While it is difficult for base stations to estimate the millimeter wave (mmWave) channels and find the optimal mmWave beam for user equipments (UEs) quickly, the sub-6 GHz channels which are usually easier to obtain and more robust to blockages could be used to reduce the time before initial access and enhance the reliability of mmWave communication. Considering that the channel information is collected by a massive number of radio base stations and would be sensitive to privacy and security, Federated Learning (FL) is a match for this use case. In practice, the channel vectors are usually subject to Non-Independently Distributed (non-IID) distributions due to the greatly varying wireless communication environments between different radio base stations and their UEs. To achieve satisfying performance for all radio base stations instead of only the majority of them, a useful solution is designing personalized methods for each radio base station. In this thesis, we implement two personalized FL methods including 1) Finetuning FL Model on Private Dataset of Each Client and 2) Adaptive Expert Models for FL to predict the optimal mmWave beamforming vector directly from the non-IID sub-6 GHz channel vectors generated from DeepMIMO. According to our experimental results, Finetuning FL Model on Private Dataset of Each Client achieves higher average mmWave downlink spectral efficiency than the global FL. Besides, in terms of the average Top-1 and Top-3 classification accuracies, its performance improvement over the global FL model even exceeds the improvement of the global FL over the pure local models. / Även om det är svårt för en basstation att uppskatta en kanal för millimetervåg (mmWave) och snabbt hitta den bästa mmWave-strålen för en användarutrustning (UE), kan den dra fördel av kanaler under 6 GHz, som i allmänhet är mer lättillgängliga och mer motståndskraftig mot blockering, för att minska tid för första besök och förbättra tillförlitligheten hos mmWave-kommunikation. Med tanke på att kanalinformation samlas in av ett stort antal radiobasstationer och är känslig för integritet och säkerhet är federated learning (FL) väl lämpat för detta användningsfall. I praktiken, eftersom den trådlösa kommunikationsmiljön varierar mycket mellan olika radiobasstationer och deras UE, följer kanalvektorer vanligtvis en icke-oberoende distribution (icke-IID). För att uppnå tillfredsställande prestanda för alla radiobasstationer, inte bara de flesta radiobasstationer, är en användbar lösning att utforma ett individuellt tillvägagångssätt för varje radiobasstation. I detta dokument implementerar vi två personliga FL-metoder, inklusive 1) finjustering av FL-modellen på varje klients privata datauppsättning och 2) en adaptiv expertmodell av FL för att direkt generera icke-IID sub-6 GHz kanalvektorer förutsäga optimal mmWave beamforming vektorer. Enligt våra experimentella resultat uppnår finjustering av FL-modellen på varje klients privata datauppsättning högre genomsnittlig mmWave-nedlänksspektral effektivitet än global FL. Dessutom överträffar dess prestandaförbättring jämfört med den globala FL-modellen till och med den för den globala FL jämfört med den rent lokala modellen vad gäller genomsnittlig klassificeringsnoggrannhet i topp-1 och topp-3.

This thesis investigates circuits and systems for broadband high datarate transmitter systems in the millimeter-wave (mm-wave) spectrum. During the course of this dissertation, the design process and characterization of a power efficient and wideband binary phase-shift keying (BPSK) transmitter integrated circuit (IC) with local oscillator (LO) frequency multiplication and 360° phase control for beam steering is studied. All required circuit blocks are designed based on the theoretical analysis of the underlying principles, optimized, fabricated and characterized in the research laboratory targeting low power consumption, high efficiency and broadband operation. The phase-controlled push-push (PCPP) architecture enabling frequency multiplication by four in a single stage is analytically studied and characterized finding an optimum between output power and second harmonic suppression depending on the input amplitude. A PCPP based LO chain is designed. A circuit is fabricated establishing the feasibility of this architecture for operation at more than 200 GHz. Building on this, a second circuit is designed, which produces among the highest saturated output powers at 2 dBm. At less than 100 mW of direct current (DC) power consumption, this results in a power-added efficiency (PAE) of 1.6 % improving the state of the art by almost 30 %. Phase-delayed and time-delayed approaches to beam steering are analyzed, identifying and discussing design challenges like area consumption, signal attenuation and beam squint. A 60 GHz active vector-sum phase-shifter with high gain of 11.3 dB and output power of 5 dBm, improving the PAE of the state of the art by a factor of 30 achieving 6.29 %, is designed. The high gain is possible due to an optimization of the orthogonal signal creation stage enabled by studying and comparing different architectures leading to a trade off of lower signal attenuation for higher area consumption in the chosen electromagnetic coupler. By combining this with a frequency quadrupler, a phase steering enabled LO chain for operation at 220 GHz is created and characterized, confirming the preceding analysis of the phase-frequency relation during multiplication. It achieves a power gain of 21 dB, outperforming comparable designs by 25 dB. This allows the combination of phase control, frequency multiplication and pre-amplification. The radio frequency (RF) efficiency is increased 40-fold to 0.99 %, with a total power consumption of 105 mW. Motivated by the distorting effect of beam squint in phase-delayed broadband array systems, a novel analog hybrid beam steering architecture is devised, combining phase-delayed and time-delayed steering with the goal of reducing the beam squint of phase-delayed systems and large area consumption of time-delayed circuits. An analytical design procedure is presented leading to the research finding of a beam squint reduction potential of more than 83 % in an ideal system. Here, the increase in area consumption is outweighed by the reduction in beam squint. An IC with a low power consumption of 4.3 mW has been fabricated and characterized featuring the first time delay circuit operating at above 200 GHz. By producing most of the beam direction by means of time delay the beam squinting can be reduced by more than 75 % in measurements while the subsequent phase shifter ensures continuous beam direction control. Together, the required silicon area can be reduced to 43 % compared to timedelayed systems in the same frequency range. Based on studies of the optimum signal feeding and input matching of a Gilbert cell, an ultra-wideband, low-power mixer was designed. A bandwidth of more than 100 GHz was achieved exceeding the state of the art by 23 %. With a conversion gain of –13 dB, this enables datarates of more than 100 Gbps in BPSK operation. The findings are consolidated in an integrated transmitter operating around 246 GHz doubling the highest published measured datarates of transmitters with LO chain and power amplifier in BPSK operation to 56 Gbps. The resulting transmitter efficiency of 7.4 pJ/bit improves the state of the art by 70 % and 50 % over BPSK and quadrature phaseshift keying (QPSK) systems, respectively. Together, the results of this work form the basis for low-power and efficient next-generation wireless applications operating at many times the datarates available today.:Abstract 3 Zusammenfassung 5 List of Symbols 11 List of Acronyms 17 Prior Publications 19 1. Introduction 21 1.1. Motivation........................... 21 1.2. Objective of this Thesis ................... 25 1.3. Structure of this Thesis ................... 27 2. Overview of Employed Technologies and Techniques 29 2.1. IntegratedCircuitTechnology................ 29 2.2. Transmission Lines and Passive Structures . . . . . . . . 35 2.3. DigitalModulation ...................... 41 3. Frequency Quadrupler 45 3.1. Theoretical Analysis of Frequency Multiplication Circuits 45 3.2. Phase-Controlled Push-Push Principle for Frequency Quadrupling.......................... 49 3.3. Stand-alone Phase-Controlled Push-Push Quadrupler . 60 3.4. Phase-Controlled Push-Push Quadrupler based LO-chain with High Output Power ............... 72 9 4. Array Systems and Dynamic Beam Steering 91 4.1. Theoretical Analysis of BeamSteering. . . . . . . . . . . 95 4.2. Local Oscillator Phase Shifting with Vector-Modulator PhaseShifters......................... 107 4.3. Hybrid True-Time and Phase-Delayed Beam Steering . 131 5. Ultra-Wide Band Modulator for BPSK Operation 155 6. Broadband BPSK Transmitter System for Datarates up to 56 Gbps 167 6.1. System Architecture ..................... 168 6.2. Measurement Technique and Results . . . . . . . . . . . 171 6.3. Summary and performance comparison . . . . . . . . . 185 7. Conclusion and Outlook 189 A. Appendix 195 Bibliography 199 List of Figures 227 Note of Thanks 239 Curriculum Vitae 241 / Diese Dissertation untersucht Schaltungen und Systeme für breitbandige Transmittersysteme mit hoher Datenrate im Millimeterwellen (mm-wave) Spektrum. Im Rahmen dieser Arbeit werden der Entwurfsprozess und die Charakterisierung eines leistungseffizienten und breitbandigen integrierten Senders basierend auf binärer Phasenumtastung (BPSK) mit Frequenzvervielfachung des Lokaloszillatorsignals und 360°-Phasenkontrolle zur Strahlsteuerung untersucht. Alle erforderlichen Schaltungsblöcke werden auf Grundlage von theoretischen Analysen der zugrundeliegenden Prinzipien entworfen, optimiert, hergestellt und im Forschungslabor charakterisiert, mit den Zielen einer niedrigen Leistungsaufnahme, eines hohen Wirkungsgrades und einer möglichst großen Bandbreite. Die phasengesteuerte Push-Push (PCPP)-Architektur, welche eine Frequenzvervierfachung in einer einzigen Stufe ermöglicht, wird analytisch untersucht und charakterisiert. Dabei wird ein Optimum zwischen Ausgangsleistung und Unterdrückung der zweiten Harmonischen des Eingangssignals in Abhängigkeit von der Eingangsamplitude gefunden. Es wird eine LO-Kette auf PCPP-Basis entworfen. Eine Schaltung wird präsentiert, die die Machbarkeit dieser Architektur für den Betrieb bei mehr als 200 GHz nachweist. Darauf aufbauend wird eine zweite Schaltung entworfen, die mit 2 dBm eine der höchsten publizierten gesättigten Ausgangsleistungen erzeugt. Mit einer Leistungsaufnahme von weniger als 100mW ergibt sich ein Leistungswirkungsgrad (PAE) von 1.6 %, was den Stand der Technik um fast 30 % verbessert. Es werden phasenverzögerte und zeitverzögerte Ansätze zur Steuerung der Strahlrichtung analysiert, wobei Entwicklungsherausforderungen wie Flächenverbrauch, Signaldämpfung und Strahlschielen identifiziert und diskutiert werden. Ein aktiver Vektorsummen-Phasenschieber mit hoher Verstärkung von 11.3 dB und einer Ausgangsleistung von 5 dBm, der mit einer PAE von 6.29 % den Stand der Technik um den Faktor 30 verbessert, wird entworfen. Die hohe Verstärkung ist zum Teil auf eine Optimierung der orthogonalen Signalerzeugungsstufe zurückzuführen, die durch die Untersuchung und den Vergleich verschiedener Architekturen ermöglicht wird. Bei der Entscheidung für einen elektromagnetischen Koppler rechtfertigt die geringere Signaldämpfung einen höheren Flächenverbrauch. Durch die Kombination mit einem Frequenzvervierfacher wird eine LO-Kette mit Phasensteuerung für den Betrieb bei 220 GHz geschaffen und charakterisiert, was die vorangegangene Analyse der Phasen-FrequenzBeziehung während der Multiplikation bestätigt. Sie erreicht einen Leistungsgewinn von 21 dB und übertrifft damit vergleichbare Designs um 25dB. Dies ermöglicht die Kombination von Phasensteuerung, Frequenzvervielfachung und Vorverstärkung. Der HochfrequenzWirkungsgrad wird um das 40-fache auf 0.99 % bei einer Gesamtleistungsaufnahme von 105 mW gesteigert. Motiviert durch den verzerrenden Effekt des Strahlenschielens in phasengesteuerten Breitbandarraysystemen, wird eine neuartige analoge hybride Strahlsteuerungsarchitektur untersucht, die phasenverzögerte und zeitverzögerte Steuerung kombiniert. Damit wird sowohl das Strahlenschielen phasenverzögerter Systeme als auch der große Flächenverbrauch zeitverzögerter Schaltungen reduziert. Es wird ein analytisches Entwurfsverfahren vorgestellt, das zu dem Forschungsergebnis führt, dass in einem idealen System ein Potenzial zur Reduktion des Strahlenschielens von mehr als 83 % besteht. Dabei wird die Zunahme des Flächenverbrauchs durch die Verringerung des Strahlenschielens aufgewogen. Es wird ein IC mit einer geringen Leistungsaufnahme von 4.3mW hergestellt und charakterisiert. Dabei wird die erste Zeitverzögerungsschaltung entworfen, die bei über 200 GHz arbeitet. Durch die Erzeugung eines Großteils der Strahlrichtung mittels Zeitverzögerung kann das Schielen des Strahls bei Messungen um mehr als 75% reduziert werden, während der nachfolgende Phasenschieber eine kontinuierliche Steuerung der Strahlrichtung gewährleistet. Insgesamt kann die benötigte Siliziumfläche im Vergleich zu zeitverzögerten Systemen im gleichen Frequenzbereich auf 43 % reduziert werden. Auf der Grundlage von Studien zur optimalen Signaleinspeisung und Eingangsanpassung einer Gilbert-Zelle wird ein Ultrabreitband-Mischer mit geringem Stromverbrauch entworfen. Dieser erreicht eine Ausgangsbandbreite von mehr als 100 GHz, die den Stand der Technik um 23% übertrifft. Bei einer Wandlungsverstärkung von –13dB ermöglicht dies Datenraten von mehr als 100 Gbps im BPSK-Betrieb. Die Erkenntnisse werden in einem integrierten, breitbandigen Sender konsolidiert, der um 246 GHz arbeitet und die höchsten veröffentlichten gemessenen Datenraten für Sender mit LO-Signalkette und Leistungsverstärker im BPSK-Betrieb auf 56 Gbps verdoppelt. Die daraus resultierende Transmitter-Effizienz von 7.4 pJ/bit verbessert den Stand der Technik um 70 % bzw. 50 % gegenüber BPSKund Quadratur Phasenumtastung (QPSK)-Systemen. Zusammen bilden die Ergebnisse dieser Arbeit die Grundlage für stromsparende, effiziente, mobile Funkanwendungen der nächsten Generation mit einem Vielfachen der heute verfügbaren Datenraten.:Abstract 3 Zusammenfassung 5 List of Symbols 11 List of Acronyms 17 Prior Publications 19 1. Introduction 21 1.1. Motivation........................... 21 1.2. Objective of this Thesis ................... 25 1.3. Structure of this Thesis ................... 27 2. Overview of Employed Technologies and Techniques 29 2.1. IntegratedCircuitTechnology................ 29 2.2. Transmission Lines and Passive Structures . . . . . . . . 35 2.3. DigitalModulation ...................... 41 3. Frequency Quadrupler 45 3.1. Theoretical Analysis of Frequency Multiplication Circuits 45 3.2. Phase-Controlled Push-Push Principle for Frequency Quadrupling.......................... 49 3.3. Stand-alone Phase-Controlled Push-Push Quadrupler . 60 3.4. Phase-Controlled Push-Push Quadrupler based LO-chain with High Output Power ............... 72 9 4. Array Systems and Dynamic Beam Steering 91 4.1. Theoretical Analysis of BeamSteering. . . . . . . . . . . 95 4.2. Local Oscillator Phase Shifting with Vector-Modulator PhaseShifters......................... 107 4.3. Hybrid True-Time and Phase-Delayed Beam Steering . 131 5. Ultra-Wide Band Modulator for BPSK Operation 155 6. Broadband BPSK Transmitter System for Datarates up to 56 Gbps 167 6.1. System Architecture ..................... 168 6.2. Measurement Technique and Results . . . . . . . . . . . 171 6.3. Summary and performance comparison . . . . . . . . . 185 7. Conclusion and Outlook 189 A. Appendix 195 Bibliography 199 List of Figures 227 Note of Thanks 239 Curriculum Vitae 241

For this project, the design, implementation, characterization, calibration and possible applications of a multiple transducer stethoscope apparatus were investigated. The multi-transducer sensor array design consists of five standard stethoscope diaphragms mounted to a rigid frame for a-priori knowledge of their relative spatial locations in the x-y plane, with compliant z-direction positioning to ensure good contact and pressure against the subject’s skin for reliable acoustic coupling. When this apparatus is properly placed on the body, it can digitally capture the same important body sounds investigated with standard acoustic stethoscopes; especially heart sounds. Acoustic signal inputs from each diaphragm are converted to electrical signals through microphone pickups installed in the stethoscope connective tubing; and are subsequently sampled and digitized for analysis. With this system, we are able to simultaneously interrogate internal body sounds at a sampling rate of 2 KHz, as most heart sounds of interest occur below 200 Hz. This system was characterized and calibrated by chirp and impulse signal tests. After calibrating the system, a variety of methods for combining the individual sensor channel data to improve the detectability of different signals of interest were explored using variable-delay beam forming. S1 and S2 heart sound recognition with optimized beam forming delays and inter-symbol noise elimination were investigated for improved discernment of the S1 or S2 heart sounds by a user. Also, stereophonic presentation of heart sounds was also produced to allow future investigation of its potential clinical diagnostic efficacy.

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Driven by the surging need for seamless connectivity, research in the wireless communication area has dramatically evolved over the years to meet the increasing demand for data rate and seamless coverage. Such evolvement concurs with a notable increase in data traffic and the widespread of data-hungry devices, thereby inflicting stringent requirements on terrestrial networks. Despite the tremendous advances achieved through the past generations of wireless systems, almost half of the world's population remains unconnected, leading to an accentuated digital divide problem. Therefore, this work invigorates a new connectivity solution that integrates aerial and terrestrial communications with a high-altitude platform station (HAPS) to promote a sustainable connectivity landscape. The connectivity solution adopted in this thesis specifically integrates terrestrial base stations with hot-air balloons under the framework of a cloud-enabled HAPS via a data-sharing fronthauling strategy. The aerial (hot-air balloons) and terrestrial base stations, grouped into disjoint clusters, coordinate their mutual transmission to serve aerial (i.e., drones) and terrestrial users. This work studies the downlink communication from the cloud-enabled HAPS to the aerial and terrestrial users under practical system considerations, namely the limited transmit power and the limited-capacity fronthaul link, per-base station. To this end, the first part of the thesis devises a specific optimization problem that maximizes the network sum-rate while accounting for system design constraints to determine the user association strategy, i.e., user to terrestrial clusters or user to air clusters, and the associated beamforming vectors. The second part of the thesis, then, designs a different resource allocations optimization problem that accounts for the fairness among the users, thus adopting a proportionally fair scheduling scheme to assign users on frequency tones to maximize the log of the long-term average rate. On this account, the work solves a handful of non-convex intricate optimization problems using techniques from optimization theory, namely, fractional programming and $\ell_0$-norm approximation. The work consequently outlines the gains realized by providing on-demand coverage in crowded and unserved areas. Moreover, the thesis illustrates the benefits of coordinating the operations of aerial and terrestrial base stations for interference management, load-balancing, and fairness measures.