Modeling, Analysis and Performance Comparison of Two Direct Sampling DCSK Receivers under Frequency Nonselective Fading Channels

Two direct sampling correlator-type receivers for differential chaos shift keying (DCSK) communication systems under frequency non-selective fading channels are proposed. These receivers operate based on the same hardware platform with different architectures. In the first scheme, namely sum-delay-sum (SDS) receiver, the sum of all samples in a chip period is correlated with its delayed version. The correlation value obtained in each bit period is then compared with a fixed threshold to decide the binary value of recovered bit at the output. On the other hand, the second scheme, namely delay-sum-sum (DSS) receiver, calculates the correlation value of all samples with its delayed version in a chip period. The sum of correlation values in each bit period is then compared with the threshold to recover the data. The conventional DCSK transmitter, frequency non-selective Rayleigh fading channel, and two proposed receivers are mathematically modelled in discrete-time domain. The authors evaluated the bit error rate performance of the receivers by means of both theoretical analysis and numerical simulation. The performance comparison shows that the two proposed receivers can perform well under the studied channel, where the performances get better when the number of paths increases and the DSS receiver outperforms the SDS one.

Secure Wireless Key Establishment Using Retrodirective Array

In this paper a new method of establishing secret keys for wireless communications is proposed. A retrodirective array (RDA) that is configured to receive and re-transmit at different frequencies is utilized as a relay node. Specifically the analogue RDA is able to respond in ‘real-time’, reducing the required number of time slots for key establishment to two, compared with at least three in previous relay key generation schemes. More importantly, in the proposed architecture equivalent reciprocal wireless channels between legitimate keying nodes can be randomly updated within one channel coherence time period, leading to greatly increased key generation rates (KGRs) in slow fading environment. The secrecy performance of this RDA assisted key generation system is evaluated and it is shown that it outperforms previous relay key generation systems.

Wavelength converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers for advanced modulation formats

Les convertisseurs de longueur d’onde sont essentiels pour la réalisation de réseaux de communications optiques à routage en longueur d’onde. Dans la littérature, les convertisseurs de longueur d’onde basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur constituent une solution extrêmement intéressante, et ce, en raison de leurs nombreuses caractéristiques nécessaires à l’implémentation de tels réseaux de communications. Avec l’émergence des systèmes commerciaux de détection cohérente, ainsi qu’avec les récentes avancées dans le domaine du traitement de signal numérique, il est impératif d’évaluer la performance des convertisseurs de longueur d’onde, et ce, dans le contexte des formats de modulation avancés. Les objectifs de cette thèse sont : 1) d’étudier la faisabilité des convertisseurs de longueur d’onde basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur pour les formats de modulation avancés et 2) de proposer une technique basée sur le traitement de signal numérique afin d’améliorer leur performance. En premier lieu, une étude expérimentale de la conversion de longueur d’onde de formats de modulation d’amplitude en quadrature (quadrature amplitude modulation - QAM) est réalisée. En particulier, la conversion de longueur d’onde de signaux 16-QAM à 16 Gbaud et 64-QAM à 5 Gbaud dans un amplificateur optique à semi-conducteur commercial est réalisée sur toute la bande C. Les résultats démontrent qu’en raison des distorsions non-linéaires induites sur le signal converti, le point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde est différent de celui obtenu lors de la conversion de longueur d’onde de formats de modulation en intensité. En effet, dans le contexte des formats de modulation avancés, c’est le compromis entre la puissance du signal converti et les non-linéarités induites qui détermine le point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde. Les récepteurs cohérents permettent l’utilisation de techniques de traitement de signal numérique afin de compenser la détérioration du signal transmis suite à sa détection. Afin de mettre à profit les nouvelles possibilités offertes par le traitement de signal numérique, une technique numérique de post-compensation des distorsions induites sur le signal converti, basée sur une analyse petit-signal des équations gouvernant la dynamique du gain à l’intérieur des amplificateurs optiques à semi-conducteur, est développée. L’efficacité de cette technique est démontrée à l’aide de simulations numériques et de mesures expérimentales de conversion de longueur d’onde de signaux 16-QAM à 10 Gbaud et 64-QAM à 5 Gbaud. Cette méthode permet d’améliorer de façon significative les performances du convertisseur de longueur d’onde, et ce, principalement pour les formats de modulation avancés d’ordre supérieur tel que 64-QAM. Finalement, une étude expérimentale exhaustive de la technique de post-compensation des distorsions induites sur le signal converti est effectuée pour des signaux 64-QAM. Les résultats démontrent que, même en présence d’un signal à bruité à l’entrée du convertisseur de longueur d’onde, la technique proposée améliore toujours la qualité du signal reçu. De plus, une étude du point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde est effectuée et démontre que celui-ci varie en fonction des pertes optiques suivant la conversion de longueur d’onde. Dans un réseau de communication optique à routage en longueur d’onde, le signal est susceptible de passer par plusieurs étages de conversion de longueur d’onde. Pour cette raison, l’efficacité de la technique de post-compensation est démontrée, et ce pour la première fois dans la littérature, pour deux étages successifs de conversion de longueur d’onde de signaux 64-QAM à 5 Gbaud. Les résultats de cette thèse montrent que les convertisseurs de longueur d’ondes basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur, utilisés en conjonction avec des techniques de traitement de signal numérique, constituent une technologie extrêmement prometteuse pour les réseaux de communications optiques modernes à routage en longueur d’onde.

Parallel Cyclostationarity-Exploiting Algorithm for Energy-Efficient Spectrum Sensing

The evolution of wireless communication systems leads to Dynamic Spectrum Allocation for Cognitive Radio, which requires reliable spectrum sensing techniques. Among the spectrum sensing methods proposed in the literature, those that exploit cyclostationary characteristics of radio signals are particularly suitable for communication environments with low signal-to-noise ratios, or with non-stationary noise. However, such methods have high computational complexity that directly raises the power consumption of devices which often have very stringent low-power requirements. We propose a strategy for cyclostationary spectrum sensing with reduced energy consumption. This strategy is based on the principle that p processors working at slower frequencies consume less power than a single processor for the same execution time. We devise a strict relation between the energy savings and common parallel system metrics. The results of simulations show that our strategy promises very significant savings in actual devices.

Design and modeling of optical fibers for spatial division multiplexing using the orbital angular momentum of light

Les besoins toujours croissants en terme de transfert de données numériques poussent au développement de nouvelles technologies pour accroître la capacité des réseaux, notamment en ce qui concerne les réseaux de fibre optique. Parmi ces nouvelles technologies, le multiplexage spatial permet de multiplier la capacité des liens optiques actuels. Nous nous intéressons particulièrement à une forme de multiplexage spatial utilisant le moment cinétique orbital de la lumière comme base orthogonale pour séparer un certain nombre de canaux. Nous présentons d’abord les notions d’électromagnétisme et de physique nécessaires à la compréhension des développements ultérieurs. Les équations de Maxwell sont dérivées afin d’expliquer les modes scalaires et vectoriels de la fibre optique. Nous présentons également d’autres propriétés modales, soit la coupure des modes, et les indices de groupe et de dispersion. La notion de moment cinétique orbital est ensuite introduite, avec plus particulièrement ses applications dans le domaine des télécommunications. Dans une seconde partie, nous proposons la carte modale comme un outil pour aider au design des fibres optiques à quelques modes. Nous développons la solution vectorielle des équations de coupure des modes pour les fibres en anneau, puis nous généralisons ces équations pour tous les profils de fibres à trois couches. Enfin, nous donnons quelques exemples d’application de la carte modale. Dans la troisième partie, nous présentons des designs de fibres pour la transmission des modes avec un moment cinétique orbital. Les outils développés dans la seconde partie sont utilisés pour effectuer ces designs. Un premier design de fibre, caractérisé par un centre creux, est étudié et démontré. Puis un second design, une famille de fibres avec un profil en anneau, est étudié. Des mesures d’indice effectif et d’indice de groupe sont effectuées sur ces fibres. Les outils et les fibres développés auront permis une meilleure compréhension de la transmission dans la fibre optique des modes ayant un moment cinétique orbital. Nous espérons que ces avancements aideront à développer prochainement des systèmes de communications performants utilisant le multiplexage spatial.

Techniques en appui des formats de modulation avancés pour les futurs réseaux optiques

Les systèmes de communication optique avec des formats de modulation avancés sont actuellement l’un des sujets de recherche les plus importants dans le domaine de communication optique. Cette recherche est stimulée par les exigences pour des débits de transmission de donnée plus élevés. Dans cette thèse, on examinera les techniques efficaces pour la modulation avancée avec une détection cohérente, et multiplexage par répartition en fréquence orthogonale (OFDM) et multiples tonalités discrètes (DMT) pour la détection directe et la détection cohérente afin d’améliorer la performance de réseaux optiques. Dans la première partie, nous examinons la rétropropagation avec filtre numérique (DFBP) comme une simple technique d’atténuation de nonlinéarité d’amplificateur optique semiconducteur (SOA) dans le système de détection cohérente. Pour la première fois, nous démontrons expérimentalement l’efficacité de DFBP pour compenser les nonlinéarités générées par SOA dans un système de détection cohérente porteur unique 16-QAM. Nous comparons la performance de DFBP avec la méthode de Runge-Kutta quatrième ordre. Nous examinons la sensibilité de performance de DFBP par rapport à ses paramètres. Par la suite, nous proposons une nouvelle méthode d’estimation de paramètre pour DFBP. Finalement, nous démontrons la transmission de signaux de 16-QAM aux taux de 22 Gbaud sur 80km de fibre optique avec la technique d’estimation de paramètre proposée pour DFBP. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur les techniques afin d’améliorer la performance des systèmes OFDM optiques en examinent OFDM optiques cohérente (CO-OFDM) ainsi que OFDM optiques détection directe (DDO-OFDM). Premièrement, nous proposons une combinaison de coupure et prédistorsion pour compenser les distorsions nonlinéaires d’émetteur de CO-OFDM. Nous utilisons une interpolation linéaire par morceaux (PLI) pour charactériser la nonlinéarité d’émetteur. Dans l’émetteur nous utilisons l’inverse de l’estimation de PLI pour compenser les nonlinéarités induites à l’émetteur de CO-OFDM. Deuxièmement, nous concevons des constellations irrégulières optimisées pour les systèmes DDO-OFDM courte distance en considérant deux modèles de bruit de canal. Nous démontrons expérimentalement 100Gb/s+ OFDM/DMT avec la détection directe en utilisant les constellations QAM optimisées. Dans la troisième partie, nous proposons une architecture réseaux optiques passifs (PON) avec DDO-OFDM pour la liaison descendante et CO-OFDM pour la liaison montante. Nous examinons deux scénarios pour l’allocations de fréquence et le format de modulation des signaux. Nous identifions la détérioration limitante principale du PON bidirectionnelle et offrons des solutions pour minimiser ses effets.

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.

Coffee Berry Borer Joins Bark Beetles in Coffee Klatch

Unanswered key questions in bark beetle-plant interactions concern host finding in species attacking angiosperms in tropical zones and whether management strategies based on chemical signaling used for their conifer-attacking temperate relatives may also be applied in the tropics. We hypothesized that there should be a common link in chemical signaling mediating host location by these Scolytids. Using laboratory behavioral assays and chemical analysis we demonstrate that the yellow-orange exocarp stage of coffee berries, which attracts the coffee berry borer, releases relatively high amounts of volatiles including conophthorin, chalcogran, frontalin and sulcatone that are typically associated with Scolytinae chemical ecology. The green stage of the berry produces a much less complex bouquet containing small amounts of conophthorin but no other compounds known as bark beetle semiochemicals. In behavioral assays, the coffee berry borer was attracted to the spiroacetals conophthorin and chalcogran, but avoided the monoterpenes verbenone and a-pinene, demonstrating that, as in their conifer-attacking relatives in temperate zones, the use of host and non-host volatiles is also critical in host finding by tropical species. We speculate that microorganisms formed a common basis for the establishment of crucial chemical signals comprising inter-and intraspecific communication systems in both temperate-and tropical-occurring bark beetles attacking gymnosperms and angiosperms.

Inter-carrier interference mitigation for underwater acoustic communications

Communicating at a high data rate through the ocean is challenging. Such communications must be acoustic in order to travel long distances. The underwater acoustic channel has a long delay spread, which makes orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) an attractive communication scheme. However, the underwater acoustic channel is highly dynamic, which has the potential to introduce significant inter-carrier interference (ICI). This thesis explores a number of means for mitigating ICI in such communication systems. One method that is explored is directly adapted linear turbo ICI cancellation. This scheme uses linear filters in an iterative structure to cancel the interference. Also explored is on-off keyed (OOK) OFDM, which is a signal designed to avoid ICI.

Digitaalisen puhesignaalin siirtäminen matkapuhelinjärjestelmässä

Puheen siirtäminen langallisesti juontaa juurensa jo 1800-luvun loppupuolelle, kun puhelin keksittiin. Ensimmäiset matkapuhelimet tulivat 1950-luvulla. Silloin puhe siirrettiin kuitenkin analogisesti, jolloin puheenlaatu oli huonoa sekä viiveet isoja. Puheen digitalisointia alettiin kehittää 1970-luvulla ja otettiin käyttöön ensimmäistä kertaa vuonna 1991. Digitalisointi mahdollistaa puheen siirtämisen, tallentamisen ja uudelleen generoimisen ilman tietosisällön muuttumista. Se myös mahdollistaa virheiden korjauksen, jotka puhesignaaliin saattavat yhdistyä siirtokanavassa. Digitaalisesti toimivan GSM:n (Groupe Spécial Mobile, myöh. Global System For Mobile communication) käyttöönotto paransi palveluita huomattavasti analogiseen verrattuna. GSM:llä datanopeudet ovat kuitenkin suhteellisen pienet, jonka takia on otettu käyttöön UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). UMTS pyrkii langattomassa tiedonsiirrossa yhtä hyvään laatuun kuin pystytään langallisessa. Tässä tutkielmassa perehdytään puheensignaalin siirtämiseen matkapuhelimesta vastaanottajalle, tärkeimpiin puheenkoodausmenetelmiin sekä tutustutaan matkapuhelinjärjestelmiin.

Amplificador de RF Doherty assimétrico de 2-vias

Os atuais esquemas de modulação e acesso ao meio, tais como o Wide- Band Code-Division Multiple Access (WCDMA) ou Orthogonal Frequency- Division Multiple Access (OFDMA), que são otimizados para a gestão eficiente do espetro electromagnético e elevada taxa de transmissão, originam sinais de elevado Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) e requisitos de linearidade rigorosos. As arquiteturas de amplificação tradicionais, i.e. baseadas no operação em modo de corrente do dispositivo ativo, são incapazes de satisfazer estes requisitos em simultâneo. Assim, o amplificador de potência (do inglês, Power Ampli_er (PA)) incorre numa degradação significativa de rendimento energético em favor de maior linearidade, aumentando simultaneamente os custos de operação das estacões base para os operadores de telecomunicações móveis e o impacte ambiental. Este trabalho foca-se no estudo da arquitetura Doherty, a principal solução encontrada para melhorar o compromisso linearidade/rendimento para aplicações em estações-base de comunicações móveis. Para tal, são expostos os princípios básicos de amplificadores de rádio frequência assim como a análise teórica do tradicional PA Doherty (do inglês, Doherty Power Amplifier (DhPA)) de duas vias e suas variantes. O estudo _e complementado com o projeto e implementação de um PA excitador, em classe-AB, e de um DhPA de elevada potência, colocando-se em prática a teoria e técnicas de projeto estudadas ao longo deste trabalho, aliadas aos desafios da implementação com dispositivos reais de elevada potência.

Design and development of distributed feedback transistor lasers

The transistor laser is a unique three-port device that operates simultaneously as a transistor and a laser. With quantum wells incorporated in the base regions of heterojunction bipolar transistors, the transistor laser possesses advantageous characteristics of fast base spontaneous carrier lifetime, high differential optical gain, and electrical-optical characteristics for direct “read-out” of its optical properties. These devices have demonstrated many useful features such as high-speed optical transmission without the limitations of resonance, non-linear mixing, frequency multiplication, negative resistance, and photon-assisted switching. To date, all of these devices operate as multi-mode lasers without any type of wavelength selection or stabilizing mechanisms. Stable single-mode distributed feedback diode laser sources are important in many applications including spectroscopy, as pump sources for amplifiers and solid-state lasers, for use in coherent communication systems, and now as TLs potentially for integrated optoelectronics. The subject of this work is to expand the future applications of the transistor laser by demonstrating the theoretical background, process development and device design necessary to achieve singlelongitudinal- mode operation in a three-port transistor laser. A third-order distributed feedback surface grating is fabricated in the top emitter AlGaAs confining layers using soft photocurable nanoimprint lithography. The device produces continuous wave laser operation with a peak wavelength of 959.75 nm and threshold current of 13 mA operating at -70 °C. For devices with cleaved ends a side-mode suppression ratio greater than 25 dB has been achieved.

Dispersive estimates for the Schrödinger equation

In this document we explore the issue of $L^1\to L^\infty$ estimates for the solution operator of the linear Schr\"{o}dinger equation, \begin{align*} iu_t-\Delta u+Vu&=0 &u(x,0)=f(x)\in \mathcal S(\R^n). \end{align*} We focus particularly on the five and seven dimensional cases. We prove that the solution operator precomposed with projection onto the absolutely continuous spectrum of $H=-\Delta+V$ satisfies the following estimate $\|e^{itH} P_{ac}(H)\|_{L^1\to L^\infty} \lesssim |t|^{-\frac{n}{2}}$ under certain conditions on the potential $V$. Specifically, we prove the dispersive estimate is satisfied with optimal assumptions on smoothness, that is $V\in C^{\frac{n-3}{2}}(\R^n)$ for $n=5,7$ assuming that zero is regular, $|V(x)|\lesssim \langle x\rangle^{-\beta}$ and $|\nabla^j V(x)|\lesssim \langle x\rangle^{-\alpha}$, $1\leq j\leq \frac{n-3}{2}$ for some $\beta>\frac{3n+5}{2}$ and $\alpha>3,8$ in dimensions five and seven respectively. We also show that for the five dimensional result one only needs that $|V(x)|\lesssim \langle x\rangle^{-4-}$ in addition to the assumptions on the derivative and regularity of the potential. This more than cuts in half the required decay rate in the first chapter. Finally we consider a problem involving the non-linear Schr\"{o}dinger equation. In particular, we consider the following equation that arises in fiber optic communication systems, \begin{align*} iu_t+d(t) u_{xx}+|u|^2 u=0. \end{align*} We can reduce this to a non-linear, non-local eigenvalue equation that describes the so-called dispersion management solitons. We prove that the dispersion management solitons decay exponentially in $x$ and in the Fourier transform of $x$.

Múltiplas antenas como alternativa para aumentar a taxa de extração de chaves secretas em redes veiculares com desvanecimento lento

The communication in vehicular ad hoc networks (VANETs) is commonly divided in two scenarios, namely vehicle-to-vehicle (V2V) and vehicle-to-infrastructure (V2I). Aiming at establishing secure communication against eavesdroppers, recent works have proposed the exchange of secret keys based on the variation in received signal strength (RSS). However, the performance of such scheme depends on the channel variation rate, being more appropriate for scenarios where the channel varies rapidly, as is usually the case with V2V communication. In the communication V2I, the channel commonly undergoes slow fading. In this work we propose the use of multiple antennas in order to artificially generate a fast fading channel so that the extraction of secret keys out of the RSS becomes feasible in a V2I scenario. Numerical analysis shows that the proposed model can outperform, in terms of secret bit extraction rate, a frequency hopping-based method proposed in the literature.

Zmiany w systemach komunikacji akustycznej ptaków jako bioindykatory zmian w środowisku

Wydział Biologii