Ultra-wideband indoor communications using optical technology

La communication ultra large bande (UWB) a attiré une énorme quantité de recherches ces dernières années, surtout après la présentation du masque spectral de US Federal Communications Commission (FCC). Les impulsions ultra-courtes permettent de très hauts débits de faible puissance tout en éliminant les interférences avec les systèmes existants à bande étroite. La faible puissance, cependant, limite la portée de propagation des radios UWB à quelques mètres pour la transmission sans fil à l’intérieur d’une pièce. En outre, des signaux UWB reçu sont étendus dans le temps en raison de la propagation par trajet multiple qui résulte en beaucoup d’interférence inter-symbole (ISI) à haut débit. Le monocycle Gaussien, l’impulsion la plus commune dans UWB, a une mauvaise couverture sous le masque de la FCC. Dans cette thèse, nous démontrons des transmet- teurs qui sont capables de générer des impulsions UWB avec une efficacité de puissance élevée. Une impulsion efficace résulte dans un rapport de signal à bruit (SNR) supérieur au récepteur en utilisant plus de la puissance disponible sous le masque spectral de la FCC. On produit les impulsions dans le domaine optique et utilise la fibre optique pour les transporter sur plusieurs kilomètres pour la distribution dans un réseau optique pas- sif. La fibre optique est très fiable pour le transport des signaux radio avec une faible consommation de puissance. On utilise les éléments simples comme un modulateur Mach-Zehnder ou un résonateur en anneau pour générer des impulsions, ce qui permet l’intégration dans le silicium. Compatible avec la technologie CMOS, la photonique sur silicium a un potentiel énorme pour abaisser le coût et l’encombrement des systèmes optiques. La photodétection convertit les impulsions optiques en impulsions électriques avant la transmission sur l’antenne du côté de l’utilisateur. La réponse fréquentielle de l’antenne déforme la forme d’onde de l’impulsion UWB. Nous proposons une technique d’optimisation non-linéaire qui prend en compte la distorsion d’antenne pour trouver des impulsions qui maximisent la puissance transmise, en respectant le masque spectral de la FCC. Nous travaillons avec trois antennes et concevons une impulsion unique pour chacune d’entre elle. L’amélioration de l’énergie des impulsions UWB améliore directement la SNR au récepteur. Les résultats de simulation montrent que les impulsions optimisées améliorent considérablement le taux d’erreur (BER) par rapport au monocycle Gaussien sous propagation par trajet multiple. Notre autre contribution est l’évaluation d’un filtre adapté pour recevoir efficacement des impulsions UWB. Le filtre adapté est synthétisé et fabriqué en technologie microstrip, en collaboration avec l’Université McGill comme un dispositif de bande interdite électromagnétique. La réponse fréquentielle du filtre adapté montre une ex- cellente concordance avec le spectre ciblé de l’impulsion UWB. Les mesures de BER confirment la performance supérieure du filtre adapté par rapport à un récepteur à conversion directe. Le canal UWB est très riche en trajet multiple conduisant à l’ISI à haut débit. Notre dernière contribution est l’étude de performance des récepteurs en simulant un système avec des conditions de canaux réalistes. Les résultats de la simulation montrent que la performance d’un tel système se dégrade de façon significative pour les hauts débits. Afin de compenser la forte ISI dans les taux de transfert de données en Gb/s, nous étudions l’algorithme de Viterbi (VA) avec un nombre limité d’états et un égaliseur DFE (decision feedback equalizer). Nous examinons le nombre d’états requis dans le VA, et le nombre de coefficients du filtre dans le DFE pour une transmission fiable de UWB en Gb/s dans les canaux en ligne de vue. L’évaluation par simulation de BER confirme que l’égalisation améliore considérablement les performances par rapport à la détection de symbole. La DFE a une meilleure performance par rapport à la VA en utilisant une complexité comparable. La DFE peut couvrir une plus grande mémoire de canal avec un niveau de complexité relativement réduit.Ultra-wideband (UWB) communication has attracted an enormous amount of research in recent years, especially after the introduction of the US Federal Communications Commission (FCC) spectral mask. Ultra-short pulses allow for very high bit-rates while low power eliminates interference with existing narrowband systems. Low power, however, limits the propagation range of UWB radios to a few meters for indoors wireless transmission. Furthermore, received UWB signals are spread in time because of multipath propagation which results in high intersymbol interference at high data rates. Gaussian monocycle, the most commonly employed UWB pulse, has poor coverage under the FCC mask. In this thesis we demonstrate transmitters capable of generating UWB pulses with high power efficiency at Gb/s bit-rates. An efficient pulse results in higher signal-to-noise ratio (SNR) at the receiver by utilizing most of the available power under the FCC spectral mask. We generate the pulses in the optical domain and use optical fiber to transport the pulses over several kilometers for distribution in a passive optical network. Optical fiber is very reliable for transporting radio signals with low power consumption. We use simple elements such as a Mach Zehnder modulator or a ring resonator for pulse shaping, allowing for integration in silicon. Being compatible with CMOS technology, silicon photonics has huge potential for lowering the cost and bulkiness of optical systems. Photodetection converts the pulses to the electrical domain before antenna transmission at the user side. The frequency response of UWB antennas distorts the UWB waveforms. We pro- pose a nonlinear optimization technique which takes into account antenna distortion to find pulses that maximize the transmitted power, while respecting the FCC spectral mask. We consider three antennas and design a unique pulse for each. The energy improvement in UWB pulses directly improves the receiver SNR. Simulation results show that optimized pulses have a significant bit error rate (BER) performance improvement compared to the Gaussian monocycle under multipath propagation. Our other contribution is evaluating a matched filter to receive efficiently designed UWB pulses. The matched filter is synthesized and fabricated in microstrip technology in collaboration with McGill University as an electromagnetic bandgap device. The frequency response of the matched filter shows close agreement with the target UWB pulse spectrum. BER measurements confirm superior performance of the matched filter compared to a direct conversion receiver. The UWB channel is very rich in multipath leading to ISI at high bit rates. Our last contribution is investigating the performance of receivers by simulating a system employing realistic channel conditions. Simulation results show that the performance of such system degrades significantly for high data rates. To compensate the severe ISI at gigabit rates, we investigate the Viterbi algorithm (VA) with a limited number of states and the decision feedback equalizer (DFE). We examine the required number of states in the VA, and the number of taps in the DFE for reliable Gb/s UWB trans- mission for line-of-sight channels. Non-line-of-sight channels were also investigated at lower speeds. BER simulations confirm that equalization considerably improves the performance compared to symbol detection. The DFE results in better performance compared to the VA when using comparable complexity as the DFE can cover greater channel memory with a relatively low complexity level

UWB pulse shaping using fiber bragg gratings

Dans ce mémoire, nous concevons et générons des impulsions ultra large bande (UWB) qui exploitent efficacement le masque spectral de la "US Federal Communications Commission" (FCC). Une impulsion efficace améliore le rapport signal à bruit au récepteur en utilisant la majorité de la puissance disponible sous le masque spectral défini par la FCC, ce qui réduit la probabilité d'erreur. Pour trouver les formes d'onde efficaces, nous combinons plusieurs impulsions de type monocycle Gaussien séparées avec certains délais. Chaque monocycle Gaussien a une amplitude inconnue. Les amplitudes sont trouvées par un processus d'optimisation qui maximise la puissance de l'impulsion en respectant le masque spectral de la FCC sur toute la largeur de bande allouée aux communications UWB. Les impulsions efficaces sont réalisées par des filtres à réseaux de Bragg (FBG) dans le domaine optique. L'impulsion temporelle est écrite dans le domaine fréquentiel, et une fibre inonomode fait la conversion fréquence-à-temps. La forme d'onde est inscrite dans le domaine fréquentiel par un FBG. Un photo détecteur balancé élimine l'impulsion rectangulaire non-désirée qui est superposée à la forme d'onde désirée. Une excellente concordance entre les designs et les mesures est accomplie. Les formes d'ondes générées sont propagées entre des antennes à large bande. La réponse impulsionnelle non-idéale des antennes dégrade l'impulsion désirée, ce qui réduit l'efficacité. Nous mesurons la réponse impulsionnelle de l'antenne et l'utilisons dans le processus d'optimisation pour concevoir une forme d'onde efficace adaptée à la réponse de l'antenne. Comme avant, cette forme d'onde est générée avec un FBG. Les résultats expérimentaux montrent une excellente concordance avec la théorie et une amélioration significative de l'efficacité de puissance