Hybrid digital-analog transmission systems : design and evaluation

Rüngeler, Matthias; Vary, Peter; Schmeink, Anke

doi:HT018675532

Hybrid digital-analog transmission systems : design and evaluation

Rüngeler, Matthias

2015

VerantwortlichkeitsangabeMatthias Rüngeler

Ausgabe1. Aufl.

ImpressumAachen : Mainz 2015

UmfangXII, 175 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN978-3-95886-034-6

ReiheAachener Beiträge zu digitalen Nachrichtensystemen ; 40

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Vary, Peter (Thesis advisor) ; Schmeink, Anke (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-03-30

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-030986
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/479444/files/479444.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/479444/files/479444.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Nachrichtengeräte und Datenverarbeitung (613310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektrotechnik, Elektronik (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Innerhalb der letzten 25 Jahre sind die meisten Kommunikationssysteme auf digitale Übertragungstechnik umgestellt worden, obwohl die zugrundeliegenden Inhalte oft analog sind. Dies ist mit den prinzipiellen Vorteilen digitaler Übertragungssysteme zu begründen, wie z.B. die Datenkompression mittels Quellcodierung oder die Möglichkeit der Kanalcodierung zum Fehlerschutz. Bei Wahl eines geeigneten Modulationsverfahrens kann so ein robustes Übertragungsverhalten selbst über gestörte Kanäle erzielt werden. Dabei sind digitale Systeme üblicherweise für die schlechteste Kanalqualität ausgelegt, über die es noch zu übertragen gilt. Im normalen Betrieb ist die Kanalqualität zwar meist besser, durch das unvermeidliche Quantisierungsrauschen im Quellcodierer ist die Übertragungsqualität jedoch prinzipiell begrenzt. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf Systemen, die – nicht nur rein digitale Übertragungsmethoden nutzen, – von besseren Kanalqualitäten profitieren können und – den Sättigungseffekt der Übertragungsqualität durch zeitdiskrete und wertkontinuierliche Übertragungstechniken umgehen. Im ersten Teil werden analoge, d.h. zeitdiskrete und wertkontinuierliche Übertragungssysteme, mit linearen und nichtlinearen Komponenten betrachtet. Theoretische Grenzen dieser Systeme werden vorgestellt und eine neue Rate-Distortion Upper Bound eingeführt, die semi-analytisch berechnet werden kann. Anschließend erfolgt eine analytische Herleitung zur Leistungsfähigkeit linearer Übertragungssysteme, wobei nichtlineare Systeme, einschließlich der berühmten Archimedes-Spirale mittels Simulationen untersucht werden. Darüber hinaus steht die Einführung einer neuen Klasse von nichtlinearen analogen Codiersystemen, die Analog Modulo Block Codes (AMBCs) im Vordergrund. Hier ist eine wichtige Beobachtung, dass nichtlineare analoge Systeme in einen diskreten und einen wertkontinuierlichen Teil zerlegt werden können. Die betrachteten Systeme weisen zwar einen nennenswerten Abstand zu den theoretischen Leistungsgrenzen auf, aber sie umgehen alle den Sättigungseffekt dank der wertkontinuierlichen Komponente. Im Hauptteil der Arbeit werden diese Erkenntnisse in ein Entwurfsprinzip umgesetzt. Hybrid Digital-Analoge (HDA) Übertragungssysteme bestehen aus separaten digitalen und analogen Teilen, wobei beide unabhängig voneinander konstruiert werden können. Durch die Fusion digitaler und analoger Übertragungssysteme entstehen Konzepte, die die Vorteile beider Welten vereinen, d.h. eine kapazitätserreichende Übertragungsqualität im Digitalteil mit einer großen Diversität an etablierten Übertragungstechniken und zusätzlich, dank des Analogteils, die Vermeidung des Sättigungseffekts. Die Leistungsfähigkeit von HDA-Systemen wird sowohl theoretisch als auch durch Simulationen evaluiert. Diese Hybrid Digital-Analogen Übertragungssysteme sind leistungsfähiger als rein digitale oder rein analoge Konzepte und stellen somit eine neue, attraktive Übertragungstechnik für Drahtlossysteme, wie Mikrophone, Lautsprecher oder verteilte Sensoren dar.

During the last 25 years, most of the communication systems have been converted to purely digital technology, although the transmitted content mostly is analog by nature. The principal advantages of digital communication are compression by source encoding, bit error protection by channel coding and robust transmission over noisy channels by appropriate modulation. Digital systems are usually designed for worst case channel conditions. However, often the channel quality is much better, which is not reflected in an improved end-to-end transmission quality due to inevitable quantization noise produced by the source encoder.In this thesis, the focus is set on systems which – are not purely digital anymore, – benefit from increasing channel qualities, and – avoid the saturation effect using discrete-time, continuous-amplitude techniques.In the first part, purely analog, i.e., discrete-time and continuous-amplitude transmission systems are considered – with linear or nonlinear components. Theoretical performance limits are discussed and a new rate-distortion upper bound is derived which can be evaluated semi-analytically. The performance of linear transmission systems is derived analytically while simulations assess several nonlinear systems including the famous Archimedes spiral. A new class of nonlinear discrete-time analog coding systems, i.e., the Analog Modulo Block Codes (AMBCs) is developed. One important observation is that nonlinear discrete-time, continuous-amplitude systems can be decomposed into a discrete and a continuous-amplitudes part. The considered systems exhibit a considerable gap to capacity but they all circumvent the saturation effect due to the continuous-amplitude components.In the main part of the thesis, these findings are turned into a design principle. Hybrid Digital-Analog (HDA) transmission systems consist of separate digital and analog branches while each is constructed independently. By combining both worlds – digital and continuous-amplitude transmission – new concepts emerge which fuse their advantages: capacity achieving performance in the digital branch with a huge variety of conventional digital codes plus avoiding the saturation effect in the analog branch. The performance of HDA systems is assessed theoretically as well as by simulations. These Hybrid Digital-Analog (HDA) transmission systems outperform both purely digital and continuous-amplitude concepts. HDA transmission is an attractive solution for wireless systems such as microphones, loudspeakers or distributed sensors.

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