Detection and processing of phase modulated optical signals at 40 Gbit/s and beyond

This thesis addresses demodulation in direct detection systems and signal processing of high speed phase modulated signals in future all-optical wavelength division multiplexing (WDM) communication systems where differential phase shift keying (DPSK) or differential quadrature phase shift keying (DQPSK) are used to transport information. All-optical network functionalities -such as optical labeling, wavelength conversion and signal regeneration- are experimentally investigated. Direct detection of phase modulated signals requires phase-to-intensity modulation conversion in a demodulator at the receiver side. This is typically implemented in a one bit delay Mach-Zehnder interferometer (MZI). Two alternative ways of performing phase-to-intensity modulation conversion are presented. Successful demodulation of DPSK signals up to 40 Gbit/s is demonstrated using the proposed two devices. Optical labeling has been proposed as an efficient way to implement packet routing and forwarding functionalities in future IP-over-WDM networks. An in-band subcarrier multiplexing (SCM) labeled signal using 40 Gbit/s DSPK payload and 25 Mbit/s non return-to-zero(NRZ) SCM label, is successfully transmitted over 80 km post-compensated non-zero dispersion shifted fiber (NZDSF) span. Using orthogonal labeling, an amplitude shift keying (ASK)/DPSK labeled signal using 40 Gbit/s return-to-zero (RZ) payload and 2.5 Gbit/s DPSK label, is generated. WDM transmission and label swapping are demonstrated for such a signal. In future all-optical WDM networks, wavelength conversion is an essential functionality to provide wavelength flexibility and avoid wavelength blocking. Using a 50 m long highly nonlinear photonic crystal fiber (HNL-PCF), with a simple four-wave mixing (FWM) scheme, wavelength conversion of single channel and multi-channel high-speed DPSK signals is presented. Wavelength conversion of an 80 Gbit/s RZ-DPSK-ASK signal generated by combining different modulation formats is also reported. Amplitude distortion accumulated over transmission spans will eventually be converted into nonlinear phase noise, and consequently degrade the performance of systems making use of RZ-DPSK format. All-optical signal regeneration avoiding O-E-O conversion is desired to improve signal quality in ultra long-haul transmission systems. Proof-of-principle numerical simulation results are provided, that suggest the amplitude regeneration capability based on FWM in a highly nonlinear fiber (HNLF). The first reported experimental demonstration of amplitude equalization of 40 Gbit/s RZ-DPSK signals using a 500 m long HNLF is presented. Using four possible phase levels to carry the information, DQPSK allows generation of high-speed optical signals at bit rate that is twice the operating speed of the electronics involved. Generation of an 80 Gbit/s DQPSK signal is demonstrated using 40 Gbit/s equipment. The first demonstration of wavelength conversion of such a high-speed signal is implemented using FWM in a 1 km long HNLF. No indication of error floor is observed. Using polarization multiplexing and combination of DQPSK with ASK and RZ pulse carving at a symbol rate of 40 Gbaud, a 240 Gbit/s RZ-DQPSK-ASK signal is generated and transmitted over 50 km fiber span with no power penalty. In summary, we show that direct detection and all-optical signal processing -including optical labeling, wavelength conversion and signal regeneration- that already have been studied intensively for signals using conventional on-off keying (OOK) format, can also be successfully implemented for high-speed phase modulated signals. The results obtained in this work are believed to enhance the feasibility of phase modulation in future ultra-high speed spectrally efficient optical communication systems

Advanced Modulation and Coding Technology Conference

The objectives, approach, and status of all current LeRC-sponsored industry contracts and university grants are presented. The following topics are covered: (1) the LeRC Space Communications Program, and Advanced Modulation and Coding Projects; (2) the status of four contracts for development of proof-of-concept modems; (3) modulation and coding work done under three university grants, two small business innovation research contracts, and two demonstration model hardware development contracts; and (4) technology needs and opportunities for future missions

Optical code-division multiple access system and optical signal processing

This thesis presents our recent researches on the development of coding devices, the investigation of security and the design of systems in the optical cod-division multiple access (OCDMA) systems. Besides, the techniques of nonlinear signal processing used in the OCDMA systems fire our imagination, thus some researches on all-optical signal processing are carried out and also summarized in this thesis. Two fiber Bragg grating (FBG) based coding devices are proposed. The first coding device is a superstructured FBG (SSFBG) using ±π/2-phase shifts instead of conventional 0/π-phase shifts. The ±π/2-phase-shifted SSFBG en/decoders can not only conceal optical codes well in the encoded signals but also realize the reutilization of available codes by hybrid use with conventional 0/π-phase-shifted SSFBG en/decoders. The second FBG based coding device is synthesized by layer-peeling method, which can be used for simultaneous optical code recognition and chromatic dispersion compensation. Then, two eavesdropping schemes, one-bit delay interference detection and differential detection, are demonstrated to reveal the security vulnerability of differential phase-shift keying (DPSK) and code-shift keying (CSK) OCDMA systems. To address the security issue as well as increase the transmission capacity, an orthogonal modulation format based on DPSK and CSK is introduced into the OCDMA systems. A 2 bit/symbol 10 Gsymbol/s transmission system using the orthogonal modulation format is achieved. The security of the system can be partially guaranteed. Furthermore, a fully-asynchronous gigabit-symmetric OCDMA passive optical network (PON) is proposed, in which a self-clocked time gate is employed for signal regeneration. A remodulation scheme is used in the PON, which let downstream and upstream share the same optical carrier, allowing optical network units source-free. An error-free 4-user 10 Gbit/s/user duplex transmission over 50 km distance is reazlied. A versatile waveform generation scheme is then studied. A theoretical model is established and a waveform prediction algorithm is summarized. In the demonstration, various waveforms are generated including short pulse, trapezoidal, triangular and sawtooth waveforms and doublet pulse. ii In addition, an all-optical simultaneous half-addition and half-subtraction scheme is achieved at an operating rate of 10 GHz by using only two semiconductor optical amplifiers (SOA) without any assist light. Lastly, two modulation format conversion schemes are demonstrated. The first conversion is from NRZ-OOK to PSK-Manchester coding format using a SOA based Mach-Zehnder interferometer. The second conversion is from RZ-DQPSK to RZ-OOK by employing a supercontinuum based optical thresholder

Design of CMOS transimpedance amplifiers for remote antenna units in fiber-wireless systems.

La memoria de la tesis doctoral: Diseño de Amplificadores de Transimpedancia para Unidades de Antena Remota en Sistemas Fibra-Inalámbrico, se presenta en la modalidad de compendio de Publicaciones. A continuación, se expone un resumen del contexto, motivation y objetivos de la tesis.A lo largo de las últimas décadas, los avances tecnológicos y el esfuerzo por desarrollar nuevos sistemas de comunicaciones han crecido al ritmo que la demanda de información aumentaba a nivel mundial. Desde la aparición de Internet, el tráfico global de datos ha incrementado de forma exponencial y se han creado infinidad de aplicaciones y contenidos desde entonces.Con la llegada de la fibra óptica se produjo un avance muy significativo en el campo de las comunicaciones, ya que la fibra de vidrio y sus características fueron la clave para crear redes de largo alcance y alta velocidad. Por otro lado, los avances en las tecnologías de fabricación de circuitos integrados y de dispositivos fotónicos de alta velocidad han encabezado el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticos, logrando incrementar la tasa de transmisión de datos hasta prácticamente alcanzar el ancho de banda de la fibra óptica.Para conseguir una mayor eficiencia en las comunicaciones y aumentar la tasa de transferencia, se necesitan métodos de modulación complejos que aprovechen mejor el ancho de banda disponible. No obstante, esta mayor complejidad de la modulación de los datos requiere sistemas con mejores prestaciones en cuanto a rango dinámico y linealidad. Estos esquemas de modulación se emplean desde hace tiempo en los sistemas de comunicaciones inalámbricos, donde el ancho de banda del canal, el aire, es extremadamente limitado y codiciado.Actualmente, los sistemas inalámbricos se enfrentan a una saturación del espectro que supone un límite a la tasa de transmisión de datos. Pese a los esfuerzos por extender el rango frecuencial a bandas superiores para aumentar el ancho de banda disponible, se espera un enorme aumento tanto en el número de dispositivos, como en la cantidad de datos demandados por usuario.Ante esta situación se han planteado distintas soluciones para superar estas limitaciones y mejorar las prestaciones de los sistemas actuales. Entre estas alternativas están los sistemas mixtos fibra-inalámbrico utilizando sistemas de antenas distribuidas (DAS). Estos sistemas prometen ser una solución económica y muy efectiva para mejorar la accesibilidad de los dispositivos inalámbricos, aumentando la cobertura y la tasa de transferencia de las redes a la vez que disminuyen las interferencias. El despliegue de los DAS tendrá un gran efecto en escenarios tales como edificios densamente poblados, hospitales, aeropuertos o edificios de oficinas, así como en áreas residenciales, donde un gran número de dispositivos requieren una cada vez mayor interconectividad.Dependiendo del modo de transmisión de los datos a través de la fibra, los sistemas mixtos fibra-inalámbrico se pueden categorizar de tres formas distintas: Banda base sobre fibra (BBoF), radiofrecuencia sobre fibra (RFoF) y frecuencia intermedia sobre fibra (IFoF). Actualmente, el esquema BBoF es el más utilizado para transmisiones de larga y media distancia. No obstante, utilizar este esquema en un DAS requiere unidades de antena remota (RAU) complejas y costosas, por lo que no está claro que esta configuración pueda ser viable en aplicaciones de bajo coste que requieran de un gran número de RAUs. Los sistemas RFoF e IFoF presentan esquemas más simples, sin necesidad de integrar un modulador/demodulador, puesto que la señal se procesa en una estación base y no en las propias RAUs.El desarrollo de esta tesis se enmarca en el estudio de los distintos esquemas de DAS. A lo largo de esta tesis se presentan varias propuestas de amplificadores de transimpedancia (TIA) adecuadas para su implementación en cada uno de los tres tipos de RAU existentes. La versatilidad y el amplio campo de aplicación de este circuito integrado, tanto en comunicaciones como en otros ámbitos, han motivado el estudio de la implementación de este bloque específico en las diferentes arquitecturas de RAU y en otros sistemas, tales como un receptor de televisión por cable (CATV) o una interfaz de un microsensor inercial capacitivo.La memoria de tesis se ha dividido en tres capítulos. El Capítulo 1 se ha empleado para introducir el concepto de los DAS, proporcionando el contexto y la motivación del diseño de las RAU, partiendo desde los principios básicos de operación de los dispositivos fotónicos y electrónicos y presentando las distintas arquitecturas de RAU. El Capítulo 2 supone el núcleo principal de la tesis. En este capítulo se presenta el estudio y diseño de los diferentes TIAs, que han sido optimizados respectivamente para cada una de las configuraciones de RAU, así como para otras aplicaciones. En un tercer capítulo se recogen los resultados más relevantes y se exponen las conclusiones de este trabajo.Tras llevar a cabo la descripción y comparación de las topologías existentes de TIA, se ha llegado a las siguientes conclusiones, las cuales nos llevan a elegir la topología shunt-feedback como la más adecuada para el diseño: - El compromiso entre ancho de banda, transimpedancia, consumo de potencia y ruido es menos restrictivo en los TIAs de lazo cerrado. - Los TIAs de lazo cerrado tienen un mayor número de grados de libertad para acometer su diseño. - Esta topología presenta una mejor linealidad gracias al lazo de realimentación. Si la respuesta frecuencial del núcleo del amplificador se ajusta de manera adecuada, el TIA shunt-feedback puede presentar una respuesta frecuencial plana y estable.En esta tesis, se ha propuesto una nueva técnica de reducción de ruido, aplicable en receptores ópticos con fotodiodos con un área activa grande (~1mm2). Esta estrategia, que se ha llamado la técnica del fotodiodo troceado, consiste en la fabricación del fotodiodo, no como una estructura única, sino como un array de N sub-fotodiodos, que ocuparían la misma área activa que el original. Las principales conclusiones tras hacer un estudio teórico y realizar un estudio de su aplicación en una de las topologías de TIA propuestas son: - El ruido equivalente a la entrada es menor cuanto mayor es el número de sub-fotodiodos, dado que la contribución al ruido que depende con el cuadrado de la frecuencia (f^2) decrece con una dependencia proporcional a N. - Con una aplicación simple de la técnica, replicando el amplificador de tensión del TIA N veces y utilizando N resistencias de realimentación, cada una con un valor N veces el original, la sensibilidad del receptor aumenta aproximadamente en un factor √N y la estabilidad del sistema no se ve afectada. - Al dividir el fotodiodo en N sub-fotodiodos, la capacidad parásita de cada uno de ellos es N veces menor a la original. Con esta nueva capacidad parásita, el diseño del TIA se puede optimizar, consiguiendo una sensibilidad mucho mejor que con un único fotodiodo para el mismo valor de consumo de potencia.Las principales conclusiones respecto a los diseños de los distintos TIAs para comunicaciones son las siguientes: TIA para BBoF: - El TIA propuesto, alcanza, con un consumo de tan solo 2.9 mW, un ancho de banda de 1 GHz y una sensibilidad de -11 dBm, superando las características de trabajos anteriores en condiciones similares (capacidad del fotodiodo, tecnología y tasa de transmisión). - La técnica del fotodiodo troceado se ha aplicado a este circuito, consiguiendo una mejora de hasta 7.9 dBm en la sensibilidad para un diseño optimizado de 16 sub-fotodiodos, demostrando, en una simulación a nivel de transistor, que la técnica propuesta funciona correctamente. TIA para RFoF: - El diseño propuesto logra una figura de mérito superior a la de trabajos previos, gracias a la combinación de su bajo consumo de potencia y su mayor transimpedancia. - Además, mientras que en la mayoría de trabajos previos no se integra un control de ganancia en el TIA, esta propuesta presenta una transimpedancia controlable desde 45 hasta 65 dBΩ. A través de un sistema de control simultáneo de la transimpedancia y de la ganancia en lazo abierto del amplificador de voltaje, se consigue garantizar una respuesta frecuencial plana y estable en todos los estados de transimpedancia, que le otorga al diseño una superior versatilidad y flexibilidad. TIA para CATV: - Se ha adaptado una versión del TIA para RFoF para demostrar la capacidad de adaptación de esta estructura en una implementación en un receptor CATV con un rango de control de transimpedancia de 18 dB. - Con la implementación del control de ganancia en el TIA, no es necesario el uso de un atenuador variable en el receptor, simplificando así el número de etapas del mismo. - Gracias al control de transimpedancia, el TIA logra rangos de entrada similares a los publicados en trabajos anteriores basados en una tecnología mucho menos accesible como GaAs PHEMT. TIA para IFoF Se ha fabricado un chip en una tecnología CMOS de 65 nm que opera a 1.2 V de tensión de alimentación y se ha realizado su caracterización eléctrica y óptica. - El TIA presenta una programabilidad de su transimpedancia con un control lineal en dB entre 60 y 76 dBΩ mediante un código termómetro de 4 bits. - El ancho de banda se mantiene casi constante en todo el rango de transimpedancia, entre 500 y 600 MHz.Como conclusión general tras comparar el funcionamiento de los TIAs para las distintas configuraciones de RAU, vale la pena mencionar que el TIA para IFoF consigue una figura de mérito muy superior a la de otros trabajos previos diseñados para RFoF. Esto se debe principalmente a la mayor transimpedancia y al muy bajo consumo de potencia del TIA para IFoF propuesto. Además, se consigue una mejor linealidad, ya que, para una transmisión de 54 Mb/s con el estándar 802.11a, se consigue un EVM menor de 2 % en un rango de entrada de 10 dB, comparado con los entre 3 y 5 dB reportados en trabajos previos. El esquema IFoF presenta un gran potencial y ventajas frente al RFoF, lo que lo coloca como una buena alternativa para disminuir los costes y mejorar el rendimiento de los sistemas de antenas distribuidas.Por último, cabe destacar que el diseño de TIA propuesto y fabricado para IFoF contribuye en gran medida al desarrollo y validación de una RAU completa. Se ha demostrado la capacidad de la estructura propuesta para alcanzar un bajo ruido, alta linealidad, simplicidad en la programabilidad de la transimpedancia y adaptabilidad de la topología para diferentes requisitos, lo cual es de un gran interés en el diseño de receptores ópticos.Por otra parte, una versión del TIA para su uso en una interfaz de sensores MEMS capacitivos se ha propuesto y estudiado. Consiste en un convertidor capacidad-voltaje basado en una versión del TIA para RFoF, con el objetivo de conseguir un menor ruido y proveer de una adaptabilidad para diferentes sensores capacitivos. Los resultados más significativos y las conclusiones de este diseño se resumen a continuación: - El TIA presenta un control de transimpedancia con un rango de 34 dB manteniendo el ancho de banda constante en 1.2 MHz. También presenta un control independiente del ancho de banda, desde 75 kHz hasta 1.2 MHz, manteniendo la transimpedancia fija en un valor máximo. - Con un consumo de potencia de tan solo 54 μW, el TIA alcanza una sensibilidad máxima de 1 mV/fF, que corresponde a una sensibilidad de 4.2 mV/g y presenta un ruido de entrada de tan solo 100 µg/√("Hz" ) a 50 kHz en la configuración de máxima transimpedancia.La principal conclusión que destaca de este diseño es su versatilidad y flexibilidad. El diseño propuesto permite adaptar fácilmente la respuesta de la interfaz a una amplia gama de dispositivos sensores, ya que se puede ajustar el ancho de banda para ajustarse a distintas frecuencias de operación, así como la transimpedancia puede ser modificada para conseguir distintas sensibilidades. Este doble control independiente de ancho de banda y transimpedancia le proporcionan una adaptabilidad completa al TIA.<br /

Sensing and Signal Processing in Smart Healthcare

In the last decade, we have witnessed the rapid development of electronic technologies that are transforming our daily lives. Such technologies are often integrated with various sensors that facilitate the collection of human motion and physiological data and are equipped with wireless communication modules such as Bluetooth, radio frequency identification, and near-field communication. In smart healthcare applications, designing ergonomic and intuitive human–computer interfaces is crucial because a system that is not easy to use will create a huge obstacle to adoption and may significantly reduce the efficacy of the solution. Signal and data processing is another important consideration in smart healthcare applications because it must ensure high accuracy with a high level of confidence in order for the applications to be useful for clinicians in making diagnosis and treatment decisions. This Special Issue is a collection of 10 articles selected from a total of 26 contributions. These contributions span the areas of signal processing and smart healthcare systems mostly contributed by authors from Europe, including Italy, Spain, France, Portugal, Romania, Sweden, and Netherlands. Authors from China, Korea, Taiwan, Indonesia, and Ecuador are also included

Security and Privacy for Modern Wireless Communication Systems

The aim of this reprint focuses on the latest protocol research, software/hardware development and implementation, and system architecture design in addressing emerging security and privacy issues for modern wireless communication networks. Relevant topics include, but are not limited to, the following: deep-learning-based security and privacy design; covert communications; information-theoretical foundations for advanced security and privacy techniques; lightweight cryptography for power constrained networks; physical layer key generation; prototypes and testbeds for security and privacy solutions; encryption and decryption algorithm for low-latency constrained networks; security protocols for modern wireless communication networks; network intrusion detection; physical layer design with security consideration; anonymity in data transmission; vulnerabilities in security and privacy in modern wireless communication networks; challenges of security and privacy in node–edge–cloud computation; security and privacy design for low-power wide-area IoT networks; security and privacy design for vehicle networks; security and privacy design for underwater communications networks

Joint signal detection and channel estimation in rank-deficient MIMO systems

L'évolution de la prospère famille des standards 802.11 a encouragé le développement des technologies appliquées aux réseaux locaux sans fil (WLANs). Pour faire face à la toujours croissante nécessité de rendre possible les communications à très haut débit, les systèmes à antennes multiples (MIMO) sont une solution viable. Ils ont l'avantage d'accroître le débit de transmission sans avoir recours à plus de puissance ou de largeur de bande. Cependant, l'industrie hésite encore à augmenter le nombre d'antennes des portables et des accésoires sans fil. De plus, à l'intérieur des bâtiments, la déficience de rang de la matrice de canal peut se produire dû à la nature de la dispersion des parcours de propagation, ce phénomène est aussi occasionné à l'extérieur par de longues distances de transmission. Ce projet est motivé par les raisons décrites antérieurement, il se veut un étude sur la viabilité des transcepteurs sans fil à large bande capables de régulariser la déficience de rang du canal sans fil. On vise le développement des techniques capables de séparer M signaux co-canal, même avec une seule antenne et à faire une estimation précise du canal. Les solutions décrites dans ce document cherchent à surmonter les difficultés posées par le medium aux transcepteurs sans fil à large bande. Le résultat de cette étude est un algorithme transcepteur approprié aux systèmes MIMO à rang déficient