Hybrid DDS-PLL based reconfigurable oscillators with high spectral purity for cognitive radio

Analytical, design and simulation studies on the performance optimization of reconfigurable architecture of a Hybrid DDS – PLL are presented in this thesis. The original contributions of this thesis are aimed towards the DDS, the dithering (spur suppression) scheme and the PLL. A new design of Taylor series-based DDS that reduces the dynamic power and number of multipliers is a significant contribution of this thesis. This thesis compares dynamic power and SFDR achieved in the design of varieties of DDS such as Quartic, Cubic, Linear and LHSC. This thesis proposes two novel schemes namely “Hartley Image Suppression” and “Adaptive Sinusoidal Interference Cancellation” overcoming the low noise floor of traditional dithering schemes. The simulation studies on a Taylor series-based DDS reveal an improvement in SFDR from 74 dB to 114 dB by using Least Mean Squares -Sinusoidal Interference Canceller (LM-SIC) with the noise floor maintained at -200 dB. Analytical formulations have been developed for a second order PLL to relate the phase noise to settling time and Phase Margin (PM) as well as to relate jitter variance and PM. New expressions relating phase noise to PM and lock time to PM are derived. This thesis derives the analytical relationship between the roots of the characteristic equation of a third order PLL and its performance metrics like PM, Gardner’s stability factor, jitter variance, spur gain and ratio of noise power to carrier power. This thesis presents an analysis to relate spur gain and capacitance ratio of a third order PLL. This thesis presents an analytical relationship between the lock time and the roots of its characteristic equation of a third order PLL. Through Vieta’s circle and Vieta’s angle, the performance metrics of a third order PLL are related to the real roots of its characteristic equation

Subsampling receivers with applications to software defined radio systems

Este trabajo de tesis propone la utilización sistemas basados en submuestreo como una alternativa para la implementación de la etapa de down-conversion de los receptores de radio frecuencia (RF) empleados para aplicaciones multi-estándar y SDR (Software Defined Radio). El objetivo principal será el de optimizar el diseño en cuanto a flexibilidad y simplicidad, las cuales son propiedades inherentes en los sistemas basados en submuestreo. Por tanto, como reducir el número de componentes al mínimo es clave cuando un mismo receptor procesa diferentes estándares de comunicación, las arquitecturas basadas en submuestreo han sido seleccionadas, donde la reusabilidad de los componentes empleados es posible, así como la reducción de los costes totales de los receptores de comunicación y de los equipos de certificación que emplean estas arquitecturas. Un motivo adicional por el que los sistemas basados en submuestreo han sido seleccionados es el concerniente a la topología del receptor. Como la idea de la tecnología SDR es implementar todas las funcionalidades del receptor (filtrado, amplificación) en el dominio digital, el convertidores analógico-digital (ADC) deberá estar localizado en la cadena de recepción lo más cerca posible a la antena, siendo el objetivo final el convertir la señal directamente de RF a digital. Sin embargo, con los actuales ADC no es posible implementar esta idea debido al alto ancho de banda que necesitarían sin perder resolución para cubrir las especificaciones de los estándares de comunicaciones inalámbricas. Por tanto, los sistemas basados en submuestreo se presentan como la opción más adecuada para implementar este tipo de sistemas debido a que pueden muestrear la señal de entrada por debajo de la tasa de Nyquist, si se cumplen ciertas restricciones en cuanto a la elección de la frecuencia de muestreo. De este modo, los requerimientos del ADC serán relajados ya que, usando estas arquitecturas, este componente procesará la señal a frecuencias intermedias. Una vez se han introducido los conceptos principales de las técnicas de submuestreo, esta tesis doctoral presenta el diseño de una tarjeta de adquisición de datos basada en submuestreo con la finalidad de ser implementada como un receptor de test y certificación de banda ancha. El sistema propuesto proporciona una alta resolución para un elevado ancho de banda, a partir del uso de un S&H de bajo jitter y de un convertidor analógico digital ADC que trabaja a frecuencias intermedias. El sistema es implementado usando dispositivos comerciales en una placa de circuito impreso diseñada y fabricada, y cuya caracterización experimental muestra una resolución de más 8 bits para un ancho de banda analógico de 20 MHz. Concretamente, la resolución medida será mayor de 9 bits hasta una frecuencia de entrada de 2.9 GHz y mayor de 8 bits para una frecuencia de entrada de hasta 6.5 GHz, lo cual resulta suficiente para cubrir los requerimientos de la mayor parte de los actuales estándares de comunicaciones inalámbricas (GPS, GSM, GPRS, UMTS, Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX). Sin embargo, los receptores basados en submuestreo presentan algunos importantes inconvenientes, como son adicionales fuentes de ruido (jitter y plegado de ruido térmico) y una dificultad añadida para implementarlo en escenarios multi-banda y no lineales. Acerca del plegado de ruido en la banda de interés, esta tesis propone el uso de una técnica basada en una arquitectura de reloj múltiple con el objetivo de aumentar la resolución y cubrir un número mayor de estándares para su test y certificación. Empleando una frecuencia de muestreo mayor para el caso del S&H, se conseguirá reducir este efecto, aumentando la resolución en aproximadamente 0.5-1 bit respecto al caso de sólo usar una fuente de reloj. Las expresiones teóricas de esta mejora son desarrolladas y presentadas en esta tesis, siendo posteriormente corroboradas de modo experimental. Por otra parte, esta tesis también propone novedosas técnicas para la aplicación de estos sistemas de submuestreo en entornos multi-banda y no lineales, los cuales presentan desafíos adicionales por el hecho de existir la posibilidad de solapamiento entre la señal de interés y los otros canales de comunicación, así como de solapamiento con sus armónicos. De este modo, esta tesis extiende el uso de los sistemas basados en submuestreo para este tipo de entornos, proponiendo técnicas para la elección de la frecuencia óptima de muestreo que evitan el solapamiento entre señales, a la vez que consiguen incrementar la resolución del receptor. Finalmente, se presentará la optimización en cuanto a características de ruido de un receptor concreto para aplicaciones de banda dual en entornos no lineales. Dicho receptor estará basado en las técnicas de reloj múltiple presentadas anteriormente y en una estructura de multi-filtro entre el S&H y el ADC. El sistema diseñado podrá emplearse para diversas aplicaciones a ambos lados de la cadena de comunicación, tal como en receptores de detección de espectro para radio cognitiva, o implementando el bucle de realimentación de un transmisor para la linealización de amplificadores de potencia. Por tanto, la presente tesis doctoral cuenta con tres contribuciones diferenciadas. La primera de ellas es la dedicada al diseño de un prototipo de recepción multi-estándar basado en submuestreo para aplicaciones de test y certificación. La segunda aportación es la dedicada a la optimización de las especificaciones de ruido a partir de las técnicas presentadas basadas en reloj múltiple. Por último, la tercera contribución principal es la relacionada con la extensión de este tipo de técnicas a sistemas multi-banda en entornos no lineales. Todas estas contribuciones han sido estudiadas teóricamente y experimentalmente validadas

Phase readout for satellite interferometry

[no abstract

Circuit techniques for low-voltage and high-speed A/D converters

The increasing digitalization in all spheres of electronics applications, from telecommunications systems to consumer electronics appliances, requires analog-to-digital converters (ADCs) with a higher sampling rate, higher resolution, and lower power consumption. The evolution of integrated circuit technologies partially helps in meeting these requirements by providing faster devices and allowing for the realization of more complex functions in a given silicon area, but simultaneously it brings new challenges, the most important of which is the decreasing supply voltage. Based on the switched capacitor (SC) technique, the pipelined architecture has most successfully exploited the features of CMOS technology in realizing high-speed high-resolution ADCs. An analysis of the effects of the supply voltage and technology scaling on SC circuits is carried out, and it shows that benefits can be expected at least for the next few technology generations. The operational amplifier is a central building block in SC circuits, and thus a comparison of the topologies and their low voltage capabilities is presented. It is well-known that the SC technique in its standard form is not suitable for very low supply voltages, mainly because of insufficient switch control voltage. Two low-voltage modifications are investigated: switch bootstrapping and the switched opamp (SO) technique. Improved circuit structures are proposed for both. Two ADC prototypes using the SO technique are presented, while bootstrapped switches are utilized in three other prototypes. An integral part of an ADC is the front-end sample-and-hold (S/H) circuit. At high signal frequencies its linearity is predominantly determined by the switches utilized. A review of S/H architectures is presented, and switch linearization by means of bootstrapping is studied and applied to two of the prototypes. Another important parameter is sampling clock jitter, which is analyzed and then minimized with carefully-designed clock generation and buffering. The throughput of ADCs can be increased by using parallelism. This is demonstrated on the circuit level with the double-sampling technique, which is applied to S/H circuits and a pipelined ADC. An analysis of nonidealities in double-sampling is presented. At the system level parallelism is utilized in a time-interleaved ADC. The mismatch of parallel signal paths produces errors, for the elimination of which a timing skew insensitive sampling circuit and a digital offset calibration are developed. A total of seven prototypes are presented: two double-sampled S/H circuits, a time-interleaved ADC, an IF-sampling self-calibrated pipelined ADC, a current steering DAC with a deglitcher, and two pipelined ADCs employing the SO technique.reviewe

Analysis and Design of a Sub-THz Ultra-Wideband Phased-Array Transmitter

This thesis investigates circuits and systems for broadband high datarate transmitter systems in the millimeter-wave (mm-wave) spectrum. During the course of this dissertation, the design process and characterization of a power efficient and wideband binary phase-shift keying (BPSK) transmitter integrated circuit (IC) with local oscillator (LO) frequency multiplication and 360° phase control for beam steering is studied. All required circuit blocks are designed based on the theoretical analysis of the underlying principles, optimized, fabricated and characterized in the research laboratory targeting low power consumption, high efficiency and broadband operation. The phase-controlled push-push (PCPP) architecture enabling frequency multiplication by four in a single stage is analytically studied and characterized finding an optimum between output power and second harmonic suppression depending on the input amplitude. A PCPP based LO chain is designed. A circuit is fabricated establishing the feasibility of this architecture for operation at more than 200 GHz. Building on this, a second circuit is designed, which produces among the highest saturated output powers at 2 dBm. At less than 100 mW of direct current (DC) power consumption, this results in a power-added efficiency (PAE) of 1.6 % improving the state of the art by almost 30 %. Phase-delayed and time-delayed approaches to beam steering are analyzed, identifying and discussing design challenges like area consumption, signal attenuation and beam squint. A 60 GHz active vector-sum phase-shifter with high gain of 11.3 dB and output power of 5 dBm, improving the PAE of the state of the art by a factor of 30 achieving 6.29 %, is designed. The high gain is possible due to an optimization of the orthogonal signal creation stage enabled by studying and comparing different architectures leading to a trade off of lower signal attenuation for higher area consumption in the chosen electromagnetic coupler. By combining this with a frequency quadrupler, a phase steering enabled LO chain for operation at 220 GHz is created and characterized, confirming the preceding analysis of the phase-frequency relation during multiplication. It achieves a power gain of 21 dB, outperforming comparable designs by 25 dB. This allows the combination of phase control, frequency multiplication and pre-amplification. The radio frequency (RF) efficiency is increased 40-fold to 0.99 %, with a total power consumption of 105 mW. Motivated by the distorting effect of beam squint in phase-delayed broadband array systems, a novel analog hybrid beam steering architecture is devised, combining phase-delayed and time-delayed steering with the goal of reducing the beam squint of phase-delayed systems and large area consumption of time-delayed circuits. An analytical design procedure is presented leading to the research finding of a beam squint reduction potential of more than 83 % in an ideal system. Here, the increase in area consumption is outweighed by the reduction in beam squint. An IC with a low power consumption of 4.3 mW has been fabricated and characterized featuring the first time delay circuit operating at above 200 GHz. By producing most of the beam direction by means of time delay the beam squinting can be reduced by more than 75 % in measurements while the subsequent phase shifter ensures continuous beam direction control. Together, the required silicon area can be reduced to 43 % compared to timedelayed systems in the same frequency range. Based on studies of the optimum signal feeding and input matching of a Gilbert cell, an ultra-wideband, low-power mixer was designed. A bandwidth of more than 100 GHz was achieved exceeding the state of the art by 23 %. With a conversion gain of –13 dB, this enables datarates of more than 100 Gbps in BPSK operation. The findings are consolidated in an integrated transmitter operating around 246 GHz doubling the highest published measured datarates of transmitters with LO chain and power amplifier in BPSK operation to 56 Gbps. The resulting transmitter efficiency of 7.4 pJ/bit improves the state of the art by 70 % and 50 % over BPSK and quadrature phaseshift keying (QPSK) systems, respectively. Together, the results of this work form the basis for low-power and efficient next-generation wireless applications operating at many times the datarates available today.:Abstract 3 Zusammenfassung 5 List of Symbols 11 List of Acronyms 17 Prior Publications 19 1. Introduction 21 1.1. Motivation........................... 21 1.2. Objective of this Thesis ................... 25 1.3. Structure of this Thesis ................... 27 2. Overview of Employed Technologies and Techniques 29 2.1. IntegratedCircuitTechnology................ 29 2.2. Transmission Lines and Passive Structures . . . . . . . . 35 2.3. DigitalModulation ...................... 41 3. Frequency Quadrupler 45 3.1. Theoretical Analysis of Frequency Multiplication Circuits 45 3.2. Phase-Controlled Push-Push Principle for Frequency Quadrupling.......................... 49 3.3. Stand-alone Phase-Controlled Push-Push Quadrupler . 60 3.4. Phase-Controlled Push-Push Quadrupler based LO-chain with High Output Power ............... 72 9 4. Array Systems and Dynamic Beam Steering 91 4.1. Theoretical Analysis of BeamSteering. . . . . . . . . . . 95 4.2. Local Oscillator Phase Shifting with Vector-Modulator PhaseShifters......................... 107 4.3. Hybrid True-Time and Phase-Delayed Beam Steering . 131 5. Ultra-Wide Band Modulator for BPSK Operation 155 6. Broadband BPSK Transmitter System for Datarates up to 56 Gbps 167 6.1. System Architecture ..................... 168 6.2. Measurement Technique and Results . . . . . . . . . . . 171 6.3. Summary and performance comparison . . . . . . . . . 185 7. Conclusion and Outlook 189 A. Appendix 195 Bibliography 199 List of Figures 227 Note of Thanks 239 Curriculum Vitae 241Diese Dissertation untersucht Schaltungen und Systeme für breitbandige Transmittersysteme mit hoher Datenrate im Millimeterwellen (mm-wave) Spektrum. Im Rahmen dieser Arbeit werden der Entwurfsprozess und die Charakterisierung eines leistungseffizienten und breitbandigen integrierten Senders basierend auf binärer Phasenumtastung (BPSK) mit Frequenzvervielfachung des Lokaloszillatorsignals und 360°-Phasenkontrolle zur Strahlsteuerung untersucht. Alle erforderlichen Schaltungsblöcke werden auf Grundlage von theoretischen Analysen der zugrundeliegenden Prinzipien entworfen, optimiert, hergestellt und im Forschungslabor charakterisiert, mit den Zielen einer niedrigen Leistungsaufnahme, eines hohen Wirkungsgrades und einer möglichst großen Bandbreite. Die phasengesteuerte Push-Push (PCPP)-Architektur, welche eine Frequenzvervierfachung in einer einzigen Stufe ermöglicht, wird analytisch untersucht und charakterisiert. Dabei wird ein Optimum zwischen Ausgangsleistung und Unterdrückung der zweiten Harmonischen des Eingangssignals in Abhängigkeit von der Eingangsamplitude gefunden. Es wird eine LO-Kette auf PCPP-Basis entworfen. Eine Schaltung wird präsentiert, die die Machbarkeit dieser Architektur für den Betrieb bei mehr als 200 GHz nachweist. Darauf aufbauend wird eine zweite Schaltung entworfen, die mit 2 dBm eine der höchsten publizierten gesättigten Ausgangsleistungen erzeugt. Mit einer Leistungsaufnahme von weniger als 100mW ergibt sich ein Leistungswirkungsgrad (PAE) von 1.6 %, was den Stand der Technik um fast 30 % verbessert. Es werden phasenverzögerte und zeitverzögerte Ansätze zur Steuerung der Strahlrichtung analysiert, wobei Entwicklungsherausforderungen wie Flächenverbrauch, Signaldämpfung und Strahlschielen identifiziert und diskutiert werden. Ein aktiver Vektorsummen-Phasenschieber mit hoher Verstärkung von 11.3 dB und einer Ausgangsleistung von 5 dBm, der mit einer PAE von 6.29 % den Stand der Technik um den Faktor 30 verbessert, wird entworfen. Die hohe Verstärkung ist zum Teil auf eine Optimierung der orthogonalen Signalerzeugungsstufe zurückzuführen, die durch die Untersuchung und den Vergleich verschiedener Architekturen ermöglicht wird. Bei der Entscheidung für einen elektromagnetischen Koppler rechtfertigt die geringere Signaldämpfung einen höheren Flächenverbrauch. Durch die Kombination mit einem Frequenzvervierfacher wird eine LO-Kette mit Phasensteuerung für den Betrieb bei 220 GHz geschaffen und charakterisiert, was die vorangegangene Analyse der Phasen-FrequenzBeziehung während der Multiplikation bestätigt. Sie erreicht einen Leistungsgewinn von 21 dB und übertrifft damit vergleichbare Designs um 25dB. Dies ermöglicht die Kombination von Phasensteuerung, Frequenzvervielfachung und Vorverstärkung. Der HochfrequenzWirkungsgrad wird um das 40-fache auf 0.99 % bei einer Gesamtleistungsaufnahme von 105 mW gesteigert. Motiviert durch den verzerrenden Effekt des Strahlenschielens in phasengesteuerten Breitbandarraysystemen, wird eine neuartige analoge hybride Strahlsteuerungsarchitektur untersucht, die phasenverzögerte und zeitverzögerte Steuerung kombiniert. Damit wird sowohl das Strahlenschielen phasenverzögerter Systeme als auch der große Flächenverbrauch zeitverzögerter Schaltungen reduziert. Es wird ein analytisches Entwurfsverfahren vorgestellt, das zu dem Forschungsergebnis führt, dass in einem idealen System ein Potenzial zur Reduktion des Strahlenschielens von mehr als 83 % besteht. Dabei wird die Zunahme des Flächenverbrauchs durch die Verringerung des Strahlenschielens aufgewogen. Es wird ein IC mit einer geringen Leistungsaufnahme von 4.3mW hergestellt und charakterisiert. Dabei wird die erste Zeitverzögerungsschaltung entworfen, die bei über 200 GHz arbeitet. Durch die Erzeugung eines Großteils der Strahlrichtung mittels Zeitverzögerung kann das Schielen des Strahls bei Messungen um mehr als 75% reduziert werden, während der nachfolgende Phasenschieber eine kontinuierliche Steuerung der Strahlrichtung gewährleistet. Insgesamt kann die benötigte Siliziumfläche im Vergleich zu zeitverzögerten Systemen im gleichen Frequenzbereich auf 43 % reduziert werden. Auf der Grundlage von Studien zur optimalen Signaleinspeisung und Eingangsanpassung einer Gilbert-Zelle wird ein Ultrabreitband-Mischer mit geringem Stromverbrauch entworfen. Dieser erreicht eine Ausgangsbandbreite von mehr als 100 GHz, die den Stand der Technik um 23% übertrifft. Bei einer Wandlungsverstärkung von –13dB ermöglicht dies Datenraten von mehr als 100 Gbps im BPSK-Betrieb. Die Erkenntnisse werden in einem integrierten, breitbandigen Sender konsolidiert, der um 246 GHz arbeitet und die höchsten veröffentlichten gemessenen Datenraten für Sender mit LO-Signalkette und Leistungsverstärker im BPSK-Betrieb auf 56 Gbps verdoppelt. Die daraus resultierende Transmitter-Effizienz von 7.4 pJ/bit verbessert den Stand der Technik um 70 % bzw. 50 % gegenüber BPSKund Quadratur Phasenumtastung (QPSK)-Systemen. Zusammen bilden die Ergebnisse dieser Arbeit die Grundlage für stromsparende, effiziente, mobile Funkanwendungen der nächsten Generation mit einem Vielfachen der heute verfügbaren Datenraten.:Abstract 3 Zusammenfassung 5 List of Symbols 11 List of Acronyms 17 Prior Publications 19 1. Introduction 21 1.1. Motivation........................... 21 1.2. Objective of this Thesis ................... 25 1.3. Structure of this Thesis ................... 27 2. Overview of Employed Technologies and Techniques 29 2.1. IntegratedCircuitTechnology................ 29 2.2. Transmission Lines and Passive Structures . . . . . . . . 35 2.3. DigitalModulation ...................... 41 3. Frequency Quadrupler 45 3.1. Theoretical Analysis of Frequency Multiplication Circuits 45 3.2. Phase-Controlled Push-Push Principle for Frequency Quadrupling.......................... 49 3.3. Stand-alone Phase-Controlled Push-Push Quadrupler . 60 3.4. Phase-Controlled Push-Push Quadrupler based LO-chain with High Output Power ............... 72 9 4. Array Systems and Dynamic Beam Steering 91 4.1. Theoretical Analysis of BeamSteering. . . . . . . . . . . 95 4.2. Local Oscillator Phase Shifting with Vector-Modulator PhaseShifters......................... 107 4.3. Hybrid True-Time and Phase-Delayed Beam Steering . 131 5. Ultra-Wide Band Modulator for BPSK Operation 155 6. Broadband BPSK Transmitter System for Datarates up to 56 Gbps 167 6.1. System Architecture ..................... 168 6.2. Measurement Technique and Results . . . . . . . . . . . 171 6.3. Summary and performance comparison . . . . . . . . . 185 7. Conclusion and Outlook 189 A. Appendix 195 Bibliography 199 List of Figures 227 Note of Thanks 239 Curriculum Vitae 24

Proceedings of the Second International Mobile Satellite Conference (IMSC 1990)

Presented here are the proceedings of the Second International Mobile Satellite Conference (IMSC), held June 17-20, 1990 in Ottawa, Canada. Topics covered include future mobile satellite communications concepts, aeronautical applications, modulation and coding, propagation and experimental systems, mobile terminal equipment, network architecture and control, regulatory and policy considerations, vehicle antennas, and speech compression

Optical Microwave Signal Generation for Data Transmission in Optical Networks

The massive growth of telecommunication services and the increasing global data traffic boost the development, implementation, and integration of different networks for data transmission. An example of this development is the optical fiber networks, responsible today for the inter-continental connection through long-distance links and high transfer rates. The optical networks, as well as the networks supported by other transmission media, use electrical signals at specific frequencies for the synchronization of the network elements. The quality of these signals is usually determined in terms of phase noise. Due to the major impact of the phase noise over the system performance, its value should be minimized. The research work presented in this document describes the design and implementation of an optoelectronic system for the microwave signal generation using a vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) and its integration into an optical data transmission system. Considering that the proposed system incorporates a directly modulated VCSEL, a theoretical and experimental characterization was developed based on the laser rate equations, dynamic and static measurements, and an equivalent electrical model of the active region. This procedure made possible the extraction of some VCSEL intrinsic parameters, as well as the validation and simulation of the VCSEL performance under specific modulation conditions. The VCSEL emits in C-band, this wavelength was selected because it is used in long-haul links. The proposed system is a self-initiated oscillation system caused by internal noise sources, which includes a VCSEL modulated in large signal to generate optical pulses (gain switching). The optical pulses, and the optical frequency comb associated, generate in electrical domain simultaneously a fundamental frequency (determined by a band-pass filter) and several harmonics. The phase noise measured at 10 kHz from the carrier at 1.25 GHz was -127.8 dBc/Hz, and it is the lowest value reported in the literature for this frequency and architecture. Both the jitter and optical pulse width were determined when different resonant cavities and polarization currents were employed. The lowest pulse duration was 85 ps and was achieved when the fundamental frequency was 2.5 GHz. As for the optical frequency comb, it was demonstrated that its flatness depends on the electrical modulation conditions. The flattest profiles are obtained when the fundamental frequency is higher than the VCSEL relaxation frequency. Both the electrical and the optical output of the system were integrated into an optical transmitter. The electrical signal provides the synchronization of the data generating equipment, whereas the optical pulses are employed as an optical carrier. Data transmissions at 155.52 Mb/s, 622.08 Mb/s and 1.25 Gb/s were experimentally validated. It was demonstrated that the fundamental frequency and harmonics could be extracted from the optical data signal transmitted by a band-pass filter. It was also experimentally proved that the pulsed return-to-zero (RZ) transmitter at 1.25 Gb/s, achieves bit error rates (BER) lower than $10^{-9}$ when the optical power at the receiver is higher than -33 dBm.La masificación de los servicios de telecomunicaciones y el creciente tráfico global de datos han impulsado el desarrollo, despliegue e integración de diferentes redes para la transmisión de datos. Un ejemplo de este despliegue son las redes de fibra óptica, responsables en la actualidad de la interconexión de los continentes a través de enlaces de grandes longitudes y altas tasas de transferencia. Las redes ópticas, al igual que las redes soportadas por otros medios de transmisión, utilizan señales eléctricas a frecuencias específicas para la sincronización de los elementos de red. La calidad de estas señales es determinante en el desempeño general del sistema, razón por la que su ruido de fase debe ser lo más pequeño posible. El trabajo de investigación presentado en este documento describe el diseño e implementación de un sistema optoelectrónico para la generación de señales microondas utilizando diodos láser de cavidad vertical (VCSEL) y su integración en un sistema de transmisión de datos óptico. Teniendo en cuenta que el sistema propuesto incorpora un láser VCSEL modulado directamente, se desarrolló una caracterización teórico-experimental basada en las ecuaciones de evolución del láser, mediciones dinámicas y estáticas, y un modelo eléctrico equivalente de la región activa. Este procedimiento posibilitó la extracción de algunos parámetros intrínsecos del VCSEL, al igual que la validación y simulación de su desempeño bajo diferentes condiciones de modulación. El VCSEL utilizado emite en banda C y fue seleccionado considerando que esta banda es comúnmente utilizada en enlaces de largo alcance. El sistema propuesto consiste en un lazo cerrado que inicia la oscilación gracias a las fuentes de ruido de los componentes y modula el VCSEL en gran señal para generar pulsos ópticos (conmutación de ganancia). Estos pulsos ópticos, que en el dominio de la frecuencia corresponden a un peine de frecuencia óptico, son detectados para generar simultáneamente una frecuencia fundamental (determinada por un filtro pasa banda) y varios armónicos. El ruido de fase medido a 10 kHz de la portadora a 1.25 GHz fue -127.8 dBc/Hz, y es el valor más bajo reportado en la literatura para esta frecuencia y arquitectura. Tanto la fluctuación de fase (jitter) y el ancho de los pulsos ópticos fueron determinados cuando diferentes cavidades resonantes y corrientes de polarización fueron empleadas. La duración de pulso más baja fue 85 ps y se obtuvo cuando la frecuencia fundamental del sistema era 2.5 GHz. En cuanto al peine de frecuencia óptico, se demostró que su planitud (flatness) depende de las condiciones eléctricas de modulación y que los perfiles más planos se obtienen cuando la frecuencia fundamental es superior a la frecuencia de relajación del VCSEL. Tanto la salida eléctrica como la salida óptica del sistema fueron integradas en un transmisor óptico. La señal eléctrica permite la sincronización de los equipos encargados de generar los datos, mientras que los pulsos ópticos son utilizados como portadora óptica. La transmisión de datos a 155.52 Mb/s, 622.08 Mb/s y 1.25 Gb/s fue validada experimentalmente. Se demostró que la frecuencia fundamental y los armónicos pueden ser extraídos de la señal óptica de datos transmitida mediante un filtro pasa banda. También se comprobó experimentalmente que el transmisor de datos pulsados con retorno a cero (RZ) a 1.25 Gb/s, logra tasas de error de bit (BER) menores a 10-9 cuando la potencia óptica en el receptor es mayor a -33 dBm.Gobernación de NariñoBPIN 2013000100092Doctorad

Pathlength calibration of integrating sphere based gas cells

Integrating sphere based multipass cells, unlike typical multipass cells, have an optically rough reflective surface, which produces multiple diffuse reflections of varying lengths. This has significant advantages, including negating scattering effects in turbid samples, removing periodicity of waves (often the cause of etalon fringes), and simple cell alignment. However, the achievable pathlength is heavily dependent on the sphere wall reflectivity. This presents a challenge for ongoing in-situ measurements as potential sphere wall contamination will cause a reduction in mean reflectivity and thus a deviation from the calibrated pathlength. With this in mind, two techniques for pathlength calibration of an integrating sphere were investigated. In both techniques contamination was simulated by creating low reflectivity tabs e.g. ≈5x7mm, that could be introduced into the sphere (and removed) in a repeatable manner. For the first technique, a four beam configuration, adapted from a turbidity method used in the water industry, was created using a 5cm diameter sphere with an effective pathlength of 1m. Detection of methane gas was carried out at 1650nm. A mathematical model was derived that corrected for pathlength change due to sphere wall contamination in situ, thus enabling gas measurements to continue to be made. For example, for a concentration of 1500ppm of methane where 1.2% of the sphere wall was contaminated with a low reflectivity material, the absorption measurement error was reduced from 41% to 2% when the model was used. However some scenarios introduced errors into the correction, including contamination of the cell windows which introduced errors of, for example, up to 70% if the particulate contamination size was on the order of millimetres. The second technique used high frequency intensity modulation with phase detection to achieve pathlength calibration. Two types of modulation were tested i.e. sinusoidal modulation and pulsed modulation. The technique was implemented using an integrated circuit board which allowed for generation of modulation signals up to 150MHz with synchronous signal processing. Pathlength calibration was achieved by comparison of iii the phase shift for a known length with the measured phase shift for the integrating sphere with unknown pathlength over a range of frequencies. The results for both modulation schemes showed that, over the range of frequencies detected, 3-48MHz, the resultant phase shift varied as an arctangent function for an integrating sphere. This differed from traditional single passes where frequency and phase have a linear relationship

Aerial Vehicles

This book contains 35 chapters written by experts in developing techniques for making aerial vehicles more intelligent, more reliable, more flexible in use, and safer in operation.It will also serve as an inspiration for further improvement of the design and application of aeral vehicles. The advanced techniques and research described here may also be applicable to other high-tech areas such as robotics, avionics, vetronics, and space