Impact of Residual Transmit RF Impairments on Training-Based MIMO Systems

Radio-frequency (RF) impairments, which intimately exist in wireless communication systems, can severely limit the performance of multiple-input-multiple-output (MIMO) systems. Although we can resort to compensation schemes to mitigate some of these impairments, a certain amount of residual impairments always persists. In this paper, we consider a training-based point-to-point MIMO system with residual transmit RF impairments (RTRI) using spatial multiplexing transmission. Specifically, we derive a new linear channel estimator for the proposed model, and show that RTRI create an estimation error floor in the high signal-to-noise ratio (SNR) regime. Moreover, we derive closed-form expressions for the signal-to-noise-plus-interference ratio (SINR) distributions, along with analytical expressions for the ergodic achievable rates of zero-forcing, maximum ratio combining, and minimum mean-squared error receivers, respectively. In addition, we optimize the ergodic achievable rates with respect to the training sequence length and demonstrate that finite dimensional systems with RTRI generally require more training at high SNRs than those with ideal hardware. Finally, we extend our analysis to large-scale MIMO configurations, and derive deterministic equivalents of the ergodic achievable rates. It is shown that, by deploying large receive antenna arrays, the extra training requirements due to RTRI can be eliminated. In fact, with a sufficiently large number of receive antennas, systems with RTRI may even need less training than systems with ideal hardware.

Multiuser relaying over mixed RF/FSO links

A multiuser dual-hop relaying system over mixed radio frequency/free-space optical (RF/FSO) links is investigated. Specifically, the system consists of m single-antenna sources, a relay node equipped with n≥ m receive antennas and a single photo-aperture transmitter, and one destination equipped with a single photo-detector. RF links are used for the simultaneous data transmission from multiple sources to the relay. The relay operates under the decode-and-forward protocol and utilizes the popular V-BLAST technique by successively decoding each user's transmitted stream. Two common norm-based orderings are adopted, i.e., the streams are decoded in an ascending or a descending order. After V-BLAST, the relay retransmits the decoded information to the destination via a point-to-point FSO link in m consecutive timeslots. Analytical expressions for the end-to-end outage probability and average symbol error probability of each user are derived, while closed-form asymptotic expressions are also presented. Capitalizing on the derived results, some engineering insights are manifested, such as the coding and diversity gain of each user, the impact of the pointing error displacement on the FSO link and the V-BLAST ordering effectiveness at the relay.

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.

Nonlinear behavioral modeling of mixed signal RF-digital I/O devices

Esta tese investiga a caracterização (e modelação) de dispositivos que realizam o interface entre os domínios digital e analógico, tal como os buffers de saída dos circuitos integrados (CI). Os terminais sem fios da atualidade estão a ser desenvolvidos tendo em vista o conceito de rádio-definido-por-software introduzido por Mitola. Idealmente esta arquitetura tira partido de poderosos processadores e estende a operação dos blocos digitais o mais próximo possível da antena. Neste sentido, não é de estranhar que haja uma crescente preocupação, no seio da comunidade científica, relativamente à caracterização dos blocos que fazem o interface entre os domínios analógico e digital, sendo os conversores digital-analógico e analógico-digital dois bons exemplos destes circuitos. Dentro dos circuitos digitais de alta velocidade, tais como as memórias Flash, um papel semelhante é desempenhado pelos buffers de saída. Estes realizam o interface entre o domínio digital (núcleo lógico) e o domínio analógico (encapsulamento dos CI e parasitas associados às linhas de transmissão), determinando a integridade do sinal transmitido. Por forma a acelerar a análise de integridade do sinal, aquando do projeto de um CI, é fundamental ter modelos que são simultaneamente eficientes (em termos computacionais) e precisos. Tipicamente a extração/validação dos modelos para buffers de saída é feita usando dados obtidos da simulação de um modelo detalhado (ao nível do transístor) ou a partir de resultados experimentais. A última abordagem não envolve problemas de propriedade intelectual; contudo é raramente mencionada na literatura referente à caracterização de buffers de saída. Neste sentido, esta tese de Doutoramento foca-se no desenvolvimento de uma nova configuração de medição para a caracterização e modelação de buffers de saída de alta velocidade, com a natural extensão aos dispositivos amplificadores comutados RF-CMOS. Tendo por base um procedimento experimental bem definido, um modelo estado-da-arte é extraído e validado. A configuração de medição desenvolvida aborda não apenas a integridade dos sinais de saída mas também do barramento de alimentação. Por forma a determinar a sensibilidade das quantias estimadas (tensão e corrente) aos erros presentes nas diversas variáveis associadas ao procedimento experimental, uma análise de incerteza é também apresentada.

Living and dealing with RF impairments in communication transceivers

This paper provides an overview of the sources and effects of the RF impairments limiting and rendering the performance of the future wireless communication transceivers costly as well as hindering their wide-spread use in commercial products. As transmission bandwidths and carrier frequencies increase effect of these impairments worsen. This paper studies and presents analytical evaluations of the performance degradation due to the RF impairments in terms of bit-error-rate and image rejection ratio. The paper also give highlights of the various aspects of the research carried out in mitigating the effects of these impairments primarily in the digital signal processing domain at the baseband as well as providing low-complexity hardware implementations of such algorithms incorporating a number of power and area saving techniques.

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.

Nonlinear distortion evaluation of reconfigurable RF circuits in wireless communication systems

A compact highly linear microstrip dual - mode optically switchable filter and a reconfigurable power amplifier are presented. The key characteristics of the dual - mode switchable filter are investigated and described. A second order filter design procedure is outlined to facilitate the realisation of Butterworth and Chebyshev functions. The proposed filter was built and tested with an optical switch, which comprised of a silicon dice acti vated using near infrared light. The measured and simulated results are in good agreement. The measured insertion loss in the ON state was 3.0 dB the isolation in the OFF state was 45 dB at the centre frequency. An evaluation of filter distortion is presen ted for digitally modulated M - QAM and M - QAM OFDM singals.

NFC RF Analog Challenge and Enhanced High Speed Transmitter Design

This paper investigates the inherent radio frequency analog challenges associated with near field communication systems. Furthermore, the paper presents a digital based sigma-delta modulator for near field communication transmitter implementations. The proposed digital transmitter architecture is designed to best support data intensive applications requiring higher data rates and complex modulation schemes. An NFC transmitter based on a single-bit sigma-delta DAC is introduced, and then the multi-bit extension with necessary simulation results are presented to confirm the suitability of the architecture for near field communication high speed applications.

Melhoria da eficiência de amplificadores de potência para sinais RF com envolvente variável

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrónica e Telecomunicações

Design and evaluation of multi-band RF energy harvesting circuits and antennas for WSNs

Radio frequency (RF) energy harvesting is an emerging technology that will enable to drive the next generation of wireless sensor networks (WSNs) without the need of using batteries. In this paper, we present RF energy harvesting circuits specifically developed for GSM bands (900/1800) and a wearable dual-band antenna suitable for possible implementation within clothes for body worn applications. Besides, we address the development and experimental characterization of three different prototypes of a five-stage Dickson voltage multiplier (with match impedance circuit) responsible for harvesting the RF energy. Different printed circuit board (PCB) fabrication techniques to produce the prototypes result in different values of conversion efficiency. Therefore, we conclude that if the PCB fabrication is achieved by means of a rigorous control in the photo-positive method and chemical bath procedure applied to the PCB it allows for attaining better values for the conversion efficiency. All three prototypes (1, 2 and 3) can power supply the IRIS sensor node for RF received powers of -4 dBm, -6 dBm and -5 dBm, and conversion efficiencies of 20, 32 and 26%, respectively. © 2014 IEEE.

Automated synthesis procedure of RF discrete tuning differential capacitance circuits

The paper presents a RFDSCA automated synthesis procedure. This algorithm determines several RFDSCA circuits from the top-level system specifications all with the same maximum performance. The genetic synthesis tool optimizes a fitness function proportional to the RFDSCA quality factor and uses the epsiv-concept and maximin sorting scheme to achieve a set of solutions well distributed along a non-dominated front. To confirm the results of the algorithm, three RFDSCAs were simulated in SpectreRF and one of them was implemented and tested. The design used a 0.25 mum BiCMOS process. All the results (synthesized, simulated and measured) are very close, which indicate that the genetic synthesis method is a very useful tool to design optimum performance RFDSCAs.

Crecimiento y caracterización de películas de óxido de zinc por sputtering para su potencial aplicación en fotocatálisis.

Tesis (Maestría en Ciencias con orientación en Ingeniería Ambiental) UANL, 2014.

Le rôle et la régulation du pyroglutamylated RF-amide peptide dans le tissu adipeux lors de l’obésité

L’obésité est définie comme un surplus de masse adipeuse. Cette condition représente un problème de santé publique devenu pandémique dans les pays industrialisés. Elle prédispose à des maladies potentiellement mortelles comme le diabète de type 2, les maladies cardiovasculaires et la stéatose hépatique non-alcoolique. L’accumulation du tissu adipeux intra-abdominal, formé d’adipocytes, est corrélée avec la résistance à l’insuline. L’augmentation de la masse adipeuse se fait par l’hyperplasie des préadipocytes, la différenciation des préadipocytes en adipocytes et l’hypertrophie des adipocytes. La différenciation des préadipocytes se fait selon l’adipogenèse qui est régulée par une multitude de facteurs, mais qui est inhibée pas les stimuli inflammatoires qui sont aussi responsables de la résistance à l’insuline et de l’apparition des problèmes de santé liés à l’obésité. Nous avons identifié un nouveau système de régulation autocrine/paracrine de l’adipogenèse dans les cellules du tissu adipeux. Le pyroglutamylated RF-amide peptide (QRFP), qui était connu pour son rôle dans la régulation de l’appétit, est un activateur de l’adipogenèse par l’activation de son récepteur, le G protein-coupled receptor 103 (GPR103). Le QRFP est exprimé dans les macrophages et les adipocytes alors que le GPR103 de sous-type b est exprimé dans les adipocytes seulement. Un traitement des adipocytes avec le QRFP augmente le captage des acides gras, l’accumulation de lipides ainsi que l’expression et l’activité de l’enzyme LPL. Le QRFP augmente aussi l’expression des gènes des transporteurs d’acides gras CD36 et FATP1, de l’enzyme activatrice d’acides gras ACSL1 et des facteurs de transcription PPAR-γ et C/EBP-α, qui sont tous impliqués dans l’adipogenèse. En plus de ses effets sur l’adipogenèse, le QRFP possède aussi un effet inhibiteur sur l’activité lipolytique induite par les catécholamines. Nous avons montré que l’expression du QRFP est diminuée dans le tissu adipeux des souris obèses. Selon nos résultats, cette diminution pourrait être expliquée par une augmentation des endotoxines circulantes chez les obèses, appelée endotoxémie métabolique, qui agirait, entre autres, par l’induction des interférons dans les macrophages. Les voies de signalisation de ces effets ont aussi été identifiées. Nous avons montré un autre exemple de stimulus inflammatoire qui régule les signaux adipogènes à la baisse.

Développement d'antennes RF pour l'imagerie du rat en résonance magnétique

Le présent mémoire porte sur la conception et le développement de deux antennes RF utilisées en imagerie par résonance magnétique. Ces antennes ont pour but de guider le futur développement d’une plateforme d’imagerie multi-animal qui servira les chercheurs du nouveau CRCHUM. Plus spécifiquement, ces antennes ont été conçues pour l’imagerie du proton à 1.5T. La première utilise une birdcage de type lowpass pour la partie émettrice et utilise 8 éléments de surface pour la partie réceptrice. La seconde antenne est une birdcage de type lowpass polarisée circulairement qui est utilisée à la fois pour l’émission et pour la réception. Cette dernière a présenté de bonnes performances, générant des images avec un SNR élevé et avec une bonne homogénéité, la rendant une bonne candidate pour la future plateforme. La première a présenté quelques problèmes au niveau de la désyntonisation de la birdcage et du couplage entre les éléments. Dans le cas où ces problèmes venaient à être surmontés, cette antenne aurait l’avantage de pouvoir utiliser des techniques d’imagerie parallèle et possiblement d’avoir un SNR plus élevé.

Les mécanismes de régulation du métabolisme lipidique par les peptides QRFP (pyroglutamylated RF-amide peptides)

Plusieurs cibles thérapeutiques dans le développement de médicaments contre l’obésité visent une diminution de l’appétit et de la masse adipeuse et à augmenter la dépense énergétique. L’appétit et le métabolisme énergétique sont régulés par certains neuropeptides qui agissent au niveau du système nerveux central, notamment dans l’hypothalamus. Parmi ces neuropeptides, les peptides RF-amide ou QRFP (pyroglutamylated RF-amide peptides), ainsi nommés par la présence du motif conservé Arg-Phe-NH2 dans le domaine C-terminal, induisent une hyperphagie et une augmentation de la masse adipeuse lorsqu’administrés par voie centrale. Les formes bioactives de ces peptides comprennent principalement 43 (QRFP-43) et 26 (QRFP-26) acides aminés. Outre les peptides QRFP, leurs récepteurs, les GPR103 de la famille des récepteurs à 7 passages transmembranaires couplés aux protéines G, sont exprimés dans l’hypothalamus. Plus récemment, des études ont montré la sécrétion de ces neuropeptides, et la présence du GPR103, dans le tissu adipeux. Cependant, le rôle de la voie signalétique (QRFP/GPR103) dans la régulation du métabolisme lipidique au niveau périphérique est peu connu. Les travaux de cette thèse ont porté sur la caractérisation des effets adipogéniques périphériques des neuropeptides QRFP. En premier lieu, nos travaux ont montré que les adipocytes 3T3-L1 et les adipocytes murins isolés des dépôts adipeux blancs expriment le prépro-QRFP et uniquement le récepteur GPR103B, un des deux sous-types de récepteurs présents chez la souris. De plus, nous avons montré que l’expression du récepteur est régulée par une diète riche en lipides réduisant l’expression du prépro-QRFP, mais augmentant celle du GPR103B dans les dépôts lipidiques. Chez l’humain, les adipocytes de l’omentum expriment autant le GPR103 que le prépro-QRFP. Nous avons de plus étudié la fonctionnalité du GPR103B dans les adipocytes 3T3-L1 par l’utilisation d’ARN interférents. Nous avons observé que ce récepteur médie les effets adipogéniques des QRFPs en augmentant l’expression du récepteur nucléaire PPAR-gamma (peroxisome proliferator-activated receptor gamma) et le facteur de transcription C/EBP-alpha (CCAAT-enhancer binding protein alpha) résultant en une accumulation des triglycérides. Nous avons aussi mis en évidence les effets anti-lipolytiques des QRFPs. En effet, les QRFP inhibent fortement la lipolyse induite avec l’isoprotérénol. L’étude des mécanismes moléculaires à l’origine des effets anti-lipolytiques du QRFP-43 a montré l’activation de la voie de signalisation PI3-K/PKB (phosphatidylinositol 3-kinase/protéine kinase B) en réponse à la stimulation du GPR103B. La réponse anti-lipolytique induite par le QRFP-43 est associée à une diminution de la phosphorylation de la périlipine A (PLIN1a) et de la lipase hormono-sensible (HSL). Nos études ont élucidé les mécanismes conduisant à l’inhibition de la phosphorylation de la PLIN1a en réponse à l’activation du GPR103B, impliquant l’inhibition de la migration de la cavéoline 1 et de la sous unité catalytique de la protéine kinase A (PKA) au niveau des gouttelettes lipidiques, ainsi que l’inhibition de l’activité des Src kinases et de la protéine kinase C (PKC). En conclusion, nos travaux ont montré que les QRFP-43 et -26 exercent un effet adipogénique et anti-lipolytique dans les adipocytes, mettant ainsi en évidence le rôle des neuropeptides QRFPs dans la régulation du métabolisme lipidique au niveau adipocytaire.