Empirical Doppler Characterization of Signals Scattered by Wind Turbines in the UHF Band under Near Field Condition

Time variability of the scattering signals from wind turbines may lead to degradation problems on the communication systems provided in the UHF band, especially under near field condition. In order to analyze the variability due to the rotation of the blades, this paper characterizes empirical Doppler spectra obtained from real samples of signals scattered by wind turbines with rotating blades under near field condition. A new Doppler spectrum model is proposed to fit the spectral characteristics of these signals, providing notable goodness of fit. Finally, the effect of this kind of time variability on the degradation of OFDM signals is studied.

Transceiver designs and analysis for LTI, LTV and broadcast channels - new matrix decompositions and majorization theory

Signal processing techniques play important roles in the design of digital communication systems. These include information manipulation, transmitter signal processing, channel estimation, channel equalization and receiver signal processing. By interacting with communication theory and system implementing technologies, signal processing specialists develop efficient schemes for various communication problems by wisely exploiting various mathematical tools such as analysis, probability theory, matrix theory, optimization theory, and many others. In recent years, researchers realized that multiple-input multiple-output (MIMO) channel models are applicable to a wide range of different physical communications channels. Using the elegant matrix-vector notations, many MIMO transceiver (including the precoder and equalizer) design problems can be solved by matrix and optimization theory. Furthermore, the researchers showed that the majorization theory and matrix decompositions, such as singular value decomposition (SVD), geometric mean decomposition (GMD) and generalized triangular decomposition (GTD), provide unified frameworks for solving many of the point-to-point MIMO transceiver design problems.

In this thesis, we consider the transceiver design problems for linear time invariant (LTI) flat MIMO channels, linear time-varying narrowband MIMO channels, flat MIMO broadcast channels, and doubly selective scalar channels. Additionally, the channel estimation problem is also considered. The main contributions of this dissertation are the development of new matrix decompositions, and the uses of the matrix decompositions and majorization theory toward the practical transmit-receive scheme designs for transceiver optimization problems. Elegant solutions are obtained, novel transceiver structures are developed, ingenious algorithms are proposed, and performance analyses are derived.

The first part of the thesis focuses on transceiver design with LTI flat MIMO channels. We propose a novel matrix decomposition which decomposes a complex matrix as a product of several sets of semi-unitary matrices and upper triangular matrices in an iterative manner. The complexity of the new decomposition, generalized geometric mean decomposition (GGMD), is always less than or equal to that of geometric mean decomposition (GMD). The optimal GGMD parameters which yield the minimal complexity are derived. Based on the channel state information (CSI) at both the transmitter (CSIT) and receiver (CSIR), GGMD is used to design a butterfly structured decision feedback equalizer (DFE) MIMO transceiver which achieves the minimum average mean square error (MSE) under the total transmit power constraint. A novel iterative receiving detection algorithm for the specific receiver is also proposed. For the application to cyclic prefix (CP) systems in which the SVD of the equivalent channel matrix can be easily computed, the proposed GGMD transceiver has K/log_2(K) times complexity advantage over the GMD transceiver, where K is the number of data symbols per data block and is a power of 2. The performance analysis shows that the GGMD DFE transceiver can convert a MIMO channel into a set of parallel subchannels with the same bias and signal to interference plus noise ratios (SINRs). Hence, the average bit rate error (BER) is automatically minimized without the need for bit allocation. Moreover, the proposed transceiver can achieve the channel capacity simply by applying independent scalar Gaussian codes of the same rate at subchannels.

In the second part of the thesis, we focus on MIMO transceiver design for slowly time-varying MIMO channels with zero-forcing or MMSE criterion. Even though the GGMD/GMD DFE transceivers work for slowly time-varying MIMO channels by exploiting the instantaneous CSI at both ends, their performance is by no means optimal since the temporal diversity of the time-varying channels is not exploited. Based on the GTD, we develop space-time GTD (ST-GTD) for the decomposition of linear time-varying flat MIMO channels. Under the assumption that CSIT, CSIR and channel prediction are available, by using the proposed ST-GTD, we develop space-time geometric mean decomposition (ST-GMD) DFE transceivers under the zero-forcing or MMSE criterion. Under perfect channel prediction, the new system minimizes both the average MSE at the detector in each space-time (ST) block (which consists of several coherence blocks), and the average per ST-block BER in the moderate high SNR region. Moreover, the ST-GMD DFE transceiver designed under an MMSE criterion maximizes Gaussian mutual information over the equivalent channel seen by each ST-block. In general, the newly proposed transceivers perform better than the GGMD-based systems since the super-imposed temporal precoder is able to exploit the temporal diversity of time-varying channels. For practical applications, a novel ST-GTD based system which does not require channel prediction but shares the same asymptotic BER performance with the ST-GMD DFE transceiver is also proposed.

The third part of the thesis considers two quality of service (QoS) transceiver design problems for flat MIMO broadcast channels. The first one is the power minimization problem (min-power) with a total bitrate constraint and per-stream BER constraints. The second problem is the rate maximization problem (max-rate) with a total transmit power constraint and per-stream BER constraints. Exploiting a particular class of joint triangularization (JT), we are able to jointly optimize the bit allocation and the broadcast DFE transceiver for the min-power and max-rate problems. The resulting optimal designs are called the minimum power JT broadcast DFE transceiver (MPJT) and maximum rate JT broadcast DFE transceiver (MRJT), respectively. In addition to the optimal designs, two suboptimal designs based on QR decomposition are proposed. They are realizable for arbitrary number of users.

Finally, we investigate the design of a discrete Fourier transform (DFT) modulated filterbank transceiver (DFT-FBT) with LTV scalar channels. For both cases with known LTV channels and unknown wide sense stationary uncorrelated scattering (WSSUS) statistical channels, we show how to optimize the transmitting and receiving prototypes of a DFT-FBT such that the SINR at the receiver is maximized. Also, a novel pilot-aided subspace channel estimation algorithm is proposed for the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems with quasi-stationary multi-path Rayleigh fading channels. Using the concept of a difference co-array, the new technique can construct M^2 co-pilots from M physical pilot tones with alternating pilot placement. Subspace methods, such as MUSIC and ESPRIT, can be used to estimate the multipath delays and the number of identifiable paths is up to O(M^2), theoretically. With the delay information, a MMSE estimator for frequency response is derived. It is shown through simulations that the proposed method outperforms the conventional subspace channel estimator when the number of multipaths is greater than or equal to the number of physical pilots minus one.

High-coherence hybrid Si/III-V semiconductor lasers

The relentlessly increasing demand for network bandwidth, driven primarily by Internet-based services such as mobile computing, cloud storage and video-on-demand, calls for more efficient utilization of the available communication spectrum, as that afforded by the resurging DSP-powered coherent optical communications. Encoding information in the phase of the optical carrier, using multilevel phase modulationformats, and employing coherent detection at the receiver allows for enhanced spectral efficiency and thus enables increased network capacity. The distributed feedback semiconductor laser (DFB) has served as the near exclusive light source powering the fiber optic, long-haul network for over 30 years. The transition to coherent communication systems is pushing the DFB laser to the limits of its abilities. This is due to its limited temporal coherence that directly translates into the number of different phases that can be imparted to a single optical pulse and thus to the data capacity. Temporal coherence, most commonly quantified in the spectral linewidth Δν, is limited by phase noise, result of quantum-mandated spontaneous emission of photons due to random recombination of carriers in the active region of the laser.

In this work we develop a generically new type of semiconductor laser with the requisite coherence properties. We demonstrate electrically driven lasers characterized by a quantum noise-limited spectral linewidth as low as 18 kHz. This narrow linewidth is result of a fundamentally new laser design philosophy that separates the functions of photon generation and storage and is enabled by a hybrid Si/III-V integration platform. Photons generated in the active region of the III-V material are readily stored away in the low loss Si that hosts the bulk of the laser field, thereby enabling high-Q photon storage. The storage of a large number of coherent quanta acts as an optical flywheel, which by its inertia reduces the effect of the spontaneous emission-mandated phase perturbations on the laser field, while the enhanced photon lifetime effectively reduces the emission rate of incoherent quanta into the lasing mode. Narrow linewidths are obtained over a wavelength bandwidth spanning the entire optical communication C-band (1530-1575nm) at only a fraction of the input power required by conventional DFB lasers. The results presented in this thesis hold great promise for the large scale integration of lithographically tuned, high-coherence laser arrays for use in coherent communications, that will enable Tb/s-scale data capacities.

空间激光通信中的分集接收与分集均衡技术

全面对采用空间分集技术和时域Rake接收机分集的带限空间光通信系统的原理进行了模拟和分析，首次在空间激光通信领域提出了综合了分集接收和均衡技术的联合信道均衡器方法，通过计算机仿真分析，研究了不同空间分集方法在非相关空间光开关键控信号下的误比特率，在不同符号间干扰条件下采用rake接收时的误比特率，以及在不同信噪比和不同信道数时采用联合分集均衡的误码率。研究的结果确认联合分集均衡方法能够明显的提高空间光通信系统的性能。

基于RS编码及网格编码调制的光PPM通信纠错技术

分析了RS（Reed-Solomon）纠错码和网格编码调制（Trellis Coded Modulation，TCM）技术在光脉冲位置调制通信中的应用．在此基础上，提出了以RS码作为外码，以网格编码调制技术作为内码，用于光脉冲位置调制通信的新编码方案，能以几乎不减少通信速率的优势，提高传统RS码系统在时变带限光信道中的通信性能．模拟研究了在不同空间光信道条件下，传统RS码的符号正确传输率和误码率，并对网格编码调制的编码增益、RS码与网格编码调制级联时的编码增益进行了仿真研究，证实了本方案的有效性．

Avaliação das habilidades de compreensão e expressão em criança com paralisia cerebral através do uso da comunicação alternativa: contribuições para uma Investigação Transcultural

A linguagem e a comunicação são certamente as aquisições mais notáveis e significativas no processo de evolução humana. A fala é apenas um das formas da linguagem, embora seja a mais empregada pelo ser humano. Cerca de uma em cada duzentas pessoas é incapaz de comunicar-se através da fala devido a problemas neurológicos, físicos, emocionais e cognitivos, como é o caso das pessoas com paralisia cerebral, autismo, deficiência intelectual e alterações cognitivas. Nestes casos, pode ser necessário o uso da comunicação alternativa. A Comunicação Alternativa é definida como qualquer forma de comunicação diferente da fala, como o uso gestos manuais, expressões faciais e corporais, símbolos gráficos, linguagem alfabética, voz digitalizada ou sintetizada dentre outros, e é utilizada em contextos de comunicação face a face. O objetivo do presente trabalho é descrever e analisar os padrões comunicativos de duas crianças de doze anos de idade, Tereza, com paralisia cerebral não oralizada que faz uso de sistema alternativo de comunicação, e Alicia, com desenvolvimento normal e que faz uso da fala (sujeito controle). Este estudo faz parte de um projeto transcultural cujo objetivo é descrever como ocorre a compreensão e a expressão de determinados tipos de enunciados gráficos em crianças e jovens de diferentes idades e em diferentes países que utilizam sistemas alternativos de comunicação, e como estes enunciados são compreendidos por seus parceiros - pais, professores e pares. O sistema de comunicação utilizado pela criança com paralisia cerebral consistia de fotografias e do sistema PCS (Picture Communication System), no formato de um livro de comunicação. Para a coleta de dados foram utilizados os seguintes instrumentos: entrevistas semi-estruturadas com os pais e professora de Tereza, Tereza e Alicia; avaliação do sistema de comunicação e da educação da criança realizada pelos pais e pela professora de Tereza; instrumentos normatizados de avaliação da inteligência, da linguagem receptiva, aplicados em ambas as participantes; instrumento aplicado em Tereza para avaliar suas habilidades motoras; tarefas comunicativas aplicadas às duas meninas (provas de compreensão e produção). Os dados revelaram maior competência e conhecimento da mãe quanto ao uso do sistema de comunicação alternativa, bem como no favorecimento do desenvolvimento da linguagem alternativa da criança especial. O envolvimento da professora quanto ao emprego da comunicação alternativa por Tereza em sala de aula foi limitado. Os dados também ressaltaram dificuldades na linguagem compreensiva e expressiva de Tereza que pareceram estar relacionadas à falta de vivência, ao reduzido uso da linguagem alternativa por parte dos interlocutores da criança, bem como à diferença entre as organizações sintáticas da linguagem gráfica e da linguagem oral. Os resultados revelaram portanto a dificuldade de Tereza nas tarefas comunicativas, mas também apontaram para a necessidade de um treinamento mais sistemático no uso desses sistemas direcionados a esses jovens especiais e seus interlocutores.

Os gêneros digitais no livro didático de língua portuguesa

Este trabalho de pesquisa tem dois objetivos principais: o primeiro diz respeito a avaliar, em livros didáticos, indicados pelos professores do Estado do Piauí, Teresina, a abordagem proposta neles acerca dos gêneros digitais, tendo em vista a grande disseminação da tecnologia da informação e comunicação nas últimas décadas. Para tanto, propõe-se um acurado levantamento dos livros didáticos, do 6 ao 9 ano, verificando a incidência de gêneros discursivos digitais e não digitais nos diferentes livros analisados. Buscou-se entender os critérios de como são apresentados, bem como o tratamento dado ao gênero, cotejando a forma de abordagem proposta para os gêneros denominados digitais a outros gêneros predominantes na abordagem dos diferentes livros. Das quatro coleções analisadas, percebeu-se uma abordagem mais formalizada não só do ponto de vista da estrutura, mas também do ponto de vista dos recursos linguísticos que compõem os diferentes gêneros não digitais. Em contrapartida, pôde-se verificar uma incidência muito restrita de abordagem dos gêneros digitais. Os resultados nos levam a postular que esses são pouco frequentes nos livros didáticos mais adotados no estado e, quando são apresentados, há uma abordagem voltada somente para a sua estrutura, de forma metalinguística, sem preocupação com o uso social dos recursos utilizados nos gêneros digitais. Tal perspectiva nos levou ao segundo objetivo: propor a apresentação de uma sequência didática, cujo gênero central são os gêneros digitais, atendendo às habilidades e competências 1 e 9 do ENEM Exame Nacional do Ensino Médio. Neste sentido essas competências e habilidades visam a identificar as diferentes linguagens veiculadas na mídia; conhecer e dominar os recursos expressivos como caracterizadores dos sistemas de comunicação e informação, além de reconhecer a função social da linguagem, como também o impacto das ferramentas tecnológicas na vida pessoal e profissional. Estas habilidades e competências usam os dois pilares fundamentais: a função social do gênero e a aplicação do seu uso. A proposta apresentada baseia-se em uma concepção sóciohistórica de língua, considerando a importância de uma conscientização dos cidadãos, jovens em idade escolar, da importância social dos recursos tecnológicos, bem como a necessidade de ampliação do uso em uma sociedade multissemiótica

Simulador MATLAB para Sistemas Ópticos WDM Amplificados.

Neste trabalho é apresentado um simulador MATLAB para sistemas ópticos WDM amplificados baseado na solução das equações não lineares de Schrödinger acopladas, pelo método de Fourier de passo alternado. Este simulador permite o estudo da propagação de pulsos em fibras ópticas, considerando dispersão cromática, efeitos não lineares como automodulação de fase e modulação de fase cruzada e atenuação, prevendo também o emprego de amplificadores ópticos a fibra dopada com Érbio (EDFAs). Através de simulações numéricas, foi explorada a técnica de otimização do posicionamento de um EDFA ao longo de um enlace óptico, sem repetidores, que objetiva a redução dos custos de implantação de sistemas ópticos, seja pela diminuição da potência do transmissor ou pela relaxação da exigência de sensibilidade do receptor. Além disto, pode favorecer um aumento na capacidade do sistema, através do aumento do alcance ou da taxa de transmissão. A concordância dos resultados obtidos com os disponíveis na literatura confirmam a validade da técnica, bem como a versatilidade e robustez do simulador desenvolvido.

Análise Completa das Fibras de Bragg de Núcleo Oco.

A evolução nos sistemas digitais de comunicação está intrinsicamente relacionada ao desenvolvimento da tecnologia de fibras ópticas. Desde a sua criação, na década de 60, inúmeras pesquisas vem sendo realizadas com o intuito de aumentar a capacidade de informação transmitida, por meio da redução da atenuação, controle da dispersão cromática e eliminação das não-linearidades. Neste contexto, as Fibras de Bragg surgem como uma estrutura de grande potencialidade para se minimizar tais inconvenientes. As fibras de Bragg possuem um mecanismo de operação diferente em relação às fibras tradicionais de suportar os modos confinados. Nelas, o núcleo possui um baixo índice de refração, e a casca é constituída por anéis dielétricos de diferentes índices de refração, alocados alternadamente. Para uma fibra de Bragg com núcleo oco, como a considerada neste trabalho, há perdas decorrentes dos modos de fuga. Portanto, a análise da dispersão destas estruturas se situa no plano complexo, tornando-a muito difícil. Esta dissertação será fundamentada em uma estratégia imprescindível à análise dos modos transversais TE0m, TM0m e dos híbridos. Os resultados encontrados são validados confrontando-os com os obtidos na literatura. O trabalho discutirá as perdas e dispersões dos modos citados, e os resultados obtidos poderão nortear as pesquisas das fibras de Bragg.

Gigabit Pulse Position Bistability in Semiconductor Lasers

The paper briefly reviews the major forms of optical bistability in active optical devices compatible for use in gigabit optical communication systems, and reports an entirely new optical bistability for the first time. Unlike previous devices, the two bistable states of the optical device are each a series of picosecond optical pulses at 1 GHz or greater repetition rates, and are distinguished by a half period temporal shift between their temporal positions in relation to a clock pulse. The bistable device is based on a gain switched semiconductor laser. Theoretical studies suggest 100-ps switching speeds might be achieved, and experimental results are reported indicating optically triggered switching times of 500 ps. © 1987, American Medical Association. All rights reserved.

Characterization of the temperature sensitivity of gain and recombination mechanisms in 1.3-μm AlGaInAs MQW lasers

The potential of 1.3-μm AlGaInAs multiple quantum-well (MQW) laser diodes for uncooled operation in high-speed optical communication systems is experimentally evaluated by characterizing the temperature dependence of key parameters such as the threshold current, transparency current density, optical gain and carrier lifetime. Detailed measurements performed in the 20°C-100°C temperature range indicate a localized T0 value of 68 K at 98°C for a device with a 2.8μm ridge width and 700-μm cavity length. The transparency current density is measured for temperatures from 20°C to 60°C and found to increase at a rate of 7.7 A·cm -2 · °C-1. Optical gain characterizations show that the peak modal gain at threshold is independent of temperature, whereas the differential gain decreases linearly with temperature at a rate of 3 × 10-4 A-1·°C-1. The differential carrier lifetime is determined from electrical impedance measurements and found to decrease with temperature. From the measured carrier lifetime we derive the monomolecular (A), radiative (B), and nonradiative Auger (C) recombination coefficients and determine their temperature dependence in the 20 °C-80 °C range. Our study shows that A is temperature independent, B decreases with temperature, and C exhibits a less pronounced increase with temperature. The experimental observations are discussed and compared with theoretical predictions and measurements performed on other material systems. © 2005 IEEE.

Numerical modelling of dynamic response of loss modulated monolithic multisection mode-locked semiconductor lasers

Monolithic multisection mode-locked semiconductor lasers with an integrated distributed Bragg reflector (DBR) have recently been demonstrated to generate stable picosecond pulses at high repetition rates suitable for optical communication systems. However, there has been very little theoretical work on understanding the physical mechanisms of the device and on optimisation of the absorber modulator design. This article presents numerical modeling of the loss modulated mode-locking process in these lasers. The model predicts most aspects experimentally observed within this type of device, and the results show the output waveform, optical spectrum, instantaneous frequency chirp, and stable operating range.

Effects of pedestal suppression on gain-switched laser sources for 40 Gbit/s OTDM transmission

The performance of 40 Gbit/s optical time-division multiplexed (OTDM) communication systems can be severely limited when the extinction ratio of the optical pulses is low. This is a consequence of the coherent interference noise between individual OTDM channels. When taken alone, the multiple quantum well-distributed feedback laser+dispersion compensating fiber source exhibits a relatively poor extinction ratio which impairs its potential for use in a 40 Gbit/s OTDM system. However, with the addition of an electroabsorption modulator to suppress the pulse pedestals to better than 30 dB extinction, coherent interference noise is reduced, the bit-error-rate performance is greatly improved, and the source shows good potential for 40 Gbit/s OTDM communication.