måles alene.</p>

<p>Denne oppgaven tar for seg linearisering av GaAs MMIC effektforsterkere. Det er brukt en pHEMT-prosess og senterfrekvensen ligger på 2,45 GHz. Effektforsterkerne som er konstruert kan levere utgangseffekter i størrelsesorden 1 W. Agilent Advanced Design System (ADS) ble brukt til konstruksjon og simulering. Moderne modulasjonsteknikker med varierende envelope krever lineære forsterkere for å fungere. Ulinearitetene i forsterkeren vil forvrenge signalet og skape støy både i og utenfor båndet. Effektiviteten til en lineær forsterker er vesentlig lavere enn for en ulineær forsterker. Ved bruk av linearisering kan effektiviteten økes ved at forsterkeren kan levere større utgangseffekt uten å generere mer støy. Lineariseringsteknikker kan også brukes til å forbedre en forsterker som ikke oppfyller kravet til linearitet, for eksempel støy i nabobånd. Teori for lineære effektforsterkere og lineariseringsmetoder blir presentert. Det er lagt vekt på predistorsjon og ``difference-frequency feedback''. Det ble også gjort simuleringer med disse to metodene. Begge metodene ga redusert intermodulasjon. Det er gjort målinger på komponenter i MMIC for å få en indikasjon på påliteligheten til dataverktøyet. Resultatet av disse målingene viste at modellene er nøyaktige for 2,45 GHz.</p>

<p>Utviklingen innen radiokommunikasjon går i retning av rekonfigurerbare programvaredefinerte radioer, der funksjonaliteten og signalbehandlingen er implementert i programvare. Fremveksten av standardiserte maskinvareplattformer og programvarerammeverk, som gjør det mulig å utvikle nye og fleksible radioer ved hjelp av hyllevarer, er et resultat av dette. To sentrale frie rammeverk for programvaredefinert radio er: GNU Radio, et selvstendig rammeverk; og «Open Source SCA Implementation::Embedded», en fri implementering av «Software Communications Architecture». Denne masteroppgaven undersøker hvordan radioplattformen «Universal Software Radio Peripheral» (USRP) kan brukes sammen med de to frie rammeverkene til å realisere en veikantenhet for elektronisk bompengeinnkreving. Det innledende litteraturstudiet viser at GNU Radio er best egnet til realiseringen på grunn av lav interkomponentlatens, et stort utvalg ferdige signalbehandlingsblokker og god støtte for USRP. Gjennom arbeidet med denne oppgaven ble det implementert en sender og en koherent mottaker til en veikantenhet ved hjelp av GNU Radio og USRP. Realiseringene fungerer delvis, men det oppsto betydelige problemer under testing. Beregningskompleksiteten er lav nok til at det vil være mulig å pakke radiofunksjonaliteten inn i en integrert enhet basert på datamaskinkomponenter og USRP.</p>

<p>Denne masteroppgaven tar for seg et problem fremsatt av Kongsberg Defence & Aerospace. KDA ønsker i en digital radiolinje-link å operere ved 10 dB signal-støyforhold på inngangen til mottakeren. Dette skaper problemer for den gjeldende bærebølgegjenvinningen som fungerer ned til 13 dB. Bærebølgegjenvinneren består av en analog frekvensestimator etterfulgt av en digital faseestimator, hvor det er faseestimatoren som ifølge KDA ikke klarer å operere tilfredsstillende. Kravet for tilfredstillende operasjon ved 10 dB SNR er 2 grader RMS-fasefeil. Den gjeldende løsningen for faseestimering er Costas sløyfe med et 2. ordens filter. I denne masteroppgaven blir det foreslått to metoder for faseestimering. Den første baserer seg på ML-estimator med detekterte symboler, men har et tillegg for å kompensere for frekvensvariasjoner ut fra frekvensestimatoren i forkant. Dette tillegget lagrer faseestimat ut fra ML-estimatoren, og bruker lineær regresjon for å regne ut frekvensavviket. Det vises at dette systemet ikke fungerer tilfredsstillende ved 10 dB SNR. Den andre metoden er en tilleggsmodul kalt selektiv oppdatering. Denne modulen oppdaterer kun faseestimatet hvis en punktprøve er nær nok til et konstellasjonspunkt, hvis ikke blir punktprøven ignorert av faseestimatoren. Det vises teoretisk at denne metoden gir lavere symbolfeilsannsynlighet, men i simulerte systemer fungerer den ikke tilfredstillende. Denne modulen for selektiv oppdatering av faseestimatoren har blitt testet både med både ML-estimator og Costas sløyfe, og i begge tilfellene gir den dårligere faseestimat. Dette viser at gevinsten ved sikrere punktprøver går bort i færre punktprøver brukt i estimeringen. Det blir også foretatt en analyse av KDAs gjeldende faseestimator. Det vises både teoretisk og ved simulering at de opprinnelige filterparametrene brukt av KDA i Costas sløyfe gir et underdempet system. Forslaget til nye parametre er gamma = 2^-7 og rho = 2^-8. Disse parametrene har et forholdsvis raskt innsvingningsforløp, men er bare 0,25 grader over kravet på 2 grader RMS-fasefeil.</p>

<p>Denne oppgaven omhandler lydforplantning i havområder med avstandsav- hengig oseanografi og er en fortsettele av høstprosjektet i faget TTT4551. Det er sett på hvordan det gjennomsnittlige transmisjonstapet konvergerer mot en endelig verdi ved å ta med flere og flere profiler profiler i beregningen av lydhastighetsfeltet. Dette er gjort for både målte lydhastighetsdata og beregnede lydhastighetsdata. De beregnede lydhastighetsdataene er bereg- net med den samme strålegangsmodellen som ble benyttet for å berenge transmisjonstapet for de målte dataene. Det var strålegangsmodellen Lybin som ble benyttet til å gjøre beregningene på de målte og de beregnede lydhastighetsdataene. Vanligvis kan en gå ut i fra at lydhastigheten i havet ikke er avstandsavhen- gig, men dette er ikke hele sannheten. Det kan oppstå tempraturforandringer, endringer i saltinnhold og i trykk som gjør at dette ikke stemmer. For å finne ut av dette kan en dele vannvolumet inn i flere områder hvor en sier at en lydhastighet gjelder. Så kan en beregne lydhastighetsfeltet i det området profilen gjelder for for så å sette disse lydfeltene sammen til slutt. Da får en en modell for hele vannvolumet. Det er denne metoden Lybin benytter. Lybin baserer seg på strålegangsberegninger, noe som gjør det til et raskt og anvendelig metode.</p>