Towards Radio Analog Signal Processing

La demande insatiable pour les services de radio et communication à large bande, stimule les fabricants à chercher des nouvelles façons d'augmenter la largeur de bande spectrale des systèmes. Traitement numérique du signal (DSP) comme la technologie la plus commune des radios d'aujourd'hui est souple, reproductible, compact, et fiable en basse fréquence. Cependant,le système digital est plage dynamique limitée, le largeur de bande du système DSP est limité par la fréquence d'échantillonnage. A haute fréquence, telles que la fréquence d'onde millimétrique, le système DSP a un manque de performance et une consommation de puissance excessive. En outre, la complexité et le coût de système augmente aux fréquences plus élevées. Contrairement à DSP, les systèmes traitement radio-analogique du signal (R-ASP) sont bonnes performances à haute fréquence. Les systèmes R-ASP manipulent des signaux à large bande, temporellement sous leur forme analogique d'origine. Donc, ils n'ont pas besoin des convertisseurs A/D et D/A, et des convertisseurs haut/bas, résultant complexité inférieure à vitesse plus élevée, ce qui peut offrir des solutions sans précédent dans le domaine de l'ingénierie de radio. Phaser comme une structure de délai dispersive (DDS) contrôlable est le noyau d'un système R-ASP. Les composantes des fréquences du signal dans le temps se différencient après avoir traversé un phaser. Cette caractéristique du phaser le rend pratique pour l'application radio analogique haute vitesse, comme renifleur de spectre, multiplexage par division de fréquence (FDM), et impulsion radio. Cette thèse par articles présente les concepts et les améliorations R-ASP, sur la base du phaser, comme une alternative potentielle au traitement basé sur DSP, pour l'application de radio haute fréquence et haute vitesse. Le premier Chapitre traite de la motivation R-ASP, contributions de la thèse et de l'organisation. Les concepts et les caractéristiques du phaser,les nouvelles techniques pour améliorer la dispersion des phasers ainsi que la performance du système R-ASP, en fonction des applications sont proposées dans le Chapitre 2. Les Chapitres 3 à 6 sont les articles qui introduisent des nouvelles applications du R-ASP. Dans le Chapitre 3, une nouvelle technique de loop afin d'améliorer la résolution du phaser est proposé. En plus des fréquence mètres et les discriminateurs de fréquence, cette technique peut facilement appliquer à divers autres systèmes en temps réel, tels que les transformateurs de Fourier en temps réel, convolveurs, corrélateurs, et les radars compressifs.

Abstract

Insatiable demand for broadband radio and communication services spurs the manufacturers to seek new ways to increase the spectral bandwidth of the systems. Digital Signal Processing (DSP) as the most common technology of Today's radios is flexible, reproducible, compact, and reliable at low spectral bandwidth. However, digital system is limited precision and dynamic range, the bandwidth of the DSP system is limited by sampling rate. At high frequency, such as millimeter-wave frequency, the DSP system is poor performance and power hungry. Moreover, the complexity and cost of the system increase at higher frequency. In contrast of DSP, Radio-Analog Signal Processing (R-ASP) systems have a good performance at high frequency. R-ASP systems manipulate broadband signals, temporally in their original analog form. So, They don't need A/D and D/A, and up/down converters, resulting lower complexity at higher speed, which may offer unprecedented solutions in the major areas of radio engineering. Phaser as an engineerable dispersive delay structure (DDS) is the core of an R-ASP system. The component frequencies of the signal differentiate in time after passing through a phaser. This characteristic of the phaser makes it convenient for high speed analog radio application, such as frequency sniffer, frequency division multiplexing (FDM), and impulse radio. This paper based dissertation introduces R-ASP concepts and enhancements, based on the phaser, as a potential alternative to DSP-based processing, for high speed and high frequency radio applications. The first Chapter discusses R-ASP motivation, thesis contributions and organization. The concepts of the phaser and phaser characteristics, new techniques to enhance the dispersion of the phasers as well as performance of the R-ASP system, depending on the applications are proposed in Chapter 2. Chapters 3 to 6 are the articles that introduce new applications of ASP. In Chapter 3, a novel loop technique to enhance the resolution of the phaser is proposed. In addition to frequency meters and frequency discriminators, this technique may readily by applied to various other real-time systems, such as real-time Fourier transformers, convolvers, correlators, and compressive radars. The radio-analog signal processing system has a lot of applications in the impulse regime. However, UWB pulse generation is complex and high cost. This issue is addressed in Chapter 4, proposing a low-cost analog pulse compression technique for UWB pulse generation. In Chapter 5, a stepped group delay phaser is introduced for real-time spectrum sniffing application. The system listens to its radio environment through an antenna, and determines, in real time, the presence or absence of active channels in this environment.