Electronic impairment mitigation in optically multiplexed multicarrier systems

In order to improve the performance of optically multiplexed multicarrier systems with channel spacing equal to the symbol rate per carrier, we propose and systematically investigate an electronic signal processing technique to achieve near-interchannel crosstalk free and intersymbol-interference (ISI) free operation. We theoretically show that achieving perfect orthogonality between channels in these systems, together with ISI free operation as needed in generic communication systems, requires the shaping of the spectral profiles of not only the demultiplexing filter, but also the signal of each channel before demultiplexing. We develop a novel semianalytical method to quantitatively analyze the levels of residual crosstalk and ISI arising from nonideal system response in these systems. We show that by prefiltering the signal to ensure that the system impulse response before channel demultiplexing approaches the targeted condition, the residual crosstalk due to imperfect orthogonality can be significantly mitigated and the necessity for carrier phase control in single-quadrature format-based system can be relaxed. Further combining prefiltering and receiver-side postfiltering to adaptively trim the demultiplexing filter enhances the performance. The use of the combined digital signal processing (DSP) in coherent-detection quadrature phase-shifted keying (QPSK)-based optically multiplexed multicarrier system shows that this method outperforms conventional QPSK-based multicarrier system without DSP or with only receiver-side DSP, especially when the responses of the transmitter and the demultiplexing filter are not precisely designed and the sampling rate of the analogue-to-digital converter is not sufficiently high. In addition, the inclusion of ISI free operation, with this aspect similar to the reshaping method in conventional wavelength-division-multiplexing systems, allows the relaxation of the modulation bandwidth and chromatic dispersion compensation

Ultra Wideband Communications: from Analog to Digital

Ultrabreitband-Signale (Ultra Wideband [UWB]) können einen signifikanten Nutzen im Bereich drahtloser Kommunikationssysteme haben. Es sind jedoch noch einige Probleme offen, die durch Systemdesigner und Wissenschaftler gelöst werden müssen. Ein Funknetzsystem mit einer derart großen Bandbreite ist normalerweise auch durch eine große Anzahl an Mehrwegekomponenten mit jeweils verschiedenen Pfadamplituden gekennzeichnet. Daher ist es schwierig, die zeitlich verteilte Energie effektiv zu erfassen. Außerdem ist in vielen Fällen der naheliegende Ansatz, ein kohärenter Empfänger im Sinne eines signalangepassten Filters oder eines Korrelators, nicht unbedingt die beste Wahl. In der vorliegenden Arbeit wird dabei auf die bestehende Problematik und weitere Lösungsmöglichkeiten eingegangen. Im ersten Abschnitt geht es um „Impulse Radio UWB”-Systeme mit niedriger Datenrate. Bei diesen Systemen kommt ein inkohärenter Empfänger zum Einsatz. Inkohärente Signaldetektion stellt insofern einen vielversprechenden Ansatz dar, als das damit aufwandsgünstige und robuste Implementierungen möglich sind. Dies trifft vor allem in Anwendungsfällen wie den von drahtlosen Sensornetzen zu, wo preiswerte Geräte mit langer Batterielaufzeit nötigsind. Dies verringert den für die Kanalschätzung und die Synchronisation nötigen Aufwand, was jedoch auf Kosten der Leistungseffizienz geht und eine erhöhte Störempfindlichkeit gegenüber Interferenz (z.B. Interferenz durch mehrere Nutzer oder schmalbandige Interferenz) zur Folge hat. Um die Bitfehlerrate der oben genannten Verfahren zu bestimmen, wurde zunächst ein inkohärenter Combining-Verlust spezifiziert, welcher auftritt im Gegensatz zu kohärenter Detektion mit Maximum Ratio Multipath Combining. Dieser Verlust hängt von dem Produkt aus der Länge des Integrationsfensters und der Signalbandbreite ab. Um den Verlust durch inkohärentes Combining zu reduzieren und somit die Leistungseffizienz des Empfängers zu steigern, werden verbesserte Combining-Methoden für Mehrwegeempfang vorgeschlagen. Ein analoger Empfänger, bei dem der Hauptteil des Mehrwege-Combinings durch einen „Integrate and Dump”-Filter implementiert ist, wird für UWB-Systeme mit Zeit-Hopping gezeigt. Dabei wurde die Einsatzmöglichkeit von dünn besetzten Codes in solchen System diskutiert und bewertet. Des Weiteren wird eine Regel für die Code-Auswahl vorgestellt, welche die Stabilität des Systems gegen Mehrnutzer-Störungen sicherstellt und gleichzeitig den Verlust durch inkohärentes Combining verringert. Danach liegt der Fokus auf digitalen Lösungen bei inkohärenter Demodulation. Im Vergleich zum Analogempfänger besitzt ein Digitalempfänger einen Analog-Digital-Wandler im Zeitbereich gefolgt von einem digitalen Optimalfilter. Der digitale Optimalfilter dekodiert den Mehrfachzugriffscode kohärent und beschränkt das inkohärente Combining auf die empfangenen Mehrwegekomponenten im Digitalbereich. Es kommt ein schneller Analog-Digital-Wandler mit geringer Auflösung zum Einsatz, um einen vertretbaren Energieverbrauch zu gewährleisten. Diese Digitaltechnik macht den Einsatz langer Analogverzögerungen bei differentieller Demodulation unnötig und ermöglicht viele Arten der digitalen Signalverarbeitung. Im Vergleich zur Analogtechnik reduziert sie nicht nur den inkohärenten Combining-Verlust, sonder zeigt auch eine stärkere Resistenz gegenüber Störungen. Dabei werden die Auswirkungen der Auflösung und der Abtastrate der Analog-Digital-Umsetzung analysiert. Die Resultate zeigen, dass die verminderte Effizienz solcher Analog-Digital-Wandler gering ausfällt. Weiterhin zeigt sich, dass im Falle starker Mehrnutzerinterferenz sogar eine Verbesserung der Ergebnisse zu beobachten ist. Die vorgeschlagenen Design-Regeln spezifizieren die Anwendung der Analog-Digital-Wandler und die Auswahl der Systemparameter in Abhängigkeit der verwendeten Mehrfachzugriffscodes und der Modulationsart. Wir zeigen, wie unter Anwendung erweiterter Modulationsverfahren die Leistungseffizienz verbessert werden kann und schlagen ein Verfahren zur Unterdrückung schmalbandiger Störer vor, welches auf Soft Limiting aufbaut. Durch die Untersuchungen und Ergebnissen zeigt sich, dass inkohärente Empfänger in UWB-Kommunikationssystemen mit niedriger Datenrate ein großes Potential aufweisen. Außerdem wird die Auswahl der benutzbaren Bandbreite untersucht, um einen Kompromiss zwischen inkohärentem Combining-Verlust und Stabilität gegenüber langsamen Schwund zu erreichen. Dadurch wurde ein neues Konzept für UWB-Systeme erarbeitet: wahlweise kohärente oder inkohärente Empfänger, welche als UWB-Systeme Frequenz-Hopping nutzen. Der wesentliche Vorteil hiervon liegt darin, dass die Bandbreite im Basisband sich deutlich verringert. Mithin ermöglicht dies einfach zu realisierende digitale Signalverarbeitungstechnik mit kostengünstigen Analog-Digital-Wandlern. Dies stellt eine neue Epoche in der Forschung im Bereich drahtloser Sensorfunknetze dar. Der Schwerpunkt des zweiten Abschnitts stellt adaptiven Signalverarbeitung für hohe Datenraten mit „Direct Sequence”-UWB-Systemen in den Vordergrund. In solchen Systemen entstehen, wegen der großen Anzahl der empfangenen Mehrwegekomponenten, starke Inter- bzw. Intrasymbolinterferenzen. Außerdem kann die Funktionalität des Systems durch Mehrnutzerinterferenz und Schmalbandstörungen deutlich beeinflusst werden. Um sie zu eliminieren, wird die „Widely Linear”-Rangreduzierung benutzt. Dabei verbessert die Rangreduzierungsmethode das Konvergenzverhalten, besonders wenn der gegebene Vektor eine sehr große Anzahl an Abtastwerten beinhaltet (in Folge hoher einer Abtastrate). Zusätzlich kann das System durch die Anwendung der R-linearen Verarbeitung die Statistik zweiter Ordnung des nicht-zirkularen Signals vollständig ausnutzen, was sich in verbesserten Schätzergebnissen widerspiegelt. Allgemeine kann die Methode der „Widely Linear”-Rangreduzierung auch in andern Bereichen angewendet werden, z.B. in „Direct Sequence”-Codemultiplexverfahren (DS-CDMA), im MIMO-Bereich, im Global System for Mobile Communications (GSM) und beim Beamforming.The aim of this thesis is to investigate key issues encountered in the design of transmission schemes and receiving techniques for Ultra Wideband (UWB) communication systems. Based on different data rate applications, this work is divided into two parts, where energy efficient and robust physical layer solutions are proposed, respectively. Due to a huge bandwidth of UWB signals, a considerable amount of multipath arrivals with various path gains is resolvable at the receiver. For low data rate impulse radio UWB systems, suboptimal non-coherent detection is a simple way to effectively capture the multipath energy. Feasible techniques that increase the power efficiency and the interference robustness of non-coherent detection need to be investigated. For high data rate direct sequence UWB systems, a large number of multipath arrivals results in severe inter-/intra-symbol interference. Additionally, the system performance may also be deteriorated by multi-user interference and narrowband interference. It is necessary to develop advanced signal processing techniques at the receiver to suppress these interferences. Part I of this thesis deals with the co-design of signaling schemes and receiver architectures in low data rate impulse radio UWB systems based on non-coherent detection.● We analyze the bit error rate performance of non-coherent detection and characterize a non-coherent combining loss, i.e., a performance penalty with respect to coherent detection with maximum ratio multipath combining. The thorough analysis of this loss is very helpful for the design of transmission schemes and receive techniques innon-coherent UWB communication systems.● We propose to use optical orthogonal codes in a time hopping impulse radio UWB system based on an analog non-coherent receiver. The “analog” means that the major part of the multipath combining is implemented by an integrate and dump filter. The introduced semi-analytical method can help us to easily select the time hopping codes to ensure the robustness against the multi-user interference and meanwhile to alleviate the non-coherent combining loss.● The main contribution of Part I is the proposal of applying fully digital solutions in non-coherent detection. The proposed digital non-coherent receiver is based on a time domain analog-to-digital converter, which has a high speed but a very low resolution to maintain a reasonable power consumption. Compared to its analog counterpart, itnot only significantly reduces the non-coherent combining loss but also offers a higher interference robustness. In particular, the one-bit receiver can effectively suppress strong multi-user interference and is thus advantageous in separating simultaneously operating piconets.The fully digital solutions overcome the difficulty of implementing long analog delay lines and make differential UWB detection possible. They also facilitate the development of various digital signal processing techniques such as multi-user detection and non-coherent multipath combining methods as well as the use of advanced modulationschemes (e.g., M-ary Walsh modulation).● Furthermore, we present a novel impulse radio UWB system based on frequency hopping, where both coherent and non-coherent receivers can be adopted. The key advantage is that the baseband bandwidth can be considerably reduced (e.g., lower than 500 MHz), which enables low-complexity implementation of the fully digital solutions. It opens up various research activities in the application field of wireless sensor networks. Part II of this thesis proposes adaptive widely linear reduced-rank techniques to suppress interferences for high data rate direct sequence UWB systems, where second-order non-circular signals are used. The reduced-rank techniques are designed to improve the convergence performance and the interference robustness especially when the received vector contains a large number of samples (due to a high sampling rate in UWB systems). The widely linear processing takes full advantage of the second-order statistics of the non-circular signals and enhances the estimation performance. The generic widely linear reduced-rank concept also has a great potential in the applications of other systems such as Direct Sequence Code Division Multiple Access (DS-CDMA), Multiple Input Multiple Output (MIMO) system, and Global System for Mobile Communications (GSM), or in other areas such as beamforming

On the benefits of phase shift keying to optical telecommunication systems

Les avantages de la modulation de phase vis-à-vis la modulation d’intensité pour les réseaux optiques sont claires et accepté par la communauté scientifique des télécommunications optiques. Surtout, la modulation de phase montre une meilleure sensibilité au bruit, ainsi qu’une plus grande tolérance aux effets non-linéaires que la modulation d’intensité. Nous présentons dans cette thése un étude qui vise à développer les avantages de la modulation de phase. Nous attaquons d’abord la complexité du récepteur en détection directe, en proposant une nouvelle configuration dont la complexité est comparable à celle du récepteur pour la modulation d’intensité traditionnel, mais avec des meilleures performances. Cette solution pourrait convenir pour les réseaux métropolitains (et même d’accès) à haut débit binaire. Nous passons ensuite à l’examen de la possibilité d’utiliser des amplificateur à semi-conducteur (SOA) au lieu des amplificateurs à fibre dopée à l’erbium pour fournir amplification optique aux signaux modulés en phase. Les non-linéarité des SOA sont étudiées, et un compensateur simple et très efficace est proposé. Les avantages des amplificateurs à semi-conducteur par rapport à ceux à fibre sont bien connus. Surtout, la méthode que nous proposons permettrait l’integrabilité des SOA avec d’autres composants de réseau (par exemple, le récepteur nommé cidessus), menant à des solutions technologiques de petite taille et efficaces d’un point de vue énergétique. Il y a deux types de systèmes pour signaux modulés en phase: basé sur la détection directe, ou sur les récepteurs cohérents. Dans le dernière partie de ce travail, nous nous concentrons sur cette dernière catégorie, et nous comparons deux solutions possibles pour la mise à niveau des réseaux terrestres actuel. Nous comparons deux configurations dont les performances sont très comparables en termes de sensibilité au bruit, mais nous montrons comment la meilleure tolérance aux effets non linéaires (en particuliers dans les systèmes à débit mixte) fait que une solution soit bien plus efficace que l’autre.The advantages of phase modulation (PM) vis-à-vis intensity modulation for optical networks are accepted by the optical telecommunication community. PM exhibits a higher noise sensitivity than intensity modulation, and it is more tolerant to the effects of fiber nonlinearity. In this thesis we examine the challenges and the benefits of working with different aspects of phase modulation. Our first contribution tackles the complexity of the direct detection noncoherent receiver for differentially encoded quadrature phase shift keying. We examine a novel configuration whose complexity is comparable to that of traditional receivers for intensity modulation, yet outperforming it. We show that under severe nonlinear impairments, our proposed receiver works almost as well as the conventional receiver, with the advantage of being much less complex. We also show that the proposed receiver is tolerant to chromatic dispersion, and to detuning of the carrier frequency. This solution might be suitable for high-bit rates metro (and even access) networks. Our second contribution deals with the challenges of using semiconductor optical amplifiers (SOAs) instead of typical erbium doped fiber amplifiers (EDFAs) to provide amplification to phase modulated signals. SOAs nonlinearities are investigated, and we propose a simple and very effective feed-forward compensator. Above all, the method we propose would permit the integrability of SOAs with other network components (for example, the aforementioned receiver) achieving small size, power efficient sub-systems. Phase modulation paves the way to high spectral efficiency, especially when paired with digital coherent receivers. With the digital coherent receiver, the degree of freedom offered by polarization can be exploited to increase the channel bit rate without increasing its spectral occupancy. In the last part of this work we focus on polarization multiplexed signaling paired with coherent reception and digital signal processing. Our third contribution provides insight on the strategies for upgrading current terrestrial core networks to high bit rates. This is a particularly challenging scenario, as phase modulation has to coexist with previously installed intensity modulated channels. We compare two configurations which have received much attention in the literature. These solutions show comparable performance in terms of back-to-back noise sensitivity, and yet are not equivalent. We show how the superior tolerance to nonlinear fiber propagation (and particularly to cross phase modulation induced by the presence of intensity modulated channels) makes one of them much more effective than the other

Integrated Optical-Wireless Interface and Detection

This chapter elaborates on the beneficial aspects and hardware implementations of incorporating ultradense WDM-PONs (UDWDM-PONs) with hybrid optical-wireless fronthaul links and fiber to the home applications. Simulation results on the synthesis of a low-cost and low-energy consumption optoelectronic unit within the future 5G base stations (BS) are presented. In addition, an advanced neural network is investigated capable of compensating for the linear and nonlinear effects induced by semiconductor optical amplifiers (SOA)