Details
| Autor: | Stephan Zeitz |
| Titel: | Communications Systems using 1-Bit Quantization and Oversampling: Aspects on Synchronization and Runlength-Limited Coding |
| Typ: | Dissertation |
| Fachgebiet: | Informationstechnik |
| Reihe: | Mobile Nachrichtenübertragung, Nr.: 110 |
| Auflage: | 1 |
| Sprache: | Englisch |
| Erscheinungsdatum: | 1.6.2026 |
| Lieferstatus: | lieferbar |
| Umfang: | 140 Seiten |
| Bindung: | Soft |
| Preis: | 69,00 EUR |
| ISBN: | 9783959470889 |
| Umschlag: | (vorn) |
| Inhaltsverzeichnis: | (pdf) |
Abstrakt in Englisch
Future wireless communication systems must accommodate increasingly diverse use cases: Connecting billions of devices, supporting ultra-high data rates in the 100 Gbit/s range, and ensuring ultra-low latencies — all while remaining energy-efficient. A key challenge in achieving energy efficiency lies in the power consumption of analog-to-digital converters (ADCs), which scales quadratically with the input bandwidth in wideband systems. One promising solution to this problem involves reducing ADC amplitude resolution. In the extreme case, lowering the resolution to 1 bit not only minimizes power consumption but also enhances robustness against nonlinearities in the radio frequency (RF) front end. To counteract the loss in rate that comes from the reduction of amplitude resolution, a particularly effective approach is shifting resolution from the amplitude domain to the time domain by combining 1-bit quantization with temporal oversampling. This method aligns well with modern semiconductor technology, which favors fast switching capabilities while providing limited voltage headroom for amplitude processing. However, employing temporally oversampled 1-bit quantization in communications systems necessitates the development of an adapted modulation scheme — called zero-crossing modulation (ZXM) — and the redesign of receiver algorithms. In this regard, we study three topics to deepen the understanding and enhance the practicability of systems employing ZXM: First, we derive bounds on phase noise estimation accuracy under 1-bit quantization. Considering a finite transmission time, we formulate the Bayesian Cramér-Rao bound (BCRB) for a system where blocks of data and pilot symbols are transmitted in a periodic fashion. Further, we derive an extension for infinite transmission time. Second, we investigate the limits of digital synchronization techniques for ZXM systems by exemplarily looking at constant timing and constant phase offsets. Since the 1-bit quantized samples do not constitute a sufficient statistic of the received signal, the theoretical foundation for digital synchronization is not given, which raises the question to which extent digital synchronization can still be applied to ZXM systems. We answer this question by investigating a lower bound on the achievable rate as a function of the channel parameters. Moreover, we derive two practical algorithms for timing synchronization and one algorithm for phase synchronization. We also evaluate the end-to-end system performance, considering the synchronization algorithms and practical transmitter and receiver implementations. The considered ZXM waveform relies on a technique called runlength-limited (RLL) coding for the creation of the transmit signal and the RLL codes presently used have been shown to exhibit a suboptimal performance in the low signal-to-noise ratio (SNR) regime. Therefore, the last part of this thesis deals with the investigation of means to improve the performance of RLL codes under channel noise. We investigate the reasons for the suboptimal performance of the present RLL codes and derive a new class of RLL codes that allow for optimization of their performance in the low SNR regime.
Abstrakt in Deutsch
Zukünftige drahtlose Kommunikationssysteme müssen immer vielfältigere Anwendungsfälle unterstützen: Das Verbinden von Milliarden von Geräten, die Bereitstellung extrem hoher Datenraten im Bereich von 100 Gbit/s, die Gewährleistung von extrem niedrigen Latenzen und das alles bei hoher Energieeffizienz. Eine zentrale Herausforderung für die Erreichung der Energieeffizienz dieser Systeme liegt in der Leistungsaufnahme von Analog-Digital-Wandlern (ADCs), welche in Breitbandsystemen quadratisch mit der Bandbreite skaliert. Eine vielversprechende Lösung dieses Problems besteht in der Reduzierung der Amplitudenauflösung der ADCs. Im Extremfall minimiert eine Reduzierung der Auflösung auf 1 bit nicht nur die Leistungsaufnahme, sondern verbessert auch die Robustheit gegenüber Nichtlinearitäten der Hochfrequenz-Frontend-Komponenten. Um den durch die verringerte Amplitudenauflösung bedingten Ratenverlust zu kompensieren, erweist sich eine Verschiebung der Auflösung von der Amplituden- in die Zeitdomäne als besonders effektiv. Dies geschieht durch die Kombination von 1-bit Quantisierung mit zeitlicher Überabtastung. Diese Methode passt gut zu modernen Halbleitertechnologien, die schnelle Schaltvorgänge begünstigen, jedoch nur einen begrenzten Spannungsbereich für die Verarbeitung von Amplitudeninformationen bieten. Die Nutzung von zeitlich überabgetasteter 1-bit Quantisierung in Kommunikationssystemen erfordert jedoch die Entwicklung eines angepassten Modulationsverfahrens — genannt Zero-Crossing Modulation (ZXM) — sowie die Neugestaltung der Empfängeralgorithmen. In diesem Zusammenhang untersuchen wir drei Aspekte zur Verbesserung des theoretischen Verständnisses sowie der Praktikabilität von ZXM-basierten Systemen. Zunächst leiten wir Schranken für die Genauigkeit der Schätzung von Phasenrauschen unter 1-bit quantisierten Beobachtungen ab. Für endliche Übertragungszeiten formulieren wir die Bayessche Cramér-Rao-Schranke (BCRB) für ein System, in dem Daten- und Pilotsymbole periodisch in Blöcken übertragen werden. Darüber hinaus entwickeln wir eine Erweiterung der BCRB für den Fall unendlicher Übertragungszeit unter der Annahme, dass ausschließlich Pilotsymbole gesendet werden. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung der Anwendbarkeit digitaler Algorithmen zur Empfängersynchronisation für ZXM-Systeme, wobei wir beispielhaft konstante Zeit- und Phasenverschiebungen betrachten. Da 1-bit quantisierte Abtastwerte keine suffiziente Statistik des empfangenen Signals bilden, fehlt die theoretische Grundlage für die Anwendung digitaler Synchronisationsverfahren. Dies wirft die Frage auf, inwieweit digitale Synchronisation dennoch für ZXM-Systeme angewendet werden kann. Um diese Frage zu beantworten, analysieren wir eine untere Schranke der erreichbaren Rate in Abhängigkeit von Zeit- und Phasenverschiebung. Darüber hinaus entwickeln wir zwei praktische Algorithmen für die Zeitsynchronisation sowie einen Algorithmus für die Phasensynchronisation. Die Gesamtleistung des Systems wird unter Berücksichtigung der Synchronisationsalgorithmen sowie der praktischen Implementierung von Sender und Empfänger bewertet. Zur Erstellung des Sendesignals greift das betrachtete ZXM-Modulationsverfahren auf eine Technik namens runlength-limited (RLL) Coding zurück. Die RLL-Codes, die dafür aktuell verwendet werden, haben den Nachteil, dass ihre Leistungsfähigkeit bei hohem Kanalrauschen suboptimal ist. Daher befassen wir uns im letzten Teil dieser Arbeit mit der Verbesserung der Leistungsfähigkeit von RLL-Codes unter Berücksichtigung von Kanalrauschen. Wir analysieren die Ursachen für die Suboptimalität der aktuellen RLL-Codes und entwickeln eine neue Klasse von RLL-Codes, deren Leistungsfähigkeit für niedriges Signal-zu-Rausch-Verhältnis optimiert werden kann.