Two-Path All-pass Based Half-Band Infinite Impulse Response Decimation Filters and the Effects of Their Non-Linear Phase Response on ECG Signal Acquisition

This paper is based on the novel use of a very high fidelity decimation filter chain for Electrocardiogram (ECG) signal acquisition and data conversion. The multiplier-free and multi-stage structure of the proposed filters lower the power dissipation while minimizing the circuit area which are crucial design constraints to the wireless noninvasive wearable health monitoring products due to the scarce operational resources in their electronic implementation. The decimation ratio of the presented filter is 128, working in tandem with a 1-bit 3rd order Sigma Delta (ΣΔ) modulator which achieves 0.04 dB passband ripples and -74 dB stopband attenuation. The work reported here investigates the non-linear phase effects of the proposed decimation filters on the ECG signal by carrying out a comparative study after phase correction. It concludes that the enhanced phase linearity is not crucial for ECG acquisition and data conversion applications since the signal distortion of the acquired signal, due to phase non-linearity, is insignificant for both original and phase compensated filters. To the best of the authors’ knowledge, being free of signal distortion is essential as this might lead to misdiagnosis as stated in the state of the art. This article demonstrates that with their minimal power consumption and minimal signal distortion features, the proposed decimation filters can effectively be employed in biosignal data processing units.

Modulateurs intégrés sur silicium pour la transmission de signaux à modulation d'amplitude multi-niveau

Au cours des dernières années, la photonique intégrée sur silicium a progressé rapidement. Les modulateurs issus de cette technologie présentent des caractéristiques potentiellement intéressantes pour les systèmes de communication à courte portée. En effet, il est prévu que ces modulateurs pourront être opérés à des vitesses de transmission élevées, tout en limitant le coût de fabrication et la consommation de puissance. Parallèlement, la modulation d’amplitude multi-niveau (PAM) est prometteuse pour ce type de systèmes. Ainsi, ce travail porte sur le développement de modulateurs de silicium pour la transmission de signaux PAM. Dans le premier chapitre, les concepts théoriques nécessaires à la conception de modulateurs de silicium sont présentés. Les modulateurs Mach-Zehnder et les modulateurs à base de réseau de Bragg sont principalement abordés. De plus, les effets électro-optiques dans le silicium, la modulation PAM, les différents types d’électrodes intégrées et la compensation des distorsions par traitement du signal sont détaillés.Dans le deuxième chapitre, un modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées est présenté. La segmentation des électrodes permet la génération de signaux optiques PAM à partir de séquences binaires. Cette approche permet d’éliminer l’utilisation de convertisseur numérique-analogique en intégrant cette fonction dans le domaine optique, ce qui vise à réduire le coût du système de communication. Ce chapitre contient la description détaillée du modulateur, les résultats de caractérisation optique et de la caractérisation électrique, ainsi que les tests systèmes. De plus, les tests systèmes incluent l’utilisation de pré-compensation ou de post-compensation du signal sous la forme d’égalisation de la réponse en fréquence pour les formats de modulation PAM-4 et PAM-8 à différents taux binaires. Une vitesse de transmission de 30 Gb/s est démontrée dans les deux cas et ce malgré une limitation importante de la réponse en fréquence suite à l’ajout d’un assemblage des circuits radiofréquences (largeur de bande 3 dB de 8 GHz). Il s’agit de la première démonstration de modulation PAM-8 à l’aide d’un modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées. Finalement, les conclusions tirées de ce travail ont mené à la conception d’un deuxième modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées présentement en phase de test, dont les performances montrent un très grand potentiel. Dans le troisième chapitre, un modulateur à réseau de Bragg à deux sauts de phase est présenté. L’utilisation de réseaux de Bragg est une approche encore peu développée pour la modulation. En effet, la réponse spectrale de ces structures peut être contrôlée précisément, une caractéristique intéressante pour la conception de modulateurs. Dans ces travaux, nous proposons l’ajout de deux sauts de phase à un réseau de Bragg uniforme pour obtenir un pic de transmission dans la bande de réflexion de celui-ci. Ainsi, il est possible d’altérer l’amplitude du pic de transmission à l’aide d’une jonction pn. Comme pour le deuxième chapitre, ce chapitre inclut la description détaillée du modulateur, les résultats des caractérisations optique et électrique, ainsi que les tests systèmes. De plus, la caractérisation de jonctions pn à l’aide du modulateur à réseau de Bragg est expliquée. Des vitesses de transmission PAM-4 de 60 Gb/s et OOK de 55 Gb/s sont démontrées après la compensation des distorsions des signaux. À notre connaissance, il s’agit du modulateur à réseau de Bragg le plus rapide à ce jour. De plus, pour la première fois, les performances d’un tel modulateur s’approchent de celles des modulateurs de silicium les plus rapides utilisant des microrésonateurs en anneau ou des interféromètres Mach-Zehnder.

An IP capable data link layer protocol for narrow band half-duplex packet data radio networks

The wide adaptation of Internet Protocol (IP) as de facto protocol for most communication networks has established a need for developing IP capable data link layer protocol solutions for Machine to machine (M2M) and Internet of Things (IoT) networks. However, the wireless networks used for M2M and IoT applications usually lack the resources commonly associated with modern wireless communication networks. The existing IP capable data link layer solutions for wireless IoT networks provide the necessary overhead minimising and frame optimising features, but are often built to be compatible only with IPv6 and specific radio platforms. The objective of this thesis is to design IPv4 compatible data link layer for Netcontrol Oy's narrow band half-duplex packet data radio system. Based on extensive literature research, system modelling and solution concept testing, this thesis proposes the usage of tunslip protocol as the basis for the system data link layer protocol development. In addition to the functionality of tunslip, this thesis discusses the additional network, routing, compression, security and collision avoidance changes required to be made to the radio platform in order for it to be IP compatible while still being able to maintain the point-to-multipoint and multi-hop network characteristics. The data link layer design consists of the radio application, dynamic Maximum Transmission Unit (MTU) optimisation daemon and the tunslip interface. The proposed design uses tunslip for creating an IP capable data link protocol interface. The radio application receives data from tunslip and compresses the packets and uses the IP addressing information for radio network addressing and routing before forwarding the message to radio network. The dynamic MTU size optimisation daemon controls the tunslip interface maximum MTU size according to the link quality assessment calculated from the radio network diagnostic data received from the radio application. For determining the usability of tunslip as the basis for data link layer protocol, testing of the tunslip interface is conducted with both IEEE 802.15.4 radios and packet data radios. The test cases measure the radio network usability for User Datagram Protocol (UDP) based applications without applying any header or content compression. The test results for the packet data radios reveal that the typical success rate for packet reception through a single-hop link is above 99% with a round-trip-delay of 0.315s for 63B packets.

A revised L-band radio-brightness sensitivity to extreme winds under tropical cyclones: The 5 year SMOS-Storm database

Five years of SMOS L-band brightness temperature data intercepting a large number of tropical cyclones (TCs) are analyzed. The storm-induced half-power radio-brightness contrast (ΔI) is defined as the difference between the brightness observed at a specific wind force and that for a smooth water surface with the same physical parameters. ΔI can be related to surface wind speed and has been estimated for ~ 300 TCs that intercept with SMOS measurements. ΔI, expressed in a common storm-centric coordinate system, shows that mean brightness contrast monotonically increases with increased storm intensity ranging from ~ 5 K for strong storms to ~ 24 K for the most intense Category 5 TCs. A remarkable feature of the 2D mean ΔI fields and their variability is that maxima are systematically found on the right quadrants of the storms in the storm-centered coordinate frame, consistent with the reported asymmetric structure of the wind and wave fields in hurricanes. These results highlight the strong potential of SMOS measurements to improve monitoring of TC intensification and evolution. An improved empirical geophysical model function (GMF) was derived using a large ensemble of co-located SMOS ΔI, aircraft and H*WIND (a multi-measurement analysis) surface wind speed data. The GMF reveals a quadratic relationship between ΔI and the surface wind speed at a height of 10 m (U10). ECMWF and NCEP analysis products and SMOS derived wind speed estimates are compared to a large ensemble of H*WIND 2D fields. This analysis confirms that the surface wind speed in TCs can effectively be retrieved from SMOS data with an RMS error on the order of 10 kt up to 100 kt. SMOS wind speed products above hurricane force (64 kt) are found to be more accurate than those derived from NWP analyses products that systematically underestimate the surface wind speed in these extreme conditions. Using co-located estimates of rain rate, we show that the L-band radio-brightness contrasts could be weakly affected by rain or ice-phase clouds and further work is required to refine the GMF in this context.

Experiences with an Object-Oriented, Multi-Stage Language

Metaphor is a multi-stage programming language extension to an imperative, object-oriented language in the style of C# or Java. This paper discusses some issues we faced when applying multi-stage language design concepts to an imperative base language and run-time environment. The issues range from dealing with pervasive references and open code to garbage collection and implementing cross-stage persistence.