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Passive optical network (PON) monitoring using optical coding technology
Les réseaux optiques passifs (PON) semblent être la technologie gagnante et ultime du futur pour les "fibres jusqu'au domicile" ayant une haute capacité. L'écoute de contrôle de ce genre de système est nécessaire pour s'assurer un niveau de qualité de service prédéterminé pour chaque client. En outre, l'écoute de contrôle réduit considérablement les dépenses en capital et de fonctionnement (CAPEX et OPEX), tant pour le fournisseur du réseau que les clients. Alors que la capacité des PON est croissante, les gestionnaires de réseau ne disposent pas encore d'une technologie efficace et appropriée pour l'écoute de contrôle des réseaux de capacité aussi élevée. Une variété de solutions a été proposée. Toutes ces dernières solutions ne sont pas pratiques à cause de leur faible capacité (nombre de clients), d'une faible évolutivité, d'une grande complexité et des défis technologiques. Plus important encore, la technologie souhaitable pour l'écoute de contrôle devrait être rentable car le marché des PON est très sensible aux coûts. Dans cette thèse, nous considérons l'application de la technologie du codage optique passif (OC) comme une solution prometteuse pour l'écoute de contrôle centralisée d'un réseau optique ramifié tels que les réseaux PON. Dans la première étape, nous développons une expression pour le signal détecté par l'écoute de contrôle et étudions ses statistiques. Nous trouvons une nouvelle expression explicite pour le rapport signal utile/signal brouillé (SIR) comme outil de mesure métrique de performance. Nous considérons cinq distributions PON géographiques différentes et étudions leurs effets sur l'SIR pour l'écoute de contrôle d'OC. Dans la prochaine étape, nous généralisons notre modèle mathématique et ses expressions pour le contrôle des signaux détectés par un détecteur quadratique et des paramètres réalistes. Nous évaluons ensuite les performances théoriques de la technologie basée sur l'écoute de contrôle selon le rapport signal/bruit (SNR), le rapport signal/bruit plus coefficient d'interférence (SNIR), et la probabilité de fausse alarme. Nous élaborons l'effet de la puissance d'impulsion transmise, la taille du réseau et la cohérence de la source lumineuse sur le rendement des codes unidimensionnels (ID) et bidimensionnels (2D) de l'écoute de contrôle d'OC. Une conception optimale est également abordée. Enfin, nous appliquons les tests de Neyman-Pearson pour le récepteur de notre système d'écoute de contrôle et enquêtons sur la façon dont le codage et la taille du réseau affectent les dépenses de fonctionnement (OPEX) de notre système d'écoute de contrôle. Malgré le fait que les codes ID et 2D fournissent des performances acceptables, elles exigent des encodeurs avec un nombre élevé de composants optiques : ils sont encombrants, causent des pertes, et ils sont coûteux. Par conséquent, nous proposons un nouveau schéma de codage simple et plus approprié pour notre application de l'écoute de contrôle que nous appelons le codage périodique. Par simulation, nous évaluons l'efficacité de l'écoute de contrôle en terme de SNR pour un PON employant cette technologie. Ce système de codage est utilisé dans notre vérification expérimentale de l'écoute de contrôle d'OC. Nous étudions expérimentalement et par simulation, l'écoute de contrôle d'un PON utilisant la technologie de codage périodique. Nous discutons des problèmes de conception pour le codage périodique et les critères de détection optimale. Nous développons également un algorithme séquentiel pour le maximum de vraisemblance avec une complexité réduite. Nous menons des expériences pour valider notre algorithme de détection à l'aide de quatre encodeurs périodiques que nous avons conçus et fabriqués. Nous menons également des simulations de Monte-Carlo pour des distributions géographiques de PON réalistes, avec des clients situés au hasard. Nous étudions l'effet de la zone de couverture et la taille du réseau (nombre d'abonnés) sur l'efficacité de calcul de notre algorithme. Nous offrons une borne sur la probabilité pour un réseau donné d'entraîner l'algorithme vers un temps exorbitant de surveillance du réseau, c'est à dire le délai d'attente de probabilité. Enfin, nous soulignons l'importance du moyennage pour remédier aux restrictions budgétaires en puissance/perte dans notre système de surveillance afin de supporter de plus grandes tailles de réseaux et plus grandes portées de fibres. Ensuite, nous mettrons à niveau notre dispositif expérimental pour démontrer un m PON avec 16 clients. Nous utilisons un laser à modulation d'exploitation directement à 1 GHz pour générer les impulsions sonde. Les données mesurées par le dispositif expérimental est exploité par l'algorithme de MLSE à détecter et à localiser les clients. Trois déploiements PON différents sont réalisés. Nous démontrons une surveillance plus rigoureuse pour les réseaux ayant une répartition géographique à plusieurs niveaux. Nous étudions aussi le budget de la perte de notre dispositif de soutien plus élevés de capacités du réseau. Enfin, nous étudions le budget total admissible de la perte d'exploitation du système de surveillance dans la bande de fréquences à 1650 nm en fonction des spécifications de l'émetteur/récepteur. En particulier, la limite totale de la perte de budget est représentée en fonction du gain de l'amplicateure de transimpédance (TIA) et le résolution de la conversion analogique-numérique (ADC). Par ailleurs, nous enquêtons sur le compromis entre la distance portée et la capacité (taille de fractionnement au niveau du noeud distant) dans notre système de suivi
Advanced OFDM systems for terrestrial multimedia links
Recently, there has been considerable discussion about new wireless technologies and standards able to achieve high data rates. Due to the recent advances of digital signal processing and Very Large Scale Integration (VLSI) technologies, the initial obstacles encountered for the implementation of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) modulation schemes, such as massive complex multiplications and high speed memory accesses, do not exist anymore. OFDM offers strong multipath protection due to the insertion of the guard interval; in particular, the OFDM-based DVB-T standard had proved to offer excellent performance for the broadcasting of multimedia streams with bitrates over ten megabits per second in difficult terrestrial propagation channels, for fixed and portable applications. Nevertheless, for mobile scenarios, improving the receiver design is not enough to achieve error-free transmission especially in presence of deep shadow and multipath fading and some modifications of the standard can be envisaged. To address long and medium range applications like live mobile wireless television production, some further modifications are required to adapt the modulated bandwidth and fully exploit channels up to 24MHz wide. For these reasons, an extended OFDM system is proposed that offers variable bandwidth, improved protection to shadow and multipath fading and enhanced robustness thanks to the insertion of deep time-interleaving coupled with a powerful turbo codes concatenated error correction scheme. The system parameters and the receiver architecture have been described in C++ and verified with extensive simulations. In particular, the study of the receiver algorithms was aimed to achieve the optimal tradeoff between performances and complexity. Moreover, the modulation/demodulation chain has been implemented in VHDL and a prototype system has been manufactured. Ongoing field trials are demonstrating the ability of the proposed system to successfully overcome the impairments due to mobile terrestrial channels, like multipath and shadow fading. For short range applications, Time-Division Multiplexing (TDM) is an efficient way to share the radio resource between multiple terminals. The main modulation parameters for a TDM system are discussed and it is shown that the 802.16a TDM OFDM physical layer fulfills the application requirements; some practical examples are given. A pre-distortion method is proposed that exploit the reciprocity of the radio channel to perform a partial channel inversion achieving improved performances with no modifications of existing receivers
Advanced modulation technology development for earth station demodulator applications
The purpose of this contract was to develop a high rate (200 Mbps), bandwidth efficient, modulation format using low cost hardware, in 1990's technology. The modulation format chosen is 16-ary continuous phase frequency shift keying (CPFSK). The implementation of the modulation format uses a unique combination of a limiter/discriminator followed by an accumulator to determine transmitted phase. An important feature of the modulation scheme is the way coding is applied to efficiently gain back the performance lost by the close spacing of the phase points
Surface acoustic wave RFID tags : ideas, developments, and experiments
Radio-frequency identification (RFID) provides an efficient means of labeling and identifying various items. The principal advantage of RFID over the more traditional barcode labeling is that RFID labels are read using a radio signal. Hence, an unobstructed line-of-sight is not needed between the reader and the label. In addition, RFID labels, or tags, can carry a significantly larger amount of information than barcodes. They also are physically robust whereas printed barcodes can easily be smudged or damaged. Furthermore, it is possible to read many RFID tags simultaneously and the presence of a human operator is generally not needed.
This dissertation focuses on a type of RFID tag that relies on the surface acoustic wave (SAW) technology. SAW RFID tags are passive devices that reflect the interrogation signal in a form that is modified according to the identification information stored on the tag. In reflector-based SAW RFID tags, the encoding is based on the positions of metallic SAW reflectors on the surface of a piezoelectric substrate. In other words, it is based on the time delays of the reflected signals. The dissertation first discusses the extraction of central SAW reflector parameters and then presents novel SAW RFID tag designs. In the first part of the work, the reflectivity of narrow reflector electrodes on YZ-LiNbO3 substrate is determined. In addition, a new method for extracting the frequency-dependent reflection, transmission, and scattering parameters of short metal reflectors is developed. The second part of the dissertation discusses the design of SAW RFID tags. The main objectives of tag design include the reduction of device size and the enhancement of information capacity. This dissertation presents a Z-path SAW RFID tag that uses two strongly reflecting inclined reflectors to fold the acoustic path. The Z-path SAW tag has a significantly smaller size than previously reported SAW tags. The information capacity of SAW RFID tags is enhanced by combining the conventional time-delay-based encoding with phase encoding. A compact device size and strong resistance to environmental echoes are achieved through the application of ultra-wideband (UWB) radio technology. The feasibility of UWB SAW tags is investigated using simulations and confirmed experimentally. The SAW RFID tags presented in this dissertation are all designed for the 128°-LiNbO3 substrate
Modeling, Design And Fabrication Of Orthogonal And Psuedo-orthogonal Frequency Coded Saw Wireless Spread Spectrum Rfid Sensor Tags
Surface acoustic wave (SAW) sensors offer a wireless, passive sensor solution for use in numerous environments where wired sensing can be expensive and infeasible. Single carrier frequency SAW sensor embodiments such as delay lines, and resonators have been used in single sensor environments where sensor identification is not a necessity. The orthogonal frequency coded (OFC) SAW sensor tag embodiment developed at UCF uses a spread spectrum approach that allows interrogation in a multi-sensor environment and provides simultaneous sensing and sensor identi- fication. The SAW device is encoded via proper design of multiple Bragg reflectors at differing frequencies. To enable accurate device design, a model to predict reflectivity over a wide range of electrode metallization ratios and metal thicknesses has been developed and implemented in a coupling of modes (COM) model. The high coupling coefficient, reflectivity and temperature coefficient of delay (TCD) of YZ LiNbO3 makes it an ideal substrate material for a temperature sensor, and the reflectivity model has been developed and verified for this substrate. A new concept of pseudo-orthogonal frequency coded (POFC) SAW sensor tags has been investigated, and with proper design, the POFC SAW reduces device insertion loss and fractional bandwidth compared to OFC. OFC and POFC sensor devices have been fabricated at 250 MHz and 915 MHz using fundamental operation, and 500 MHz and 1.6 GHz using second harmonic operation. Measured device results are shown and compared with the COM simulations using the iii enhanced reflectivity model. Additionally, the first OFC devices at 1.05 GHz were fabricated on 128o YX LiNbO3 to explore feasibility of the material for future use in OFC sensor applications. Devices at 915 MHz have been fabricated on YZ LiNbO3 and integrated with an antenna, and have then been used in a transceiver system built by Mnemonics, Inc. to wirelessly sense temperature. The first experimental wireless POFC SAW sensor device results and predictions will be presented
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