Dual-drive LiNbO_3 interferometric Mach-Zehnder architecture with extended linear regime for high peak-to-average OFDM-based communication systems

A dual-drive LiNbO3 architecture modulator with chirp management is proposed and developed offering SFDR > 25 dB in a 1.4 V bias excursion compared to only 0.5 V bias excursion in a conventional Mach-Zehnder electro-optical modulator (MZ-EOM). The architecture effectively extends the linear regime and enables the optical transmission of wireless systems employing orthogonal division multiplexing (OFDM) modulation such as ultra-wide band (UWB) which require high linearity over a broad frequency range due to their high peak-to-average power ratio (PARP). Radio-over-fiber UWB transmission in a passive optical network is experimentally demonstrated employing this technique, exhibiting an enhancement of 2.2 dB in EVM after 57 km SSMF when the dual-drive developed modulator is employed. © 2011 Optical Society of America

Multi Detector Fusion of Dynamic TOA Estimation using Kalman Filter

In this paper, we propose fusion of dynamic TOA (time of arrival) from multiple non-coherent detectors like energy detectors operating at sub-Nyquist rate through Kalman filtering. We also show that by using multiple of these energy detectors, we can achieve the performance of a digital matched filter implementation in the AWGN (additive white Gaussian noise) setting. We derive analytical expression for number of energy detectors needed to achieve the matched filter performance. We demonstrate in simulation the validity of our analytical approach. Results indicate that number of energy detectors needed will be high at low SNRs and converge to a constant number as the SNR increases. We also study the performance of the strategy proposed using IEEE 802.15.4a CM1 channel model and show in simulation that two sub-Nyquist detectors are sufficient to match the performance of digital matched filter

Ultra Wideband

Ultra wideband (UWB) has advanced and merged as a technology, and many more people are aware of the potential for this exciting technology. The current UWB field is changing rapidly with new techniques and ideas where several issues are involved in developing the systems. Among UWB system design, the UWB RF transceiver and UWB antenna are the key components. Recently, a considerable amount of researches has been devoted to the development of the UWB RF transceiver and antenna for its enabling high data transmission rates and low power consumption. Our book attempts to present current and emerging trends in-research and development of UWB systems as well as future expectations

High-performance wireless interface for implant-to-air communications

Nous élaborons une interface cerveau-machine (ICM) entièrement sans fil afin de fournir un système de liaison directe entre le cerveau et les périphériques externes, permettant l’enregistrement et la stimulation du cerveau pour une utilisation permanente. Au cours de cette thèse, nous explorons la modélisation de canal, les antennes implantées et portables en tant que propagateurs appropriés pour cette application, la conception du nouveau système d’un émetteur-récepteur UWB implantable, la conception niveau système du circuit et sa mise en oeuvre par un procédé CMOS TSMC 0.18 um. En plus, en collaboration avec Université McGill, nous avons conçu un réseau de seize antennes pour une détection du cancer du sein à l’aide d’hyperfréquences. Notre première contribution calcule la caractérisation de canal de liaison sans fil UWB d’implant à l’air, l’absorption spécifique moyennée (ASAR), et les lignes directrices de la FCC sur la densité spectrale de puissance UWB transmis. La connaissance du comportement du canal est nécessaire pour déterminer la puissance maximale permise à 1) respecter les lignes directrices ANSI pour éviter des dommages aux tissus et 2) respecter les lignes directrices de la FCC sur les transmissions non autorisées. Nous avons recours à un modèle réaliste du canal biologique afin de concevoir les antennes pour l’émetteur implanté et le récepteur externe. Le placement des antennes est examiné avec deux scénarios contrastés ayant des contraintés de puissance. La performance du système au sein des tissus biologiques est examinée par l’intermédiaire des simulations et des expériences. Notre deuxième contribution est dédiée à la conception des antennes simples et à double polarisation pour les systèmes d’enregistrement neural sans fil à bande ultra-large en utilisant un modèle multicouches inhomogène de la tête humaine. Les antennes fabriquées à partir de matériaux flexibles sont plus facilement adaptées à l’implantation ; nous étudions des matériaux à la fois flexibles et rigides et examinons des compromis de performance. Les antennes proposées sont conçues pour fonctionner dans une plage de fréquence de 2-11 GHz (ayant S11-dessous de -10 dB) couvrant à la fois la bande 2.45 GHz (ISM) et la bande UWB 3.1-10.6 GHz. Des mesures confirment les résultats de simulation et montrent que les antennes flexibles ont peu de dégradation des performances en raison des effets de flexion (en termes de correspondance d’impédance). Finalement, une comparaison est réalisée entre quatre antennes implantables, couvrant la gamme 2-11 GHz : 1) une rigide, à la polarisation simple, 2) une rigide, à double polarisation, 3) une flexible, à simple polarisation et 4) une flexible, à double polarisation. Dans tous les cas une antenne rigide est utilisée à l’extérieur du corps, avec une polarisation appropriée. Plusieurs avantages ont été confirmés pour les antennes à la polarisation double : 1) une taille plus petite, 2) la sensibilité plus faible aux désalignements angulaires, et 3) une plus grande fidélité. Notre troisième contribution fournit la conception niveau système de l’architecture de communication sans fil pour les systèmes implantés qui stimulent simultanément les neurones et enregistrent les réponses de neurones. Cette architecture prend en charge un grand nombre d’électrodes (> 500), fournissant 100 Mb/s pour des signaux de stimulation de liaison descendante, et Gb/s pour les enregistrements de neurones de liaison montante. Nous proposons une architecture d’émetteur-récepteur qui partage une antenne ultra large bande, un émetteur-récepteur simplifié, travaillant en duplex intégral sur les deux bandes, et un nouveau formeur d’impulsions pour la liaison montante du Gb/s soutenant plusieurs formats de modulation. Nous présentons une démonstration expérimentale d’ex vivo de l’architecture en utilisant des composants discrets pour la réalisation les taux Gb/s en liaison montante. Une bonne performance de taux d’erreur de bit sur un canal biologique à 0,5, 1 et 2 Gb/s des débits de données pour la télémétrie de liaison montante (UWB) et 100 Mb/s pour la télémétrie en liaison descendante (bande 2.45 GHz) est atteinte. Notre quatrième contribution présente la conception au niveau du circuit d’un dispositif d’émission en duplex total qui est présentée dans notre troisième contribution. Ce dispositif d’émission en duplex total soutient les applications d’interfaçage neural multimodal et en haute densité (les canaux de stimulant et d’enregistrement) avec des débits de données asymétriques. L’émetteur (TX) et le récepteur (RX) partagent une seule antenne pour réduire la taille de l’implant. Le TX utilise impulse radio ultra-wide band (IR-UWB) basé sur une approche alliant des bords, et le RX utilise un nouveau 2.4 GHz récepteur on-off keying (OOK).Une bonne isolation (> 20 dB) entre le trajet TX et RX est mis en oeuvre 1) par mise en forme des impulsions transmises pour tomber dans le spectre UWB non réglementé (3.1-7 GHz), et 2) par un filtrage espace-efficace du spectre de liaison descendante OOK dans un amplificateur à faible bruit RX. L’émetteur UWB 3.1-7 GHz peut utiliser soit OOK soit la modulation numérique binaire à déplacement de phase (BPSK). Le FDT proposé offre une double bande avec un taux de données de liaison montante de 500 Mbps TX et un taux de données de liaison descendante de 100 Mb/s RX, et il est entièrement en conformité avec les standards TSMC 0.18 um CMOS dans un volume total de 0,8 mm2. Ainsi, la mesure de consommation d’énergie totale en mode full duplex est de 10,4 mW (5 mW à 100 Mb/s pour RX, et de 5,4 mW à 500 Mb/s ou 10,8 PJ / bits pour TX). Notre cinquième contribution est une collaboration avec l’Université McGill dans laquelle nous concevons des antennes simples et à double polarisation pour les systèmes de détection du cancer du sein à l’aide d’hyperfréquences sans fil en utilisant un modèle multi-couche et inhomogène du sein humain. Les antennes fabriquées à partir de matériaux flexibles sont plus facilement adaptées à des applications portables. Les antennes flexibles miniaturisées monopôles et spirales sur un 50 um Kapton polyimide sont conçus, en utilisant high frequency structure simulator (HFSS), à être en contact avec des tissus biologiques du sein. Les antennes proposées sont conçues pour fonctionner dans une gamme de fréquences de 2 à 4 GHz. Les mesures montrent que les antennes flexibles ont une bonne adaptation d’impédance dans les différentes positions sur le sein. De Plus, deux antennes à bande ultralarge flexibles 4 × 4 (simple et à double polarisation), dans un format similaire à celui d’un soutien-gorge, ont été développés pour un système de détection du cancer du sein basé sur le radar.We are working on a fully wireless brain-machine-interface to provide a communication link between the brain and external devices, enabling recording and stimulating the brain for permanent usage. In this thesis we explore channel modeling, implanted and wearable antennas as suitable propagators for this application, system level design of an implantable UWB transceiver, and circuit level design and implementing it by TSMC 0.18 um CMOS process. Also, in a collaboration project with McGill University, we designed a flexible sixteen antenna array for microwave breast cancer detection. Our first contribution calculates channel characteristics of implant-to-air UWB wireless link, average specific absorption rate (ASAR), and FCC guidelines on transmitted UWB power spectral density. Knowledge of channel behavior is required to determine the maximum allowable power to 1) respect ANSI guidelines for avoiding tissue damage and 2) respect FCC guidelines on unlicensed transmissions. We utilize a realistic model of the biological channel to inform the design of antennas for the implanted transmitter and the external receiver. Antennas placement is examined under two scenarios having contrasting power constraints. Performance of the system within the biological tissues is examined via simulations and experiments. Our second contribution deals with designing single and dual-polarization antennas for wireless ultra-wideband neural recording systems using an inhomogeneous multi-layer model of the human head. Antennas made from flexible materials are more easily adapted to implantation; we investigate both flexible and rigid materials and examine performance trade-offs. The proposed antennas are designed to operate in a frequency range of 2–11 GHz (having S11 below -10 dB) covering both the 2.45 GHz (ISM) band and the 3.1–10.6 GHz UWB band. Measurements confirm simulation results showing flexible antennas have little performance degradation due to bending effects (in terms of impedance matching). Finally, a comparison is made of four implantable antennas covering the 2-11 GHz range: 1) rigid, single polarization, 2) rigid, dual polarization, 3) flexible, single polarization and 4) flexible, dual polarization. In all cases a rigid antenna is used outside the body, with an appropriate polarization. Several advantages were confirmed for dual polarization antennas: 1) smaller size, 2) lower sensitivity to angular misalignments, and 3) higher fidelity. Our third contribution provides system level design of wireless communication architecture for implanted systems that simultaneously stimulate neurons and record neural responses. This architecture supports large numbers of electrodes (> 500), providing 100 Mb/s for the downlink of stimulation signals, and Gb/s for the uplink neural recordings. We propose a transceiver architecture that shares one ultra-wideband antenna, a streamlined transceiver working at full-duplex on both bands, and a novel pulse shaper for the Gb/s uplink supporting several modulation formats. We present an ex-vivo experimental demonstration of the architecture using discrete components achieving Gb/s uplink rates. Good bit error rate performance over a biological channel at 0.5, 1, and 2 Gbps data rates for uplink telemetry (UWB) and 100 Mbps for downlink telemetry (2.45 GHz band) is achieved. Our fourth contribution presents circuit level design of the novel full-duplex transceiver (FDT) which is presented in our third contribution. This full-duplex transceiver supports high-density and multimodal neural interfacing applications (high-channel count stimulating and recording) with asymmetric data rates. The transmitter (TX) and receiver (RX) share a single antenna to reduce implant size. The TX uses impulse radio ultra-wide band (IR-UWB) based on an edge combining approach, and the RX uses a novel 2.4-GHz on-off keying (OOK) receiver. Proper isolation (> 20 dB) between the TX and RX path is implemented 1) by shaping the transmitted pulses to fall within the unregulated UWB spectrum (3.1-7 GHz), and 2) by spaceefficient filtering (avoiding a circulator or diplexer) of the downlink OOK spectrum in the RX low-noise amplifier. The UWB 3.1-7 GHz transmitter can use either OOK or binary phase shift keying (BPSK) modulation schemes. The proposed FDT provides dual band 500-Mbps TX uplink data rate and 100 Mbps RX downlink data rate, and it is fully integrated into standard TSMC 0.18 um CMOS within a total size of 0.8 mm2. The total measured power consumption is 10.4 mW in full duplex mode (5 mW at 100 Mbps for RX, and 5.4 mW at 500 Mbps or 10.8 pJ/bit for TX). Our fifth contribution is a collaboration project with McGill University which we design single and dual-polarization antennas for wireless ultra-wideband breast cancer detection systems using an inhomogeneous multi-layer model of the human breast. Antennas made from flexible materials are more easily adapted to wearable applications. Miniaturized flexible monopole and spiral antennas on a 50 um Kapton polyimide are designed, using a high frequency structure simulator (HFSS), to be in contact with biological breast tissues. The proposed antennas are designed to operate in a frequency range of 2–4 GHz (with reflection coefficient (S11) below -10 dB). Measurements show that the flexible antennas have good impedance matching while in different positions with different curvature around the breast. Furthermore, two flexible conformal 4×4 ultra-wideband antenna arrays (single and dual polarization), in a format similar to that of a bra, were developed for a radar-based breast cancer detection system

Architectures and Novel Functionalities for Optical Access OFDM Networks "Arquitecturas y Nuevas Funcionalidades para Redes OFDM de Acceso Óptico"

En los últimos años ha habido un gran aumento en el despliegue de redes de acceso ópticas de fibra hasta el hogar (FTTH, del inglés fibre-to-the home). FTTH es una solución flexible, una tecnología de acceso de futuro que permite proporcionar tasas de datos del orden de Gbit/s por ususario. Diversos estudios indican que FTTH se convertirá en la diferencia clave entre los operadores más importantes. Además, FTTH es la única tecnolotgía capaz de crear nuevas fuentes de ingresos de aplicaciones de alta velocidad, como por ejemple entretenimiento de alta definición (vído y juegos de alta definición...) Dede el punto de vista del operador, una de las vientajas importantes que proporciona FTTH es que permite una mayor eficiencia operativa en coparción con otras tecnologías de acceso, principalmente por la reducción de costes de mantenimiento y de operación. Además, FTTH reduce los requisitos de los equipos de las centrales. Esta tesis doctoral tiene como ojetivo extender estas ventajas más allá del concepto FTTH mediante la integración de la red óptica de distribución desplegada dentro del hogar así como el enlace radio final de corto o medio alcance inalámbrico. Esto proporciona una arquitctura de red FFTH integrada de extremo a extremo. De este modo, los beneficios de la reducción de costes operativos y mayor eficiencia se extienden hasta el usuario final de la red. En esta tesis doctoral, se propone una arqutectura de acceso integrada óptica-radio basada en la multiplexación por división ortogonal de fecuencia (OFDM, del inglés orthogonal frequency división multiplexing) para proporcionar diferentes servicios al usuario como Internet, teléfono/voz, televisión de lata definición, conexión inalámbrica y seguridad en el hogar. Las señales OFDM se utilizan en muchos estándares inalámbricos como las señales de banda ultraancha (UWB, del inglés ultra-wide band), WiMAX, LTE, WLAN, DVB-T o DAB. Estos formatos aprovechan las características intrínsecas de la modulación OFDM como su mayor inmunidad ante desvanecimiento multi-camino. Esta tesis incluye la propuesta y la demostración experimental de la transmisión simultánea y bi-direccional de señales OFDM multi-estándar en radio-sobre-fibra proporcionando servicios triple-play basados en OFDM como UWB para televisión de alta definición, WiMAX para datos de Internet, y LTE para el servicio telefónico.Morant Perez, M. (2012). Architectures and Novel Functionalities for Optical Access OFDM Networks "Arquitecturas y Nuevas Funcionalidades para Redes OFDM de Acceso Óptico" [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/15076Palanci

A VHDL-AMS Simulation Environment for an UWB Impulse Radio Transceiver

Ultra-Wide-Band (UWB) communication based on the impulse radio paradigm is becoming increasingly popular. According to the IEEE 802.15 WPAN Low Rate Alternative PHY Task Group 4a, UWB will play a major role in localization applications, due to the high time resolution of UWB signals which allow accurate indirect measurements of distance between transceivers. Key for the successful implementation of UWB transceivers is the level of integration that will be reached, for which a simulation environment that helps take appropriate design decisions is crucial. Owing to this motivation, in this paper we propose a multiresolution UWB simulation environment based on the VHDL-AMS hardware description language, along with a proper methodology which helps tackle the complexity of designing a mixed-signal UWB System-on-Chip. We applied the methodology and used the simulation environment for the specification and design of an UWB transceiver based on the energy detection principle. As a by-product, simulation results show the effectiveness of UWB in the so-called ranging application, that is the accurate evaluation of the distance between a couple of transceivers using the two-way-ranging metho

Antenna and radio channel characterisation for low‐power personal and body area networks

PhDThe continuous miniaturisation of sensors, as well as the progression in wearable electronics, embedded software, digital signal processing and biomedical technologies, have led to new usercentric networks, where devices can be carried in the user’s pockets, attached to the user’s body. Body-centric wireless communications (BCWCs) is a central point in the development of fourth generation mobile communications. Body-centric wireless networks take their place within the personal area networks, body area networks and sensor networks which are all emerging technologies that have a wide range of applications (such as, healthcare, entertainment, surveillance, emergency, sports and military). The major difference between BCWC and conventional wireless systems is the radio channels over which the communication takes place. The human body is a hostile environment from a radio propagation perspective and it is therefore important to understand and characterise the effects of the human body on the antenna elements, the radio channel parameters and, hence, system performance. This thesis focuses on the study of body-worn antennas and on-body radio propagation channels. The performance parameters of five different narrowband (2.45 GHz) and four UWB (3.1- 10.6 GHz) body-worn antennas in the presence of human body are investigated and compared. This was performed through a combination of numerical simulations and measurement campaigns. Parametric studies and statistical analysis, addressing the human body effects on the performance parameters of different types of narrowband and UWB antennas have been presented. The aim of this study is to understand the human body effects on the antenna parameters and specify the suitable antenna in BCWCs at both 2.45 GHz and UWB frequencies. Extensive experimental investigations are carried out to study the effects of various antenna types on the on-body radio propagation channels as well. Results and analysis emphasize the best body-worn antenna for reliable and power-efficient on-body communications. Based on the results and analysis, a novel dual-band and dual-mode antenna is proposed for power-efficient and reliable on-body and off-body communications. The on-body performance of the DBDM antenna at 2.45 GHz is compared with other five narrowband antennas. Based on the results and analysis of six narrowband and four UWB antennas, antenna specifications and design guidelines are provided that will help in selecting the best body-worn antenna for both narrowband and UWB systems to be applied in body-centric wireless networks (BCWNs). A comparison between IV the narrowband and UWB antenna parameters are also provided. At the end of the thesis, the subject-specificity of the on-body radio propagation channel at 2.45 GHz and 3-10 GHz was experimentally investigated by considering eight real human test subjects of different shapes, heights and sizes. The subject-specificity of the on-body radio propagation channels was compared between the narrowband and UWB systems as well

Empirical Comparison of Chirp and Multitones on Experimental UWB Software Defined Radar Prototype

This paper proposes and tests an approach for an unbiased study of radar waveforms' performances. Using the ultrawide band software defined radar prototype, the performances of Chirp and Multitones are compared in range profile and detection range. The architecture was implemented and has performances comparable to the state of the art in software defined radar prototypes. The experimental results are consistent with the simulations