Implementation techniques for evolvable HW systems: virtual vs. dynamic reconfiguration

Adaptive hardware requires some reconfiguration capabilities. FPGAs with native dynamic partial reconfiguration (DPR) support pose a dilemma for system designers: whether to use native DPR or to build a virtual reconfigurable circuit (VRC) on top of the FPGA which allows selecting alternative functions by a multiplexing scheme. This solution allows much faster reconfiguration, but with higher resource overhead. This paper discusses the advantages of both implementations for a 2D image processing matrix. Results show how higher operating frequency is obtained for the matrix using DPR. However, this is compensated in the VRC during evolution due to the comparatively negligible reconfiguration time. Regarding area, the DPR implementation consumes slightly more resources due to the reconfiguration engine, but adds further more capabilities to the system.

Functional validation of MB-OFDM system using HW-in the loop

Functional validation of complex digital systems is a hard and critical task in the design flow. In particular, when dealing with communication systems, like Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ultra Wideband (MB-OFDM UWB), the design decisions taken during the process have to be validated at different levels in an easy way. In this work, a unified algorithm-architecture-circuit co-design environment for this type of systems, to be implemented in FPGA, is presented. The main objective is to find an efficient methodology for designing a configurable optimized MB-OFDM UWB system by using as few efforts as possible in verification stage, so as to speed up the development period. Although this efficient design methodology is tested and considered to be suitable for almost all types of complex FPGA designs, we propose a solution where both the circuit and the communication channel are tested at different levels (algorithmic, RTL, hardware device) using a common testbench.

A hardware in the loop design methodology for FPGA system and its application to complex functions

In this work, a unified algorithm-architecture-circuit co-design environment for complex FPGA system development is presented. The main objective is to find an efficient methodology for designing a configurable optimized FPGA system by using as few efforts as possible in verification stage, so as to speed up the development period. A proposed high performance FFT/iFFT processor for Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ultra Wideband (MB-OFDM UWB) system design process is given as an example to demonstrate the proposed methodology. This efficient design methodology is tested and considered to be suitable for almost all types of complex FPGA system designs and verifications.

Estudio y desarrollo de sensores de fibra óptica para detección de vibraciones en ductos ascendentes submarinos

En esta tesis doctoral se describe el trabajo de investigación enfocado al estudio y desarrollo de sensores de fibra óptica para la detección de presión, flujo y vibraciones en ductos ascendentes submarinos utilizados en la extracción y transporte de hidrocarburos, con el objetivo de aplicarlos en los campos de explotación de aguas profundas en el Golfo de México pertenecientes a la Industria Petrolera Mexicana. El trabajo se ha enfocado al estudio y desarrollo de sensores ópticos cuasi distribuidos y distribuidos. En especial se ha profundizado en el uso y aplicación de las redes de Bragg (FBG) y de reflectómetros ópticos en el dominio del tiempo sensible a la fase (φ-OTDR). Los sensores de fibra óptica son especialmente interesantes para estas aplicaciones por sus ventajosas características como su inmunidad a interferencias electromagnéticas, capacidad de multiplexado, fiabilidad para trabajar en ambientes hostiles, altas temperaturas, altas presiones, ambientes salino-corrosivos, etc. Además, la fibra óptica no solo es un medio sensor sino que puede usarse como medio de transmisión. Se ha realizado un estudio del estado del arte y las ventajas que presentan los sensores ópticos puntuales, cuasi-distribuidos y distribuidos con respecto a los sensores convencionales. Se han estudiado y descrito los interrogadores de redes de Bragg y se ha desarrollado un método de calibración útil para los interrogadores existentes en el mercado, consiguiendo incertidumbres en la medida de la longitud de onda menores de ± 88 nm e incertidumbres relativas (la mas interesante en el campo de los sensores) menores de ±3 pm. Centrándose en la aplicación de las redes de Bragg en la industria del petróleo, se ha realizado un estudio en detalle del comportamiento que presentan las FBGs en un amplio rango de temperaturas de -40 ºC a 500 oC. Como resultado de este estudio se han evaluado las diferencias en los coeficientes de temperatura en diversos tramos de mas mismas, así como para diferentes recubrimientos protectores. En especial se ha encontrado y evaluado las diferencias de los diferentes recubrimientos en el intervalo de temperaturas entre -40 ºC y 60 ºC. En el caso del intervalo de altas temperaturas, entre 100 ºC y 500 ºC, se ha medido y comprobado el cambio uniforme del coeficiente de temperatura en 1pm/ºC por cada 100 ºC de aumento de temperatura, en redes independientemente del fabricante de las mismas. Se ha aplicado las FBG a la medición de manera no intrusiva de la presión interna en una tubería y a la medición del caudal de un fluido en una tubería, por la medida de diferencia de presión entre dos puntos de la misma. Además se ha realizado un estudio de detección de vibraciones en tuberías con fluidos. Finalmente, se ha implementado un sistema de detección distribuida de vibraciones aplicable a la detección de intrusos en las proximidades de los ductos, mediante un φ-OTDR. En este sistema se ha estudiado el efecto negativo de la inestabilidad de modulación que limita la detección de vibraciones distribuidas, su sensibilidad y su alcance. ABSTRACT This thesis describes the research work focused for the study and development of on optical fiber sensors for detecting pressure, flow and vibration in subsea pipes used in the extraction and transportation of hydrocarbons, in order to apply them in deepwater fields in the Gulf of Mexico belonging to the Mexican oil industry. The work has focused on the study and development of optical sensors distributed and quasi distributed. Especially was done on the use and application of fiber Bragg grating (FBG) and optical reflectometers time domain phase sensitive (φ-OTDR). The optical fiber sensors especially are interesting for these applications for their advantageous characteristics such as immunity to electromagnetic interference, multiplexing capability, reliability to work in harsh environments, high temperatures, high pressures, corrosive saline environments, etc. Furthermore, the optical fiber is not only a sensor means it can be used as transmission medium. We have performed a study of the state of the art and the advantages offered by optical sensors point, quasi-distributed and distributed over conventional sensors. Have studied and described interrogators Bragg grating and has developed a calibration method for interrogators useful for the existing interrogators in the market, resulting uncertainty in the measurement of the wavelength of less than ± 0.17 nm and uncertainties (the more interesting in the field of sensors) less than ± 3 pm. Focusing on the application of the Bragg gratings in the oil industry, has been studied in detail the behavior of the FBGs in a wide range of temperatures from -40 °C to 500 oC. As a result of this study we have evaluated the difference in temperature coefficients over various sections of the same, as well as different protective coatings. In particular evaluated and found the differences coatings in the range of temperatures between -40 º C and 60 º C. For the high temperature range between 20 ° C and 500 ° C, has been measured and verified the uniform change of the temperature coefficient at 1pm / ° C for each 100 ° C increase in temperature, in networks regardless of manufacturer thereof. FBG is applied to the non-intrusive measurement of internal pressure in a pipeline and measuring flow of a fluid in a pipe, by measuring the pressure difference between two points thereof. Therefore, has also made a study of detecting vibrations in pipes with fluids. Finally, we have implemented a distributed sensing system vibration applied to intrusion detection in the vicinity of the pipelines, by φ-OTDR. In this system we have studied the negative effect of modulation instability limits the distributed vibration detection, sensitivity and scope.

A robust procedure for damage detection from strain measurements based on principal component analysis

FBGs are excellent strain sensors, because of its low size and multiplexing capability. Tens to hundred of sensors may be embedded into a structure, as it has already been demonstrated. Nevertheless, they only afford strain measurements at local points, so unless the damage affects the strain readings in a distinguishable manner, damage will go undetected. This paper show the experimental results obtained on the wing of a UAV, instrumented with 32 FBGs, before and after small damages were introduced. The PCA algorithm was able to distinguish the damage cases, even for small cracks. Principal Component Analysis (PCA) is a technique of multivariable analysis to reduce a complex data set to a lower dimension and reveal some hidden patterns that underlie.

Ecualización y optimización de la codificación para la simulación de sistemas OFDM

Los sistemas basados en la técnica OFDM (Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales) son una evolución de los tradicionales sistemas FDM (Multiplexación por División de Frecuencia), gracias a la cual se consigue un mejor aprovechamiento del ancho de banda. En la actualidad los sistemas OFDM y sus variantes ocupan un lugar muy importante en las comunicaciones, estando implementados en diversos estándares como pueden ser: DVB-T (estándar de la TDT), ADSL, LTE, WIMAX, DAB (radio digital), etc. Debido a ello, en este proyecto se implementa un sistema OFDM en el que poder realizar diversas simulaciones para entender mejor su funcionamiento. Para ello nos vamos a valer de la herramienta Matlab. Los objetivos fundamentales dentro de la simulación del sistema es poner a prueba el empleo de turbo códigos (comparándolo con los códigos convolucionales tradicionales) y de un ecualizador. Todo ello con la intención de mejorar la calidad de nuestro sistema (recibir menos bits erróneos) en condiciones cada vez más adversas: relaciones señal a ruido bajas y multitrayectos. Para ello se han implementado las funciones necesarias en Matlab, así como una interfaz gráfica para que sea más sencillo de utilizar el programa y más didáctico. En los capítulos segundo y tercero de este proyecto se efectúa un estudio de las bases de los sistemas OFDM. En el segundo nos centramos más en un estudio teórico puro para después pasar en el tercero a centrarnos únicamente en la teoría de los bloques implementados en el sistema OFDM que se desarrolla en este proyecto. En el capítulo cuarto se explican las distintas opciones que se pueden llevar a cabo mediante la interfaz implementada, a la vez que se elabora un manual para el correcto uso de la misma. El quinto capítulo se divide en dos partes, en la primera se muestran las representaciones que puede realizar el programa, y en la segunda únicamente se realizan simulaciones para comprobar que tal responde nuestra sistema a distintas configuraciones de canal, y las a distintas configuraciones que hagamos nosotros de nuestro sistema (utilicemos una codificación u otra, utilicemos el ecualizador o el prefijo cíclico, etc…). Para finalizar, en el último capítulo se exponen las conclusiones obtenidas en este proyecto, así como posibles líneas de trabajo que seguir en próximas versiones del mismo. ABSTRACT. Systems based on OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) technique are an evolution of traditional FDM (Frequency Division Multiplexing). Due to the use of OFDM systems are achieved by more efficient use of bandwidth. Nowadays, OFDM systems and variants of OFDM systems occupy a very important place in the world of communications, being implemented in standards such as DVB-T, ADSL, LTE, WiMAX, DAB (digital radio) and another more. For all these reasons, this project implements a OFDM system for performing various simulations for better understanding of OFDM system operation. The system has been simulated using Matlab. With system simulation we search to get two key objectives: to test the use of turbo codes (compared to traditional convolutional codes) and an equalizer. We do so with the intention of improving the quality of our system (receive fewer rates of bit error) in increasingly adverse conditions: lower signal-to-noise and multipath. For these reasons necessaries Matlab´s functions have been developed, and a GUI (User Graphical Interface) has been integrated so the program can be used in a easier and more didactic way. This project is divided into five chapters. In the second and third chapter of this project are developed the basis of OFDM systems. Being developed in the second one a pure theoretical study, while focusing only on block theory implemented in the OFDM system in the third one. The fourth chapter describes the options that can be carried out by the interface implemented. Furthermore the chapter is developed for the correct use of the interface. The fifth chapter is divided into two parts, the first part shows to us the representations that the program can perform, and the second one just makes simulations to check that our system responds to differents channel configurations (use of convolutional codes or turbo codes, the use of equalizer or cyclic prefix…). Finally, the last chapter presents the conclusions of this project and possible lines of work to follow in future versions.

Design and Validation of an Optimized MB-OFDM Ultra Wideband Transceiver System

Esta tesis está incluida dentro del campo del campo de Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ultra Wideband (MB-OFDM UWB), el cual ha adquirido una gran importancia en las comunicaciones inalámbricas de alta tasa de datos en la última década. UWB surgió con el objetivo de satisfacer la creciente demanda de conexiones inalámbricas en interiores y de uso doméstico, con bajo coste y alta velocidad. La disponibilidad de un ancho de banda grande, el potencial para alta velocidad de transmisión, baja complejidad y bajo consumo de energía, unido al bajo coste de implementación, representa una oportunidad única para que UWB se convierta en una solución ampliamente utilizada en aplicaciones de Wireless Personal Area Network (WPAN). UWB está definido como cualquier transmisión que ocupa un ancho de banda de más de 20% de su frecuencia central, o más de 500 MHz. En 2002, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) definió que el rango de frecuencias de transmisión de UWB legal es de 3.1 a 10.6 GHz, con una energía de transmisión de -41.3 dBm/Hz. Bajo las directrices de FCC, el uso de la tecnología UWB puede aportar una enorme capacidad en las comunicaciones de corto alcance. Considerando las ecuaciones de capacidad de Shannon, incrementar la capacidad del canal requiere un incremento lineal en el ancho de banda, mientras que un aumento similar de la capacidad de canal requiere un aumento exponencial en la energía de transmisión. En los últimos años, s diferentes desarrollos del UWB han sido extensamente estudiados en diferentes áreas, entre los cuales, el protocolo de comunicaciones inalámbricas MB-OFDM UWB está considerado como la mejor elección y ha sido adoptado como estándar ISO/IEC para los WPANs. Combinando la modulación OFDM y la transmisión de datos utilizando las técnicas de salto de frecuencia, el sistema MB-OFDM UWB es capaz de soportar tasas de datos con que pueden variar de los 55 a los 480 Mbps, alcanzando una distancia máxima de hasta 10 metros. Se esperara que la tecnología MB-OFDM tenga un consumo energético muy bajo copando un are muy reducida en silicio, proporcionando soluciones de bajo coste que satisfagan las demandas del mercado. Para cumplir con todas estas expectativas, el desarrollo y la investigación del MBOFDM UWB deben enfrentarse a varios retos, como son la sincronización de alta sensibilidad, las restricciones de baja complejidad, las estrictas limitaciones energéticas, la escalabilidad y la flexibilidad. Tales retos requieren un procesamiento digital de la señal de última generación, capaz de desarrollar sistemas que puedan aprovechar por completo las ventajas del espectro UWB y proporcionar futuras aplicaciones inalámbricas en interiores. Esta tesis se centra en la completa optimización de un sistema de transceptor de banda base MB-OFDM UWB digital, cuyo objetivo es investigar y diseñar un subsistema de comunicación inalámbrica para la aplicación de las Redes de Sensores Inalámbricas Visuales. La complejidad inherente de los procesadores FFT/IFFT y el sistema de sincronización así como la alta frecuencia de operación para todos los elementos de procesamiento, se convierten en el cuello de la botella para el diseño y la implementación del sistema de UWB digital en base de banda basado en MB-OFDM de baja energía. El objetivo del transceptor propuesto es conseguir baja energía y baja complejidad bajo la premisa de un alto rendimiento. Las optimizaciones están realizadas tanto a nivel algorítmico como a nivel arquitectural para todos los elementos del sistema. Una arquitectura hardware eficiente en consumo se propone en primer lugar para aquellos módulos correspondientes a núcleos de computación. Para el procesado de la Transformada Rápida de Fourier (FFT/IFFT), se propone un algoritmo mixed-radix, basado en una arquitectura con pipeline y se ha desarrollado un módulo de Decodificador de Viterbi (VD) equilibrado en coste-velocidad con el objetivo de reducir el consumo energético e incrementar la velocidad de procesamiento. También se ha implementado un correlador signo-bit simple basado en la sincronización del tiempo de símbolo es presentado. Este correlador es usado para detectar y sincronizar los paquetes de OFDM de forma robusta y precisa. Para el desarrollo de los subsitemas de procesamiento y realizar la integración del sistema completo se han empleado tecnologías de última generación. El dispositivo utilizado para el sistema propuesto es una FPGA Virtex 5 XC5VLX110T del fabricante Xilinx. La validación el propuesta para el sistema transceptor se ha implementado en dicha placa de FPGA. En este trabajo se presenta un algoritmo, y una arquitectura, diseñado con filosofía de co-diseño hardware/software para el desarrollo de sistemas de FPGA complejos. El objetivo principal de la estrategia propuesta es de encontrar una metodología eficiente para el diseño de un sistema de FPGA configurable optimizado con el empleo del mínimo esfuerzo posible en el sistema de procedimiento de verificación, por tanto acelerar el periodo de desarrollo del sistema. La metodología de co-diseño presentada tiene la ventaja de ser fácil de usar, contiene todos los pasos desde la propuesta del algoritmo hasta la verificación del hardware, y puede ser ampliamente extendida para casi todos los tipos de desarrollos de FPGAs. En este trabajo se ha desarrollado sólo el sistema de transceptor digital de banda base por lo que la comprobación de señales transmitidas a través del canal inalámbrico en los entornos reales de comunicación sigue requiriendo componentes RF y un front-end analógico. No obstante, utilizando la metodología de co-simulación hardware/software citada anteriormente, es posible comunicar el sistema de transmisor y el receptor digital utilizando los modelos de canales propuestos por IEEE 802.15.3a, implementados en MATLAB. Por tanto, simplemente ajustando las características de cada modelo de canal, por ejemplo, un incremento del retraso y de la frecuencia central, podemos estimar el comportamiento del sistema propuesto en diferentes escenarios y entornos. Las mayores contribuciones de esta tesis son: • Se ha propuesto un nuevo algoritmo 128-puntos base mixto FFT usando la arquitectura pipeline multi-ruta. Los complejos multiplicadores para cada etapa de procesamiento son diseñados usando la arquitectura modificada shiftadd. Los sistemas word length y twiddle word length son comparados y seleccionados basándose en la señal para cuantización del SQNR y el análisis de energías. • El desempeño del procesador IFFT es analizado bajo diferentes situaciones aritméticas de bloques de punto flotante (BFP) para el control de desbordamiento, por tanto, para encontrar la arquitectura perfecta del algoritmo IFFT basado en el procesador FFT propuesto. • Para el sistema de receptor MB-OFDM UWB se ha empleado una sincronización del tiempo innovadora, de baja complejidad y esquema de compensación, que consiste en funciones de Detector de Paquetes (PD) y Estimación del Offset del tiempo. Simplificando el cross-correlation y maximizar las funciones probables solo a sign-bit, la complejidad computacional se ve reducida significativamente. • Se ha propuesto un sistema de decodificadores Viterbi de 64 estados de decisión-débil usando velocidad base-4 de arquitectura suma-comparaselecciona. El algoritmo Two-pointer Even también es introducido en la unidad de rastreador de origen con el objetivo de conseguir la eficiencia en el hardware. • Se han integrado varias tecnologías de última generación en el completo sistema transceptor basebanda , con el objetivo de implementar un sistema de comunicación UWB altamente optimizado. • Un diseño de flujo mejorado es propuesto para el complejo sistema de implementación, el cual puede ser usado para diseños de Cadena de puertas de campo programable general (FPGA). El diseño mencionado no sólo reduce dramáticamente el tiempo para la verificación funcional, sino también provee un análisis automático como los errores del retraso del output para el sistema de hardware implementado. • Un ambiente de comunicación virtual es establecido para la validación del propuesto sistema de transceptores MB-OFDM. Este método es provisto para facilitar el uso y la conveniencia de analizar el sistema digital de basebanda sin parte frontera analógica bajo diferentes ambientes de comunicación. Esta tesis doctoral está organizada en seis capítulos. En el primer capítulo se encuentra una breve introducción al campo del UWB, tanto relacionado con el proyecto como la motivación del desarrollo del sistema de MB-OFDM. En el capítulo 2, se presenta la información general y los requisitos del protocolo de comunicación inalámbrica MBOFDM UWB. En el capítulo 3 se habla de la arquitectura del sistema de transceptor digital MB-OFDM de banda base . El diseño del algoritmo propuesto y la arquitectura para cada elemento del procesamiento está detallado en este capítulo. Los retos de diseño del sistema que involucra un compromiso de discusión entre la complejidad de diseño, el consumo de energía, el coste de hardware, el desempeño del sistema, y otros aspectos. En el capítulo 4, se ha descrito la co-diseñada metodología de hardware/software. Cada parte del flujo del diseño será detallado con algunos ejemplos que se ha hecho durante el desarrollo del sistema. Aprovechando esta estrategia de diseño, el procedimiento de comunicación virtual es llevado a cabo para probar y analizar la arquitectura del transceptor propuesto. Los resultados experimentales de la co-simulación y el informe sintético de la implementación del sistema FPGA son reflejados en el capítulo 5. Finalmente, en el capítulo 6 se incluye las conclusiones y los futuros proyectos, y también los resultados derivados de este proyecto de doctorado. ABSTRACT In recent years, the Wireless Visual Sensor Network (WVSN) has drawn great interest in wireless communication research area. They enable a wealth of new applications such as building security control, image sensing, and target localization. However, nowadays wireless communication protocols (ZigBee, Wi-Fi, and Bluetooth for example) cannot fully satisfy the demands of high data rate, low power consumption, short range, and high robustness requirements. New communication protocol is highly desired for such kind of applications. The Ultra Wideband (UWB) wireless communication protocol, which has increased in importance for high data rate wireless communication field, are emerging as an important topic for WVSN research. UWB has emerged as a technology that offers great promise to satisfy the growing demand for low-cost, high-speed digital wireless indoor and home networks. The large bandwidth available, the potential for high data rate transmission, and the potential for low complexity and low power consumption, along with low implementation cost, all present a unique opportunity for UWB to become a widely adopted radio solution for future Wireless Personal Area Network (WPAN) applications. UWB is defined as any transmission that occupies a bandwidth of more than 20% of its center frequency, or more than 500 MHz. In 2002, the Federal Communications Commission (FCC) has mandated that UWB radio transmission can legally operate in the range from 3.1 to 10.6 GHz at a transmitter power of －41.3 dBm/Hz. Under the FCC guidelines, the use of UWB technology can provide enormous capacity over short communication ranges. Considering Shannon’s capacity equations, increasing the channel capacity requires linear increasing in bandwidth, whereas similar channel capacity increases would require exponential increases in transmission power. In recent years, several different UWB developments has been widely studied in different area, among which, the MB-OFDM UWB wireless communication protocol is considered to be the leading choice and has recently been adopted in the ISO/IEC standard for WPANs. By combing the OFDM modulation and data transmission using frequency hopping techniques, the MB-OFDM UWB system is able to support various data rates, ranging from 55 to 480 Mbps, over distances up to 10 meters. The MB-OFDM technology is expected to consume very little power and silicon area, as well as provide low-cost solutions that can satisfy consumer market demands. To fulfill these expectations, MB-OFDM UWB research and development have to cope with several challenges, which consist of high-sensitivity synchronization, low- complexity constraints, strict power limitations, scalability, and flexibility. Such challenges require state-of-the-art digital signal processing expertise to develop systems that could fully take advantages of the UWB spectrum and support future indoor wireless applications. This thesis focuses on fully optimization for the MB-OFDM UWB digital baseband transceiver system, aiming at researching and designing a wireless communication subsystem for the Wireless Visual Sensor Networks (WVSNs) application. The inherent high complexity of the FFT/IFFT processor and synchronization system, and high operation frequency for all processing elements, becomes the bottleneck for low power MB-OFDM based UWB digital baseband system hardware design and implementation. The proposed transceiver system targets low power and low complexity under the premise of high performance. Optimizations are made at both algorithm and architecture level for each element of the transceiver system. The low-power hardwareefficient structures are firstly proposed for those core computation modules, i.e., the mixed-radix algorithm based pipelined architecture is proposed for the Fast Fourier Transform (FFT/IFFT) processor, and the cost-speed balanced Viterbi Decoder (VD) module is developed, in the aim of lowering the power consumption and increasing the processing speed. In addition, a low complexity sign-bit correlation based symbol timing synchronization scheme is presented so as to detect and synchronize the OFDM packets robustly and accurately. Moreover, several state-of-the-art technologies are used for developing other processing subsystems and an entire MB-OFDM digital baseband transceiver system is integrated. The target device for the proposed transceiver system is Xilinx Virtex 5 XC5VLX110T FPGA board. In order to validate the proposed transceiver system in the FPGA board, a unified algorithm-architecture-circuit hardware/software co-design environment for complex FPGA system development is presented in this work. The main objective of the proposed strategy is to find an efficient methodology for designing a configurable optimized FPGA system by using as few efforts as possible in system verification procedure, so as to speed up the system development period. The presented co-design methodology has the advantages of easy to use, covering all steps from algorithm proposal to hardware verification, and widely spread for almost all kinds of FPGA developments. Because only the digital baseband transceiver system is developed in this thesis, the validation of transmitting signals through wireless channel in real communication environments still requires the analog front-end and RF components. However, by using the aforementioned hardware/software co-simulation methodology, the transmitter and receiver digital baseband systems get the opportunity to communicate with each other through the channel models, which are proposed from the IEEE 802.15.3a research group, established in MATLAB. Thus, by simply adjust the characteristics of each channel model, e.g. mean excess delay and center frequency, we can estimate the transmission performance of the proposed transceiver system through different communication situations. The main contributions of this thesis are: • A novel mixed radix 128-point FFT algorithm by using multipath pipelined architecture is proposed. The complex multipliers for each processing stage are designed by using modified shift-add architectures. The system wordlength and twiddle word-length are compared and selected based on Signal to Quantization Noise Ratio (SQNR) and power analysis. • IFFT processor performance is analyzed under different Block Floating Point (BFP) arithmetic situations for overflow control, so as to find out the perfect architecture of IFFT algorithm based on the proposed FFT processor. • An innovative low complex timing synchronization and compensation scheme, which consists of Packet Detector (PD) and Timing Offset Estimation (TOE) functions, for MB-OFDM UWB receiver system is employed. By simplifying the cross-correlation and maximum likelihood functions to signbit only, the computational complexity is significantly reduced. • A 64 state soft-decision Viterbi Decoder system by using high speed radix-4 Add-Compare-Select architecture is proposed. Two-pointer Even algorithm is also introduced into the Trace Back unit in the aim of hardware-efficiency. • Several state-of-the-art technologies are integrated into the complete baseband transceiver system, in the aim of implementing a highly-optimized UWB communication system. • An improved design flow is proposed for complex system implementation which can be used for general Field-Programmable Gate Array (FPGA) designs. The design method not only dramatically reduces the time for functional verification, but also provides automatic analysis such as errors and output delays for the implemented hardware systems. • A virtual communication environment is established for validating the proposed MB-OFDM transceiver system. This methodology is proved to be easy for usage and convenient for analyzing the digital baseband system without analog frontend under different communication environments. This PhD thesis is organized in six chapters. In the chapter 1 a brief introduction to the UWB field, as well as the related work, is done, along with the motivation of MBOFDM system development. In the chapter 2, the general information and requirement of MB-OFDM UWB wireless communication protocol is presented. In the chapter 3, the architecture of the MB-OFDM digital baseband transceiver system is presented. The design of the proposed algorithm and architecture for each processing element is detailed in this chapter. Design challenges of such system involve trade-off discussions among design complexity, power consumption, hardware cost, system performance, and some other aspects. All these factors are analyzed and discussed. In the chapter 4, the hardware/software co-design methodology is proposed. Each step of this design flow will be detailed by taking some examples that we met during system development. Then, taking advantages of this design strategy, the Virtual Communication procedure is carried out so as to test and analyze the proposed transceiver architecture. Experimental results from the co-simulation and synthesis report of the implemented FPGA system are given in the chapter 5. The chapter 6 includes conclusions and future work, as well as the results derived from this PhD work.

Wavelength monitoring with semiconductor laser amplifiers

The semiconductor laser diodes that are typically used in applications of optical communications, when working as amplifiers, present under certain conditions optical bistability, which is characterized by abruptly switching between two different output states and an associated hysteresis cycle. This bistable behavior is strongly dependent on the frequency detuning between the frequency of the external optical signal that is injected into the semiconductor laser amplifier and its own emission frequency. This means that small changes in the wavelength of an optical signal applied to a laser amplifier causes relevant changes in the characteristics of its transfer function in terms of the power requirements to achieve bistability and the width of the hysteresis. This strong dependence in the working characteristics of semiconductor laser amplifiers on frequency detuning suggest the use of this kind of devices in optical sensing applications for optical communications, such as the detection of shifts in the emission wavelength of a laser, or detect possible interference between adjacent channels in DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) optical communication networks

Quantum key distribution based on selective post-processing in passive optical networks

One of the main obstacles to the widespread adoption of quantum cryptography has been the difficulty of integration into standard optical networks, largely due to the tremendous difference in power of classical signals compared with the single quantum used for quantum key distribution. This makes the technology expensive and hard to deploy. In this letter, we show an easy and straightforward integration method of quantum cryptography into optical access networks. In particular, we analyze how a quantum key distribution system can be seamlessly integrated in a standard access network based on the passive optical and time division multiplexing paradigms. The novelty of this proposal is based on the selective post-processing that allows for the distillation of secret keys avoiding the noise produced by other network users. Importantly, the proposal does not require the modification of the quantum or classical hardware specifications neither the use of any synchronization mechanism between the network and quantum cryptography devices.

Quantum communications in optical networks

La posibilidad de utilizar sistemas cuánticos para procesar y transmitir información ha impulsado la aparición de tecnologías de información cuántica, p. ej., distribución cuántica de claves. Aunque prometedoras, su uso fuera del laboratorio es actualmente demasiado costoso y complicado. En este trabajo mostramos como utilizarlas en redes ópticas de telecomunicaciones. Al utilizar una infraestructura existente y pervasiva, y compartirla con otras señales, tanto clásicas como cuánticas, el coste se reduce drásticamente y llega a un mayor público. Comenzamos integrando señales cuánticas en los tipos más utilizados de redes ópticas pasivas, por su simplicidad y alcance a usuarios finales. Luego ampliamos este estudio, proponiendo un diseño de red óptica metropolitana basado en la división en longitud de onda para multiplexar y direccionar las señales. Verificamos su funcionamiento con un prototipo. Posteriormente, estudiamos la distribución de pares de fotones entrelazados entre los usuarios de dicha red con el objetivo de abarcar más tecnologías. Para ampliar la capacidad de usuarios, rediseñamos la red troncal, cambiando tanto la topología como la tecnología utilizada en los nodos. El resultado es una red metropolitana cuántica que escala a cualquier cantidad de usuarios, a costa de una mayor complejidad y coste. Finalmente, tratamos el problema de la limitación en distancia. La solución propuesta está basada en codificación de red y permite, mediante el uso de varios caminos y nodos, modular la cantidad de información que tiene cada nodo, y así, la confianza depositada en él. ABSTRACT The potential use of quantum systems to process and transmit information has impulsed the emergence of quantum information technologies such as quantum key distribution. Despite looking promising, their use out of the laboratory is limited since they are a very delicate technology due to the need of working at the single quantum level. In this work we show how to use them in optical telecommunication networks. Using an existing infrastructure and sharing it with other signals, both quantum and conventional, reduces dramatically the cost and allows to reach a large group of users. In this work, we will first integrate quantum signals in the most common passive optical networks, for their simplicity and reach to final users. Then, we extend this study by proposing a quantum metropolitan optical network based on wavelength-division multiplexing and wavelengthaddressing, verifying its operation mode in a testbed. Later, we study the distribution of entangled photon-pairs between the users of the network with the objective of covering as much different technologies as possible. We further explore other network architectures, changing the topology and the technology used at the nodes. The resulting network scales better at the cost of a more complex and expensive infrastructure. Finally, we tackle the distance limitation problem of quantum communications. The solution offered is based on networkcoding and allows, using multiple paths and nodes, to modulate the information leaked to each node, and thus, the degree of trust placed in them.

Entanglement Distribution in Quantum Metropolitan Optical Networks

The ability to generate entangled photon-pairs over a broad wavelength range opens the door to the simultaneous distribution of entanglement to multiple users of a network using a single source and wavelength-division multiplexing technologies. Here we show the design of a metropolitan optical network made of tree-type access networks where entangled photon-pairs are distributed to any pair of users, independently of their location. The resulting network improves the reach, number of users and capabilities of existing proposals. Moreover, it is made up of typical commercial components and uses the existing infrastructure, which allows for moderate deployment costs. Finally, we develop a channel plan and a network design that allow direct optical communications, quantum and classical, between any pair of users. Therefore, multiple quantum information technologies can make use of this network.

Entanglement distribution in optical networks

The ability to generate entangled photon pairs over a broad wavelength range opens the door to the simultaneous distribution of entanglement to multiple users in a network by using centralized sources and flexible wavelength-division multiplexing schemes. Here, we show the design of a metropolitan optical network consisting of tree-type access networks, whereby entangled photon pairs are distributed to any pair of users, independent of their location. The network is constructed employing commercial off-the-shelf components and uses the existing infrastructure, which allows for moderate deployment costs. We further develop a channel plan and a network-architecture design to provide a direct optical path between any pair of users; thus, allowing classical and one-way quantum communication, as well as entanglement distribution. This allows the simultaneous operation of multiple quantum information technologies. Finally, we present a more flexible backbone architecture that pushes away the load limitations of the original network design by extending its reach, number of users and capabilities.

Tendencias actuales y perspectivas de las comunicaciones ópticas

A short review to the main problems today in optical Communications is given. Several topics, namely, coherent optical systems, high-speed transmission systems, optical switching, fluoride glasses and wavelength division multiplexing are studied. Their status and future is reported. Some considerations coming out from the next ECOC'88, give way to the author impresions about the present and future of Optical Communications.

Arrays de sensores interferométricos recirculantes de fibra óptica

Two discrete interferometric sensors' arrays have been analysed from time división multiplexing of recirculating crossed loop structures based on singlemode optical fiber. Intensity impulsive responses for both arrays have been obtained and compared under different design considerations, calculating Ihe system coupling constants, signial to interference noise ratio, input pulse repetition rate and duty cycle for each case. First experimental results are shown in this paper and very simple temperature and pressure sensing applicalions are suggested from here.

Design and optimization of optical, fiber based PSK demodulators for high-bit-rate optical networks

El objetivo principal de esta tesis ha sido el diseño y la optimización de receptores implementados con fibra óptica, para ser usados en redes ópticas de alta velocidad que empleen formatos de modulación de fase. En los últimos años, los formatos de modulación de fase (Phase Shift keying, PSK) han captado gran atención debido a la mejora de sus prestaciones respecto a los formatos de modulación convencionales. Principalmente, presentan una mejora de la eficiencia espectral y una mayor tolerancia a la degradación de la señal causada por la dispersión cromática, la dispersión por modo de polarización y los efectos no-lineales en la fibra óptica. En este trabajo, se analizan en detalle los formatos PSK, incluyendo sus variantes de modulación de fase diferencial (Differential Phase Shift Keying, DPSK), en cuadratura (Differential Quadrature Phase Shift Keying, DQPSK) y multiplexación en polarización (Polarization Multiplexing Differential Quadrature Phase Shift Keying, PM-DQPSK), con la finalidad de diseñar y optimizar los receptores que permita su demodulación. Para ello, se han analizado y desarrollado nuevas estructuras que ofrecen una mejora en las prestaciones del receptor y una reducción de coste comparadas con las actualmente disponibles. Para la demodulación de señales DPSK, en esta tesis, se proponen dos nuevos receptores basados en un interferómetro en línea Mach-Zehnder (MZI) implementado con tecnología todo-fibra. El principio de funcionamiento de los MZI todo-fibra propuestos se asienta en la interferencia modal que se produce en una fibra multimodo (MMF) cuando se situada entre dos monomodo (SMF). Este tipo de configuración (monomodo-multimodo-monomodo, SMS) presenta un buen ratio de extinción interferente si la potencia acoplada en la fibra multimodo se reparte, principal y equitativamente, entre dos modos dominantes. Con este objetivo, se han estudiado y demostrado tanto teórica como experimentalmente dos nuevas estructuras SMS que mejoran el ratio de extinción. Una de las propuestas se basa en emplear una fibra multimodo de índice gradual cuyo perfil del índice de refracción presenta un hundimiento en su zona central. La otra consiste en una estructura SMS con las fibras desalineadas y donde la fibra multimodo es una fibra de índice gradual convencional. Para las dos estructuras, mediante el análisis teórico desarrollado, se ha demostrado que el 80 – 90% de la potencia de entrada se acopla a los dos modos dominantes de la fibra multimodo y se consigue una diferencia inferior al 10% entre ellos. También se ha demostrado experimentalmente que se puede obtener un ratio de extinción de al menos 12 dB. Con el objeto de demostrar la capacidad de estas estructuras para ser empleadas como demoduladores de señales DPSK, se han realizado numerosas simulaciones de un sistema de transmisión óptico completo y se ha analizado la calidad del receptor bajo diferentes perspectivas, tales como la sensibilidad, la tolerancia a un filtrado óptico severo o la tolerancia a las dispersiones cromática y por modo de polarización. En todos los casos se ha concluido que los receptores propuestos presentan rendimientos comparables a los obtenidos con receptores convencionales. En esta tesis, también se presenta un diseño alternativo para la implementación de un receptor DQPSK, basado en el uso de una fibra mantenedora de la polarización (PMF). A través del análisi teórico y del desarrollo de simulaciones numéricas, se ha demostrado que el receptor DQPSK propuesto presenta prestaciones similares a los convencionales. Para complementar el trabajo realizado sobre el receptor DQPSK basado en PMF, se ha extendido el estudio de su principio de demodulación con el objeto de demodular señales PM-DQPSK, obteniendo como resultado la propuesta de una nueva estructura de demodulación. El receptor PM-DQPSK propuesto se basa en la estructura conjunta de una única línea de retardo junto con un rotador de polarización. Se ha analizado la calidad de los receptores DQPSK y PM-DQPSK bajo diferentes perspectivas, tales como la sensibilidad, la tolerancia a un filtrado óptico severo, la tolerancia a las dispersiones cromática y por modo de polarización o su comportamiento bajo condiciones no-ideales. En comparación con los receptores convencionales, nuestra propuesta exhibe prestaciones similares y además permite un diseño más simple que redunda en un coste potencialmente menor. En las redes de comunicaciones ópticas actuales se utiliza la tecnología de multimplexación en longitud de onda (WDM) que obliga al uso de filtros ópticos con bandas de paso lo más estrechas posibles y a emplear una serie de dispositivos que incorporan filtros en su arquitectura, tales como los multiplexores, demultiplexores, ROADMs, conmutadores y OXCs. Todos estos dispositivos conectados entre sí son equivalentes a una cadena de filtros cuyo ancho de banda se va haciendo cada vez más estrecho, llegando a distorsionar la forma de onda de las señales. Por esto, además de analizar el impacto del filtrado óptico en las señales de 40 Gbps DQPSK y 100 Gbps PM-DQPSK, este trabajo de tesis se completa estudiando qué tipo de filtro óptico minimiza las degradaciones causadas en la señal y analizando el número máximo de filtros concatenados que permiten mantener la calidad requerida al sistema. Se han estudiado y simulado cuatro tipos de filtros ópticos;Butterworth, Bessel, FBG y F-P. ABSTRACT The objective of this thesis is the design and optimization of optical fiber-based phase shift keying (PSK) demodulators for high-bit-rate optical networks. PSK modulation formats have attracted significant attention in recent years, because of the better performance with respect to conventional modulation formats. Principally, PSK signals can improve spectrum efficiency and tolerate more signal degradation caused by chromatic dispersion, polarization mode dispersion and nonlinearities in the fiber. In this work, many PSK formats were analyzed in detail, including the variants of differential phase modulation (Differential Phase Shift Keying, DPSK), in quadrature (Differential Quadrature Phase Shift Keying, DQPSK) and polarization multiplexing (Polarization Multiplexing Differential Quadrature Phase Shift Keying, PM-DQPSK), in order to design and optimize receivers enabling demodulations. Therefore, novel structures, which offer good receiver performances and a reduction in cost compared to the current structures, have been analyzed and developed. Two novel receivers based on an all-fiber in-line Mach-Zehnder interferometer (MZI) were proposed for DPSK signal demodulation in this thesis. The operating principle of the all-fiber MZI is based on the modal interference that occurs in a multimode fiber (MMF) when it is located between two single-mode fibers (SMFs). This type of configuration (Single-mode-multimode-single-mode, SMS) can provide a good extinction ratio if the incoming power from the SMF could be coupled equally into two dominant modes excited in the MMF. In order to improve the interference extinction ratio, two novel SMS structures have been studied and demonstrated, theoretically and experimentally. One of the two proposed MZIs is based on a graded-index multimode fiber (MMF) with a central dip in the index profile, located between two single-mode fibers (SMFs). The other one is based on a conventional graded-index MMF mismatch spliced between two SMFs. Theoretical analysis has shown that, in these two schemes, 80 – 90% of the incoming power can be coupled into the two dominant modes exited in the MMF, and the power difference between them is only ~10%. Experimental results show that interference extinction ratio of 12 dB could be obtained. In order to demonstrate the capacity of these two structures for use as DPSK signal demodulators, numerical simulations in a completed optical transmission system have been carried out, and the receiver quality has been analyzed under different perspectives, such as sensitivity, tolerance to severe optical filtering or tolerance to chromatic and polarization mode dispersion. In all cases, from the simulation results we can conclude that the two proposed receivers can provide performances comparable to conventional ones. In this thesis, an alternative design for the implementation of a DQPSK receiver, which is based on a polarization maintaining fiber (PMF), was also presented. To complement the work made for the PMF-based DQPSK receiver, the study of the demodulation principle has been extended to demodulate PM-DQPSK signals, resulting in the proposal of a novel demodulation structure. The proposed PM-DQPSK receiver is based on only one delay line and a polarization rotator. The quality of the proposed DQPSK and PM-DQPSK receivers under different perspectives, such as sensitivity, tolerance to severe optical filtering, tolerance to chromatic dispersion and polarization mode dispersion, or behavior under non-ideal conditions. Compared with the conventional receivers, our proposals exhibit similar performances but allow a simpler design which can potentially reduce the cost. The wavelength division multiplexing (WDM) technology used in current optical communications networks requires the use of optical filters with a passband as narrow as possible, and the use of a series of devices that incorporate filters in their architecture, such as multiplexers, demultiplexers, switches, reconfigurable add-drop multiplexers (ROADMs) and optical cross-connects (OXCs). All these devices connected together are equivalent to a chain of filters whose bandwidth becomes increasingly narrow, resulting in distortion to the waveform of the signals. Therefore, in addition to analyzing the impact of optical filtering on signal of 40 Gbps DQPSK and 100 Gbps PM-DQPSK, we study which kind of optical filter minimizes the signal degradation and analyze the maximum number of concatenated filters for maintaining the required quality of the system. Four types of optical filters, including Butterworth, Bessel, FBG and FP, have studied and simulated.