Statistical data correction for unreliable memories

In this paper, we introduce a statistical data-correction framework that aims at improving the DSP system performance in presence of unreliable memories. The proposed signal processing framework implements best-effort error mitigation for signals that are corrupted by defects in unreliable storage arrays using a statistical correction function extracted from the signal statistics, a data-corruption model, and an application-specific cost function. An application example to communication systems demonstrates the efficacy of the proposed approach.

Performance Analysis of a Low Complexity Detector for MCIK-OFDM over TWDP Fading

This letter analyzes the performance of a low complexity detection scheme for a multi-carrier index keying (MCIK) with orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system over two-wave with diffused power (TWDP) fading channels. A closed-form expression for the average pairwise error probability (PEP) over TWDP fading channels is derived. This expression is used to analyze the performance of MCIK-OFDM in moderate, severe and extreme fading conditions. The presented results provide an insight on the performance of MCIK-OFDM for wireless communication systems that operate in enclosed metallic structures such as in-vehicular device-to-device (D2D) wireless networks.

Passive Intermodulation of Analog and Digital Signals on Transmission Lines with Distributed Nonlinearities: Modelling and Characterization

Passive intermodulation (PIM) often limits the performance of communication systems with analog and digitally-modulated signals and especially of systems supporting multiple carriers. Since the origins of the apparently multiple physical sources of nonlinearity causing PIM are not fully understood, the behavioral models are frequently used to describe the process of PIM generation. In this paper a polynomial model of memoryless nonlinearity is deduced from PIM measurements of a microstrip line with distributed nonlinearity with two-tone CW signals. The analytical model of nonlinearity is incorporated in Keysight Technology’s ADS simulator to evaluate the metrics of signal fidelity in the receive band for analog and digitally-modulated signals. PIM-induced distortion and cross-band interference with modulated signals are compared to those with two-tone CW signals. It is shown that conventional metrics can be applied to quantify the effect of distributed nonlinearities on signal fidelity. It is found that the two-tone CW test provides a worst-case estimate of cross-band interference for two-carrier modulated signals whereas with a three-carrier signal PIM interference in the receive band is noticeably overestimated. The simulated constellation diagrams for QPSK signals demonstrate that PIM interference exhibits the distinctive signatures of correlated distortion and this indicates that there are opportunities for mitigating PIM interference and that PIM interference cannot be treated as noise. One of the interesting results is that PIM distortion on a transmission line results in asymmetrical regrowth of output PIM interference for modulated signals.

Polynomial Model for High-Order and Multi-Carrier Passive Intermodulation Products

Passive intermodulation (PIM) often limits the performance of communication systems, particularly in the presence of multiple carriers. Since the origins of the apparently multiple physical sources of nonlinearity causing PIM in distributed circuits are not fully understood, the behavioural models are frequently employed to describe the process of PIM generation. In this paper, a memoryless nonlinear polynomial model, capable of predicting high-order multi-carrier intermodulation products, is deduced from the third-order two-tone PIM measurements on a microstrip transmission line with distributed nonlinearity. The analytical model of passive distributed nonlinearity is implemented in Keysight Technology’s ADS simulator to evaluate the adjacent band power ratio for three-tone signals. The obtained results suggest that the costly multi-carrier test setups can possibly be replaced by a simulation tool based on the properly retrieved nonlinear polynomial model.

Multilayer optimization in radio resource allocation for the packet transmission in wireless networks

Na última década tem-se assistido a um crescimento exponencial das redes de comunicações sem fios, nomeadamente no que se refere a taxa de penetração do serviço prestado e na implementação de novas infra-estruturas em todo o globo. É ponto assente neste momento que esta tendência irá não só continuar como se fortalecer devido à convergência que é esperada entre as redes móveis sem fio e a disponibilização de serviços de banda larga para a rede Internet fixa, numa evolução para um paradigma de uma arquitectura integrada e baseada em serviços e aplicações IP. Por este motivo, as comunicações móveis sem fios irão ter um papel fundamental no desenvolvimento da sociedade de informação a médio e longo prazos. A estratégia seguida no projecto e implementação das redes móveis celulares da actual geração (2G e 3G) foi a da estratificação da sua arquitectura protocolar numa estrutura modular em camadas estanques, onde cada camada do modelo é responsável pela implementação de um conjunto de funcionalidades. Neste modelo a comunicação dá-se apenas entre camadas adjacentes através de primitivas de comunicação pré-estabelecidas. Este modelo de arquitectura resulta numa mais fácil implementação e introdução de novas funcionalidades na rede. Entretanto, o facto das camadas inferiores do modelo protocolar não utilizarem informação disponibilizada pelas camadas superiores, e vice-versa acarreta uma degradação no desempenho do sistema. Este paradigma é particularmente importante quando sistemas de antenas múltiplas são implementados (sistemas MIMO). Sistemas de antenas múltiplas introduzem um grau adicional de liberdade no que respeita a atribuição de recursos rádio: o domínio espacial. Contrariamente a atribuição de recursos no domínio do tempo e da frequência, no domínio espacial os recursos rádio mapeados no domínio espacial não podem ser assumidos como sendo completamente ortogonais, devido a interferência resultante do facto de vários terminais transmitirem no mesmo canal e/ou slots temporais mas em feixes espaciais diferentes. Sendo assim, a disponibilidade de informação relativa ao estado dos recursos rádio às camadas superiores do modelo protocolar é de fundamental importância na satisfação dos critérios de qualidade de serviço exigidos. Uma forma eficiente de gestão dos recursos rádio exige a implementação de algoritmos de agendamento de pacotes de baixo grau de complexidade, que definem os níveis de prioridade no acesso a esses recursos por base dos utilizadores com base na informação disponibilizada quer pelas camadas inferiores quer pelas camadas superiores do modelo. Este novo paradigma de comunicação, designado por cross-layer resulta na maximização da capacidade de transporte de dados por parte do canal rádio móvel, bem como a satisfação dos requisitos de qualidade de serviço derivados a partir da camada de aplicação do modelo. Na sua elaboração, procurou-se que o standard IEEE 802.16e, conhecido por Mobile WiMAX respeitasse as especificações associadas aos sistemas móveis celulares de quarta geração. A arquitectura escalonável, o baixo custo de implementação e as elevadas taxas de transmissão de dados resultam num processo de multiplexagem de dados e valores baixos no atraso decorrente da transmissão de pacotes, os quais são atributos fundamentais para a disponibilização de serviços de banda larga. Da mesma forma a comunicação orientada à comutação de pacotes, inenente na camada de acesso ao meio, é totalmente compatível com as exigências em termos da qualidade de serviço dessas aplicações. Sendo assim, o Mobile WiMAX parece satisfazer os requisitos exigentes das redes móveis de quarta geração. Nesta tese procede-se à investigação, projecto e implementação de algoritmos de encaminhamento de pacotes tendo em vista a eficiente gestão do conjunto de recursos rádio nos domínios do tempo, frequência e espacial das redes móveis celulares, tendo como caso prático as redes móveis celulares suportadas no standard IEEE802.16e. Os algoritmos propostos combinam métricas provenientes da camada física bem como os requisitos de qualidade de serviço das camadas superiores, de acordo com a arquitectura de redes baseadas no paradigma do cross-layer. O desempenho desses algoritmos é analisado a partir de simulações efectuadas por um simulador de sistema, numa plataforma que implementa as camadas física e de acesso ao meio do standard IEEE802.16e.

Projecto de receptores integrados de banda larga

O presente trabalho tem como objectivo o estudo e projecto de receptores optimizados para sistemas de comunicações por fibra óptica de muito alto débito (10Gb/s e 40Gb/s), com a capacidade integrada de compensação adaptativa pós-detecção da distorção originada pela característica de dispersão cromática e de polarização do canal óptico. O capítulo 1 detalha o âmbito de aplicabilidade destes receptores em sistemas de comunicações ópticas com multiplexagem no comprimento de onda (WDM) actuais. O capítulo apresenta ainda os objectivos e principais contribuições desta tese. O capítulo 2 detalha o projecto de um amplificador pós-detecção adequado para sistemas de comunicação ópticos com taxa de transmissão de 10Gb/s. São discutidas as topologias mais adequadas para amplificadores pós detecção e apresentados os critérios que ditaram a escolha da topologia de transimpedância bem como as condições que permitem optimizar o seu desempenho em termos de largura de banda, ganho e ruído. Para além disso são abordados aspectos relacionados com a implementação física em tecnologia monolítica de microondas (MMIC), focando em particular o impacto destes no desempenho do circuito, como é o caso do efeito dos componentes extrínsecos ao circuito monolítico, em particular as ligações por fio condutor do monólito ao circuito externo. Este amplificador foi projectado e produzido em tecnologia pHEMT de Arsenieto de Gálio e implementado em tecnologia MMIC. O protótipo produzido foi caracterizado na fábrica, ainda na bolacha em que foi produzido (on-wafer) tendo sido obtidos dados de caracterização de 80 circuitos protótipo. Estes foram comparados com resultados de simulação e com desempenho do protótipo montado num veículo de teste. O capítulo 3 apresenta o projecto de dois compensadores eléctricos ajustáveis com a capacidade de mitigar os efeitos da dispersão cromática e da dispersão de polarização em sistemas ópticos com débito binário de 10Gb/s e 40Gb/s, com modulação em banda lateral dupla e banda lateral única. Duas topologias possíveis para este tipo de compensadores (a topologia Feed-Forward Equalizer e a topologia Decision Feedback Equaliser) são apresentadas e comparadas. A topologia Feed-Forward Equaliser que serviu de base para a implementação dos compensadores apresentados é analisada com mais detalhe sendo propostas alterações que permitem a sua implementação prática. O capítulo apresenta em detalhe a forma como estes compensadores foram implementados como circuitos distribuídos em tecnologia MMIC sendo propostas duas formas de implementar as células de ganho variável: com recurso à configuração cascode ou com recurso à configuração célula de Gilbert. São ainda apresentados resultados de simulação e experimentais (dos protótipos produzidos) que permitem tirar algumas conclusões sobre o desempenho das células de ganho com as duas configurações distintas. Por fim, o capítulo inclui ainda resultados de desempenho dos compensadores testados como compensadores de um sinal eléctrico afectado de distorção. No capítulo 4 é feita uma análise do impacto da modulação em banda lateral dupla (BLD) em comparação com a modulação em banda lateral única (BLU) num sistema óptico afectado de dispersão cromática e de polarização. Mostra-se que com modulação em BLU, como não há batimento entre portadoras das duas bandas laterais em consequência do processo quadrático de detecção e há preservação da informação da distorção cromática do canal (na fase do sinal), o uso deste tipo de modulação em sistemas de comunicação óptica permite maior tolerância à dispersão cromática e os compensadores eléctricos são muito mais eficientes. O capítulo apresenta ainda resultados de teste dos compensadores desenvolvidos em cenários experimentais de laboratório representativos de sistemas ópticos a 10Gb/s e 40Gb/s. Os resultados permitem comparar o desempenho destes cenários sem e com compensação eléctrica optimizada, para os casos de modulação em BLU e em BLD, e considerando ainda os efeitos da dispersão na velocidade de grupo e do atraso de grupo diferencial. Mostra-se que a modulação BLU em conjunto com compensação adaptativa eléctrica permite um desempenho muito superior á modulação em BLD largamente utilizada nos sistemas de comunicações actuais. Por fim o capítulo 5 sintetiza e apresenta as principais conclusões deste trabalho.

Comunicação organizacional e identidade colectiva num agrupamento de escolas

O reforço e a diversificação do investimento na comunicação por parte das instituições educativas são discutidos neste estudo como uma das consequências da nova gestão pública. Tendo em vista a ‘qualidade’ e a ‘eficácia’ das suas prestações, as escolas têm procurado tornar-se mais dialogantes, assumindo a aposta na comunicação organizacional como parte integrante de uma estratégia empreendedora, que lhes tem vindo a conferir uma nova identidade colectiva unificada em torno dos valores neoliberais. Não obstante, os sistemas de comunicação criados são mais complexos do que se poderia supor. Revelando a influência de pressões híbridas, estes sistemas transformaram-se num contexto mediador da mudança embutido em novas concepções de escola e dos novos mandatos para a educação (assim legitimados interna e externamente), surgindo, ao mesmo tempo, como o locus de produção de novas identidades. Tal acontece porque a comunicação constitui o ponto de convergência entre as diferentes políticas educativas e as práticas localmente adoptadas na sequência de um processo de interpretação criativa das diferentes pressões. É este o sentido com que afirmamos que a comunicação se constitui numa meta-ideia ao serviço da ‘qualidade’, ainda que esta possa ser perspectivada a partir do ideal burocrático da organização (como sinónimo de eficiência administrativa), do ideal profissional (centrada no processo de ensino-aprendizagem) ou do ideal empreendedor (valorizando a capacidade de resposta às solicitações do mercado). Os dados empíricos, que sustentaram o nosso estudo, resultaram da observação do quotidiano de um agrupamento de escolas do ensinobásico e dos testemunhos recolhidos, ao longo de três anos, nesta comunidade educativa. Recorrendo ao estudo de caso como estratégia de investigação enveredámos inicialmente, num contexto de descoberta, pela realização de observações ‘desarmadas e naturais’. Usámos, posteriormente, a análise documental, a entrevista e o questionário na recolha de informação complementar, o que, mediante o cruzamento de métodos de análise qualitativa e quantitativa, nos permitiu tirar partido da triangulação dos dados. Os resultados obtidos apontam para a centralidade dos processos de comunicação na transformação induzida pela nova gestão pública e para o desenvolvimento de uma matriz discursiva bilinguista, que procura harmonizar os imperativos de ‘mercado’ com o discurso pedagógico e com modelos burocrático-profissionais de organização.

Performance analysis of 4G wireless networks using system level simulator

In the last decade, mobile wireless communications have witnessed an explosive growth in the user’s penetration rate and their widespread deployment around the globe. In particular, a research topic of particular relevance in telecommunications nowadays is related to the design and implementation of mobile communication systems of 4th generation (4G). 4G networks will be characterized by the support of multiple radio access technologies in a core network fully compliant with the Internet Protocol (all IP paradigms). Such networks will sustain the stringent quality of service (QoS) requirements and the expected high data rates from the type of multimedia applications (i.e. YouTube and Skype) to be available in the near future. Therefore, 4G wireless communications system will be of paramount importance on the development of the information society in the near future. As 4G wireless services will continue to increase, this will put more and more pressure on the spectrum availability. There is a worldwide recognition that methods of spectrum managements have reached their limit and are no longer optimal, therefore new paradigms must be sought. Studies show that most of the assigned spectrum is under-utilized, thus the problem in most cases is inefficient spectrum management rather spectrum shortage. There are currently trends towards a more liberalized approach of spectrum management, which are tightly linked to what is commonly termed as Cognitive Radio (CR). Furthermore, conventional deployment of 4G wireless systems (one BS in cell and mobile deploy around it) are known to have problems in providing fairness (users closer to the BS are more benefited relatively to the cell edge users) and in covering some zones affected by shadowing, therefore the use of relays has been proposed as a solution. To evaluate and analyse the performances of 4G wireless systems software tools are normally used. Software tools have become more and more mature in recent years and their need to provide a high level evaluation of proposed algorithms and protocols is now more important. The system level simulation (SLS) tools provide a fundamental and flexible way to test all the envisioned algorithms and protocols under realistic conditions, without the need to deal with the problems of live networks or reduced scope prototypes. Furthermore, the tools allow network designers a rapid collection of a wide range of performance metrics that are useful for the analysis and optimization of different algorithms. This dissertation proposes the design and implementation of conventional system level simulator (SLS), which afterwards enhances for the 4G wireless technologies namely cognitive Radios (IEEE802.22) and Relays (IEEE802.16j). SLS is then used for the analysis of proposed algorithms and protocols.

Alternative techniques for Raman amplification in telecommunications

O presente trabalho centra-se no estudo dos amplificadores de Raman em fibra ótica e suas aplicações em sistemas modernos de comunicações óticas. Abordaram-se tópicos específicos como a simulação espacial do amplificador de Raman, a equalização e alargamento do ganho, o uso de abordagens híbridas de amplificação através da associação de amplificadores de Raman em fibra ótica com amplificadores de fibra dopada com Érbio (EDFA) e os efeitos transitórios no ganho dos amplificadores. As actividades realizadas basearam-se em modelos teóricos, sendo os resultados validados experimentalmente. De entre as contribuições mais importantes desta tese, destaca-se (i) o desenvolvimento de um simulador eficiente para amplificadores de Raman que suporta arquitecturas de bombeamento contraprogantes e bidirecionais num contexto com multiplexagem no comprimento de onda (WDM); (ii) a implementação de um algoritmo de alocação de sinais de bombeamento usando a combinação do algoritmo genético com o método de Nelder- Mead; (iii) a apreciação de soluções de amplificação híbridas por associação dos amplificadores de Raman com EDFA em cenários de redes óticas passivas, nomeadamente WDM/TDM-PON com extensão a região espectral C+L; e (iv) a avaliação e caracterização de fenómenos transitórios em amplificadores para tráfego em rajadas/pacotes óticos e consequente desenvolvimento de soluções de mitigação baseadas em técnicas de clamping ótico.

Photonic devices for optical and RF signal processing

O presente trabalho tem por objectivo o estudo de novos dispositivos fotónicos aplicados a sistemas de comunicações por fibra óptica e a sistemas de processamento de sinais RF. Os dispositivos apresentados baseiam-se em processamento de sinal linear e não linear. Dispositivos lineares ópticos tais como o interferómetro de Mach-Zehnder permitem adicionar sinais ópticos com pesos fixos ou sintonizáveis. Desta forma, este dispositivo pode ser usado respectivamente como um filtro óptico em amplitude com duas saídas complementares, ou, como um filtro óptico de resposta de fase sintonizável. O primeiro princípio de operação serve como base para um novo sistema fotónico de medição em tempo real da frequência de um sinal RF. O segundo princípio de operação é explorado num novo sistema fotónico de direccionamento do campo eléctrico radiado por um agregado de antenas, e também num novo compensador sintonizável de dispersão cromática. O processamento de sinal é não linear quando sinais ópticos são atrasados e posteriormente misturados entre si, em vez de serem linearmente adicionados. Este princípio de operação está por detrás da mistura de um sinal eléctrico com um sinal óptico, que por sua vez é a base de um novo sistema fotónico de medição em tempo real da frequência de um sinal RF. A mistura de sinais ópticos em meios não lineares permite uma operação eficiente numa grande largura espectral. Tal operação é usada para realizar conversão de comprimento de onda sintonizável. Um sinal óptico com multiplexagem no domínio temporal de elevada largura de banda é misturado com duas bombas ópticas não moduladas com base em processos não lineares paramétricos num guia de ondas de niobato de lítio com inversão periódica da polarização dos domínios ferroeléctricos. Noutro trabalho, uma bomba pulsada em que cada pulso tem um comprimento de onda sintonizável serve como base a um novo conversor de sinal óptico com multiplexagem no domínio temporal para um sinal óptico com multiplexagem no comprimento de onda. A bomba é misturada com o sinal óptico de entrada através de um processo não linear paramétrico numa fibra óptica com parâmetro não linear elevado. Todos os dispositivos fotónicos de processamento de sinal linear ou não linear propostos são experimentalmente validados. São também modelados teoricamente ou através de simulação, com a excepção dos que envolvem mistura de sinais ópticos. Uma análise qualitativa é suficiente nestes últimos dispositivos.

Evaluation of the H.264 scalable video coding in error prone IP networks

The Joint Video Team, composed by the ISO/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG) and the ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG), has standardized a scalable extension of the H.264/AVC video coding standard called Scalable Video Coding (SVC). H.264/SVC provides scalable video streams which are composed by a base layer and one or more enhancement layers. Enhancement layers may improve the temporal, the spatial or the signal-to-noise ratio resolutions of the content represented by the lower layers. One of the applications, of this standard is related to video transmission in both wired and wireless communication systems, and it is therefore important to analyze in which way packet losses contribute to the degradation of quality, and which mechanisms could be used to improve that quality. This paper provides an analysis and evaluation of H.264/SVC in error prone environments, quantifying the degradation caused by packet losses in the decoded video. It also proposes and analyzes the consequences of QoS-based discarding of packets through different marking solutions.

On the performance of a blind source separation based I/Q-corrector

I and Q Channel phase and gain mismatches are of great concern in communications receiver design. In this paper we carry out a detailed performance analysis of the Blind-Source Seperation (BSS) based imbalance compensation structure. The results indicate that the BSS structure can offer adequate performance for most communication systems. Since the compensation is carried out before any modulation specific processing, the proposed compensation method works with all standard modulation formats.

Correction of transmitter gain and phase errors at the receiver

This paper explores the benefits of compensating transmitter gain and phase inbalances in the receiver for quadrature communication systems. It is assumed that the gain and phase imbalances are introduced at the transmitter only. A simple non-data aided DSP algorithm is used at the reciever to compensate for the imbalances. Computer simulation has been formed to study a coherent QPSK communication system.

Analysis and compensation of RF impairments for next generation multimode GNSS receivers

Global navigation satellite system (GNSS) receivers require solutions that are compact, cheap and low-power, in order to enable their widespread proliferation into consumer products. Furthermore, interoperability of GNSS with non-navigation systems, especially communication systems will gain importance in providing the value added services in a variety of sectors, providing seamless quality of service for users. An important step into the market for Galileo is the timely availability of these hybrid multi-mode terminals for consumer applications. However, receiver architectures that are amenable to high-levels of integration will inevitably suffer from RF impairments hindering their easy widespread use in commercial products. This paper studies and presents analytical evaluations of the performance degradation due to the RF impairments and develops algorithms that can compensate for them in the DSP domain at the base band with complexity-reduced hardware overheads, hence, paving the way for low-power, highly integrated multi-mode GNSS receivers.