Génération d`impulsions : Fondamentaux et applications
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Génération d`impulsions : Fondamentaux et applications
Génération d’impulsions Fondamentaux et applications Ecole d’automne Ultra-Large Bande – octobre 2006 Jean-François Naviner Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications LTCI UMR ENST-CNRS 5141 Plan 2 Définitions et motivations Régulations et spécifications Modélisation et synthèse Techniques principales de réalisation Produits commerciaux Perspectives E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Définitions et motivations Définition d’un signal à Ultra-Large Bande (ULB) Bande fractionnelle mesurée à -10dB supérieure à 20% f H ( −10 dB ) − f L( −10 dB ) > 20% ou fC Bande supérieure à 500MHz DSP (dB) -10dB fL 3 fC E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions fH 24-10-2006 Motivation théorique Théorème de Shannon sur la capacité du canal ⎛ P ⎞ C = B ⋅ log 2 ⎜1 + ⎟ B ⋅ N 0 ⎠ ⎝ Définitions et motivations • Avec : C : Capacité du canal (bit/s) B : largeur de bande (Hz) P : Puissance du signal reçu (W) N0 : Densité spectrale de puissance de bruit (W/Hz) Une grande largeur de bande permet de : • Réduire les problèmes de multi-trajets ; • Augmenter la capacité du canal ; • Réduire la densité spectrale de fréquence. 4 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 5 De très haut débits sont possibles à très courtes distances. Communications à (très) bas débit audelà de qq. Dizaines de mètres. E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions Source : Intel Définitions et motivations Débit versus distance 24-10-2006 Deux types de communications ULB ULB à impulsions (I-UWB, IR-UWB) Définitions et motivations • Absence de porteuse • Communication par séries d’impulsions ULB multiporteuses (MC-UWB) • OFDM : forme de modulation la plus commune 6 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions s (t ) = +∞ ∑ A ( t ) ⋅ p ( t − iT ) i =−∞ i N s (t ) = ∑ di ( t ) ⋅ e i =1 24-10-2006 f j 2π i T Ts 1 7 MC-UWB puissance (dB) puissance (dB) Définitions et motivations Spectres typiques I-UWB versus fréquence (GHz) 10 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 1 fréquence (GHz) 24-10-2006 10 Définitions et motivations Caractéristiques du signal IR-UWB 8 Impulsions très courtes en bande de base à très faible rapport cyclique ; Signal très large bande donc à grande diversité fréquentielle : robuste aux interférences ; Signal à très faible DSP donc systèmes à faible consommation d’énergie ; Sauts temporels pseudo-aléatoires : si le code est long, signal proche d’un bruit blanc : systèmes «discrets» ; Très forte résolution temporelle : peut permettre la séparation de trajets et une localisation précise. E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Plan 9 Définitions et motivations Régulations et spécifications Modélisation et synthèse Techniques principales de réalisation Produits commerciaux Perspectives E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Régulations Régulations et spécifications Etats-Unis : février 2002 • Différents masques selon le contexte applicatif (intérieur, extérieur, radars automobiles, imagerie et surveillance) Europe : mars 2006… • Différents masques selon le contexte applicatif (courtes distances, radars automobiles, capteurs) 10 Japon : août 2006… E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Régulations (en intérieur) en moyenne maximum Europe Japon -40 -45 Limites d’émission (dBm/MHz) Régulations et spécifications -41,3 Etats-Unis -50 avec DAA -55 -60 -65 -70 -75 -80 -85 0,96 1,6 1,99 2,7 4,8 3,1 3,4 6,0 7,25 9,0 10,2510,6 -90 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Fréquence (GHz) 11 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 10 Régulations (en intérieur) en pic maximum Europe -5 Limites d’émission (dBm/50MHz) Régulations et spécifications 0 avec DAA -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 1,6 -50 1 2,7 2 4,8 3,1 3 4 6,0 5 6 9,0 7 8 9 Fréquence (GHz) 12 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 10,6 10 Puissance moyenne, puissance maximale Régulations et spécifications Puissance moyenne : ( ) max Pmoy = −41,3 + 10 ⋅ log B−10 dB ( MHz ) dBm Puissance maximale : max Pcr ete$ 13 ⎛ B−3dB ( MHz ) ⎞ = 20 ⋅ log ⎜ ⎟⎟ dBm avec 1 ≤ B ( MHz ) ≤ 50 ⎜ 50 ⎝ ⎠ E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Puissances maximale et moyenne exemples Régulations et spécifications Puissance moyenne : • Bande passante à -10dB : 1,5GHz max Pmoy = −41,3 + 10 × log1500 = −9,5dBm Puissance maximale : • Bande passante à -3dB : 700MHz max Ppeak = 20 × log 700 = 23dBm 50 ( 200mW ) • Avec une charge de 50Ω : Vcrête~4,5V 14 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Régulations et spécifications Limitation technologique En pratique, la technologie va limiter la puissance crête. Exemple : • Bande passante(-3dB)=1GHz : Ppeak=26dBm • Z=50Ω VDD - VSS 15 Max. Ppeak Max. Ppeak (2xV) CMOS 180nm 1,8V 15,1dBm 21,1dBm CMOS 120nm 1,2V 11,6dBm 17,6dBm CMOS 90nm 1V 10dBm 16dBm CMOS 65nm 0,8V 8,06dBm 14,1dBm E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Régulations et spécifications Temps moyen entre impulsions max Ppeak = α alors Si Exemple : max moy P max = 10dBm = 10mW • Si Ppeak • 16 max Ppeak max Pmoy = 20dB d’où Tmoy .silence + Témission Témission ≥α max = −10dBm = 0,1mW et si Pmoy Tmoy .silence Témission ≥ 100 Ceci peut influer sur le choix de modulation. ¾ max Affecter aux impulsions une puissance < Ppeak E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Caractéristiques principales d’une impulsion 17 Amplitude crête-à-crête Durée Puissance Bande passante à -3dB, -10dB Fréquence centrale E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Plan 18 Définitions et motivations Régulations et spécifications Modélisation et synthèse Techniques principales de réalisation Produits commerciaux Perspectives E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Modulation du signal IR-UWB frequency domain 0.5 0 0.4 -5 0.3 -10 0.2 -15 0.1 -20 Amplitude (log) Modélisation et synthèse amplitude Time domain 0.0 -0.1 -25 -30 -0.2 -35 -0.3 -40 -0.4 -45 -0.5 -2e-010 -1e-010 0e+000 1e-010 2e-010 3e-010 4e-010 -50 0.0e+000 nanoseconds 19 1.0e+010 1.5e+010 2.0e+010 2.5e+010 Frequency Rapport cyclique très faible Tp 5.0e+009 η= Tp Tc Tc E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 << 1 t Modélisation et synthèse Schémas de modulation Modulation en tout ou rien Modulation par la position de l’impulsion Modulation à deux états de phase … Modulations hybrides • Ex. : PPM + BPSK 20 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Modulation en tout ou rien Modélisation et synthèse t 1 t 0 OOK (On-Off Keying) • Évite la périodicité si la séquence est non périodique. • Mise en œuvre simple à l’émission et à la réception. • Possibilité d’impulsions deux fois plus puissantes qu’en PPM si équi-répartition des symboles. 21 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Modulation par la position de l’impulsion Modélisation et synthèse t 00 01 10 11 Pulse Position Modulation (PPM) • Pas de périodicité du train d’impulsions • Possibilité de symboles à grand nombre d’états • Mise en œuvre simple à l’émission par contrôle de l’instant d’impulsion 22 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Modulation à deux états de phase Modélisation et synthèse t 1 t 0 Bipolar Signaling Keying (BPSK) • A taux d’erreur binaire identique, requiert un SNR inférieur de 3dB à celui d’une modulation PPM • Synchronisation simple • Alternance d’impulsions et d’impulsions inversées supprime les raies spectrales dues à la périodicité du signal 23 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Modélisation et synthèse Modèles simples d’impulsions 24 Monocycle gaussien et ses dérivées Impulsion de Rayleigh Impulsion d’Hermite Monocycle gaussien modulé E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Gaussienne, monocycle et dérivées Gaussienne Modélisation et synthèse y ( t ) = K ⋅ exp ( −α ⋅ t 2 ) Dérivée première Dérivée seconde y ( t ) = −2 ⋅ K ⋅ α ⋅ t ⋅ exp ( −α ⋅ t 2 ) y ( t ) = K ⋅ ( 4 ⋅ α 2 ⋅ t 2 − 2 ⋅ α ) ⋅ exp ( −α ⋅ t 2 ) 25 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Impulsions en polynômes d’Hermite modifiés ⎛ t2 ⎞ d n ⎛ t2 ⎞ hn ( t ) = ( −1) ⋅ exp ⎜ − ⎟ ⋅ n ⎜ − ⎟ avec n ∈ ` ⎝ 4 ⎠ dt ⎝ 2 ⎠ Modélisation et synthèse n 26 Propriétés : - Durée d’impulsion quasi-identique ∀n. - Largeur de bande quasi-identique ∀n. - L’impulsion possède une composante continue. - Le nombre de passage à zéro est égal à n. E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Modélisation et synthèse Gaussienne modulant une sinusoïde Fenêtrage d’une fonction sinusoïdale par une gaussienne. y ( t ) = A ⋅ sin ( 2π ⋅ Fc ⋅ t ) ⋅ exp ( −α ⋅ t 2 ) • Exemple pour le masque FCC 27 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Modélisation et synthèse Gaussienne modulant une sinusoïde Fenêtrage d’une fonction sinusoïdale par une gaussienne. y ( t ) = A ⋅ sin ( 2π ⋅ Fc ⋅ t ) ⋅ exp ( −α ⋅ t 2 ) • Exemple pour le masque européen 28 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Gaussienne modulant une sinusoïde Domaine temporel Domaine fréquentiel 0 0.8 -2 0.6 -4 0.4 -6 Amplitude normalisée (log) 1.0 Modélisation et synthèse amplitude 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -8 -10 -12 -14 -0.6 -16 -0.8 -18 -1.0 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 -20 3.0 3.5 4.0 nanosecondes 4.5 5.0 6.0 Fenêtrage d’une fonction sinusoïdale par une gaussienne. y ( t ) = A ⋅ sin ( 2π ⋅ Fc ⋅ t ) ⋅ exp ( −α ⋅ t 2 ) • Exemple pour une bande de 500MHz 29 5.5 fréquence (GHz) E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Dérivées gaussiennes modulant une sinusoïde Dom aine fréquentiel Amplitude normalisée (log) Modélisation et synthèse 0 -5 gaussienne -10 dérivée 1ère dérivée sde -15 -20 -25 -30 -35 -40 -2 0 2 4 6 8 10 12 fréquence (GHz) 30 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Elargissement de la bande passante 31 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Elargissement de la bande passante 32 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Synthèse à partir d’un masque Principe : Modélisation et synthèse • appliquer une transformée inverse de Laplace au masque du gabarit. ωmax = cste ⋅ ∫ M ( p ) ⋅ e p⋅t dp ωmin m (t ) f max = cste ⋅ ∫ M ( f ) ⋅ e j⋅2π ⋅ f ⋅t df f min • …s’en approcher par la définition d’un filtre. 33 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Synthèse d’un filtre à partir d’un masque Exemple : gabarit FCC Modélisation et synthèse • à f=1,6GHz DSP=-75dBm/MHz • à f=3,1GHz DSP=-51,3dBm/MHz • Pour une caractéristique en limite de masque, une atténuation minimale de 24dB/octave est nécessaire. • Pour un type de filtre donné (Tchebychev, Butterworth, elliptique…), on détermine l’ordre minimal. (ex. ordre 4 pour approx. Tchebychev). • La réponse impulsionnelle du filtre constitue l’impulsion dans le domaine temporel pour une approximation donnée et un ordre fixé à partir du masque. 34 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Modélisation et synthèse Gigue d’horloge 35 Pour un BER fixé, décroissance forte du débit avec l’augmentation de la gigue ; Influence du type de modulation ; Influence de la forme d’onde ; Influence de la gigue sur le nombre possible d’utilisateurs. E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Plan 36 Définitions et motivations Régulations et spécifications Modélisation et synthèse Techniques principales de réalisation Produits commerciaux Perspectives E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Techniques principales de réalisation Générateur d’impulsion à effet avalanche Vcc Cc Rc Vin Vout Cb T1 RL Rb -Vbb 37 L’effet avalanche est évitée dans les technologies d’intégration. Possible en discret. Temps de montée subnanoseconde. Difficile à caractériser, dépend de la température. Tension élevée requise. Délai avant nouveau déclenchement. E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Diodes à effet tunnel Source: M-pulse Microwave Techniques principales de réalisation Générateur d’impulsion à effet tunnel • Ge ou AsGa Limites : • Non compatible Si • Faible amplitude (<500mV) • Polarisation sensible à T°c • Relativement chères 38 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Techniques principales de réalisation Générateur de fronts à diode SRD Step Recovery Diode P I N Vin t Rs Vin Vout C Rb SRD Id C RL Id t Vb Vout t 39 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Techniques principales de réalisation Générateur d’impulsions à diode SRD Limites • Non compatible Si • Tensions requises > qq. Volts • Délais entre impulsions J. Han and C. Nguyen, "On the Development of a Compact Sub-Nanosecond Tunable Monocycle Pulse Transmitter for UWB Applications,« Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol. 54, pp. 285-293, 2006. 40 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Caractéristiques d’un générateur d’impulsions Monolithique versus hybride Technologie(s) Pimpulsion Rendement Largeur de bande, fréquence centrale Modulations possibles Délai minimal entre impulsions Programmation Ptotale • Fréq. Centrale, largeur de bande, puissance 41 Surface E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Quelques architectures possibles pour une intégration monolithique séquence vers l’antenne DLL séquence Logique combinatoire filtre vers l’antenne vers l’antenne séquence séquence séquence × 42 vers l’antenne E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions VG-PA 24-10-2006 vers l’antenne Techniques principales de réalisation Générateur de monocycle de Scholtz Vcc L IA C Q4 Q5 Q1 Iin IA Q2 Q3 Vout 50Ω Requiert une entrée en Iin=tanh(t) Q1-Q5 réalisent IC5=tanh²(t) L et C dérivent deux fois. Vout est une approximation de la dérivée seconde du monocycle gaussien. H. Kim, D. Park, and Y. Joo, "Design of CMOS Scholtz's monocycle pulse generator," presented at Ultra Wideband Systems and Technologies, 2003 IEEE Conference on, 2003. 43 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Techniques principales de réalisation Logique ECL 44 Logique rapide. Possibilité de former des impulsions par combinaisons de portes. Inconvénients : consommation, faible excursion en tension. E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Techniques principales de réalisation Circuits différentiels, H-bridge VDD antenne Le slew-rate et la dynamique sont doublés. Pas de masse : nécessite des antennes en boucle. À partir d’un front, génère un monocycle. • Production de doublets 45 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Techniques principales de réalisation Générateur programmable CMOS (1) VDD A t C A B C D Vout B RL C D H Générateur 3 de délais (50ps) Logique de contrôle 4 4 DFF 10 Générateur d’impulsion Vout Filtre passe-bande K. Marsden , H.-J. Lee, D. Ha, and H.-S. Lee, "Low power CMOS re-programmable pulse generator for UWB systems," presented at Ultra Wideband Systems and Technologies, 2003 IEEE Conference on, 2003. 46 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions t t t 4 Machine à états t 24-10-2006 Techniques principales de réalisation Générateur programmable CMOS (2) Bande : 3-5GHz, Fc~4GHz Compatible 2-PPM et BPSK. Débit obtenu : 160Mb/s. Conçu en CMOS 130nm, 1,2V, 10mW, 1,56mm². Nécessite filtre passe-bande en sortie pour gabarit Fcc. L. Smaini, C. Tinella, D. Helal, C. Stoecklin, L. Chabert, C. Devaucelle, R. Cattenoz, N. Rinaldi, and D. Belot, "Single-chip CMOS pulse generator for UWB systems," Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol. 41, pp. 1551-1561, 2006. 47 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Techniques principales de réalisation Générateur programmable CMOS (3) Bande : 3-5GHz, Fc~4GHz Compatible BPSK. Débit obtenu : 36Mb/s. Conçu en CMOS 180nm, 2,2V, 29,7mW, 0,40mm² (cœur). Nécessite transfo. (balun) extérieur. T. Norimatsu, R. Fujiwara, M. Kokubo, M. Miyazaki, Y. Ookuma, M. Hayakawa, S. Kobayashi, N. Koshizuka, and K. Sakamura, "A novel uwb impulse-radio transmitter with all-digitally-controlled pulse generator," presented at Solid-State Circuits Conference, 2005. ESSCIRC 2005. Proceedings of the 31st European, 2005. 48 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Techniques principales de réalisation Conception conjointe générateur d’impulsions - antenne n 4 générateur de délai programmable clk générateur de triangle donnée 50Ω filtre gaussien du 6ième ordre 50Ω Impulsion de type monocycle gaussien (largeur min. 375ps, 175mVcc) Bande : 3-5GHz, Fc~4GHz Modulation PPM. Impédance sortie générateur = imp. antenne = 100Ω Conçu en BiCMOS 180nm, 1,8V, 45mW, 0,306mm² (cœur). S. Bagga, A. V. Vorobyov, S. A. P. Haddad, A. G. Yarovoy, W. A. Serdijn, and J. R. Long, "Codesign of an impulse generator and miniaturized antennas for IR-UWB," Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol. 54, pp. 1656-1666, 2006. 49 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Plan 50 Définitions et motivations Régulations et spécifications Modélisation et synthèse Techniques principales de réalisation Produits commerciaux Perspectives E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Time Domain PulsON Kit d’évaluation Produits commerciaux • Fréquence de répétition des impulsions : 9,6MHz • Fc : 4,7GHz • Bande à -10dB : 3,2GHz • EIRP : -12,8dBm • P : 6,5W • Portée : Communications Radar – 9,6Mbps : 6,4m (office), 12 17m (champ libre) – 150kbps : 25m (office), 100-140m (champ libre) Sécurité Source : www.timedomain.com 51 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Produits commerciaux Pulse-link CWave Basé sur IEEE802.15.3 Bw1 : 3,3-4,7GHz avec Fc=4GHz Bw2 : 7,4-8,7GHz avec Fc=8GHz Modulation BPSK, jusqu’à 1,35Gbps Processing gain : PG=1 … 64 Codage LDPC Application : HDTV Source : www.pulselink.net 52 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Produits commerciaux Freescale XS110 Basé sur IEEE802.15.3, gabarit FCC DS-UWB (Direct Sequence Spread Spectrum) Débit : 29, 57, 86 ou 114Mbps Consommation totale : 750mW sous 3,3V Technologies 180nm CMOS et SiGe Portée 10m Applications : TV, HDTV , wireless fast ethernet Source : www.freescale.com 53 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 General Atomics Spectral keying Spectral Keying Produits commerciaux • FSK et PPM 5 sous-bandes de 500MHz entre 3,1 et 7,3GHz Fréq. Répétition des pulses : 6, 12 ou 18MHz Débits : 40 ou 80Mbps Sous 3,3v ou 1,8v Applications : vidéo, wireless-USB Source : www.ga.com 54 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Plan 55 Définitions et motivations Régulations et spécifications Modélisation et synthèse Techniques principales de réalisation Produits commerciaux Perspectives E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Perspectives Conception conjointe générateur d’impulsions et antenne Futurs générateurs d’impulsion Perspectives • Intégration CMOS complète • Programmables (puissance, Fc, Bw, modulation) • Permettre des modes ‘burst’ (jusqu’à 500MIps) • Recherche d’une consommation minimale 56 E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions 24-10-2006 Références FCC First Report and Order Regarding UWB Transmission, 98-153, Federal Communication Commission, 14 février 2002. L.W. Fullerton and I.A. Cowie. Ultrawide band communication system and method. US Patent n° US 5677927, 1997. L.W. Fullerton and I.A. Cowie. Time domain transmission method. US Patent n° US 5363108, 1997. J. 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