John wiley sons algorithms for communications systems and their applications

Algorithms for Communications Systems and Their Applications.
Nevio Benvenuto and Giovanni Cherubini
Copyright  2002 John Wiley & Sons, Ltd. ISBN: 0-470-84389-6

Algorithms for Communications Systems
and their Applications


Algorithms for Communications Systems
and their Applications

Nevio Benvenuto
University of Padova, Italy

Giovanni Cherubini
IBM Zurich Research Laboratory, Switzerland


Copyright c 2002

John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester,
West Sussex PO19 8SQ, England
Telephone (C44) 1243 779777

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in which at least two trees are planted for each one used for paper production.


To Adriana, and to Antonio, Claudia, and Mariuccia


Contents

Preface

xxix

Acknowledgements

xxxi

1 Elements of signal theory
1.1 Signal space : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Properties of a linear space : : : : : : : : : : : : : : : :
Inner product : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
1.2 Discrete signal representation : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
The principle of orthogonality : : : : : : : : : : : : : :
Signal representation : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Gram–Schmidt orthonormalization procedure : : : : : :
1.3 Continuous-time linear systems : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
1.4 Discrete-time linear systems : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Discrete Fourier transform (DFT) : : : : : : : : : : : :
The DFT operator : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Circular and linear convolution via DFT : : : : : : : : :
Convolution by the overlap-save method : : : : : : : : :

IIR and FIR filters : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
1.5 Signal bandwidth : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
The sampling theorem : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Heaviside conditions for the absence of signal distortion
1.6 Passband signals : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Complex representation : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Relation between x and x .bb/ : : : : : : : : : : : : : : :
Baseband equivalent of a transformation : : : : : : : : :
Envelope and instantaneous phase and frequency : : : :
1.7 Second-order analysis of random processes : : : : : : : : : : : : :
1.7.1 Correlation : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Properties of the autocorrelation function : : : : : : : :
1.7.2 Power spectral density : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Spectral lines in the PSD : : : : : : : : : : : : : : : : :
Cross-power spectral density : : : : : : : : : : : : : : :

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46
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viii

Contents

1.8

1.9
1.10
1.11

1.12

1.13

Properties of the PSD : : : : : : : : : : : : : : :
PSD of processes through linear transformations :

PSD of processes through filtering : : : : : : : :
1.7.3 PSD of discrete-time random processes : : : : : : :
Spectral lines in the PSD : : : : : : : : : : : : :
PSD of processes through filtering : : : : : : : :
Minimum-phase spectral factorization : : : : : :
1.7.4 PSD of passband processes : : : : : : : : : : : : :
PSD of the quadrature components
of a random process : : : : : : : : :
Cyclostationary processes : : : : : : : : : : : : :
The autocorrelation matrix : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Definition : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Properties : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Eigenvalues : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Other properties : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Eigenvalue analysis for Hermitian matrices : : :
Examples of random processes : : : : : : : : : : : : : : :
Matched filter : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Matched filter in the presence of white noise : :
Ergodic random processes : : : : : : : : : : : : : : : : : :
1.11.1 Mean value estimators : : : : : : : : : : : : : : : :
Rectangular window : : : : : : : : : : : : : : :
Exponential filter : : : : : : : : : : : : : : : : :
General window : : : : : : : : : : : : : : : : : :
1.11.2 Correlation estimators : : : : : : : : : : : : : : : :
Unbiased estimate : : : : : : : : : : : : : : : : :
Biased estimate : : : : : : : : : : : : : : : : : :
1.11.3 Power spectral density estimators : : : : : : : : : :
Periodogram or instantaneous spectrum : : : : :
Welch periodogram : : : : : : : : : : : : : : : :
Blackman and Tukey correlogram : : : : : : : :

Windowing and window closing : : : : : : : : :
Parametric models of random processes : : : : : : : : : : :
ARMA. p; q/ model : : : : : : : : : : : : : : :
MA(q) model : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
AR(N ) model : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Spectral factorization of an AR(N ) model : : : :
Whitening filter : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Relation between ARMA, MA and AR models :
1.12.1 Autocorrelation of AR processes : : : : : : : : : :
1.12.2 Spectral estimation of an AR.N / process : : : : : :
Some useful relations : : : : : : : : : : : : : : :
AR model of sinusoidal processes : : : : : : : :
Guide to the bibliography : : : : : : : : : : : : : : : : : :

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102


Contents

Bibliography : : : : : : : : : : : : : : : :
Appendices : : : : : : : : : : : : : : : :
1.A Multirate systems : : : : : : : : : :
1.A.1 Fundamentals : : : : : : : :
1.A.2 Decimation : : : : : : : : :

1.A.3 Interpolation : : : : : : : : :
1.A.4 Decimator filter : : : : : : :
1.A.5 Interpolator filter : : : : : : :
1.A.6 Rate conversion : : : : : : :
1.A.7 Time interpolation : : : : : :
Linear interpolation : : : :
Quadratic interpolation : :
1.A.8 The noble identities : : : : :
1.A.9 The polyphase representation
Efficient implementations :
1.B Generation of Gaussian noise : : : :

ix

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2 The Wiener filter and linear prediction
2.1 The Wiener filter : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Matrix formulation : : : : : : : : : : : : : : : : :
Determination of the optimum filter coefficients : :
The principle of orthogonality : : : : : : : : : : :
Expression of the minimum mean-square error : : :

Characterization of the cost function surface : : : :
The Wiener filter in the z-domain : : : : : : : : :
2.2 Linear prediction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Forward linear predictor : : : : : : : : : : : : : :
Optimum predictor coefficients : : : : : : : : : : :
Forward “prediction error filter” : : : : : : : : : :
Relation between linear prediction and AR models
First and second order solutions : : : : : : : : : :
2.2.1 The Levinson–Durbin algorithm : : : : : : : : : : :
Lattice filters : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
2.2.2 The Delsarte–Genin algorithm : : : : : : : : : : : :
2.3 The least squares (LS) method : : : : : : : : : : : : : : : :
Data windowing : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Matrix formulation : : : : : : : : : : : : : : : : :
Correlation matrix
: : : : : : : : : : : : : : : :
Determination of the optimum filter coefficients : :
2.3.1 The principle of orthogonality : : : : : : : : : : : : :
Expressions of the minimum cost function : : : : :
The normal equation using the T matrix : : : : : :
Geometric interpretation: the projection operator : :
2.3.2 Solutions to the LS problem : : : : : : : : : : : : :
Singular value decomposition of T : : : : : : : : :
Minimum norm solution : : : : : : : : : : : : : :

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Contents

Bibliography : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Appendices : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
2.A The estimation problem : : : : : : : : : : : : : : : : :
The estimation problem for random variables
MMSE estimation : : : : : : : : : : : : : : :
Extension to multiple observations : : : : : :

MMSE linear estimation : : : : : : : : : : :
MMSE linear estimation for random vectors :
3

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Adaptive transversal filters
3.1 Adaptive transversal filter: MSE criterion : : : : : : : : : : : : : :
3.1.1 Steepest descent or gradient algorithm : : : : : : : : : : :
Stability of the steepest descent algorithm : : : : : : : :
Conditions for convergence : : : : : : : : : : : : : : : :
Choice of the adaptation gain for fastest convergence : :
Transient behavior of the MSE : : : : : : : : : : : : : :
3.1.2 The least mean-square (LMS) algorithm : : : : : : : : : :
Implementation : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Computational complexity : : : : : : : : : : : : : : : :
Canonical model : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Conditions for convergence : : : : : : : : : : : : : : : :
3.1.3 Convergence analysis of the LMS algorithm : : : : : : : :
Convergence of the mean : : : : : : : : : : : : : : : : :
Convergence in the mean-square sense (real scalar case)
Convergence in the mean-square sense (general case) : :
Basic results : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Observations : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Final remarks : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
3.1.4 Other versions of the LMS algorithm : : : : : : : : : : : :
Leaky LMS : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Sign algorithm : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Sigmoidal algorithm : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Normalized LMS : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Variable adaptation gain : : : : : : : : : : : : : : : : :
LMS for lattice filters : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

3.1.5 Example of application: the predictor : : : : : : : : : : : :
3.2 The recursive least squares (RLS) algorithm : : : : : : : : : : : :
Normal equation : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Derivation of the RLS algorithm : : : : : : : : : : : : :
Initialization of the RLS algorithm : : : : : : : : : : : :
Recursive form of E min : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Convergence of the RLS algorithm : : : : : : : : : : : :
Computational complexity of the RLS algorithm : : : : :
Example of application: the predictor : : : : : : : : : :
3.3 Fast recursive algorithms : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
3.3.1 Comparison of the various algorithms : : : : : : : : : : :

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Contents

Block adaptive algorithms in the frequency domain : : : : : : : : :
3.4.1 Block LMS algorithm in the frequency domain:
the basic scheme : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Computational complexity of the block LMS
algorithm via FFT : : : : : : : : : : : : : : :
3.4.2 Block LMS algorithm in the frequency domain:
the FLMS algorithm : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Computational complexity of the FLMS algorithm : : : : :
Convergence in the mean of the coefficients
for the FLMS algorithm : : : : : : : : : : : :
3.5 LMS algorithm in a transformed domain : : : : : : : : : : : : : : :
3.5.1 Basic scheme : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
On the speed of convergence : : : : : : : : : : : : : : : :
3.5.2 Normalized FLMS algorithm : : : : : : : : : : : : : : : : :
3.5.3 LMS algorithm in the frequency domain : : : : : : : : : : :
3.5.4 LMS algorithm in the DCT domain : : : : : : : : : : : : : :

3.5.5 General observations : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
3.6 Examples of application : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
3.6.1 System identification : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Linear case : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Finite alphabet case : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
3.6.2 Adaptive cancellation of interfering signals : : : : : : : : : :
General solution : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
3.6.3 Cancellation of a sinusoidal interferer with known frequency
3.6.4 Disturbance cancellation for speech signals : : : : : : : : : :
3.6.5 Echo cancellation in subscriber loops : : : : : : : : : : : : :
3.6.6 Adaptive antenna arrays : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
3.6.7 Cancellation of a periodic interfering signal : : : : : : : : :
Bibliography : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Appendices : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
3.A PN sequences : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Maximal-length sequences : : : : : : : : : : : : : : : : :
CAZAC sequences : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Gold sequences : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
3.B Identification of a FIR system by PN sequences : : : : : : : : : : :
3.B.1 Correlation method : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Signal-to-estimation error ratio : : : : : : : : : : : : : : :
3.B.2 Methods in the frequency domain : : : : : : : : : : : : : : :
System identification in the absence of noise : : : : : : : :
System identification in the presence of noise : : : : : : :
3.B.3 The LS method : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Formulation using the data matrix : : : : : : : : : : : : :
Computation of the signal-to-estimation error ratio : : : :
3.B.4 The LMMSE method : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
3.B.5 Identification of a continuous-time system : : : : : : : : : :
3.4

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4

Contents

Transmission media
4.1 Electrical characterization of a transmission system : : : : :
Simplified scheme of a transmission system : : :
Characterization of an active device : : : : : : :
Conditions for the absence of signal distortion : :
Characterization of a 2-port network : : : : : : :
Measurement of signal power : : : : : : : : : :
4.2 Noise generated by electrical devices and networks : : : : :
Thermal noise : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Shot noise : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Noise in diodes and transistors : : : : : : : : : :

Noise temperature of a two-terminal device : : :
Noise temperature of a 2-port network : : : : : :
Equivalent-noise models : : : : : : : : : : : : :
Noise figure of a 2-port network : : : : : : : : :
Cascade of 2-port networks : : : : : : : : : : : :
4.3 Signal-to-noise ratio (SNR) : : : : : : : : : : : : : : : : :
SNR for a two-terminal device : : : : : : : : : :
SNR for a 2-port network : : : : : : : : : : : :
Relation between noise figure and SNR : : : : :
4.4 Transmission lines : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
4.4.1 Fundamentals of transmission line theory : : : : : :
Ideal transmission line : : : : : : : : : : : : : :
Non-ideal transmission line : : : : : : : : : : : :
Frequency response : : : : : : : : : : : : : : : :
Conditions for the absence of signal distortion : :
Impulse response of a non-ideal transmission line
Secondary constants of some transmission lines :
4.4.2 Cross-talk : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Near-end cross-talk : : : : : : : : : : : : : : : :
Far-end cross-talk : : : : : : : : : : : : : : : : :
4.5 Optical fibers : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Description of a fiber-optic transmission system :
4.6 Radio links : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
4.6.1 Frequency ranges for radio transmission : : : : : :
Radiation masks : : : : : : : : : : : : : : : : : :
4.6.2 Narrowband radio channel model : : : : : : : : : :
Equivalent circuit at the receiver : : : : : : : : :
Multipath : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
4.6.3 Doppler shift : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
4.6.4 Propagation of wideband signals : : : : : : : : : :

Channel parameters in the presence of multipath :
Statistical description of fading channels : : : : :
4.6.5 Continuous-time channel model : : : : : : : : : : :
Power delay profile : : : : : : : : : : : : : : : :

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Contents

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Doppler spectrum : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Doppler spectrum models : : : : : : : : : : : : : : :
Shadowing : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Final remarks : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
4.6.6 Discrete-time model for fading channels : : : : : : : :
Generation of a process with a pre-assigned spectrum
4.7 Telephone channel : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
4.7.1 Characteristics : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Linear distortion : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Noise sources : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Non-linear distortion : : : : : : : : : : : : : : : : :
Frequency offset : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Phase jitter : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Echo : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
4.8 Transmission channel: general model : : : : : : : : : : : : : :
Power amplifier (HPA) : : : : : : : : : : : : : : : :
Transmission medium : : : : : : : : : : : : : : : : :
Additive noise : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Phase noise : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

Bibliography : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
5 Digital representation of waveforms
5.1 Analog and digital access : : : : : : : : : : : : : : : : :
5.1.1 Digital representation of speech : : : : : : : : : :
Some waveforms : : : : : : : : : : : : : : : :
Speech coding : : : : : : : : : : : : : : : : : :
The interpolator filter as a holder : : : : : : : :
Sizing of the binary channel parameters : : : :
5.1.2 Coding techniques and applications : : : : : : : :
5.2 Instantaneous quantization : : : : : : : : : : : : : : : : :
5.2.1 Parameters of a quantizer : : : : : : : : : : : : :
5.2.2 Uniform quantizers : : : : : : : : : : : : : : : :
Quantization error : : : : : : : : : : : : : : : :
Relation between 1, b and −sat : : : : : : : :
Statistical description of the quantization noise
Statistical power of the quantization error : : :
Design of a uniform quantizer : : : : : : : : :
Signal-to-quantization error ratio : : : : : : : :
Implementations of uniform PCM encoders : :
5.3 Non-uniform quantizers : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Three examples of implementation : : : : : : :
5.3.1 Companding techniques : : : : : : : : : : : : : :
Signal-to-quantization error ratio : : : : : : : :
Digital compression : : : : : : : : : : : : : : :
Signal-to-quantization noise ratio mask : : : : :

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xiv

Contents

Optimum quantizer in the MSE sense : : : : : : : : : : : :
Max algorithm : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Lloyd algorithm : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Expression of 3q for a very fine quantization : : : : : :
Performance of non-uniform quantizers : : : : : : : : :
Adaptive quantization : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
General scheme : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
5.4.1 Feedforward adaptive quantizer : : : : : : : : : : : : : : :
Performance : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
5.4.2 Feedback adaptive quantizers : : : : : : : : : : : : : : : :
Estimate of ¦s .k/ : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Differential coding (DPCM) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
5.5.1 Configuration with feedback quantizer : : : : : : : : : : :
5.5.2 Alternative configuration : : : : : : : : : : : : : : : : : :
5.5.3 Expression of the optimum coefficients : : : : : : : : : : :
Effects due to the presence of the quantizer : : : : : : :

5.5.4 Adaptive predictors : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Adaptive feedforward predictors : : : : : : : : : : : : :
Sequential adaptive feedback predictors : : : : : : : : :
Performance : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
5.5.5 Alternative structures for the predictor : : : : : : : : : : :
All-pole predictor : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
All-zero predictor : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Pole-zero predictor : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Pitch predictor : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
APC : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Delta modulation : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
5.6.1 Oversampling and quantization error : : : : : : : : : : : :
5.6.2 Linear delta modulation (LDM) : : : : : : : : : : : : : : :
LDM implementation : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Choice of system parameters : : : : : : : : : : : : : : :
5.6.3 Adaptive delta modulation (ADM) : : : : : : : : : : : : :
Continuously variable slope delta modulation (CVSDM)
ADM with second-order predictors : : : : : : : : : : : :
5.6.4 PCM encoder via LDM : : : : : : : : : : : : : : : : : :
5.6.5 Sigma delta modulation (6DM) : : : : : : : : : : : : : : :
Coding by modeling : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Vocoder or LPC : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
RPE coding : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
CELP coding : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Multipulse coding : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Vector quantization (VQ) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
5.8.1 Characterization of VQ : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Parameters determining VQ performance : : : : : : : : :
Comparison between VQ and scalar quantization : : : :
5.3.2

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Contents

Optimum quantization : : : : : : : : : : : : : : :
Generalized Lloyd algorithm : : : : : : : : : :
5.8.3 LBG algorithm : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Choice of the initial codebook : : : : : : : : :
Description of the LBG algorithm with splitting
Selection of the training sequence : : : : : : :
5.8.4 Variants of VQ : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Tree search VQ : : : : : : : : : : : : : : : : :
Multistage VQ : : : : : : : : : : : : : : : : :
Product code VQ : : : : : : : : : : : : : : : :
5.9 Other coding techniques : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Adaptive transform coding (ATC) : : : : : : :

Sub-band coding (SBC) : : : : : : : : : : : : :
5.10 Source coding : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
5.11 Speech and audio standards : : : : : : : : : : : : : : : :
Bibliography : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
5.8.2

xv

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procedure
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6 Modulation theory
6.1 Theory of optimum detection : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Statistics of the random variables fwi g : : : : : : : :
Sufficient statistics : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Decision criterion : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

Theorem of irrelevance : : : : : : : : : : : : : : : :
Implementations of the maximum likelihood criterion
Error probability : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
6.1.1 Examples of binary signalling : : : : : : : : : : : : : :
Antipodal signals (² D 1) : : : : : : : : : : : : : :
Orthogonal signals (² D 0) : : : : : : : : : : : : : :
Binary FSK : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
6.1.2 Limits on the probability of error : : : : : : : : : : : :
Upper limit : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Lower limit : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
6.2 Simplified model of a transmission system and definition
of binary channel : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Parameters of a transmission system : : : : : : : : :
Relations among parameters : : : : : : : : : : : : :
6.3 Pulse amplitude modulation (PAM) : : : : : : : : : : : : : : :
6.4 Phase-shift keying (PSK) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Binary PSK (BPSK) : : : : : : : : : : : : : : : : :
Quadrature PSK (QPSK) : : : : : : : : : : : : : : :
6.5 Differential PSK (DPSK) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
6.5.1 Error probability for an M-DPSK system : : : : : : : :
6.5.2 Differential encoding and coherent demodulation : : : :
Binary case (M D 2, differentially encoded BPSK) :
Multilevel case : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

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xvi

Contents

AM-PM or quadrature amplitude modulation (QAM) : : : : : : : : : :
Comparison between PSK and QAM : : : : : : : : : : : : :
6.7 Modulation methods using orthogonal and biorthogonal signals : : : :
6.7.1 Modulation with orthogonal signals : : : : : : : : : : : : : : :
Probability of error : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Limit of the probability of error for M increasing to infinity
6.7.2 Modulation with biorthogonal signals : : : : : : : : : : : : : :
Probability of error : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
6.8 Binary sequences and coding : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Optimum receiver : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
6.9 Comparison between coherent modulation methods : : : : : : : : : : :
Trade-offs for QAM systems : : : : : : : : : : : : : : : : :
Comparison of modulation methods : : : : : : : : : : : : :
6.10 Limits imposed by information theory : : : : : : : : : : : : : : : : :
Capacity of a system using amplitude modulation : : : : : :
Coding strategies depending on the signal-to-noise ratio : : :
Coding gain : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Cut-off rate : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
6.11 Optimum receivers for signals with random phase : : : : : : : : : : :
ML criterion : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Implementation of a non-coherent ML receiver : : : : : : :

Error probability for a non-coherent binary FSK system : : :
Performance comparison of binary systems : : : : : : : : :
6.12 Binary modulation systems in the presence of flat fading : : : : : : : :
Diversity : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
6.13 Transmission methods : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
6.13.1 Transmission methods between two users : : : : : : : : : : : :
Three methods : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
6.13.2 Channel sharing: deterministic access methods : : : : : : : : :
Bibliography : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Appendices : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
6.A Gaussian distribution function and Marcum function : : : : : : : : : :
6.A.1 The Q function : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
6.A.2 The Marcum function : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
6.B Gray coding : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
6.C Baseband PPM and PDM : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Signal-to-noise ratio : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
6.D Walsh codes : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
6.6

7 Transmission over dispersive channels
7.1 Baseband digital transmission (PAM systems) : :
Transmitter : : : : : : : : : : : : : : :
Transmission channel : : : : : : : : : :
Receiver : : : : : : : : : : : : : : : : :
Power spectral density of a PAM signal

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Contents

Passband digital transmission (QAM systems) : : : : : : : : :
Transmitter : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Power spectral density of a QAM signal : : : : : : :
Three equivalent representations of the modulator : :
Coherent receiver : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
7.3 Baseband equivalent model of a QAM system : : : : : : : : :
7.3.1 Signal analysis : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Signal-to-noise ratio : : : : : : : : : : : : : : : : :
7.3.2 Characterization of system elements : : : : : : : : : :
Transmitter : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Transmission channel : : : : : : : : : : : : : : : : :
Receiver : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
7.3.3 Intersymbol interference : : : : : : : : : : : : : : : : :
Discrete-time equivalent system : : : : : : : : : : :
Nyquist pulses : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Eye diagram : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
7.3.4 Performance analysis : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Symbol error probability in the absence of ISI : : : :
Matched filter receiver : : : : : : : : : : : : : : : :
7.4 Carrierless AM/PM (CAP) modulation : : : : : : : : : : : : :
7.5 Regenerative PCM repeaters : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
7.5.1 PCM signals over a binary channel : : : : : : : : : : :
Linear PCM coding of waveforms : : : : : : : : : :
Overall system performance : : : : : : : : : : : : :

7.5.2 Regenerative repeaters : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Analog transmission : : : : : : : : : : : : : : : : :
Digital transmission : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Comparison between analog and digital transmission
Bibliography : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Appendices : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
7.A Line codes for PAM systems : : : : : : : : : : : : : : : : : :
7.A.1 Line codes : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Non-return-to-zero (NRZ) format : : : : : : : : : : :
Return-to-zero (RZ) format : : : : : : : : : : : : : :
Biphase (B- ) format : : : : : : : : : : : : : : : : :
Delay modulation or Miller code : : : : : : : : : : :
Block line codes : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Alternate mark inversion (AMI) : : : : : : : : : : :
7.A.2 Partial response systems : : : : : : : : : : : : : : : : :
The choice of the PR polynomial : : : : : : : : : : :
Symbol detection and error probability : : : : : : : :
Precoding : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Error probability with precoding : : : : : : : : : : :
Alternative interpretation of PR systems : : : : : : :

7.2

xvii

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xviii

7.B Computation of Pe for some cases of interest
7.B.1 Pe in the absence of ISI : : : : : : :

7.B.2 Pe in the presence of ISI : : : : : :
Exhaustive method : : : : : : : :
Gaussian approximation : : : : :
Worst-case limit : : : : : : : : : :
Saltzberg limit : : : : : : : : : :
GQR method : : : : : : : : : : :
7.C Coherent PAM-DSB transmission : : : : : :
General scheme : : : : : : : : : :
Transmit signal PSD : : : : : : :
Signal-to-noise ratio : : : : : : :
7.D Implementation of a QAM transmitter : : :
7.E Simulation of a QAM system : : : : : : : :

Contents

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8 Channel equalization and symbol detection
8.1 Zero-forcing equalizer (LE-ZF) : : : : : : : : : : : : : : : : :
8.2 Linear equalizer (LE) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
8.2.1 Optimum receiver in the presence of noise and ISI : : :
Alternative derivation of the IIR equalizer : : : : : :
Signal-to-noise ratio
: : : : : : : : : : : : : : : :
8.3 LE with a finite number of coefficients : : : : : : : : : : : : :
Adaptive LE : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
8.4 Fractionally spaced equalizer (FSE) : : : : : : : : : : : : : : :
Adaptive FSE : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
8.5 Decision feedback equalizer (DFE) : : : : : : : : : : : : : : :
Adaptive DFE : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Design of a DFE with a finite number of coefficients
Design of a fractionally spaced DFE (FS-DFE) : : :

Signal-to-noise ratio
: : : : : : : : : : : : : : : :
Remarks : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
8.6 Convergence behavior of adaptive equalizers : : : : : : : : : :
Adaptive LE : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Adaptive DFE : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
8.7 LE-ZF with a finite number of coefficients : : : : : : : : : : :
8.8 DFE: alternative configurations : : : : : : : : : : : : : : : : :
DFE-ZF : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
DFE-ZF as a noise predictor : : : : : : : : : : : : :
DFE as ISI and noise predictor : : : : : : : : : : : :
8.9 Benchmark performance for two equalizers : : : : : : : : : : :
Performance comparison : : : : : : : : : : : : : : :
Equalizer performance for two channel models : : :
8.10 Optimum methods for data detection : : : : : : : : : : : : : :
8.10.1 Maximum likelihood sequence detection : : : : : : : :
Lower limit to error probability using
the MLSD criterion : : : : : : : : : : :

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Contents

The Viterbi algorithm (VA) : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Computational complexity of the VA : : : : : : : : : : : : : :
8.10.2 Maximum a posteriori probability detector : : : : : : : : : : : :
Statistical description of a sequential machine : : : : : : : : :
The forward-backward algorithm (FBA) : : : : : : : : : : : :
Scaling : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Likelihood function in the absence of ISI : : : : : : : : : : :
Simplified version of the MAP algorithm (Max-Log-MAP) : :
Relation between Max-Log-MAP and Log-MAP : : : : : : : :

8.11 Optimum receivers for transmission over dispersive channels : : : : : :
Ungerboeck’s formulation of the MLSD : : : : : : : : : : : :
8.12 Error probability achieved by MLSD : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Computation of the minimum distance : : : : : : : : : : : : :
8.13 Reduced state sequence detection : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Reduced state trellis diagram : : : : : : : : : : : : : : : : : :
RSSE algorithm : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Further simplification: DFSE : : : : : : : : : : : : : : : : : :
8.14 Passband equalizers : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
8.14.1 Passband receiver structure : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Joint optimization of equalizer coefficients
and carrier phase offset : : : : : : : : : : : : : :
Adaptive method : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
8.14.2 Efficient implementations of voiceband modems : : : : : : : : :
8.15 LE for voiceband modems : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Detection of the training sequence : : : : : : : : : : : : : : :
Computations of the coefficients of a cyclic equalizer : : : : :
Transition from training to data mode : : : : : : : : : : : : :
Example of application: a simple modem : : : : : : : : : : :
8.16 LE and DFE in the frequency domain with data frames using cyclic prefix
8.17 Numerical results obtained by simulations : : : : : : : : : : : : : : : :
QPSK transmission over a minimum phase channel : : : : : :
QPSK transmission over a non-minimum phase channel : : : :
8-PSK transmission over a minimum phase channel : : : : : :
8-PSK transmission over a non-minimum phase channel : : :
8.18 Diversity combining techniques : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Antenna arrays : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Combining techniques : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Equalization and diversity : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Diversity in transmission : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

Bibliography : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Appendices : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
8.A Calculus of variations and receiver optimization : : : : : : : : : : : : :
8.A.1 Calculus of variations : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Linear functional : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Quadratic functional : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

xix

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xx

Contents

8.A.2 Receiver optimization : : : : : : : : : : : : : :

8.A.3 Joint optimization of transmitter and receiver : :
8.B DFE design: matrix formulations : : : : : : : : : : : :
8.B.1 Method based on correlation sequences : : : : :
8.B.2 Method based on the channel impulse response
and i.i.d. symbols : : : : : : : : : : : : : : : :
8.B.3 Method based on the channel impulse response
and any symbol statistic : : : : : : : : : : : : :
8.B.4 FS-DFE : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
8.C Equalization based on the peak value of ISI : : : : : :
8.D Description of a finite state machine (FSM) : : : : : : :

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10 Spread spectrum systems
10.1 Spread spectrum techniques : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
10.1.1 Direct sequence systems : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

795
795
795

9 Orthogonal frequency division multiplexing
9.1 OFDM systems : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
9.2 Orthogonality conditions : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Time domain : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Frequency domain : : : : : : : : : : : : : : : : :
z-transform domain : : : : : : : : : : : : : : : : :
9.3 Efficient implementation of OFDM systems : : : : : : : : :
OFDM implementation employing matched filters :
Orthogonality conditions in terms
of the polyphase components : : : : :
OFDM implementation employing a prototype filter
9.4 Non-critically sampled filter banks : : : : : : : : : : : : : :
9.5 Examples of OFDM systems : : : : : : : : : : : : : : : : :
Discrete multitone (DMT) : : : : : : : : : : : : :
Filtered multitone (FMT) : : : : : : : : : : : : : :
Discrete wavelet multitone (DWMT) : : : : : : : :
9.6 Equalization of OFDM systems : : : : : : : : : : : : : : : :
Interpolator filter and virtual subchannels : : : : :
Equalization of DMT systems : : : : : : : : : : :
Equalization of FMT systems : : : : : : : : : : : :
9.7 Synchronization of OFDM systems : : : : : : : : : : : : : :
9.8 Passband OFDM systems : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Passband DWMT systems : : : : : : : : : : : : :
Passband DMT and FMT systems : : : : : : : : :
Comparison between OFDM and QAM systems : :
9.9 DWMT modulation : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

Transmit and receive filter banks : : : : : : : : : :
Approximate interchannel interference suppression
Perfect interchannel interference suppression : : : :
Bibliography : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :


Contents

Classification of CDMA systems : : : : : : : : :
Synchronization : : : : : : : : : : : : : : : : : :
10.1.2 Frequency hopping systems : : : : : : : : : : : : :
Classification of FH systems : : : : : : : : : : :
10.2 Applications of spread spectrum systems : : : : : : : : : :
10.2.1 Anti-jam communications : : : : : : : : : : : : : :
10.2.2 Multiple-access systems : : : : : : : : : : : : : : :
10.2.3 Interference rejection : : : : : : : : : : : : : : : :
10.3 Chip matched filter and rake receiver : : : : : : : : : : : :
Number of resolvable rays in a multipath channel
Chip matched filter (CMF) : : : : : : : : : : : :
10.4 Interference : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Detection strategies for multiple-access systems :
10.5 Equalizers for single-user detection : : : : : : : : : : : : :
Chip equalizer (CE) : : : : : : : : : : : : : : : :
Symbol equalizer (SE) : : : : : : : : : : : : : :
10.6 Block equalizer for multiuser detection : : : : : : : : : : :
10.7 Maximum likelihood multiuser detector : : : : : : : : : : :
Correlation matrix approach : : : : : : : : : : :
Whitening filter approach : : : : : : : : : : : : :
Bibliography : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

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11 Channel codes
11.1 System model : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

11.2 Block codes : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
11.2.1 Theory of binary codes with group structure : : : : : : : :
Properties : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Parity check matrix : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Code generator matrix : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Decoding of binary parity check codes : : : : : : : : : :
Cosets : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Two conceptually simple decoding methods : : : : : : :
Syndrome decoding : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
11.2.2 Fundamentals of algebra : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Modulo q arithmetic : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Polynomials with coefficients from a field : : : : : : : :
The concept of modulo in the arithmetic of polynomials
Devices to sum and multiply elements in a finite field : :
Remarks on finite fields : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Roots of a polynomial : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Minimum function : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Methods to determine the minimum function : : : : : :
Properties of the minimum function : : : : : : : : : : :
11.2.3 Cyclic codes : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
The algebra of cyclic codes : : : : : : : : : : : : : : : :

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xxii

Properties of cyclic codes : : : : : : : : : : : : : : : :
Encoding method using a shift register of length r : :

Encoding method using a shift register of length k : :
Hard decoding of cyclic codes : : : : : : : : : : : : :
Hamming codes : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Burst error detection : : : : : : : : : : : : : : : : : :
11.2.4 Simplex cyclic codes : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Relation to PN sequences : : : : : : : : : : : : : : : :
11.2.5 BCH codes : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
An alternative method to specify the code polynomials
Bose–Chaudhuri–Hocquenhem (BCH) codes : : : : : :
Binary BCH codes : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Reed–Solomon codes : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Decoding of BCH codes : : : : : : : : : : : : : : : :
Efficient decoding of BCH codes : : : : : : : : : : : :
11.2.6 Performance of block codes : : : : : : : : : : : : : : : :
11.3 Convolutional codes : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
11.3.1 General description of convolutional codes : : : : : : : :
Parity check matrix : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Generator matrix : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Transfer function : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Catastrophic error propagation : : : : : : : : : : : : :
11.3.2 Decoding of convolutional codes : : : : : : : : : : : : :
Interleaving : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Two decoding models : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Viterbi algorithm : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Forward-backward algorithm : : : : : : : : : : : : : :
Sequential decoding : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
11.3.3 Performance of convolutional codes : : : : : : : : : : :
11.4 Concatenated codes : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Soft-output Viterbi algorithm (SOVA) : : : : : : : : :
11.5 Turbo codes : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

Encoding : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
The basic principle of iterative decoding : : : : : : : :
The forward-backward algorithm revisited : : : : : : :
Iterative decoding : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Performance evaluation : : : : : : : : : : : : : : : : :
11.6 Iterative detection and decoding : : : : : : : : : : : : : : : : :
11.7 Low-density parity check codes : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Encoding procedure : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Decoding algorithm : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Example of application : : : : : : : : : : : : : : : : :
Performance and coding gain : : : : : : : : : : : : : :
Bibliography : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Appendices : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

Contents

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Contents

11.A Nonbinary parity check codes : : : : : : : : : : : : :
Linear codes : : : : : : : : : : : : : : : :
Parity check matrix : : : : : : : : : : : : :
Code generator matrix : : : : : : : : : : :
Decoding of nonbinary parity check codes :
Coset : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Two conceptually simple decoding methods
Syndrome decoding : : : : : : : : : : : : :

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12 Trellis coded modulation

12.1 Linear TCM for one- and two-dimensional signal sets : : : :
12.1.1 Fundamental elements : : : : : : : : : : : : : : : : :
Basic TCM scheme : : : : : : : : : : : : : : : : :
Example : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
12.1.2 Set partitioning : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
12.1.3 Lattices : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
12.1.4 Assignment of symbols to the transitions in the trellis
12.1.5 General structure of the encoder/bit-mapper : : : : :
Computation of dfree : : : : : : : : : : : : : : : :
12.2 Multidimensional TCM : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Encoding : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Decoding : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
12.3 Rotationally invariant TCM schemes : : : : : : : : : : : : :
Bibliography : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

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13 Precoding and coding techniques for dispersive channels
13.1 Capacity of a dispersive channel : : : : : : : : : : : : :
13.2 Techniques to achieve capacity : : : : : : : : : : : : : :
Bit loading for OFDM : : : : : : : : : : : : :
Discrete-time model of a single carrier system :
Achieving capacity with a single carrier system
13.3 Precoding and coding for dispersive channels : : : : : : :
13.3.1 Tomlinson–Harashima (TH) precoding : : : : : :
13.3.2 TH precoding and TCM : : : : : : : : : : : : : :
13.3.3 Flexible precoding : : : : : : : : : : : : : : : : :
Bibliography : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

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14 Synchronization
14.1 The problem of synchronization for QAM systems : : : : : :
14.2 The phase-locked loop : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
14.2.1 PLL baseband model : : : : : : : : : : : : : : : : :
Linear approximation : : : : : : : : : : : : : : : :
14.2.2 Analysis of the PLL in the presence of additive noise
Noise analysis using the linearity assumption : : :
14.2.3 Analysis of a second-order PLL : : : : : : : : : : : :
14.3 Costas loop : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

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14.3.1 PAM signals : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
14.3.2 QAM signals : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
14.4 The optimum receiver : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Timing recovery : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Carrier phase recovery : : : : : : : : : : : : : : : : :
14.5 Algorithms for timing and carrier phase recovery : : : : : : : : :
14.5.1 ML criterion : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Assumption of slow time varying channel : : : : : : :
14.5.2 Taxonomy of algorithms using the ML criterion : : : : :
Feedback estimators : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Early-late estimators : : : : : : : : : : : : : : : : : :
14.5.3 Timing estimators : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Non-data aided : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Non-data aided via spectral estimation : : : : : : : : :
Data-aided and data-directed : : : : : : : : : : : : : :
Data- and phase-directed with feedback:
differentiator scheme : : : : : : : : : : : :
Data- and phase-directed with feedback:
Mueller & Muller scheme : : : : : : : : :
Non-data aided with feedback : : : : : : : : : : : : :

14.5.4 Phasor estimators : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Data- and timing-directed : : : : : : : : : : : : : : : :
Non-data aided for M-PSK signals : : : : : : : : : : :
Data- and timing-directed with feedback : : : : : : : :
14.6 Algorithms for carrier frequency recovery : : : : : : : : : : : :
14.6.1 Frequency offset estimators : : : : : : : : : : : : : : : :
Non-data aided : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Non-data aided and timing-independent with feedback :
Non-data aided and timing-directed with feedback : : :
14.6.2 Estimators operating at the modulation rate : : : : : : : :
Data-aided and data-directed : : : : : : : : : : : : : :
Non-data aided for M-PSK : : : : : : : : : : : : : : :
14.7 Second-order digital PLL : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
14.8 Synchronization in spread spectrum systems : : : : : : : : : : :
14.8.1 The transmission system : : : : : : : : : : : : : : : : :
Transmitter : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Optimum receiver : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
14.8.2 Timing estimators with feedback : : : : : : : : : : : : :
Non-data aided: non-coherent DLL : : : : : : : : : : :
Non-data aided MCTL : : : : : : : : : : : : : : : : :
Data- and phase-directed: coherent DLL : : : : : : : :
Bibliography : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

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15 Self-training equalization
15.1 Problem definition and fundamentals : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Minimization of a special function : : : : : : : : : : : : : : :

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Contents

15.2 Three algorithms for PAM systems : : : : : : : : : : : : :
The Sato algorithm : : : : : : : : : : : : : : : :
Benveniste–Goursat algorithm : : : : : : : : : :
Stop-and-go algorithm : : : : : : : : : : : : : :
Remarks : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
15.3 The contour algorithm for PAM systems : : : : : : : : : :
Simplified realization of the contour algorithm : :
15.4 Self-training equalization for partial response systems : : :
The Sato algorithm for partial response systems :
Contour algorithm for partial response systems :
15.5 Self-training equalization for QAM systems : : : : : : : :
The Sato algorithm for QAM systems : : : : : :
15.5.1 Constant modulus algorithm : : : : : : : : : : : : :
The contour algorithm for QAM systems : : : :
Joint contour algorithm and carrier phase tracking
15.6 Examples of applications : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Bibliography : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Appendices : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
15.A On the convergence of the contour algorithm : : : : : : : :

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16 Applications of interference cancellation
16.1 Echo and near–end cross-talk cancellation for PAM systems :
Cross-talk cancellation and full duplex transmission
Polyphase structure of the canceller : : : : : : : :
Canceller at symbol rate : : : : : : : : : : : : : :
Adaptive canceller : : : : : : : : : : : : : : : : :
Canceller structure with distributed arithmetic : : :
16.2 Echo cancellation for QAM systems : : : : : : : : : : : : :
16.3 Echo cancellation for OFDM systems : : : : : : : : : : : : :
16.4 Multiuser detection for VDSL : : : : : : : : : : : : : : : : :
16.4.1 Upstream power back-off : : : : : : : : : : : : : : :
16.4.2 Comparison of PBO methods : : : : : : : : : : : : :
Bibliography : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

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17 Wired and wireless network technologies
17.1 Wired network technologies : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
17.1.1 Transmission over unshielded twisted pairs in the customer
service area : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Modem : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Digital subscriber line : : : : : : : : : : : : : : : : : :
17.1.2 High speed transmission over unshielded twisted pairs
in local area networks : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
17.1.3 Hybrid fiber/coaxial cable networks : : : : : : : : : : : : :
Ranging and power adjustment for uplink
transmission : : : : : : : : : : : : : : : : :


xxvi

17.2 Wireless network technologies : : : : : : :
17.2.1 Wireless local area networks : : :
Medium access control protocols
17.2.2 MMDS and LMDS : : : : : : : :
Bibliography : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Appendices : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
17.A Standards for wireless systems : : : : : :
17.A.1 General observations : : : : : : :
Wireless systems : : : : : : : :
Modulation techniques : : : : :
Parameters of the modulator : :
Cells in a wireless system : : :
17.A.2 GSM standard : : : : : : : : : : :
System characteristics : : : : : :
Radio subsystem : : : : : : : :
GSM-EDGE : : : : : : : : : : :
17.A.3 IS-136 standard : : : : : : : : : :
17.A.4 JDC standard : : : : : : : : : : :
17.A.5 IS-95 standard : : : : : : : : : : :
17.A.6 DECT standard : : : : : : : : : :
17.A.7 HIPERLAN standard : : : : : : :

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18 Modulation techniques for wireless systems
18.1 Analog front-end architectures : : : : : : : : : : : : : : : : :
Conventional superheterodyne receiver : : : : : : :
Alternative architectures : : : : : : : : : : : : : :
Direct conversion receiver : : : : : : : : : : : : :
Single conversion to low-IF : : : : : : : : : : : :
Double conversion and wideband IF : : : : : : : :
18.2 Three non-coherent receivers for phase modulation systems :
18.2.1 Baseband differential detector : : : : : : : : : : : : :
18.2.2 IF-band (1 Bit) differential detector (1BDD) : : : : :
Performance of M-DPSK : : : : : : : : : : : : : :
18.2.3 FM discriminator with integrate and dump filter (LDI)
18.3 Variants of QPSK : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
18.3.1 Basic schemes : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
QPSK : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Offset QPSK or staggered QPSK : : : : : : : : : :
Differential QPSK (DQPSK) : : : : : : : : : : : :
³=4-DQPSK : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
18.3.2 Implementations : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
QPSK, OQPSK, and DQPSK modulators : : : : :
³=4-DQPSK modulators : : : : : : : : : : : : : :

18.4 Frequency shift keying (FSK) : : : : : : : : : : : : : : : : :
18.4.1 Power spectrum of M-FSK : : : : : : : : : : : : : :

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Contents

xxvii

Power spectrum of non-coherent binary FSK : :
Power spectrum of coherent M-FSK : : : : : : :
18.4.2 FSK receivers and corresponding performance : : :
Coherent demodulator : : : : : : : : : : : : : :
Non-coherent demodulator : : : : : : : : : : : :
Limiter-discriminator FM demodulator : : : : : :
18.5 Minimum shift keying (MSK) : : : : : : : : : : : : : : : :
18.5.1 Power spectrum of continuous-phase FSK (CPFSK)
18.5.2 The MSK signal viewed from two perspectives : :
Phase of an MSK signal : : : : : : : : : : : : :

MSK as binary CPFSK : : : : : : : : : : : : : :
MSK as OQPSK : : : : : : : : : : : : : : : : :
Complex notation of an MSK signal : : : : : : :
18.5.3 Implementations of an MSK scheme : : : : : : : :
18.5.4 Performance of MSK demodulators : : : : : : : : :
MSK with differential precoding : : : : : : : : :
18.5.5 Remarks on spectral containment : : : : : : : : : :
18.6 Gaussian MSK (GMSK) : : : : : : : : : : : : : : : : : :
18.6.1 GMSK via CPFSK : : : : : : : : : : : : : : : : :
18.6.2 Power spectrum of GMSK : : : : : : : : : : : : :
18.6.3 Implementation of a GMSK scheme : : : : : : : :
Configuration I : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Configuration II : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Configuration III : : : : : : : : : : : : : : : : :
18.6.4 Linear approximation of a GMSK signal : : : : : :
Performance of GMSK demodulators : : : : : :
Performance of a GSM receiver in the
presence of multipath : : : : : : : :
Bibliography : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Appendices : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
18.A Continuous phase modulation (CPM) : : : : : : : : : : : :
Alternative definition of CPM : : : : : : : : : :
Advantages of CPM : : : : : : : : : : : : : : :
19 Design of high speed transmission systems over
unshielded twisted pair cables
19.1 Design of a quaternary partial response class-IV system
sion at 125 Mbit/s : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Analog filter design : : : : : : : : : : : : : :
Received signal and adaptive gain control : :
Near-end cross-talk cancellation : : : : : : :

Decorrelation filter : : : : : : : : : : : : : :
Adaptive equalizer : : : : : : : : : : : : : :
Compensation of the timing phase drift : : :

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