Performance Measurements of 8-Gsps 1-bit ADCs Developed for Wideband Radio Astronomical Observations

8-Gsps 1-bit Analog-to-Digital Converters (ADCs) were newly developed toward the realization of the wideband observation. The development of the wideband ADCs is one of the most essential developments for the radio interferometer. To evaluate its performance in interferometric observations, the time (phase) stability and frequency response were measured with a noise source and a signal generator. The results of these measurements show that the developed ADCs can achieve the jitter time less than 0.05 psec at the time interval of 1 sec, the passband frequency response with the slope less than 0.73 dB/GHz and the ripple less than 1.8 dB, and the aperture time less than 20 psec. The details of the developed ADC design, the measurement methods, and the results of these measurements are presented in this paper.Comment: Accepted for publication in PASJ. 19 pages, 15 figure

Optically Enabled ADCs and Application to Optical Communications

Electrical-optical signal processing has been shown to be a promising path to overcome the limitations of state-of-the-art all-electrical data converters. In addition to ultra-broadband signal processing, it allows leveraging ultra-low jitter mode-locked lasers and thus increasing the aperture jitter limited effective number of bits at high analog signal frequencies. In this paper, we review our recent progress towards optically enabled time- and frequency-interleaved analog-to-digital converters, as well as their monolithic integration in electronic-photonic integrated circuits. For signal frequencies up to 65 GHz, an optoelectronic track-and-hold amplifier based on the source-emitter-follower architecture is shown as a power efficient approach in optically enabled BiCMOS technology. At higher signal frequencies, integrated photonic filters enable signal slicing in the frequency domain and further scaling of the conversion bandwidth, with the reconstruction of a 140 GHz optical signal being shown. We further show how such optically enabled data converter architectures can be applied to a nonlinear Fourier transform based integrated transceiver in particular and discuss their applicability to broadband optical links in general

Analog‐to‐Digital Conversion for Cognitive Radio: Subsampling, Interleaving, and Compressive Sensing

This chapter explores different analog-to-digital conversion techniques that are suitable to be implemented in cognitive radio receivers. This chapter details the fundamentals, advantages, and drawbacks of three promising techniques: subsampling, interleaving, and compressive sensing. Due to their major maturity, subsampling- and interleaving-based systems are described in further detail, whereas compressive sensing-based systems are described as a complement of the previous techniques for underutilized spectrum applications. The feasibility of these techniques as part of software-defined radio, multistandard, and spectrum sensing receivers is demonstrated by proposing different architectures with reduced complexity at circuit level, depending on the application requirements. Additionally, the chapter proposes different solutions to integrate the advantages of these techniques in a unique analog-to-digital conversion process

All photonic analogue to digital and digital to analogue conversion techniques for digital radio over fibre system applications

Copyright @ 2011 IEEEWideband electronic analogue to digital conversion (ADC) systems have critical problems encountered in high-frequency broadband communication systems that the recent electronic ADCs (EADC) have experienced those such as uncertainty of sampling time. In this paper, an all photonic sampling and quantization ADC and photonic digital to analogue conversion system with six effective number of bits (ENOB) is designed. By using this photonic ADC (PADC), a novel digital radio over fibre link for wireless radio frequency (RF) signal transportation over 20 Km single mode fibre has been designed whose performance is investigated in this paper. In the digital radio over fibre, the dynamic range is independent of the fibre length

DEVELOPMENT OF AN UWB RADAR SYSTEM

An ultra-wideband radar system is built at the University of Tennessee with the goal to develop a ground penetrating radar (GPR). The radar is required to transmit and receive a very narrow pulse signal in the time domain. The bistatic radar transmits a pulse through an ultrawide spiral antenna and receives the pulse by a similar antenna. Direct sampling is used to improve the performance of the impulse radar allowing up to 1.5 GHz of bandwidth to be used for signal processing and target detection with high resolution. Using direct sampling offers a less complex system design than traditional lower sample rate, super-heterodyne systems using continuous wave or step frequency methods while offering faster results than conventional equivalent time sampling techniques that require multiple data sets and significant post-processing. These two points are particularly important for a system that may be used in the field in potentially dangerous environments. Direct sampling radar systems, while still frequency limited, are continually improving their upper frequencies boundaries due to more power efficient, higher sampling rate analog to digital converters (ADCs) which relates directly to better subsurface resolution for potential target detection

Jitter requirements of the sampling clock in software radio receivers

The effective number of bits of an analog-to-digital converter (ADC) is not only limited by the quantization step inaccuracy but also by sampling time uncertainty. According to a commonly used model, the error caused by timing jitter, integrated over the whole bandwidth, should not be bigger than the quantization noise, for a full swing input signals at the maximum input frequency. This results in unfeasible phase noise requirements for the sampling clock in software radio receivers with direct RF sampling. However, for a radio receiver not the total integrated error is relevant, but only the error signal in the channel bandwidth. This paper explores the clock jitter requirements for a software radio application, using a more realistic model and taking into account the power spectrum of both the input signal and the spectrum of the sampling clock jitter. Using this model, we show that the clock jitter requirements are very similar to reciprocal mixing requirements of superheterodyne receivers

Mode-locked laser timing jitter limitation in optically enabled, spectrally sliced ADCs

Novel analog-to-digital converter (ADC) architectures are motivated by the demand for rising sampling rates and effective number of bits (ENOB). The main limitation on ENOB in purely electrical ADCs lies in the relatively high jitter of oscillators, in the order of a few tens of fs for state-of-the-art components. When compared to the extremely low jitter obtained with best-in-class Ti:sapphire mode-locked lasers (MLL), in the attosecond range, it is apparent that a mixed electrical-optical architecture could significantly improve the converters' ENOB. We model and analyze the ENOB limitations arising from optical sources in optically enabled, spectrally sliced ADCs, after discussing the system architecture and implementation details. The phase noise of the optical carrier, serving for electro-optic signal transduction, is shown not to propagate to the reconstructed digitized signal and therefore not to represent a fundamental limit. The optical phase noise of the MLL used to generate reference tones for individual slices also does not fundamentally impact the converted signal, so long as it remains correlated among all the comb lines. On the other hand, the timing jitter of the MLL, as also reflected in its RF linewidth, is fundamentally limiting the ADC performance, since it is directly mapped as jitter to the converted signal. The hybrid nature of a photonically enabled, spectrally sliced ADC implies the utilization of a number of reduced bandwidth electrical ADCs to convert parallel slices, resulting in the propagation of jitter from the electrical oscillator supplying their clock. Due to the reduced sampling rate of the electrical ADCs, as compared to the overall system, the overall noise performance of the presented architecture is substantially improved with respect to a fully electrical ADC

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