Complexity reduction is one of the main issues of digital signal processing (DSP) algorithms, especially in communication systems where each new generation brings new requirements towards increasing data rates and improved accuracy positioning, leading to the growth of power consumption and chip area. To meet these requirements and at the same time find a trade-off between high performance and low implementation cost, more sophisticated DSP algorithms need to be developed. Recent communication standards require flexible, adaptive systems capable of real-time frequency-domain tuning. Variable digital filters (VDFs) address these needs by enabling "on-the-fly" frequency response adjustments without the need for online filter design. The key feature of VDFs is that they require only an adjustment of one or a few parameters to change their characteristics, without the need for extensive additional computations. Most VDF coefficients remain fixed after the initial design, allowing for efficient hardware implementation. This makes VDFs essential for modern adaptive communication technologies.

This thesis primarily focuses on the design and low-complexity implementation techniques of VDFs and presents three main contributions. Firstly, it proposes three VDF realizations for simultaneous lowpass filtering and equalization using polynomial channel models, with systematic design procedures based on minimax optimization for all the proposed structures. In addition, a fast design method for the VDFs with several variable parameters, which can substantially decrease the design time, is presented. Secondly, it introduces frequency-domain implementations of VDFs using the overlap-save technique. Based on the assumption that these filters have been designed using a common design approach based on optimizing the impulse response coefficients, the filter DFT coefficients are proposed to be implemented as fixed, hybrid, or variable weights. Lastly, the thesis presents an efficient design approach for a variable-bandwidth digital filter implemented in the frequency domain using the overlap-save method. The proposed approach is based on a hybrid of frequency sampling and optimization, allowing for direct optimization of the DFT coefficients considering the filter frequency-domain implementation and thereby noticeably reducing the cost of implementation and an online update of the DFT filter coefficients when the bandwidth is varied.

Reduktion av komplexitet är en av huvudfrågorna för digital signalbehandling (DSP) algoritmer, särskilt i kommunikationssystem där varje ny generation ställer nya krav på att öka datahastigheter och förbättrad noggrannhet positionering, vilket leder till en ökning av strömförbrukningen och kretsytan. För att möta dessa krav och samtidigt hitta en avvägning mellan hög prestanda och låg implementeringskostnad behöver mer sofistikerade DSP-algoritmer utvecklas. Senaste kommunikationsstandarder kräver flexibla, adaptiva system som kan frekvensdomäninställning i realtid. Variabla digitala filter (VDF) tillgodoser dessa behov genom att möjliggöra "on-the-fly" frekvenssvarsjusteringar utan behov av onlinefilterdesign. Nyckelegenskapen hos VDF:er är att de bara kräver en justering av en eller ett fåtal parametrar för att ändra deras egenskaper, utan behov av omfattande ytterligare beräkningar. De flesta VDF-koefficienter förblir fixerade efter den ursprungliga designen, vilket möjliggör effektiv hårdvaruimplementering. Detta gör VDF:er väsentliga för modern adaptiv kommunikationsteknik.

Den här avhandlingen fokuserar främst på design och implementeringstekniker med låg komplexitet för VDF:er och presenterar tre huvudsakliga bidrag. För det första föreslår den tre VDF-realiseringar för samtidig lågpassfiltrering och utjämning med användning av polynomkanalmodeller, med systematiska designprocedurer baserade på minimax optimering för alla föreslagna strukturer. Dessutom presenteras en snabb designmetod för VDF:erna med flera variabla parametrar, som avsevärt kan minska designtiden. För det andra introducerar den frekvensdomänimplementationer av VDF:er med överlappningssparateknik. Baserat på antagandet att dessa filter har utformats med användning av en gemensam designmetod baserad på optimering av impulssvarskoefficienterna, föreslås filtrets DFT-koefficienter implementeras som fasta, hybrida eller variabla vikter. Slutligen presenterar avhandlingen en effektiv designansats för ett digitalt filter med variabel bandbredd implementerat i frekvensdomänen med användning av överlappningssparametoden. Det föreslagna tillvägagångssättet är baserat på en hybrid av frekvenssampling och optimering, vilket möjliggör direkt optimering av DFT-koefficienterna med tanke på implementeringen av filterfrekvensdomänen och därigenom märkbart minska kostnaden för implementering och en onlineuppdatering av DFT-filterkoefficienterna när bandbredden är varierande.

Complexity reduction and reconfigurability are challenges in the design of modern communication system front-ends. Each new generation of communication standards brings more stringent requirements on data rates, bandwidth, synchronization, and spectral efficiency, which in turn can lead to increased power consumption and chip area. To meet these requirements and at the same time prevent a rapid growth in power consumption and silicon area, it is necessary to develop more sophisticated digital signal processing (DSP) algorithms that simultaneously can achieve high performance, flexibility, and low implementation cost, particularly in hardware-constrained receiver and transmitter front-ends. This thesis investigates efficient signal processing techniques for reconfigurable communication system front-ends and presents contributions in three directions: design and implementation of variable digital filters (VDFs), efficient synchronization techniques, particularly sampling frequency offset (SFO) estimation and compensation using VDFs, and analysis and optimization of cascaded power amplifiers (PAs), specifically their accumulated nonlinearities.

Since digital filters form the core of DSP algorithms, a key candidate for efficient reconfigurability in digital front-ends is the class of VDFs, which are capable of real-time frequency response tuning without the need for online filter design. The main advantage of VDFs is that they require only an adjustment of one or a few parameters to change their characteristics, while the majority of filter coefficients remain fixed after the initial design. This property eliminates the need for extensive online computations and makes VDFs particularly attractive for modern adaptive communication technologies, enabling efficient hardware implementation. In this area, various aspects of design and implementation of VDFs are presented in the thesis, including: (i) implementations and systematic design procedures based on minimax optimization for reconfigurable finite-impulse-response (FIR) filters for simultaneous equalization and lowpass filtering; (ii) an analysis of chip area and power consumption for application-specific integrated circuit (ASIC) implementation of the reconfigurable lowpass equalizer with simultaneously variable bandwidth; (iii) low-complexity frequency-domain implementations of VDFs based on the assumption that these filters have been designed using a common time-domain design approach based on optimizing the impulse response coefficients; (iv) efficient frequency-sampling-based design approaches (minimax based and closed-form least-squares) for a variablebandwidth FIR filter implemented in the frequency domain, allowing for direct optimization of the DFT coefficients considering the filter frequency-domain implementation and thereby resulting in a substantial reduction in implementation complexity.

Further, accurate synchronization is essential for reliable operation of communication systems, as synchronization errors can significantly degrade overall system performance. Among these impairments, SFO is critical, especially in modern wideband and high-speed communication systems, where even tiny differences between sampling clocks lead to a noticeable cumulative timing drift, resulting in inter-carrier and inter-symbol interference. While the SFO compensation is commonly carried out in the time domain, most existing SFO estimation methods are formulated in the frequency domain, which are generally quite computationally demanding, and it results in a separation between estimation and compensation stages. In contrast to these traditional approaches, this thesis presents two contributions in this area, specifically: (i) a joint SFO estimation and compensation framework based on a variable-fractional- delay filter, that results in reduced implementation complexity of the SFO estimation and is applicable to arbitrary bandlimited signals; (ii) a generalized accumulator-based approach for efficient computation of time-index powered weighted sums, which is employed in the proposed SFO estimation algorithms to implement computation of time-index and time-index-squared weighted sums in an efficient way leading to eliminating considerable parts of multiplications.

Finally, recent advances in wireless communication systems have shown the need for a reconfigurable number of cascaded power amplifiers (PAs). While PAs generally constitute one of the main sources of nonlinearities in a transceiver that distort the transmitted signal and degrade the overall system performance, in cascaded PAs, the distortions from each amplifier accumulate with those from the preceding stages, leading to severe nonlinear behavior. Considering the requirements on high efficiency and a maximally linear operation regime, this thesis investigates the effect of total nonlinearities occurring in cascaded PAs by providing results on modeling, analysis, linearization, and optimization of cascaded amplifiers.

Komplexitetsreduktion och avstämbarhet är utmaningar i konstruktion av moderna kommunikationssystems så kallade front-ends. Varje ny generation av kommunikationsstandard medför strängare krav på datahastigheter, bandbredd, synkronisering och spektral effektivitet, vilket i sin tur kan leda till ökad strömförbrukning och chiparea i en hårdvaruimplementering. För att möta dessa krav och samtidigt förhindra ökning av strömförbrukning och kiselarea är det nödvändigt att utveckla mer sofistikerade algoritmer för digital signalbehandling (DSB) som samtidigt kan uppnå en hög prestanda, flexibilitet och låg implementeringskostnad, särskilt i hårdvarubegränsade mottagar- och sändar-front-ends. Denna avhandling studerar effektiva signalbehandlingstekniker och presenterar tre olika bidrag: konstruktion och implementering av avstämbara digitala filter (VDF), effektiva synkroniseringstekniker, särskilt estimering och kompensation av samplingsfrekvensoffset (SFO) med hjälp av VDF, och analys och optimering av kaskadkopplade effektförstärkare (så kallade PA), särskilt deras ackumulerade olinjäriteter.

Eftersom digitala filter utgör kärnan i DSB-algoritmer är en nyckelkandidat för effektiv avstämbarhet i digitala front-ends klassen av VDF:er som kan finjustera frekvenskarakteristiken i realtid utan behov av onlinefilterdesign. Den största fördelen med VDF:er är att de endast kräver en justering av en eller några få parametrar för att ändra sina egenskaper, medan majoriteten av filterkoefficienterna förblir fixa efter den initiala designen. Denna egenskap eliminerar behovet av omfattande online-beräkningar och gör VDF:er särskilt attraktiva för moderna adaptiva kommunikationstekniker, vilket möjliggör effektiv hårdvaruimplementering. Inom detta område presenterar avhandlingen tre olika tekniker för design och implementering av VDF: (i) implementeringar och systematiska designprocedurer baserade på minimaxoptimering för avstämbara så kallade FIR-filter för samtidig frekvensgångsutjämning och lågpassfiltrering; (ii) implementering av den avstämbara lågpassutjämnaren med samtidigt variabel bandbredd, inklusive analys av chiparea och effektförbrukning i applikationsspecifika integrerade kretsar; (iii) effektiva frekvensdomän-implementeringar av VDF:er som konstruerats via filterdesign i tidsdomänen; (iv) effektiva frekvenssamplingsbaserade designmetoder (minimax och minstakvadrat) för FIR-filter med avstämbar bandbredd implementerat i frekvensdomänen, vilket möjliggör direkt optimering av DFT-koefficienterna med hänsyn till filtrets frekvensdomänimplementering och därigenom resulterar i en signifikant minskning av implementeringskomplexiteten.

Vidare är noggrann synkronisering avgörande för tillförlitlig drift av kommunikationssystem, eftersom synkroniseringsfel kan försämra systemets totala prestanda avsevärt. Bland dessa försämringar är SFO kritisk, särskilt i moderna bredbandiga och höghastighetskommunikationssystem, där även små skillnader mellan samplingsklockor leder till en märkbar kumulativ tidsdrift, vilket resulterar i interferens mellan bärvågor och symboler. Medan SFO-kompensationen vanligtvis utförs i tidsdomänen är de flesta befintliga SFO-estimeringsmetoder formulerade i frekvensdomänen, vilka i allmänhet är ganska beräkningskrävande, och det resulterar i en separation mellan estimering och kompensation. I motsats till dessa traditionella metoder presenterar denna avhandling två bidrag inom detta område: (i) ett gemensamt ramverk för SFO-estimering och kompensation baserat på ett avstämbart fördröjningsfilter, vilket resulterar i minskad implementeringskomplexitet för SFO-estimeringen och är tillämpbart på godtyckliga bandbegränsade signaler; (ii) en generaliserad ackumulatorbaserad metod för effektiv beräkning av viktade summor, som används i de föreslagna SFO-estimeringsalgoritmerna för att implementera beräkning av tidsindex-viktade och tidsindexkvadratviktade summor på ett effektivt sätt, vilket leder till att de flesta av multiplikationerna elimineras.

Slutligen har nya framsteg inom trådlösa kommunikationssystem visat behovet av ett avstämbart antal kaskadkopplade PA-steg. Medan en PA i allmänhet är en av de huvudsakliga källorna till olinjäriteter i en sändarmottagare som förvränger den sända signalen och försämrar systemets totala prestanda, ackumuleras felen i kaskadkopplade PA-steg, vilket leder till större olinjäriteter. Med hänsyn till kraven på hög effektivitet och ett maximalt linjärt driftsområde studerar denna avhandling effekten av totala olinjäriteter som uppstår i kaskadkopplade PA-steg genom modellering, analys, linjärisering och optimering.