Multi look-up table FPGA implementation of an adaptive digital predistorter for linearizing RF power amplifiers with memory effects

This paper presents a hardware implementation of a digital predistorter (DPD) for linearizing RF power amplifiers (PAs) for wideband applications. The proposed predistortion linearizer is based on a nonlinear auto-regressive moving average (NARMA) structure, which can be derived from the NARMA PA behavioral model and then mapped into a set of scalable lookup tables (LUTs). The linearizer takes advantage of its recursive nature to relax the LUT count needed to compensate memory effects in PAs. Experimental support is provided by the implementation of the proposed NARMA DPD in a field-programmable gate-array device to linearize a 170-W peak power PA, validating the recursive DPD NARMA structure for W-CDMA signals and flexible transmission bandwidth scenarios. To the best of the authors’ knowledge, it is the first time that a recursive structure is experimentally validated for DPD purposes. In addition to the results on PA efficiency and linearity, this paper addresses many practical implementation issues related to the use of FPGA in DPD applications, giving an original insight on actual prototyping scenarios. Finally, this study discusses the possibility of further enhancing the overall efficiency by degrading the PA operation mode, provided that DPD may be unavoidable due to the impact of memory effects.Peer Reviewe

Bandwidth Compressed Waveform and System Design for Wireless and Optical Communications: Theory and Practice

This thesis addresses theoretical and practical challenges of spectrally efficient frequency division multiplexing (SEFDM) systems in both wireless and optical domains. SEFDM improves spectral efficiency relative to the well-known orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) by non-orthogonally multiplexing overlapped sub-carriers. However, the deliberate violation of orthogonality results in inter carrier interference (ICI) and associated detection complexity, thus posing many challenges to practical implementations. This thesis will present solutions for these issues. The thesis commences with the fundamentals by presenting the existing challenges of SEFDM, which are subsequently solved by proposed transceivers. An iterative detection (ID) detector iteratively removes self-created ICI. Following that, a hybrid ID together with fixed sphere decoding (FSD) shows an optimised performance/complexity trade-off. A complexity reduced Block-SEFDM can subdivide the signal detection into several blocks. Finally, a coded Turbo-SEFDM is proved to be an efficient technique that is compatible with the existing mobile standards. The thesis also reports the design and development of wireless and optical practical systems. In the optical domain, given the same spectral efficiency, a low-order modulation scheme is proved to have a better bit error rate (BER) performance when replacing a higher order one. In the wireless domain, an experimental testbed utilizing the LTE-Advanced carrier aggregation (CA) with SEFDM is operated in a realistic radio frequency (RF) environment. Experimental results show that 40% higher data rate can be achieved without extra spectrum occupation. Additionally, a new waveform, termed Nyquist-SEFDM, which compresses bandwidth and suppresses out-of-band power leakage is investigated. A 4th generation (4G) and 5th generation (5G) coexistence experiment is followed to verify its feasibility. Furthermore, a 60 GHz SEFDM testbed is designed and built in a point-to-point indoor fiber wireless experiment showing 67% data rate improvement compared to OFDM. Finally, to meet the requirements of future networks, two simplified SEFDM transceivers are designed together with application scenarios and experimental verifications

Adaptive loading algorithms for optical OFDM transmission systems

Desarrollo de algoritmos adaptativos para la transmision de se?ales OFDM por fibra optica a nivel de asignacion de bits por portadora (bit loading) y de potencia por portadora (power loading) y tambien combinaciones de ambos. Simulacion y test de los sistemas en software profesional (VPI)

Study of all-optical network monitoring techniques based on high resolution spectral measurement

En la presente tesis, "Estudio de técnicas todo ópticas de monitorización de redes basadas en medidas de alta resolución espectral", se resume el trabajo llevado a cabo por su autor, Pascual Sevillano Reyes, en la línea de investigación de espectroscopía óptica basada en Brillouin y fenómenos no lineales en fibras ópticas, dentro del Grupo de Tecnologías Fotónicas (GTF). Todo este trabajo se ha llevado a cabo en colaboración con la empresa Aragon Photonics Labs y bajo la supervisión de Jesús Subías Domingo y Asier Villafranca Velasco. A lo largo de la tesis se han estudiado novedosos métodos para abordar la medida de la degradación de la señal en dominio óptico. Debido a las ventajas que el análisis en dominio óptico presenta en comparación con el análisis en dominio eléctrico, la investigación se ha centrado en el análisis e identificación de los límites que presentan las técnicas en dominio óptico para el análisis de los fenómenos de degradación más comunes. En aras de aumentar la eficiencia espectral, los nuevos esquemas de modulación se han diseñado para codificar la información haciendo uso de las diferentes propiedades físicas de las ondas electromagnéticas. Se ha estudiado cómo la codificación de estas propiedades físicas en la señal afecta a su diferenciación con el ruido a la hora de distinguirlas con técnicas en dominio espectral. En estos esquemas avanzados se evalúa también la creciente necesidad de medir las distorsiones fruto de la despolarización de la señal. También se han presentado los nuevos retos que las técnicas de monitorización actuales y futuras deberán ser capaces de abordar. Con el fin de evaluar las limitaciones máximas que se pueden obtener con el análisis en dominio óptico, hemos empleado la difusión Brillouin estimulada como técnica de filtrado para resolver el espectro óptico. Debido a su alta resolución y su sensibilidad a la polarización, la técnica recupera la máxima cantidad de información que se puede extraer del espectro óptico. La tesis parte de una revisión de los distintos parámetros que se usan para monitorizar el estado y la degradación presentes en señales ópticas de comunicaciones. Se describen desde un principio los fenómenos físicos asociados a dichas distorsiones y cómo se relacionan con los parámetros de medida expuestos. Se presenta como herramienta fundamental de análisis la difusión de Brillouin estimulada (SBS), analizándose sus propiedades y dependencias de las que más tarde se hará uso. Desde un principio se muestra cómo la creciente multiplexación de información en distintas propiedades físicas de la señal acarrea una pérdida de grados de libertad a la hora de distinguirla con respecto del ruido, y por tanto se dificulta cada vez más la posibilidad de su diferenciación. A lo largo de la tesis se pone de manifiesto la necesidad de medir la distorsión de la señal fruto de la dispersión del vector de polarización debido a efectos como la PMD o efectos no lineales. En el segundo capítulo se abordan las medidas de la relación señal-ruido ópticas (OSNR). Basándonos en los principios fundamentales de la monitorización óptica de prestaciones, se persigue en este capítulo la medida de la distorsión de la señal a través de la información que se pueda recuperar en la capa física. Se analizan los problemas de medida asociados a la falta de resolución en esquemas de multiplexación ultra densa en longitud de onda, y las potenciales soluciones que brinda la alta resolución. Debido a su creciente implantación, se analizan los esquemas de modulación basados en múltiples portadoras con el objetivo de correlar la distorsión final obtenida en dominio eléctrico, con los datos que se puedan obtener en dominio óptico. Para tal propósito, se desarrolla un algoritmo para medir y aislar la potencia óptica de cada subportadora presente en la banda de modulación; se define un parámetro de OSNR para cada subportadora (SC-OSNR) y se correla con los valores de distorsión en dominio eléctrico. Se corrobora que la tendencia es la esperada y que la medida sirve para caracterizar la distorsión individual de cada subportadora sin necesidad de recurrir a una medida global. Basándose en las diferentes propiedades de polarización que presentan ruido y señal, se explican los métodos actuales de medida de ruido basados en supresión de la señal por polarización. Se explican las diferentes limitaciones que presentan estos métodos y cómo el propio filtrado basado en SBS puede actuar de elemento selectivo en polarización y longitud de onda simultáneamente. Se describe también un método para la medida de supresión de señal y medida de ruido dentro de banda, basado en dichas dependencias y en la modificación del estado de polarización de las distintas componentes espectrales de la señal, llegando finalmente a poder suprimir componentes de señal en rangos espectrales estrechos, y recuperando el valor real de ruido subyacente en la banda. En el tercer capítulo se presenta el análisis y medidas de la degradación de la polarización en la señal. Basándose en las dependencias de polarización del SBS, se describe cómo se ha llegado a desarrollar y patentar un sistema de medida del estado de polarización resuelto espectralmente para toda la banda C de comunicaciones. En el capítulo se muestran los fundamentos teóricos y los detalles técnicos del equipo resultante. Se presentan distintas pruebas para comprobar la resolución y fiabilidad de las medidas obtenidas con el sistema. Por último se muestran las prestaciones que permite alcanzar la técnica para medidas en distintos escenarios. Se muestra cómo la técnica permite una caracterización completa de cualquier distorsión debida a PMD, midiendo el estado de polarización de todas las componentes. Partiendo de estos datos se puede obtener también una supresión selectiva individualizada de las distintas componentes, usando el propio laser de bombeo para resolver el ruido subyacente. También se pode de manifiesto cómo los datos resultantes pueden servir para identificar si la distorsión presente en la polarización puede tener su origen en fenómenos no lineales, como la modulación cruzada de fase (XPM). Con los resultados obtenidos en los distintos escenarios se prueba la versatilidad de la medida. El objetivo en el capítulo cuarto es el planteamiento y estudio de nuevas técnicas de monitorización de OSNR, que puedan ser empleadas en esquemas basados en multiplexación de polarización. Para tal fin se analiza la coherencia que presentan las señales de tráfico real. Se profundiza en las distintas propiedades que presenta el espectro óptico instantáneo de una señal, en función de la aleatoriedad de la secuencia de bits transmitidos. Posteriormente, se observa la dinámica de los valores de potencia que sigue una componente espectral, cuando se transmiten señales con diferente grado de aleatoriedad definido en los estándares de modulación. Se comprueban, con simulaciones y ajustes, las dependencias esperadas y por último se muestran las limitaciones que presenta la técnica. El capítulo quinto recoge las siguientes conclusiones generales de la tesis. *El uso de U-DWDM y filtrado estrecho de canales dificulta la medida de OSNR basado en la identificación de señal y ruido en el espectro óptico. En estos escenarios, el poder resolutivo de la técnica de filtrado juega un papel muy importante, y el uso de ROADM exige un análisis exhaustivo y cuidadosos de las medidas obtenidas. El filtrado mediante difusión Brillouin estimulada presenta una gran ventaja en estos casos debido a su alta resolución espectral, aunque este filtrado estrecho lleve asociado una sensibilidad mermada que limita la medida de la densidad espectral del ruido. *El análisis de la distorsión en señales con formatos de modulación basados en múltiples portadoras no se puede llevar a cabo con la normativa estándar, ya que ésta fue diseñada para sistemas de modulación de portadora única. Para estos esquemas, el uso de la alta resolución presenta ventajas adicionales ya que permite la caracterización de otros parámetros de calidad de la modulación basándose en el espectro óptico de la misma. *El filtrado basado en difusión Brilluoin estimulada se puede usar para alcanzar una monitorización individualizada de las subportadoras involucradas en sistemas de modulación de múltiples portadoras tales como el OFDM. Se ha desarrollado un algoritmo con el fin de medir y aislar la potencia óptica de cada una de las diferentes subportadoras presentes, con estos datos hemos analizado la distorsión en la recepción y hemos hallado una relación entre las medidas obtenidas en dominio eléctrico y las resultantes de nuestro análisis . Basándonos en esta nueva definición, SC-OSNR, hemos conseguido medir las prestaciones de cada sub-portadora de manera individual. Esta caracterización abre la posibilidad al diseño atendiendo a la distorsión presente en cada sub-portador, en vez de basarse en una prestación media para toda la banda de modulación. *Cuando la señal y el ruido poseen el mismo ancho de banda en el espectro, se ha corroborado la imposibilidad de medir el ASE. En estos casos se puede usar la polarización para distinguir entre ambos. Haciendo uso de la sensibilidad a la polarización que presenta la difusión Brillouin estimulada, se puede obtener el OSNR dentro de la banda de la señal generando un cambio selectivo y de gran magnitud en el vector de polarización de las distintas componentes espectrales. Sin necesidad de un polarizador y haciendo uso de su alto poder resolutivo, el sistema puede suprimir selectivamente la contribución de las distintas componentes espectrales de la señal y revelar el ruido subyacente. *Mejorando el control del estado de la polarización del láser del bombeo en la difusión Brillouin estimulada, se ha desarrollado un novedoso método para la medida del estado de la polarización resuelto espectralmente. Basándonos en la resolución espectral de la difusión Brillouin estimulada y de la dependencia que presenta su ganancia con la polarización, se ha conseguido desarrollar una polarimetría espectral completa con la resolución del filtro basado en SBS. Sin necesidad de un alineamiento o conocimiento previo del estado de la señal, la técnica consigue resolver el estado de polarización de múltiples señales en rangos espectrales amplios sin sacrificar su alta resolución. *La polarización se puede usar para diferenciar entre señal y ruido siempre y cuando no se trate de un sistema basado en multiplexación de polarización. No obstante, la despolarización parcial de la señal asociada a fenómenos como la dispersión de modo de polarización (PMD) o como efectos no lineales, impide la medida por supresión. En estos casos, una medida corriente del grado de polarización o una simple proyección del estado de la señal sobre un polarizador se muestra insuficiente para poder identificar señal y ruido de acuerdo con su polarización. Sin embargo, una caracterización completa del estado de polarización, fruto de una polarimetría espectral de alta resolución, permite una cuantificación y clasificación de todos los fenómenos de distorsión asociados a polarización, a través de los valores de los estados de polarización de cada componente espectral, y su variación a lo largo el ancho de banda. *Los esquemas basados en multiplexación de la polarización impiden el uso de técnicas de medida de OSNR basadas en supresión de la polarización. Cuando la señal es modulada con dos secuencias de bits descorreladas en dos estados perpendiculares de polarización, presenta una aparente despolarización que hace que se asemeje en sus propiedades a las del ruido. Para estos casos se propone una técnica novedosa. Basándose en las medida de las densidad de potencia espectral instantánea y su dinámica, la técnica permite diferenciar entre la componente de señal y ruido, debido a la coherencia remanente que existe en la señal, fruto de la periodicidad de la estructura de datos presente. Aunque las medidas corroboran los supuestos presentados en las etapas de desarrollo iniciales, solo conseguimos tener éxito en aquellos casos donde el nivel de ruido era muy elevado y no se pudo llegar a medir valores significativos para considerarlo una técnica robusta

Next-generation optical access networks based on Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is a robust modulation and multiplexing format which is at the base of many present communication standards. The interest of the OFDM application in optical fiber deployments is quite recent. As the next generation of Passive Optical Networks (NG-PONs) is envisioned, targeting greater capacity and user counts, the limitations of TDMA (Time Division Multiplexing Access) approaches to meet the expected increase in requirements becomes evident and therefore new technologies are being explored. Optical OFDMA is an emerging technology which can be a promising candidate. The main goal of this Master Thesis is to study the problem of users multiplexing in access networks, using OFDM as a technology to transmit the user information data. This work has focused in the uplink study of the network, because it is the most challenging part of the network to design. The studies have been conducted both in a theoretical way and also by simulating the targeted environments by means of a fiber optics transmission simulation tool. Virtual Photonics Integrated (VPI) is the software selected for the simulations. This tool is specially designed to simulate optical transmission system environments. The analysis of the Optical Beat Interference, which is a critical impairment in optical carrier multiplexing schemes, is the most important part of the user multiplexing study

High Granularity approaches for effective energy delivery from Photovoltaic Sources

Silicon solar cell technology is a fully mature technology but the need to compete with traditional and other renewable energy sources urges to improve the overall efficiency of a photovoltaic (PV) system by a significant amount. Regardless of the solar panel efficiency, the difference between the nominal performance of a PV system and the energy actually produced is quite high, and it can be quantified in the order of 20%. A loss term, often underestimated, depends on possible failure of the Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithms in the presence of multiple maximum power points in power-voltage characteristic, arising in mismatch conditions. This work proposes High Granularity (HG) approaches in order to improve the PV energy yield: a monitoring strategy, a modeling and a power flux control of the whole PV system, all performed at level of single elementary source (i.e., PV cell or PV panel). An innovative HG sensor infrastructure was developed, and the measurements were exploited to perform an automatic PV system reconfiguration, and to design an information based MPPT. Moreover, the data validated a circuit HG model describing the PV system at single cell level, which also accounts for the electrothermal effect. The model was exploited in an automatic tool which translates an AutoCAD project of a PV plant in an equivalent circuit netlist. Finally, the results were employed to investigate the effectiveness of distributed power conversion – in particular the efficiency of the multilevel cascaded H bridge converter controlled by means of an innovative strategy, which overcomes some issues related to the need of performing a distributed MPPT, was assessed

Systèmes OFDM optiques à détection directe à complexité réduite pour les communications à haut débit

A possible approach to maximize the data rate per wavelength, is to employ the high spectral efficiency discrete multitone (DMT) modulation. The work presented in this thesis mainly focuses on optimizing the power consumption and cost of DMT, that are the major obstacles to its market development. Within this context, we have first developed novel techniques permitting to discard the use of Hermitian symmetry in DMT modulations, thus significantly reducing the power consumption and the system cost. We have next proposed an asymmetric linear companding algorithm permitting to reduce the optical power of conventional DCO-OFDM modulation with a moderate complexity. A new VCSEL behavioural model based on the use of the VCSEL quasi-static characteristic was also developed to accurately evaluate the VCSEL impact on DMT modulations. Finally, we have built an experimental system to experimentally validate our proposed techniques. Several simulations and measurement results are then provided.Une approche pour augmenter le débit par longueur d'onde, est d'utiliser la modulation DMT (Discrete Multitone) à haute efficacité spectrale. Le travail présenté dans cette thèse se focalise principalement sur l'optimisation de la consommation en puissance et le coût de la DMT, qui présentent des obstacles majeurs à son industrialisation. Dans ce cadre, nous avons tout d'abord développé des nouvelles techniques permettant d'exclure la symétrie Hermitienne des modulations DMT, réduisant ainsi considérablement la consommation en puissance et le coût du système. Nous avons ensuite proposé un algorithme de compression linéaire asymétrique permettant de réduire la puissance optique de la modulation DMT avec une complexité modérée. Un nouveau modèle comportemental du VCSEL basé sur la caractéristique quasi-statique a été également développé. Nous avons enfin validé expérimentalement les techniques que nous avons proposées. Plusieurs résultats de simulations et de mesures sont ainsi présentés

6G wireless communications networks: a comprehensive survey

The commercial fifth-generation (5G) wireless communications networks have already been deployed with the aim of providing high data rates. However, the rapid growth in the number of smart devices and the emergence of the Internet of Everything (IoE) applications, which require an ultra-reliable and low-latency communication, will result in a substantial burden on the 5G wireless networks. As such, the data rate that could be supplied by 5G networks will unlikely sustain the enormous ongoing data traffic explosion. This has motivated research into continuing to advance the existing wireless networks toward the future generation of cellular systems, known as sixth generation (6G). Therefore, it is essential to provide a prospective vision of the 6G and the key enabling technologies for realizing future networks. To this end, this paper presents a comprehensive review/survey of the future evolution of 6G networks. Specifically, the objective of the paper is to provide a comprehensive review/survey about the key enabling technologies for 6G networks, which include a discussion about the main operation principles of each technology, envisioned potential applications, current state-of-the-art research, and the related technical challenges. Overall, this paper provides useful information for industries and academic researchers and discusses the potentials for opening up new research directions