Geração e distribuição de sinais ROF

Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesO trabalho apresentado nesta dissertação incidiu no estudo de técnicas de geração e distribuição de sinais rádio sobre fibra (RoF). Numa primeira fase estudaram-se os vários componentes associados ao canal óptico, para se perceber de que forma cada um deles afecta os sinais RoF que se propagam, e quais serão as principais limitações associadas. No seguimento desse estudo inicial, efectuou-se trabalho experimental, de transmissão de sinais rádio (3G) sobre um sistema óptico mono-canal, para se observar e verificar os fenómenos limitativos identificados anteriormente. Posteriormente, foi abordada a geração de sinais rádio por multiplicação de frequência no domínio óptico, com reduzido custo e complexidade, utilizando um modulador Mach-Zhender em regime não-linear, considerando diferentes formatos de modulação. As simulações efectuadas incidiram na optimização das topologias e parâmetros associados aos diferentes componentes envolvidos, em particular na emissão e recepção. Este trabalho serviu de base ao apresentado no capítulo 5, em que se simulou e optimizou um cenário de distribuição em rede óptica passiva multi-canal, de sinais OFDM, compatíveis com UWB, gerados por multiplicação de frequência no domínio óptico.The work presented in this dissertation focused on the study of techniques for the generation and distribution of radio signals over fiber (RoF). Initially the various components associated to the optical channel were studied, to conclude how each of them affects the propagated RoF signals, and what are the key limitations associated. Following this initial study, experimental work was carried out, the transmission of radio signals (3G) on a single-channel optical system was studied, to observe and verify the limiting phenomena identified earlier. The next step was the generation of radio signals by frequency multiplication in the optical domain, with reduced cost and complexity, by using a Mach-Zehnder modulator in non-linear regime, considering different modulation formats. Several simulations were performed, focusing on optimizing topologies and parameters associated to the different components involved, especially in the transmitter and receiver. The performed work was the basis to the concepts presented in Chapter 5, in which a distribution scenario involving a passive optical network with multi-channel OFDM signals, compatible with UWB, generated by frequency multiplication in the optical domain was simulated and optimized

Performance improvement and cost reduction techniques for radio over fiber communications

Advanced cost reduction and performance improvement techniques conceived for Radio Over Fiber (ROF) communications are considered. ROF techniques are expected to form the backbone of the future 5G generation of wireless networks. The achievable link performance and the associated deployement cost constitute the most salient metrics of a ROF architecture. In this paper, we commence by providing a rudimentary overview of the ROF architecture and then elaborate on ROF techniques designed for improving the attainable system performance. We conclude by describing the ROF techniques conceived for reducing the ROF system installation costs

Radio over fibre distribution systems for ultra-wide band and millimetre wave applications

Short range wireless technology such as ultra-wideband (UWB) and 60 GHz millimetre wave (mm-wave) play a key role for wireless connectivity in indoor home, office environment or large enclosed public areas. UWB has been allocated at the frequency band 3.1-10.6 GHz with an emission power below -41.3 dBm. Mm-wave signals around 60 GHz have also attracted much attention to support high-speed data for short range wireless applications. The wide bandwidth and high allowable transmit power at 60 GHz enable multi-Gbps wireless transmission over typical indoor distances. Radio-over-fibre (RoF) systems are used to extend the propagation distance of both UWB and mm-wave signals over hundred of meters inside a building. UWB or mm-wave signals over fibre can be generated first at the central office before being distributed to the remote access points through optical fibre. In this work, we investigate two new techniques to generate and distribute UWB signals. These techniques are based on generating Gaussian pulse position modulation (PPM) using a gain switched laser (GSL). The simulation and experimental results have been carried out to show the suitability of employing gain switching in UWB over fibre systems (UWBoF) to develop a reliable, simple, and low cost technique for distributing UWB pulses. The second part of this work proposes two configurations for optical mm-wave generation and transmission of 3 Gbps downstream data based on GSL. We investigate the distribution of these two methods over fibre with wireless link, and demonstrate the system simplicity and cost efficiency for mm-wave over fibre systems. Both configurations are simulated to verify our obtained results and show system performance at higher bit rates. In the third part, we generate phase modulated mm-waves by using an external injection of a modulated light source into GSL. The performance of this system is experimentally investigated and simulated for different fiber links

Photonic Millimeter Wave Signal Generation and Transmission Over Hybrid Links in 5G Communication Networks

[ES] El estándar de quinta generación (5G) es la clave potencial para satisfacer el aumento exponencial en la demanda de nuevas aplicaciones, servicios y usuarios. La tecnología 5G ofrecerá una latencia extremadamente baja de 1 ms, una velocidad máxima de datos de 10 Gbit/s, una alta densidad de conexión de hasta 106 dispositivos/km2 y permitirá una alta movilidad de los dispositivos de hasta 500 km/h. En esta Tesis se proponen varias soluciones basadas en tecnologías habilitadoras para el despliegue de redes 5G. La arquitectura de la red de acceso de radio en la nube (C-RAN) se emplea junto con las técnicas de Fotónica de Microondas como una solución prometedora para generar y transmitir señales de ondas milimétricas (mmW) en la próxima generación de comunicaciones móviles. La tecnología radio sobre fibra (RoF) ha demostrado ser una buena opción para enfrentarse al desafío de la distribución inalámbrica mmW debido a la gran distancia de transmisión, el gran ancho de banda y la inmunidad a las interferencias electromagnéticas, entre algunas de las principales ventajas. Además, esta tecnología se puede ampliar con comunicaciones ópticas de espacio libre (FSO) en sistemas de radio sobre FSO (RoFSO) en las redes inalámbricas. En esta Tesis, las señales mmW se generan fotónicamente mediante modulación externa de doble banda lateral con supresión de portadora (CS-DSB) y se distribuyen a través de enlaces fronthaul híbridos RoF/FSO. Además, la generación múltiple de señales permite la distribución reconfigurable en canales multiplexados por división de longitud de onda (WDM) desde una oficina central hasta las estaciones base, y se ha evaluado el impacto de las turbulencias producidas en los canales FSO sobre las señales mmW generadas fotónicamente en términos de fluctuaciones de potencia y ruido de fase de la señal. Se propone la técnica de modulación directa de un láser (DML) como solución principal para la transmisión de datos a través de enlaces ópticos híbridos que emplean un esquema de multiplicación de frecuencias ópticas, es decir, CS-DSB, para la generación de señales de mmW. En concreto, se evalúan teórica y experimentalmente los esquemas de generación fotónica local y remoto de señales mmW y se comparan para su implementación práctica en la red frontal de la C-RAN y, además, se estudia experimentalmente el impacto de la distorsión armónica y de la intermodulación en la transmisión de datos. Igualmente, con el fin de obtener la capacidad que ofrece el DML en términos de ancho de banda, también se presenta una evaluación teórica y experimental del efecto de la dispersión de la fibra y el chirp sobre diferentes anchos de banda de señales de M-modulación de amplitud en cuadratura (QAM). No obstante, la Tesis también incluye otro enfoque para la transmisión de datos basado en el uso de otro modulador externo. En este caso, la demostración experimental de la generación de señales ópticas empleando CS-DSB y la transmisión de señales a través de fibra híbrida y red frontal FSO se completa con un enlace de antena que permite transmitir señales 5G 64/256-QAM. La investigación realizada con los sistemas CS-DSB y DSB también permiten comparar la robustez frente al desvanecimiento inducido por la dispersión cromática de la fibra. Además, se ha realizado una evaluación experimental impacto las turbulencias producidas en los canales FSO sobre las señales mmW generadas fotónicamente con diferentes distribuciones térmicas y se ha cuantificado la degradación de la señal de datos de acuerdo con las condiciones de la turbulencia. Como demostradores finales, esta Tesis incluye un sistema de transmisión full-dúplex que emplea señales 5G en enlace descendente (DL) a 39 GHz y en enlace ascendente (UL) a 37 GHz; y la transmisión de señales OFDM LTE de 60 GHz (DL) y 25 GHz (UL) sobre una infraestructura heterogénea de frontal óptico que consiste en fibra óptica de 10 km, un canal FSO de 100 m y un enlace de radio inalámbrico de 2 m.[CA] L'estàndard de quinta generació (5G) és la clau potencial per a satisfer l'augment exponencial en la demanda de noves aplicacions, serveis i usuaris. La tecnologia 5G oferirà una latència extremadament baixa d'1 ms, una velocitat màxima de dades de 10 Gbit/s, una alta densitat de connexió de fins a 106 dispositius/km2 i permetrà una alta mobilitat dels dispositius de fins a 500 km/h. En aquesta tesi es proposen diverses solucions basades en tecnologies habilitadores per al desplegament de xarxes 5G. L'arquitectura de la xarxa d'accés de ràdio en el núvol (CRAN) s'empra junt amb les tècniques de Fotònica de Microones com una solució prometedora per a generar i transmetre senyals d'ones mil·limètriques (mmW) en la pròxima generació de comunicacions mòbils. La tecnologia ràdio sobre fibra ( RoF) ha demostrat ser una bona opció per a enfrontar-se al desafiament de la distribució sense fil mmW a causa de la gran distància de transmissió, el gran ample de banda i la immunitat a les interferències electromagnètiques, entre alguns dels principals avantatges. A més, aquesta tecnologia es pot ampliar amb comunicacions òptiques d'espai lliure (FSO) en sistemes de ràdio sobre FSO (RoFSO) en les xarxes sense fil. En aquesta Tesi, els senyals mmW es generen fotònicament per mitjà de modulació externa de doble banda lateral amb supressió de portadora (CS-DSB) i es distribueixen a través d'enllaços frontals híbrids RoF/FSO.. A més, la generació múltiple de senyals permet la distribució reconfigurable en canals multiplexats per divisió de longitud d'ona ( WDM) des d'una oficina central fins a les estacions base, i s'ha avaluat l'impacte de les turbulències produïdes en els canals FSO sobre els senyals mmW generades fotònicament en termes de fluctuacions de potència i soroll de fase del senyal. Aquest treball proposa la tècnica de modulació directa d'un làser (DML) com solució principal per a la transmissió de dades a través d'enllaços òptics híbrids que fan servir un esquema de multiplicació de freqüències òptiques, és a dir, CS-DSB, per a la generació de senyals de mmW. En concret, s'avalua teòric i experimentalment els esquemes de generació fotònica local i remota de senyals mmW i es comparen per a la seua implementació pràctica a la xarxa frontal de la C-RAN i a més, s'estudia experimentalment l'impacte de la distorsió harmònica i de la intermodulació en la transmissió de dades. Igualment, amb el fi d'obtindre la capacitat que ofereix el DML en termes d'amplada de banda, també es presenta una avaluació teòrica i experimental de l'efecte de la dispersió de la fibra i el chirp sobre diferents amples de banda de senyals de M-modulació d'amplitud en quadratura (QAM). No obstant això, la Tesis també inclou altre enfocament per a la transmissió de dades basat amb l¿ús d'altre modulador extern. En aquest cas, la demostració experimental de la generació de senyals òptics emprant CS-DSB i la transmissió de senyals a través de fibra híbrida i xarxa frontal FSO es completa com un enllaç d'antena que permet transmetre senyals 5G 64/256-QAM. La investigació realitzada amb els sistemes CS-DSB i DSB també permet comparar la seua robustesa davant l¿esvaïment induït per la dispersió cromàtica. A més, s'ha avaluat experimentalment l'impacte de les turbulències produïdes en els canals FSO sobre els senyals mmW generades fotònicament amb diferents distribucions tèrmiques i s'ha quantificat la degradació del senyal de dades d'acord amb les condicions de la turbulència. Com a demostradors finals, aquesta Tesi inclou un sistema de transmissió full-dúplex que empra senyals 5G en enllaç descendent (DL) a 39 GHz i en enllaç ascendent (UL) a 37 GHz; i la transmissió de senyals OFDM LTE de 60 GHz (DL) i 25 GHz (UL) sobre una infraestructura heterogènia de frontal òptic que consisteix en fibra òptica de 10 km, un canal FSO de 100 m i un enllaç de ràdio sense fil de 2 m.[EN] The fifth generation (5G) standard is the potential key to meet the exponentially increasing demand of the emerging applications, services and mobile end users. 5G technology will offer an extremely low latency of 1 ms, peak data rate of 10 Gbit/s, high contention density up to 106 devices/km2 and enable high mobility up to 500 km/h. This Thesis proposes several solutions based on enabling technologies for deploying 5G networks. Cloud-radio access network (C-RAN) architecture is employed in conjunction with microwave photonics techniques as a promising solution to generate and transmit millimeter wave (mmW) signals in the next generation of mobile communications. Radio over fiber (RoF) has been demonstrated as a good option to face the challenge of mmW wireless distribution, due to long transmission distance, large bandwidth and immunity to electromagnetic interference, as some of the main advantages. Moreover, this technology can be extended with free-space optical (FSO) communications in Radio over FSO systems (RoFSO) as wireless networks. In this Thesis, mmW signals are photonically generated by carrier suppressed double sideband (CS-DSB) external modulation and distributed over hybrid RoF/FSO fronthaul links. Moreover, multiple generated signals allow reconfigurable distribution in wavelength-division multiplexed (WDM) channels from a central office to the base stations, and the impact of turbulent FSO channels on photonically generated mmW signals has been evaluated in terms of power signal fluctuations and phase noise. A directly modulated laser (DML) is proposed as a major solution for signal transmission over hybrid optical links employing optical frequency multiplication scheme, i.e. CS-DSB, for mmW signal generation. Moreover, local and remote photonic mmW signal generation schemes are theoretically and experimentally evaluated and compared for practical deployment in C-RAN fronthaul network while the impact of harmonic and intermodulation distortion on data transmission is also experimentally studied. Furthermore, for the sake of obtaining the DML usability in terms of bandwidth, theoretical and experimental evaluation of the effect of fiber dispersion and chirp over different M-quadrature amplitude modulation (QAM) signals bandwidth is also presented. Another data transmission approach based on the cascade of two external modulators is also employed in the Thesis. In this case, the experimental demonstration of optical signal generation employing CS-DSB and signal transmission over hybrid fiber and FSO fronthaul network is completed with a seamless antenna link leading to successful transmission of 64/256-QAM 5G signals. The CS-DSB and DSB schemes are also investigated for the sake of comparison in terms of robustness against fiber chromatic dispersion-induced fading. Furthermore, experimental evaluation of the impact of turbulent FSO links on photonically generated mmW signals with different thermal distributions has been performed and data signal degradation has been quantified according to the turbulence conditions. As final demonstrators, the Thesis includes a full-duplex transmission system employing 39 GHz downlink (DL) and 37 GHz uplink (UL) 5G signals over hybrid links; and 60 GHz (DL) and 25 GHz (UL) OFDM LTE signal transmission over an heterogeneous optical fronthaul infrastructure consisting of 10 km optical fiber, 100 m FSO channel and 2 m wireless radio link.I would like to acknowledge the financial support given by Research Excellence Award Programme GVA PROMETEO 2017/103 Future Microwave Photonics and European Network for High Performance Integrated Microwave Photonics (EUIMWP) CA16220.Vallejo Castro, L. (2022). Photonic Millimeter Wave Signal Generation and Transmission Over Hybrid Links in 5G Communication Networks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/19025

Advanced deep space communication systems study Final report

Deep space communication system requirements for period 1970 to 198

Pulse time modulation for subcarrier multiplexed systems.

Subcarrier multiplexed (SCM) systems are an attractive alternative to the evolving digital technology for transmitting broadband services, at an affordable price. However, the majority of existing systems are based on analogue signal transmission and therefore, the strict noise and nonlinear requirements undermine the system performance. The work carried out in this thesis presents the feasibility of pulse time modulation (PTM), as a second stage modulator, in SCM systems.PTM techniques offer simplicity and low cost, and with the additional bandwidth available on optical fibres can trade bandwidth to significantly higher signal-to-noise ratio (SNR) levels, compared to analogue systems. Three different PTM techniques, square wave frequency modulation (SWFM), pulse frequency modulation (PFM) and pulse position modulation (PPM) has been investigated. A prototype system capable of transmitting a video channel, two audio channels and a data channel is implemented for each technique in order to evaluate the performance potential of PTM as a second stage modulator in SCM systems.The SNR expressions for all three schemes are derived from the first principles and the obtained results were verified experimentally. The optimum SNR performance is delivered by a raised cosine shaped pulse and the PPM technique delivers 5 dB SNR improvement over PFM. For SWFM systems a 3 dB SNR advantage is gained over single-edge detection technique and PFM systems by employing double-edge detection at the receiver. PPM spectrum contains a clock component which could be employed at the receiver for signal recovery. Demodulation technique, based on clock recovery using a phase locked loop (PLL) is proposed and implemented. This technique is cost effective and less complex compared to the existing demodulation schemes.The PFM implementation shows a 6 dB improvement in the receiver sensitivity compared to conventional SCM systems, while the PPM system offers an extra 2.5 dB improvement. The improved receiver sensitivity of the SCM-PTM technique, results in an increased optical power budget, where the transmission distance, number of subscribers and the number of channels in a network can be optimized. The nonlinear performance of the overall system is also shown to be within the specified performance levels

Advances in Optical Amplifiers

Optical amplifiers play a central role in all categories of fibre communications systems and networks. By compensating for the losses exerted by the transmission medium and the components through which the signals pass, they reduce the need for expensive and slow optical-electrical-optical conversion. The photonic gain media, which are normally based on glass- or semiconductor-based waveguides, can amplify many high speed wavelength division multiplexed channels simultaneously. Recent research has also concentrated on wavelength conversion, switching, demultiplexing in the time domain and other enhanced functions. Advances in Optical Amplifiers presents up to date results on amplifier performance, along with explanations of their relevance, from leading researchers in the field. Its chapters cover amplifiers based on rare earth doped fibres and waveguides, stimulated Raman scattering, nonlinear parametric processes and semiconductor media. Wavelength conversion and other enhanced signal processing functions are also considered in depth. This book is targeted at research, development and design engineers from teams in manufacturing industry, academia and telecommunications service operators

Ultra-long range Brillouin Optical Time Domain Analysis

Nuestro estilo de vida actual, basado en la industrialización y el consumo, requiere de grandes infraestructuras que puedan dar servicio a todas las necesidades asociadas al entorno: autopistas, líneas ferroviarias de alta velocidad, presas, gasoductos, oleoductos, estaciones de aerogeneración, líneas de alta tensión, etc. Evidentemente, la seguridad de las citadas estructuras es una prioridad ya que decenas, cientos, e incluso miles de vidas pueden estar en riesgo en caso de accidente. Ese creciente requisito en términos de seguridad, está aumentando de manera considerable el desarrollo y aplicación de sensores de fibra óptica en detrimento de los típicos sensores eléctricos. Este reemplazo se debe a ciertas ventajas que tienen los dispositivos basado en fibra óptica: pequeño tamaño y ligereza, menor coste, baja atenuación, capacidad de multiplexación, inmunidad al ruido electromagnético o resistencia a temperaturas extremas. Evidentemente, no todos los sensores de fibra óptica son aplicables a cualquier tipo de estructura o aplicación. En el campo de las grandes infraestructuras (> 25-30 km), los sistemas de fibra basados en la tecnología BOTDA (Brillouin Optical Time Domain Analysis) están tomando cada vez mayor protagonismo debido a sus cualidades en rango de medida (> 50 km) y resolución ( 100 km), donde la fibra tenga que ir y volver a la estación de sensado (> 200 km) sin posibilidad de que la luz sea amplificada por algún elemento intermedio. Además, cada vez se demanda más la posibilidad de monitorizar grandes estructuras (> 100 km) con resoluciones por debajo del metro, lo que dificulta considerablemente la implementación de los sistemas BOTDA. En este trabajo de tesis, se desarrolla un estudio cuidadoso de todos los problemas asociados al incremento de distancia y resolución en sistemas BOTDA y, consecuentemente, se proponen técnicas aplicables para evitarlos. En particular, abordaremos en profundidad los desafíos y las constantes de diseño de los sistemas BOTDA asistidos por Raman. La amplificación Raman en sistemas BOTDA implica un aumento del rango de sensado pero, desgraciadamente, introduce un ruido en la señal detectada denominado RIN (Relative Intensity Noise). Para evitar los problemas asociados a la transferencia de RIN, propondremos diferentes métodos capaces de eliminar parcialmente las características típicas del ruido RIN. Gracias a la aplicación de estas nuevas técnicas y procedimientos de optimización, se demuestra de manera experimental el sensado a lo largo de 100 km con 0,5 metros de resolución y, por primera vez, una medición lineal de 240 km de fibra (120 km de fibra sensible) con una resolución de 5 metros