Transmissores-recetores de baixa complexidade para redes óticas

Traditional coherent (COH) transceivers allow encoding of information in both quadratures and the two orthogonal polarizations of the electric field. Nevertheless, such transceivers used today are based on the intradyne scheme, which requires two 90o optical hybrids and four pairs of balanced photodetectors for dual-polarization transmission systems, making its overall cost unattractive for short-reach applications. Therefore, SSB methods with DD reception, commonly referred to as self-coherent (SCOH) transceivers, can be employed as a cost-effective alternative to the traditional COH transceivers. Nevertheless, the performance of SSB systems is severely degraded. This work provides a novel SCOH transceiver architecture with improved performance for short-reach applications. In particular, the development of phase reconstruction digital signal processing (DSP) techniques, the development of other DSP subsystems that relax the hardware requirement, and their performance optimization are the main highlights of this research. The fundamental principle of the proposed transceiver is based on the reception of the signal that satisfies the minimum phase condition upon DD. To reconstruct the missing phase information imposed by DD, a novel DCValue method exploring the SSB and the DC-Value properties of the minimum phase signal is developed in this Ph.D. study. The DC-Value method facilitates the phase reconstruction process at the Nyquist sampling rate and requires a low intensity pilot signal. Also, the experimental validation of the DC-Value method was successfully carried out for short-reach optical networks. Additionally, an extensive study was performed on the DC-Value method to optimize the system performance. In the optimization process, it was found that the estimation of the CCF is an important parameter to exploit all advantages of the DC-Value method. A novel CCF estimation technique was proposed. Further, the performance of the DC-Value method is optimized employing the rate-adaptive probabilistic constellation shaping.Os sistemas de transcetores coerentes tradicionais permitem a codificação de informação em ambas quadraturas e em duas polarizações ortogonais do campo elétrico. Contudo, estes transcetores utilizados atualmente são baseados num esquema intradino, que requer dois híbridos óticos de 90o e quatro pares de foto detetores para sistemas de transmissão com polarização dupla, fazendo com que o custo destes sistemas seja pouco atrativo para aplicações de curto alcance. Por isso, métodos de banda lateral única com deteção direta, também referidos como transcetores coerentes simplificados, podem ser implementados como uma alternativa de baixo custo aos sistemas coerentes tradicionais. Contudo, o desempenho de sistemas de banda lateral única tradicionais é gravemente degradado pelo batimento sinal-sinal. Nesta tese foi desenvolvida uma nova arquitetura de transcetor coerente simplificada com um melhor desempenho para aplicações de curto alcance. Em particular, o desenvolvimento de técnicas de processamento digital de sinal para a reconstrução de fase, bem como de outros subsistemas de processamento digital de sinal que minimizem os requerimentos de hardware e a sua otimização de desempenho são o foco principal desta tese. O princípio fundamental do transcetor proposto é baseado na receção de um sinal que satisfaz a condição mínima de fase na deteção direta. Para reconstruir a informação de fase em falta causada pela deteção direta, um novo método de valor DC que explora sinais de banda lateral única e as propriedades DC da condição de fase mínima é desenvolvido nesta tese. O método de valor DC facilita a reconstrução da fase à frequência de amostragem de Nyquist e requer um sinal piloto de baixa intensidade. Além disso, a validação experimental do método de valor DC foi executada com sucesso em ligações óticas de curto alcance. Adicionalmente, foi realizado um estudo intensivo do método de valor DC para otimizar o desempenho do sistema. Neste processo de otimização, verificou-se que o fator de contribuição da portadora é um parâmetro importante para explorar todas as vantagens do método de valor DC. Neste contexto, é proposto um novo método para a sua estimativa. Por último, o desempenho do método de valor DC é otimizado recorrendo a mapeamento probabilístico de constelação com taxa adaptativa.Programa Doutoral em Engenharia Eletrotécnic

Single-carrier frequency domain equalization using subband decomposition for optical wireless communications

Optical wireless communication is intended to be applied into indoor and visual distance high-rate data transmission, which is complementary to radio frequency communications. There are specific problems and requirements in optical wireless communications compared with radio frequency communications. Single-carrier frequency domain equalization (SCFDE) is a transmission scheme which has been considered as an alternative of orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM), because it has most of the advantages of OFDM and avoids the problems of OFDM. Subband decomposition is a multi-resolution signal analysis and synthesis method, using quadrature mirror filter (QMF) bank to convert time-domain signal to frequency-domain subbands. As a time-to-frequency transform, subband decomposition technique can be employed to frequency domain equalization. Compared with the commonly used discrete Fourier transform (DFT), subband transform is more flexible and efficient to compensate the fading of frequency-selective channels. This thesis includes the theories of SCFDE, subband decomposition, subband equalization, and optical wireless transmission scheme. Also, simulations are given to demonstrate the processing of signals and the implementation of equalizers. The results show that the transmitted signal can be effectively equalized to compensate the channel fading, and the transmission scheme is appropriate for optical wireless communications

Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexed communication systems: analysis, design and optimization

En este trabajo se realiza una intensiva labor teórica de descripción de sistemas de comunicaciones ópticas que utilizan la técnica de multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM en inglés), más concretamente en sistemas con modulación directa de la intensidad de un láser y detección directa. Se parte pues de un modelo analítico que estudia con detalle todos aquellos fenómenos que afectan a la señal de información detectada en el receptor. Tales fenómenos son: la nolinealidad del láser, las modulaciones de intensidad y de fase ópticas, la propagación a través de la fibra óptica teniendo en cuenta la dispersión cromática de primer orden, y la detección de intensidad óptica final mediante un detector de ley cuadrática. El modelo analítico es validado mediante comparaciones con resultados obtenidos a través de simulaciones con software comercial. Dada la característica singularidad de las señales OFDM debidas a su naturaleza multi-portadora, la amplitud de la señal generada es aleatoria, y el modelo analítico es complementado con un estudio que contempla el recorte o "clipping" en el transmisor. Además, se tiene en cuenta los efectos de filtrado de la señal a lo largo de sistema de comunicaciones. Con el trabajo analítico realizado se está en disposición de realizar una descripción bastante completa de los principales fenómenos y realizar estudios para evaluar el funcionamiento final ante diferentes valores de los parámetros del sistema. Es bien sabido que los sistemas de comunicaciones ópticas con modulación y detección directa se ven perjudicados por la distorsión no lineal, que para señales multi-portadora como OFDM se traduce en la mezcla de los símbolos de información que transportan las diferentes subportadoras. Para mitigar la distorsión no lineal y así mejorar el funcionamiento del sistema, se propone el uso de una técnica de pre-distorsión que se basa en el modelo analítico previamente propuesto. Esta técnica mejora la eficiencia de modulación, haciendo posible incrementar el término de la señal de información sin que se vea incrementada la distorsión no lineal en el receptor. La técnica aquí propuesta se compara también con otra ya publicada con el objetivo de evaluar su funcionamiento. Otra técnica para la mejora de sistemas con modulación y detección directas es la realizada mediante filtrado óptico. Aunque se conoce de forma más o menos intuitiva su funcionamiento para formatos de modulación ópticos tradicionales, es preciso disponer de una formulación matemática para señales ópticas OFDM para entender de forma exacta su principio de operación, las mejoras obtenidas, así como su potencial. En esta estapa se realiza esta formulación matemática ampliando el análisis teórico previamente propuesto, y se aplica para evaluar el funcionamiento obtenido con diversas estructuras de filtrado óptico. Finalmente, puesto que un potencial escenario de funcionamiento para señales ópticas OFDM son las redes de acceso donde operan más de un usuario, se propone y se estudia la técnica "interleaving division multiple access" (IDMA) en combinación con OFDM.Sánchez Costa, C. (2014). Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexed communication systems: analysis, design and optimization [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/39375TESI