High-speed, solid state, interferometric interrogator and multiplexer for fiber Bragg grating sensors

We report on the design and prototyping of a robust high-speed interferometric multiplexer and interrogator for fiber Bragg grating sensors. The scheme is based on the combination of active WDM channel switching and passive, instantaneous interferometry, allowing the resolution of virgin interferometric interrogators to be retained at MHz multiplexing rates. In this article the system design and operation are described, and a prototype scheme is characterized for three sensors and a multiplexing rate of 4 kHz, demonstrating a noise floor of 10 nε/√Hz and no cross-sensitivity. It is proposed that the system will be applicable to demanding monitoring applications requiring high speed and high resolution measurements across the sensor array

Dynamic strain measurements on automotive and aeronautic composite components by means of embedded fiber bragg grating sensors

The measurement of the internal deformations occurring in real-life composite components is a very challenging task, especially for those components that are rather difficult to access. Optical fiber sensors can overcome such a problem, since they can be embedded in the composite materials and serve as in situ sensors. In this article, embedded optical fiber Bragg grating (FBG) sensors are used to analyze the vibration characteristics of two real-life composite components. The first component is a carbon fiber-reinforced polymer automotive control arm; the second is a glass fiber-reinforced polymer aeronautic hinge arm. The modal parameters of both components were estimated by processing the FBG signals with two interrogation techniques: the maximum detection and fast phase correlation algorithms were employed for the demodulation of the FBG signals; the Peak-Picking and PolyMax techniques were instead used for the parameter estimation. To validate the FBG outcomes, reference measurements were performed by means of a laser Doppler vibrometer. The analysis of the results showed that the FBG sensing capabilities were enhanced when the recently-introduced fast phase correlation algorithm was combined with the state-of-the-art PolyMax estimator curve fitting method. In this case, the FBGs provided the most accurate results, i.e., it was possible to fully characterize the vibration behavior of both composite components. When using more traditional interrogation algorithms (maximum detection) and modal parameter estimation techniques (Peak-Picking), some of the modes were not successfully identified

Mitigation of Distortions in Radio-Over-Fiber Systems Using Machine Learning

Introducción: El constante crecimiento de usuarios conectados a internet por medio de dispositivos móviles ha conllevado a incrementar la investigación en el paradigma de las redes híbridas conocido como Radio-sobre-Fibra. Estas redes aprovechan las ventajas del ancho de banda de la fibra óptica y la movilidad de las transmisiones inalámbricas, evitando el cuello de botella que se da por la conversión óptico a eléctrico. No obstante, la dispersión cromática propia de la fibra óptica genera distorsiones en la señal de radiofrecuencia modulada ópticamente, lo cual limita su alcance.  Objetivo: Mejorar el desempeño de un sistema de radio sobre fibra en términos de la tasa de error de bit, usando demodulación no simétrica por medio del algoritmo de aprendizaje automático Máquina de Soporte Vectorial.  Metodología: Se simula un sistema de Radio-sobre-Fibra en el software especializado VPIDesignSuite. Se transmiten señales de radiofrecuencia moduladas en formatos 16 y 64-QAM con diferentes anchos de línea de láser sobre fibra óptica. Se aplica el algoritmo Máquina de Soporte Vectorial para la demodulación de la señal.  Resultados: La implementación del algoritmo de aprendizaje automático para la demodulación de la señal mejora significativamente el desempeño de la red permitiendo alcanzar los 30 km de transmisión por fibra óptica. Esto implica una reducción de la tasa de error de bit hasta en dos órdenes de magnitud en comparación con la demodulación tradicional.  Conclusiones: Se demuestra que con el uso de umbrales asimétricos usando algoritmo de Máquina de Soporte Vectorial se logran mitigar distorsiones en términos de la tasa de error de bit. Así, esta técnica se hace atractiva para futuras redes de acceso de alta capacidad.  Introduction: The ever-growing number of users connected to internet via mobile devices has driven to increase the research in the paradigm of hybrid optical networks called Radio-over-Fiber. These networks take advantages of the bandwidth given by the optical fiber and the mobility given by wireless transmissions, avoiding the bottleneck of optical-to-electrical conversion interfaces. However, the chromatic dispersion of the optical fiber generates distortions in the radiofrequency signals optically modulated, limiting the reach of transmission.  Objective: To improve the performance of a Radio-over-Fiber system in terms of bit-error-rate, using nonsymmetrical demodulation by means of the machine learning algorithm Support Vector Machine.  Methodology: A Radio-over-Fiber System is simulated in the specialized software VPIDesignSuite. The radiofrequency signals are modulated at 16 and 64-QAM formats with different laser linewidths and transmitted over optical fiber. The Support Vector Machine algorithm is applied to carry out nonsymmetrical demodulation.  Results: The implementation of the machine learning algorithm for signal demodulation significantly improves the network performance, reaching transmissions up to 30 km. It implies a reduction of the bit-error-rate up to two Introduction: The ever-growing number of users connected to internet via mobile devices has driven to increase the research in the paradigm of hybrid optical networks called Radio-over-Fiber. These networks take advantages of the bandwidth given by the optical fiber and the mobility given by wireless transmissions, avoiding the bottleneck of optical-to-electrical conversion interfaces. However, the chromatic dispersion of the optical fiber generates distortions in the radiofrequency signals optically modulated, limiting the reach of transmission.  Objective: To improve the performance of a Radio-over-Fiber system in terms of bit-error-rate, using nonsymmetrical demodulation by means of the machine learning algorithm Support Vector Machine.   Methodology: A Radio-over-Fiber System is simulated in the specialized software VPIDesignSuite. The radiofrequency signals are modulated at 16 and 64-QAM formats with different laser linewidths and transmitted over optical fiber. The Support Vector Machine algorithm is applied to carry out nonsymmetrical demodulation.  Results: The implementation of the machine learning algorithm for signal demodulation significantly improves the network performance, reaching transmissions up to 30 km. It implies a reduction of the bit-error-rate up to two orders of magnitude in comparison with conventional demodulation.  Conclusions: Mitigation of distortions in terms of bit-error-rate is demonstrated in a Radio-over-Fiber system using nonsymmetrical demodulation by using the Support Vector Machine algorithm. Thus, the proposed technique can be suitable for future high-capacity access networks. &nbsp

Back-end Design of the Readout System for Cryogenic Particle Detectors

Diese Arbeit widmet sich dem Design und der Entwicklung des digitalen Back-Ends (D-BE) für Raumtemperatur-Ausleseelektronik, die in kryogenen Quantendetektoren verwendet wird. Der Schwerpunkt liegt auf Anwendungen im Zusammenhang mit Experimenten zur Kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB, im Englischen \textit{Cosmic Microwave Background radiation} genannt), jedoch ist die Technologie anpassbar für Partikeldetektionsexperimente. Zwei Schlüsselprojekte stehen im Mittelpunkt dieser Forschung: das QUBIC-Projekt zur Erkennung der B-Mode-Polarisation des CMB und das ECHo-Experiment, das darauf abzielt, eine neue Obergrenze für die Bestimmung der Neutrinomasse im Sub-eV-Bereich festzulegen. In diesen Projekten werden Übergangskanten-Sensoren (TES) und magnetische Mikrokalorimeter (MMCs) eingesetzt. Im Fall des QUBIC-Projekts werden die TES unter Verwendung von Zeitaufteilungsmultiplexing (TDM) gemultiplext. Es wurde jedoch ein Vorschlag für einen neuen Bolo\-meter-Typ namens Magnetischer Mikrobolometer (MMB) in der QUBIC-Kollaboration vorgestellt, der die Implementierung eines Frequenzaufteilungsmultiplexing (FDM)-Sys\-tems ermöglicht. Dies könnte durch die Verwendung eines Mikrowellen-Supraleiter-Quan\-teninterferenzgerät (SQUID)-Multiplexers ($\mu$MUX) erreicht werden, ähnlich wie bei den MMCs im ECHo-Experiment. Zur Erleichterung der Auslese der gemultiplexten Detektoren wird ein mehrtoniges Signal erzeugt, wobei jede Frequenztonkomponente einen $\mu$MUX-Kanal innerhalb des Kryostaten überwacht. Dieses Signal passiert dann einen rauscharmen Verstärker (LNA, im Englischen \textit{Low-Noise Amplifier} genannt), der in der Regel in der 4 K-Stufe liegt, bevor es das Hochfrequenz-Front-End (RF-FE) erreicht. Das RF-FE umfasst Hochfrequenzelektronik, die sowohl mit dem D-BE als auch mit der Elektronik im Kryostaten verbunden ist. Diese Arbeit stellt eine neuartige Anwendung des Goertzel-Filters zur Kanalisierung von mehrtonigen Signalen vor. Durch Simulationen, die mit einem in dieser Arbeit entwickelten auf Python basierenden Softwarepaket durchgeführt wurden, wurde die optimale Konfiguration für die Signalgenerierung und -erfassung in Bezug auf Rauschleistung, Abschirmung gegen Übersprechen und Systemlinearität ermittelt. Diese Arbeit zeigt, wie dieser Ansatz effizient in einem Field Programmable Gate Array (FPGA) implementiert werden kann, was die Skalierbarkeit bei der Auslese mehrerer Sensoren ermöglicht. Diese Skalierung is im Besonderen in Anwendungen wie Radioteleskopen für CMB-Messungen, kryogenen Kalorimetern für die Partikeldetektion und Quantencomputing entscheidend. Umfangreiche Validierungsexperimente zeigen, wie die Implementierung dieses Filtersatzes die Kanalisierung des mehrtonigen Eingangssignals zur Wiederherstellung der von den Detektoren aufgezeichneten Daten ermöglicht

Application of advanced on-board processing concepts to future satellite communications systems: Bibliography

Abstracts are presented of a literature survey of reports concerning the application of signal processing concepts. Approximately 300 references are included