Coherent Optical OFDM Modem Employing Artificial Neural Networks for Dispersion and Nonlinearity Compensation in a Long-Haul Transmission System

In order to satisfy the ever increasing demand for the bandwidth requirement in broadband services the optical orthogonal frequency division multiplexing (OOFDM) scheme is being considered as a promising technique for future high-capacity optical networks. The aim of this thesis is to investigate, theoretically, the feasibility of implementing the coherent optical OFDM (CO-OOFDM) technique in long haul transmission networks. For CO-OOFDM and Fast-OFDM systems a set of modulation formats dependent analogue to digital converter (ADC) clipping ratio and the quantization bit have been identified, moreover, CO-OOFDM is more resilient to the chromatic dispersion (CD) when compared to the bandwidth efficient Fast-OFDM scheme. For CO-OOFDM systems numerical simulations are undertaken to investigate the effect of the number of sub-carriers, the cyclic prefix (CP), and ADC associated parameters such as the sampling speed, the clipping ratio, and the quantisation bit on the system performance over single mode fibre (SMF) links for data rates up to 80 Gb/s. The use of a large number of sub-carriers is more effective in combating the fibre CD compared to employing a long CP. Moreover, in the presence of fibre non-linearities identifying the optimum number of sub-carriers is a crucial factor in determining the modem performance. For a range of signal data rates up to 40 Gb/s, a set of data rate and transmission distance-dependent optimum ADC parameters are identified in this work. These parameters give rise to a negligible clipping and quantisation noise, moreover, ADC sampling speed can increase the dispersion tolerance while transmitting over SMF links. In addition, simulation results show that the use of adaptive modulation schemes improves the spectrum usage efficiency, thus resulting in higher tolerance to the CD when compared to the case where identical modulation formats are adopted across all sub-carriers. For a given transmission distance utilizing an artificial neural networks (ANN) equalizer improves the system bit error rate (BER) performance by a factor of 50% and 70%, respectively when considering SMF firstly CD and secondly nonlinear effects with CD. Moreover, for a fixed BER of 10-3 utilizing ANN increases the transmission distance by 1.87 times and 2 times, respectively while considering SMF CD and nonlinear effects. The proposed ANN equalizer performs more efficiently in combating SMF non-linearities than the previously published Kerr nonlinearity electrical compensation technique by a factor of 7

Stacked Modulation Formats Enabling Highest-Sensitivity Optical Free-Space Communications

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit hochempfindlichen optischen Kommunikationssystemen, wie sie z.B. bei Intersatellitenlinks verwendet werden. Theoretische Überlegungen zur Steigerung der Empfängerempfindlichkeit werden mit Simulations- und Messergebnissen ergänzt und verifiziert. Auf Grund der steigenden Nachfrage nach optischen Links zwischen Satelliten stellt sich die Frage, was sind geeignete Eckparameter, um ein solches System zu beschreiben. Die gigantischen Datenmengen, die von diversen Messgeräten, wie z.B. hochauflösende Kameras auf einem Satelliten generiert werden, bringen die Kapazitäten klassischer HF-Datenlinks an ihre Grenzen. Hier können optische Kommunikationssysteme auf Grund ihrer hohen Trägerfrequenz im Infrarotbereich sehr hohe Datenraten im Terabit/s Bereich ermöglichen. Systeme mit Radiowellen im GHz Bereich als Trägerfrequenz sind hier deutlich limitierter. [7] Linkdistanz, verfügbare Leistung, Pointinggenauigkeit und verfügbare Antennengröße sind einige Parameter, die einen wichtigen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Systems haben. Je größer die Distanz und desto kleiner die verfügbare Antennengröße sowohl am Sender als auch am Empfänger sind, desto weniger Signalleistung wird den Detektor erreichen. Nimmt man dann noch ungenaues Pointing hinzu, d.h. Sender und Empfänger sind nicht exakt aufeinander ausgerichtet, treten zusätzliche Verluste auf. [7] Ziel dieser Arbeit ist es, ein vereinfachtes System zu implementieren und zu testen, das mit möglichst wenigen Photonen pro Bit bei einer gegebenen Bitfehlerwahrscheinlichkeit bei einer möglichst hohen Datenrate arbeiten kann. Hierfür werden alle Freiheitsgrade einer optischen Welle zur Modulation verwendet, um mit sog. „Stapeln“ von Modulationsformaten eine Empfindlichkeitssteigerung zu erreichen. Die Amplitude des Signals wird durch Pulspositionsmodulation (PPM) moduliert, wobei das zeitlich variable Vorhandensein eines Pulses innerhalb des Symbols die Information enthält. Dieses Modulationsformat weist bis dato die höchste Empfindlichkeit in Literatur und Experimenten auf [4]. Je mehr Möglichkeiten es gibt, einen Puls in einem Symbol zu platzieren, desto höher ist die zu erwartende Empfindlichkeit des Systems. Mit anderen Worten: Steigert man die zeitliche Dauer eines PPM-Symbols, so wächst ebenfalls die Empfängerempfindlichkeit. Da bei diesem Ansatz die Datenrate sinkt, wird in dieser Arbeit eine andere Methode vorgestellt, die Empfindlichkeit eines Übertragungssystems zu steigern, ohne die Symbollänge unnötig in die Länge zu ziehen. Diese Arbeit befasst sich mit dem Stapeln (sog. „Stacking“) von Modulationsformaten, in dem neben der Amplitudenmodulation weitere Freiheitsgrade, wie die Frequenz, Phase und Polarisation geschickt genutzt werden. Bei der Frequenzumtastung (FSK) wird die optische Frequenz je nach Symbol um ein gewisses Maß verschoben. Bei der polarisations-geschalteten Quadratur-Phasenumtastung (PS-QPSK) werden sowohl die Phase, als auch die Polarisation der optischen Welle moduliert [12]. Als Endergebnis erhält man PPM-FSK-PS-QPSK als Modulationsformat mit hoher Empfindlichkeit. Gegenüber dem reinen PPM wird eine theoretische Empfindlichkeitssteigerung von mehr als 1 dB erreicht. Sowohl Simulations- als auch Messergebnisse bestätigen den Empfindlichkeitsgewinn

The Deep Space Network: A Radio Communications Instrument for Deep Space Exploration

The primary purpose of the Deep Space Network (DSN) is to serve as a communications instrument for deep space exploration, providing communications between the spacecraft and the ground facilities. The uplink communications channel provides instructions or commands to the spacecraft. The downlink communications channel provides command verification and spacecraft engineering and science instrument payload data

A Study of Synchronization Techniques for Optical Communication Systems

The study of synchronization techniques and related topics in the design of high data rate, deep space, optical communication systems was reported. Data cover: (1) effects of timing errors in narrow pulsed digital optical systems, (2) accuracy of microwave timing systems operating in low powered optical systems, (3) development of improved tracking systems for the optical channel and determination of their tracking performance, (4) development of usable photodetector mathematical models for application to analysis and performance design in communication receivers, and (5) study application of multi-level block encoding to optical transmission of digital data

Advanced adaptive compensation system for free-space optical communications

Massive amounts of information are created daily in commercial fields like earth observation, that must be downloaded to earth ground stations in the short time of a satellite pass. Today, much of the collected information must be dropped due to lack of bandwidth, and laser downlinks can offer tenths of gigabits throughput solving this bottleneck limitation. In a down-link scenario, the performance of laser satellite communications is limited due to atmospheric turbulence, which causes fluctuations in the intensity and the phase of the received signal leading to an increase in bit error probability. In principle, a single-aperture phase-compensated receiver, based on adaptive optics, can overcome atmospheric limitations by adaptive tracking and correction of atmospherically induced aberrations. However, under strong-turbulence situations, the effectiveness of traditional adaptive optics systems is severely compromised. In such scenarios, sensor-less techniques offer robustness, hardware simplicity, and easiness of implementation and integration at a reduced cost, but the state-of-the-art approaches still require too many iterations to perform the correction, exceeding the temporal coherence of the field and thus falling behind the field evolution. This thesis proposes a new iterative AO technique for strong turbulence compensation that reduces the correction time, bridging the limitation of similar systems in lasercom applications. It is based on the standard sensor-less system design, but it additionally uses a short-exposure focal intensity image to accelerate the correction. The technique combines basic principles of Fourier optics, image processing, and quadratic signal optimization to correct the wave-front. This novel approach directly updates the phases of the most intense focal-plane speckles, maximizing the power coupled into a single-mode fiber convexly. Numerical analyses show that this method has a robust and excellent performance under very strong turbulence. Laboratory results confirm that a focal speckle pattern can be used to accelerate the iterative compensation. This technique delivers nearly twofold bandwidth reduction compared with standard methods, and sufficient signal gain and stability to allow high throughput data transmission with nearly error-free performance in emulated satellite downlink scenarios. A property highlight is the in-advance knowledge of the required number of iterations, allowing on-demand management of the loop bandwidth in different turbulent regimes. Besides remaining conceptually and technically simple, it opens a new insight to iterative solutions that may lead to the development of new methods. With further refinement, this technique can surely contribute to making possible the use of iterative solutions in laser communicationsSatélites de observación de la tierra diariamente generan gigantescas cantidades de datos que deben ser enviados a estaciones terrenas. La mayoría de la información recolectada debe desecharse debido al reducido tiempo visible de un satélite en movimiento y el limitado ancho de banda de transmisión. Enlaces ópticos pueden solucionar esta limitación ofreciendo multi-gigabit de ancho de banda. Sin embargo, el desempeño de un downlink laser está limitado por la turbulencia atmosférica, la cual induce variaciones en la intensidad y la fase de la señal recibida incrementando la probabilidad de error en los datos recibidos. En principio, un receptor basado en una apertura simple utilizando óptica adaptativa puede corregir las aberraciones de fase inducidas por la atmósfera, mejorando el canal de transmisión. Sin embargo, la eficiencia de los sistemas de óptica adaptativa tradicionales se ve seriamente reducida en situaciones de turbulencia fuerte. En tales escenarios, técnicas iterativas ofrecen mayor robustez, simplicidad de diseño e implementación, así como también facilidad de integración a un costo reducido. Desafortunadamente, dicha tecnología aún requiere demasiadas iteraciones para corregir la fase distorsionada, excediendo el tiempo de coherencia del frente de onda. Esta tesis propone una nueva técnica iterativa de óptica adaptativa capaz de reducir el tiempo de convergencia en escenarios de turbulencia fuerte. La técnica utiliza el diseño tradicional de los sistemas de corrección iterativos, agregando el uso de una imagen focal de intensidad para acelerar el proceso de corrección del campo distorsionado. En dicha técnica se combinan principios básicos de óptica de Fourier, procesamiento de imagen, y optimización cuadrática de la señal para corregir el frente de onda. De esta forma, la fase de los puntos focales de mayor intensidad (speckles) puede modificarse directamente y con ello maximizar de forma convexa la potencia acoplada en fibra. Los análisis numéricos demuestran robustez y un excelente desempeño en escenarios de turbulencia fuerte. Los resultados de laboratorio confirman que el moteado de intensidad puede utilizarse para acelerar la corrección iterativa. Esta técnica utiliza la mitad del ancho de banda requerido con la técnica tradicional, al mismo tiempo que ofrece suficiente ganancia y estabilidad de la señal para lograr enlaces ópticos con muy baja probabilidad de error. Al mismo tiempo, la técnica propuesta permite conocer con anticipación el número total de iteraciones y posibilita la administración bajo demanda del ancho de banda requerido en diferentes escenarios de turbulencia. Esta tesis ofrece una mirada diferente a los métodos iterativos, posibilitando el desarrollo de nuevos conceptos y contribuyendo al uso de soluciones iterativas en comunicaciones laser por espacio libre.Postprint (published version

Machine Learning in Digital Signal Processing for Optical Transmission Systems

The future demand for digital information will exceed the capabilities of current optical communication systems, which are approaching their limits due to component and fiber intrinsic non-linear effects. Machine learning methods are promising to find new ways of leverage the available resources and to explore new solutions. Although, some of the machine learning methods such as adaptive non-linear filtering and probabilistic modeling are not novel in the field of telecommunication, enhanced powerful architecture designs together with increasing computing power make it possible to tackle more complex problems today. The methods presented in this work apply machine learning on optical communication systems with two main contributions. First, an unsupervised learning algorithm with embedded additive white Gaussian noise (AWGN) channel and appropriate power constraint is trained end-to-end, learning a geometric constellation shape for lowest bit-error rates over amplified and unamplified links. Second, supervised machine learning methods, especially deep neural networks with and without internal cyclical connections, are investigated to combat linear and non-linear inter-symbol interference (ISI) as well as colored noise effects introduced by the components and the fiber. On high-bandwidth coherent optical transmission setups their performances and complexities are experimentally evaluated and benchmarked against conventional digital signal processing (DSP) approaches. This thesis shows how machine learning can be applied to optical communication systems. In particular, it is demonstrated that machine learning is a viable designing and DSP tool to increase the capabilities of optical communication systems

Διάδοση Σήματος στις Επίγειες Οπτικές Ασύρματες Ζεύξεις με Πολυπλεξία και Τεχνικές Διαφορικής Λήψης

Οι ασύρματες οπτικές επικοινωνίες ελευθέρου χώρου (Free-Space Optical, FSO) έχουν κερδίσει σημαντικό εμπορικό και ερευνητικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια ως αποτέλεσμα των διαφόρων πλεονεκτικών χαρακτηριστικών τους. Είναι σε θέση να ανταποκριθούν στις σημαντικά αυξανόμενες ανάγκες μεταφοράς τεράστιου όγκου πληροφοριακών δεδομένων στα υφιστάμενα και μελλοντικά τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Τα συστήματα FSO λειτουργούν στη ζώνη συχνοτήτων μεταξύ 300 GHz - 430 THz η οποία δεν απαιτεί ειδικές άδειες για τη χρήση της, προσφέροντας ένα σημαντικό οικονομικό πλεονέκτημα σε σύγκριση με τα αντίστοιχα συστήματα ραδιοσυχνοτήτων (RF). Τα FSO συστήματα δεν επηρεάζονται από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές και παρουσιάζουν υψηλό επίπεδο ασφάλειας λόγω των στενών οπτικών δεσμών laser. Επίσης, θεωρούνται φιλικές προς το περιβάλλον λόγω της χαμηλής κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας κατά τη λειτουργία τους. Σε αντίθεση με τα ευεργετικά χαρακτηριστικά τους, οι επίγειες οπτικές ασύρματες ζεύξεις είναι ευάλωτες στις ατμοσφαιρικές επιδράσεις. Το φαινόμενο της ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής (atmospheric turbulence) είναι ένας από τους σημαντικότερους επιβλαβείς παράγοντες κατά τη διάδοση του οπτικού ηλεκτρομαγνητικού κύματος διαμέσου της ατμόσφαιρας. Η ατμοσφαιρική τυρβώδης ροή δημιουργείται ως αποτέλεσμα των ανομοιογενειών στον δείκτη διάθλασης μεταξύ των αέριων μαζών στην ατμόσφαιρα, οδηγώντας σε διακυμάνσεις της λαμβανόμενης έντασης και φάσης και τελικώς σε απώλεια ισχύος στην πλευρά του δέκτη. Λόγω των ραγδαίων διακυμάνσεων που προκαλούνται στο λαμβανόμενο οπτικό σήμα, η επίδραση της ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής μελετάται μέσω στατιστικών μοντέλων για την συνάρτηση της πυκνότητας πιθανότητας της λαμβανόμενης οπτικής έντασης, φαινόμενο γνωστό και ως σπινθηρισμός. Τα συστήματα FSO συνήθως εγκαθίστανται στις στέγες υψηλών κτιρίων ή σε μεγάλα υψόμετρα πάνω από το έδαφος. Έτσι, αυτά τα συστήματα είναι ευάλωτα σε ριπές ανέμου, σε πιθανή ταλάντευση των κτιρίων π.χ. λόγω μικρών σεισμών και σε θερμικές συστολές και διαστολές. Κατά αυτό το τρόπο, μπορούν να προκληθούν επιπρόσθετες διακυμάνσεις στο οπτικό σήμα. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό στην τεχνική βιβλιογραφία ως σφάλματα σκόπευσης (pointing errors) και μελετάται με κατάλληλα στατιστικά μοντέλα σε σύνδεση με το φαινόμενο της ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής. Αξίζει να σημειωθεί ότι στην πλειονότητα των περιπτώσεων χρησιμοποιείται ένα προσεγγιστικό μοντέλο της κατανομής του Beckmann, η οποία λαμβάνει υπόψη την πιθανή σταθερή μη μηδενική απόκλιση του κέντρου της οπτικής δέσμης από το κέντρο του δέκτη και διαφορετικές τυπικές αποκλίσεις για την ακτινική μετατόπιση στους κατακόρυφους άξονες στο επίπεδο του δέκτη. Εκτός από τα προαναφερθέντα στατιστικά φαινόμενα, οι FSO ζεύξεις υποφέρουν από διάφορες προκαθοριστικές επιπτώσεις, όπως ο θόρυβος περιβάλλοντος, απώλειες οπτικής ισχύος λόγω διαφόρων ατμοσφαιρικών συστατικών (σωματιδίων, μορίων) και από ποικίλες καιρικές συνθήκες όπως ομίχλη, βροχή, χαλάζι κλπ., και απώλειες διάδοσης ελευθέρου χώρου. Όλα τα μαθηματικά μοντέλα που περιγράφουν την επίδραση αυτών των φαινομένων, με πολύ υψηλή ακρίβεια, περιλαμβάνονται στη διατριβή και ο αντίκτυπός τους μελετάται στην τελική αξιολόγηση των επιδόσεων των ασύρματων οπτικών ζεύξεων. Οι τεχνικές διαφορικής λήψης έχουν αποδειχθεί πολύ αποτελεσματικές στην καταπολέμηση διαλείψεων και εξασθενίσεων στα RF τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Στην παρούσα διατριβή μελετάται η εφαρμογή διαφορικής λήψης στα FSO συστήματα. Συγκεκριμένα, διερευνάται η διαφορική λήψη στο δέκτη μαζί με τη βέλτιστη περίπτωση χρήσης του συνδυαστή μέγιστης αναλογίας (MRC). Η διαφορική λήψη δεκτών μελετάται για ένα FSO σύστημα μονής εισόδου πολλαπλής εξόδου (SIMO) με χρήση τεχνικών ψηφιακής διαμόρφωσης. Μελετώνται οι πιο συχνά εφαρμοζόμενες τεχνικές ψηφιακής διαμόρφωσης στα συστήματα οπτικών επικοινωνιών, όπως η κωδικοποίηση on-off (OOK), η διαμόρφωση πλάτους παλμού (PAM ) και η διαμόρφωση θέσης παλμού (PPM). Η απόδοση της SIMO FSO ζεύξης με διαφορική λήψη εκτιμάται με βάση την μέτρηση του μέσου ρυθμού σφάλματος δυαδικών ψηφίων (average BER), υπό την επίδραση της ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής που μοντελοποιείται είτε μέσω της Gamma-Gamma (GG) κατανομής είτε μέσω της εκθετικής κατανομής (NE). Ο ρυθμός σφάλματος μπλοκ πληροφορίας (BLER) αποτελεί μια βασική μετρική απόδοσης για κάθε τηλεπικοινωνιακή ζεύξη που λειτουργεί σε σχετικά υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης. Είναι μια μετρική που έχει ερευνηθεί κυρίως στις RF επικοινωνίες. Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής, διερευνάται η μέση απόδοση BLER ενός OOK FSO συστήματος σε συνθήκες ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής που μοντελοποιείται μέσω των κατανομών GG και NE με σφάλματα σκόπευσης μη-μηδενικής απόκλισης. Η τεχνική αναλογικής διαμόρφωσης έντασης (AIM) έχει διερευνηθεί εκτενώς στις επικοινωνίες οπτικών ινών μέσω των πεδίων της μικροκυματικής φωτονικής (MWP) και των ραδιοσυχνοτήτων μέσω οπτικών ινών (RoF). Ωστόσο, η εφαρμογή της στις ασύρματες οπτικές συνδέσεις βρίσκεται ακόμη σε πρώιμο στάδιο. Σε αυτή τη διατριβή διεξάγεται εκτενής έρευνα για την εφαρμογή των τεχνικών AIM στις FSO ζεύξεις και ειδικότερα στη τεχνική μεταφοράς RF σήματος μέσω των FSO συστημάτων, μια τεχνική γνωστή ως Radio-over-FSO (RoFSO). Έτσι, οι συνδέσεις RoFSO εξετάζονται για τη μετάδοση σημάτων με πολυπλεξία όπως OFDM και CDMA σε κανάλια ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής με σφάλματα σκόπευσης. Αξίζει να σημειωθεί ότι για την περίπτωση της CDMA RoFSO μετάδοσης, η απόδοση ενός τέτοιου συστήματος διερευνάται για πρώτη φορά στις κατευθύνσεις της εμπρόσθιας και της αντίστροφης ζεύξης σε συνθήκες τυρβώδους ροής που μοντελοποιούνται από το ενοποιητικό μοντέλο της M(alaga) κατανομής. Μια από τις πιο ελπιδοφόρες λύσεις, προκειμένου να βελτιωθεί η απόδοση, να ξεπεραστούν οι επιβλαβείς ατμοσφαιρικές επιπτώσεις και να επεκταθεί τελικά η απόσταση κάλυψης των FSO συστημάτων, είναι η χρήση αρχιτεκτονικών αναμετάδοσης. Εξετάζεται η εφαρμογή αρχιτεκτονικής πολλαπλών αλμάτων με σειριακούς κόμβους αποκωδικοποίησης και προώθησης (DF) για ένα σύστημα OFDM RoFSO. Οι συγκεκριμένοι DF κόμβοι δρουν ως αναγεννητές για το σήμα πληροφορίας και έτσι επιτυγχάνεται μια βέλτιστη απόδοση. Η βελτίωση της απόδοσης για το σύστημα πολλαπλών αλμάτων αξιολογείται μέσω του μέσου ρυθμού σφάλματος δυαδικών ψηφίων και της εκτίμησης της πιθανότητας διακοπής. Τέλος, μελετάται η διαφορική λήψη δεκτών για OFDM και CDMA RoFSO ζεύξεις, όπου οι συγκεκριμένες χωρικά ποικιλόμορφες ζεύξεις χρησιμοποιούν πολλαπλές πηγές laser. Σε αυτό το σύστημα διαφορικής λήψης, κάθε μία από τις πηγές laser συνδέεται με ένα συγκεκριμένο δέκτη, μέσω της χρήσης πολύ στενών οπτικών δεσμών. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν αποκαλύπτουν την αποτελεσματικότητα αυτής της διαμόρφωσης καθιστώντας αυτά τα συστήματα RoFSO με διαφορική λήψη δεκτών πολύ αξιόπιστα ακόμη και στις πιο δυσμενείς συνθήκες λειτουργίας τους υπό ισχυρή επίδραση της ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής, των σφαλμάτων σκόπευσης και μη γραμμικών φαινομένων που σχετίζονται με τα συστήματα RoFSO.Free-Space Optical (FSO) communication systems have been gaining significant commercial and research interest in the last few years as a result of their various advantageous features. They are capable of meeting the fast-paced growing needs for transferring huge amounts of data in the existing and future telecommunications networks. FSO systems operate in the unlicensed band of frequencies between 300 GHz – 430 THz, offering a significant economic advantage compared to their radio frequency (RF) counterparts. They are immune to electromagnetic interference and exhibit high-security level due to their narrow optical laser beams. Also, they are considered as environmental-friendly due to their low electrical energy consumption. Unlike their beneficial characteristics, the terrestrial FSO links are vulnerable to atmospheric effects. The atmospheric turbulence phenomenon is one of the main degradation factors for the electromagnetic optical-wave propagation in the atmospheric medium. Atmospheric turbulence arises as a result of inhomogeneities in the refractive index between air masses in the atmosphere, leading to intensity and phase fluctuations and eventually to amplitude loss on the receiver side. Due to the rapid fluctuations induced to the optical signal, the atmospheric turbulence effect is studied in a statistical manner through probability density functions for the characterization of irradiance fluctuations or the commonly referred to as scintillations. FSO systems are usually installed at the rooftops of tall buildings or at high altitudes above the ground. Thus, these systems are susceptible to gusts of wind, potential sway of the buildings e.g. due to small earthquakes and thermal contraction and expansion. In a similar vein, additional irradiance fluctuations can be provoked to the optical signal. This phenomenon is well-known in the technical literature as pointing errors and is studied statistically in conjunction with the atmospheric turbulence effect. It is worth noting that an approximation of the Beckmann’s distribution model is employed in most cases, which takes account of the potential fixed non-zero deviation of the optical beam centre from the receiver centre and different standard deviations for the radial displacement for the vertical axes at the receiver. Apart from the foregoing statistical phenomena, FSO links suffer from various deterministic effects such as background noise, optical power losses due to various atmospheric constituents and weather conditions such as fog, haze, rain, hail etc and free-space loss. All the mathematical models that describe the behavior of the aforementioned effects, with very high accuracy, are included in the thesis and their impact is studied to the final performance evaluation of the wireless optical links. Spatial diversity techniques have been proved very effective in combating fading in RF wireless communication systems. In the present thesis, the application of spatial diversity to the FSO systems is studied. Specifically, the spatial diversity of the receivers is investigated along with the optimum case of using the maximum ratio combiner (MRC). The spatial diversity of the receivers is studied for a single-input multiple-output (SIMO) FSO link employing some of the most widely used modulation schemes in optical communications, such as on-off keying (OOK), pulse amplitude modulation (PAM) and pulse position modulation (PPM). The performance of the link is assessed in terms of the average bit error rate (BER) metric estimation, under the influence of the atmospheric turbulence effect modeled either by the gamma-gamma (GG) or the negative exponential (NE) distribution with pointing errors. The block error rate (BLER) constitutes an essential performance measure for every communication link operating at relatively high throughput conditions. It’s a metric which has been investigated mostly in RF communications. In the context of the current thesis, the average BLER performance of an OOK FSO link is investigated over atmospheric turbulent conditions modeled by the GG and NE distributions with non-zero boresight pointing errors. Analogue intensity modulation (AIM) technique has been extensively researched in optical fibre communications through the fields of microwave photonics (MWP) and radio over fibre (RoF). However, its application to the wireless optical links is at an immature stage. In this thesis, extensive research is conducted for the application of AIM techniques to the FSO links and especially of the RF signal transport scheme over FSO links, a technique known as Radio-over-FSO (RoFSO). Thus, RoFSO links are examined for transmission of OFDM and CDMA RF signals over atmospheric turbulence channels with pointing errors. It is worth mentioning that for the case of the CDMA RoFSO link, the performance is investigated for the first time for both directions of the forward and the reverse link over atmospheric turbulent conditions modeled by the M(alaga) distribution. One of the most promising solutions, in order to enhance the performance, overcome the harmful atmospheric effects and eventually extend the distance coverage of FSO systems, is the use of relay architectures. The application of multi-hop architecture with serial decode-and-forward (DF) relay nodes to an OFDM RoFSO system is investigated. The specific DF relay nodes act as regenerators for the information signal and thus an optimum performance is achieved. The performance improvement for the multi-hop system is evaluated through the average bit error rate and the outage probability estimation. Finally, the spatial diversity of the receivers is studied for OFDM and CDMA RoFSO links, where the specific spatially diverse links employ multiple laser sources. In this scheme, each one of the laser sources is linked to a specific receiver, through the use of very narrow optical beams. The derived results reveal the effectiveness of this configuration, rendering the links very reliable even in the most adverse operating conditions under the strong influence of the atmospheric turbulence and the pointing errors and the enhanced impact of the nonlinear distortion effects related to the RoFSO systems