A photonic ultra-wideband pulse generator based on relaxation oscillations of a semiconductor laser

A photonic ultra-wideband (UWB) pulse generator based on relaxation oscillations of a semiconductor laser is proposed and experimentally demonstrated. We numerically simulate the modulation response of a direct modulation laser (DML) and show that due to the relaxation oscillations of the laser, the generated signals with complex shape in time domain match the Federal Communications Commission (FCC) mask in the frequency domain. Experimental results using a DML agree well with simulation predictions. Furthermore, we also experimentally demonstrate the generation of FCC compliant UWB signals by externally injecting a distributed feedback (DFB) laser

Ultra-wideband systems exploiting orthonormal waveforms

textElectrical and Computer Engineerin

Investigation of variety of non-coherent front end detectors for timing estimation

La localización en interiores de usuarios móviles es actualmente un tema central para muchas aplicaciones y campos, incluidas las redes de sensores, gestión de activos, asistencia sanitaria y localización de personal de seguridad pública. Las soluciones existentes se basan a menudo en la fusión de la información de múltiples sensores. La posibilidad de utilizar un sistema de banda ultra ancha (UWB) para la medición inalámbrica de distancias basada en el tiempo de ida y vuelta (RTT) se ha investigado en este proyecto final de carrera. Los receptores UWB no coherentes se han analizado utilizando dos enfoques diferentes: la detección de la amplitud y la detección de la energía. Para el análisis, se desarrolla un estudio teórico y también se han realizado diversas simulaciones. Además, ambos receptores UWB no coherentes han sido diseñados e implementados. Por otra parte, un método ha sido propuesto para permitir la reconstrucción de un pulso UWB a partir del submuestreo de una ráfaga de pulsos UWB y tratar de aproximar el rendimiento óptimo del receptor UWB ideal. Las simulaciones producen resultados interesantes en cuanto al rendimiento de la estimación de RTT. Ambas técnicas de detección se comparan, describiendo las ventajas y desventajas de cada uno

Approximation of L\"owdin Orthogonalization to a Spectrally Efficient Orthogonal Overlapping PPM Design for UWB Impulse Radio

In this paper we consider the design of spectrally efficient time-limited pulses for ultrawideband (UWB) systems using an overlapping pulse position modulation scheme. For this we investigate an orthogonalization method, which was developed in 1950 by Per-Olov L\"owdin. Our objective is to obtain a set of N orthogonal (L\"owdin) pulses, which remain time-limited and spectrally efficient for UWB systems, from a set of N equidistant translates of a time-limited optimal spectral designed UWB pulse. We derive an approximate L\"owdin orthogonalization (ALO) by using circulant approximations for the Gram matrix to obtain a practical filter implementation. We show that the centered ALO and L\"owdin pulses converge pointwise to the same Nyquist pulse as N tends to infinity. The set of translates of the Nyquist pulse forms an orthonormal basis or the shift-invariant space generated by the initial spectral optimal pulse. The ALO transform provides a closed-form approximation of the L\"owdin transform, which can be implemented in an analog fashion without the need of analog to digital conversions. Furthermore, we investigate the interplay between the optimization and the orthogonalization procedure by using methods from the theory of shift-invariant spaces. Finally we develop a connection between our results and wavelet and frame theory.Comment: 33 pages, 11 figures. Accepted for publication 9 Sep 201

Ultra-wideband indoor communications using optical technology

La communication ultra large bande (UWB) a attiré une énorme quantité de recherches ces dernières années, surtout après la présentation du masque spectral de US Federal Communications Commission (FCC). Les impulsions ultra-courtes permettent de très hauts débits de faible puissance tout en éliminant les interférences avec les systèmes existants à bande étroite. La faible puissance, cependant, limite la portée de propagation des radios UWB à quelques mètres pour la transmission sans fil à l’intérieur d’une pièce. En outre, des signaux UWB reçu sont étendus dans le temps en raison de la propagation par trajet multiple qui résulte en beaucoup d’interférence inter-symbole (ISI) à haut débit. Le monocycle Gaussien, l’impulsion la plus commune dans UWB, a une mauvaise couverture sous le masque de la FCC. Dans cette thèse, nous démontrons des transmet- teurs qui sont capables de générer des impulsions UWB avec une efficacité de puissance élevée. Une impulsion efficace résulte dans un rapport de signal à bruit (SNR) supérieur au récepteur en utilisant plus de la puissance disponible sous le masque spectral de la FCC. On produit les impulsions dans le domaine optique et utilise la fibre optique pour les transporter sur plusieurs kilomètres pour la distribution dans un réseau optique pas- sif. La fibre optique est très fiable pour le transport des signaux radio avec une faible consommation de puissance. On utilise les éléments simples comme un modulateur Mach-Zehnder ou un résonateur en anneau pour générer des impulsions, ce qui permet l’intégration dans le silicium. Compatible avec la technologie CMOS, la photonique sur silicium a un potentiel énorme pour abaisser le coût et l’encombrement des systèmes optiques. La photodétection convertit les impulsions optiques en impulsions électriques avant la transmission sur l’antenne du côté de l’utilisateur. La réponse fréquentielle de l’antenne déforme la forme d’onde de l’impulsion UWB. Nous proposons une technique d’optimisation non-linéaire qui prend en compte la distorsion d’antenne pour trouver des impulsions qui maximisent la puissance transmise, en respectant le masque spectral de la FCC. Nous travaillons avec trois antennes et concevons une impulsion unique pour chacune d’entre elle. L’amélioration de l’énergie des impulsions UWB améliore directement la SNR au récepteur. Les résultats de simulation montrent que les impulsions optimisées améliorent considérablement le taux d’erreur (BER) par rapport au monocycle Gaussien sous propagation par trajet multiple. Notre autre contribution est l’évaluation d’un filtre adapté pour recevoir efficacement des impulsions UWB. Le filtre adapté est synthétisé et fabriqué en technologie microstrip, en collaboration avec l’Université McGill comme un dispositif de bande interdite électromagnétique. La réponse fréquentielle du filtre adapté montre une ex- cellente concordance avec le spectre ciblé de l’impulsion UWB. Les mesures de BER confirment la performance supérieure du filtre adapté par rapport à un récepteur à conversion directe. Le canal UWB est très riche en trajet multiple conduisant à l’ISI à haut débit. Notre dernière contribution est l’étude de performance des récepteurs en simulant un système avec des conditions de canaux réalistes. Les résultats de la simulation montrent que la performance d’un tel système se dégrade de façon significative pour les hauts débits. Afin de compenser la forte ISI dans les taux de transfert de données en Gb/s, nous étudions l’algorithme de Viterbi (VA) avec un nombre limité d’états et un égaliseur DFE (decision feedback equalizer). Nous examinons le nombre d’états requis dans le VA, et le nombre de coefficients du filtre dans le DFE pour une transmission fiable de UWB en Gb/s dans les canaux en ligne de vue. L’évaluation par simulation de BER confirme que l’égalisation améliore considérablement les performances par rapport à la détection de symbole. La DFE a une meilleure performance par rapport à la VA en utilisant une complexité comparable. La DFE peut couvrir une plus grande mémoire de canal avec un niveau de complexité relativement réduit.Ultra-wideband (UWB) communication has attracted an enormous amount of research in recent years, especially after the introduction of the US Federal Communications Commission (FCC) spectral mask. Ultra-short pulses allow for very high bit-rates while low power eliminates interference with existing narrowband systems. Low power, however, limits the propagation range of UWB radios to a few meters for indoors wireless transmission. Furthermore, received UWB signals are spread in time because of multipath propagation which results in high intersymbol interference at high data rates. Gaussian monocycle, the most commonly employed UWB pulse, has poor coverage under the FCC mask. In this thesis we demonstrate transmitters capable of generating UWB pulses with high power efficiency at Gb/s bit-rates. An efficient pulse results in higher signal-to-noise ratio (SNR) at the receiver by utilizing most of the available power under the FCC spectral mask. We generate the pulses in the optical domain and use optical fiber to transport the pulses over several kilometers for distribution in a passive optical network. Optical fiber is very reliable for transporting radio signals with low power consumption. We use simple elements such as a Mach Zehnder modulator or a ring resonator for pulse shaping, allowing for integration in silicon. Being compatible with CMOS technology, silicon photonics has huge potential for lowering the cost and bulkiness of optical systems. Photodetection converts the pulses to the electrical domain before antenna transmission at the user side. The frequency response of UWB antennas distorts the UWB waveforms. We pro- pose a nonlinear optimization technique which takes into account antenna distortion to find pulses that maximize the transmitted power, while respecting the FCC spectral mask. We consider three antennas and design a unique pulse for each. The energy improvement in UWB pulses directly improves the receiver SNR. Simulation results show that optimized pulses have a significant bit error rate (BER) performance improvement compared to the Gaussian monocycle under multipath propagation. Our other contribution is evaluating a matched filter to receive efficiently designed UWB pulses. The matched filter is synthesized and fabricated in microstrip technology in collaboration with McGill University as an electromagnetic bandgap device. The frequency response of the matched filter shows close agreement with the target UWB pulse spectrum. BER measurements confirm superior performance of the matched filter compared to a direct conversion receiver. The UWB channel is very rich in multipath leading to ISI at high bit rates. Our last contribution is investigating the performance of receivers by simulating a system employing realistic channel conditions. Simulation results show that the performance of such system degrades significantly for high data rates. To compensate the severe ISI at gigabit rates, we investigate the Viterbi algorithm (VA) with a limited number of states and the decision feedback equalizer (DFE). We examine the required number of states in the VA, and the number of taps in the DFE for reliable Gb/s UWB trans- mission for line-of-sight channels. Non-line-of-sight channels were also investigated at lower speeds. BER simulations confirm that equalization considerably improves the performance compared to symbol detection. The DFE results in better performance compared to the VA when using comparable complexity as the DFE can cover greater channel memory with a relatively low complexity level

UWB Signal Generation and Modulation Based on Photonic Approaches

Demands for efficient and reliable wireless communications between computers, mobile phones, and other portable electronic devices in short distances are increasing very fast. Ultra-wideband impulse radio is one of the promising techniques, which has gained much research interests in recent years. It covers a wide scope of applications in short-reach wireless communications. Conventionally, the low-bandwidth electronics can process the UWB signals very well. More recently, microwave photonics has enabled a new paradigm for developing UWB techniques in photonic domain. The photonic approaches offer much higher bandwidth and seamless compatibility with optical fiber networks, which allow for scaling the UWB technology to more advanced application scenarios. This chapter is included because photonic approaches have become a unique and effective technique in microwave signal processing. We do not attempt to offer a comprehensive review of UWB photonics, but rather to introduce the typical photonic solutions for UWB signal generation, modulation, transmission, down conversion, and so on

Novel generation and transmission of 2 Gbps impulse radio ultra wideband over MMF for in-building networks application

We propose novel generation technique of IR-UWB pulse by linearly combining two monocycles using different pulse shapes. We experimentally demonstrate DSP based BER measurement of 2 Gbps IR-UWB over multimode fiber for in-building networks application.</p