A high-power-factor, three-phase isolated AC-DC converter using high-frequency current injection

A single-stage, three-phase AC-to-DC converter topology is proposed for high-frequency power supply applications. The principal features of the circuit include continuous current operation of the three AC input inductors, inherent shaping of the input currents, resulting in high power factor, a transformer isolated output, and only two active devices are required, both soft-switched. Resonant conversion techniques are used, and a high power factor is achieved by injecting high-frequency currents into the three-phase rectifier, producing a high frequency modulation of the rectifier input voltages. The current injection principle is explained and the system operation is confirmed by a combination of simulation and experimental results.

Cortical oscillatory dynamics and benzodiazepine-site modulation of tonic inhibition in fast spiking interneurons

Tonic conductance mediated by extrasynaptic GABAA receptors has been implicated in the modulation of network oscillatory activity. Using an in vitro brain slice to produce oscillatory activity and a kinetic model of GABAA receptor dynamics, we show that changes in tonic inhibitory input to fast spiking interneurons underlie benzodiazepine-site mediated modulation of neuronal network synchrony in rat primary motor cortex. We found that low concentrations (10 nM) of the benzodiazepine site agonist, zolpidem, reduced the power of pharmacologically-induced beta-frequency (15–30 Hz) oscillatory activity. By contrast, higher doses augmented beta power. Application of the antagonist, flumazenil, also increased beta power suggesting endogenous modulation of the benzodiazepine binding site. Voltage-clamp experiments revealed that pharmacologically-induced rhythmic inhibitory postsynaptic currents were reduced by 10 nM zolpidem, suggesting an action on inhibitory interneurons. Further voltage -clamp studies of fast spiking cells showed that 10 nM zolpidem augmented a tonic inhibitory GABAA receptor mediated current in fast spiking cells whilst higher concentrations of zolpidem reduced the tonic current. A kinetic model of zolpidem-sensitive GABAA receptors suggested that incubation with 10 nM zolpidem resulted in a high proportion of GABAA receptors locked in a kinetically slow desensitized state whilst 30 nM zolpidem favoured rapid transition into and out of desensitized states. This was confirmed experimentally using a challenge with saturating concentrations of GABA. Selective modulation of an interneuron-specific tonic current may underlie the reversal of cognitive and motor deficits afforded by low-dose zolpidem in neuropathological states.

Impact of longitudinal power budget in coherent transmission systems employing digital back-propagation

We report the impact of longitudinal signal power profile on the transmission performance of coherently-detected 112 Gb/s m-ary polarization multiplexed quadrature amplitude modulation system after compensation of deterministic nonlinear fibre impairments. Performance improvements up to 0.6 dB (Q(eff)) are reported for a non-uniform transmission link power profile. Further investigation reveals that the evolution of the transmission performance with power profile management is fully consistent with the parametric amplification of the amplified spontaneous emission by the signal through four-wave mixing. In particular, for a non-dispersion managed system, a single-step increment of 4 dB in the amplifier gain, with respect to a uniform gain profile, at similar to 2/3(rd) of the total reach considerably improves the transmission performance for all the formats studied. In contrary a negative-step profile, emulating a failure (gain decrease or loss increase), significantly degrades the bit-error rate.

Acousto-optic modulation in a microstructured plastic optical fibre Bragg grating

The present work addresses the control of the mPOF Bragg grating spectrum properties through acousto-optic modulation. For the first time, the interaction of a flexural acoustic wave, generated by longitudinal excitation of different frequencies, with the Bragg grating will be presented. Also it will be demonstrated the quasi linear relationship between PZT load and maximum reflected power/ 3dB bandwidth of the reflected spectrum.

Multi-band carrier-less amplitude and phase modulation for bandlimited visible light communications systems

Visible light communications is a technology with enormous potential for a wide range of applications within next generation transmission and broadcasting technologies. VLC offers simultaneous illumination and data communications by intensity modulating the optical power emitted by LEDs operating in the visible range of the electromagnetic spectrum (~370-780 nm). The major challenge in VLC systems to date has been in improving transmission speeds, considering the low bandwidths available with commercial LED devices. Thus, to improve the spectral usage, the research community has increasingly turned to advanced modulation formats such as orthogonal frequency-division multiplexing. In this article we introduce a new modulation scheme into the VLC domain; multiband carrier-less amplitude and phase modulation (m-CAP) and describe in detail its performance within the context of bandlimited systems.

Reductions of peak-to-average power ratio and optical beat interference in cost-effective OFDMA-PONs

The peak-to-average power ratio (PAPR) and optical beat interference (OBI) effects are examined thoroughly in orthogonal frequency-division multiplexing access (OFDMA)-passive optical networks (PONs) at a signal bit rate up to ∼ 20 Gb/s per channel using cost-effective intensity-modulation and direct-detection (IM/DD). Single-channel OOFDM and upstream multichannel OFDM-PONs are investigated for up to six users. A number of techniques for mitigating the PAPR and OBI effects are presented and evaluated including adaptive-loading algorithms such as bit/power-loading, clipping for PAPR reduction, and thermal detuning (TD) for the OBI suppression. It is shown that the bit-loading algorithm is a very efficient PAPR reduction technique by reducing it at about 1.2 dB over 100 Km of transmission. It is also revealed that the optimum method for suppressing the OBI is the TD + bit-loading. For a targeted BER of 1 × 10-3, the minimum allowed channel spacing is 11 GHz when employing six users. © 2013 Springer Science+Business Media New York.

Optimised phase disposition pulse-width modulation strategy for hybrid-clamped multilevel inverters using switching state sequences

This study describes an optimised modulation strategy based on switching state sequences for the hybrid-clamped multilevel converter. Two key control variables defined as 'phase shift angle' and 'switching state change' for a five-level hybrid-clamped inverter are proposed to improve all switches' operation, and by changing their values, different control methods can be obtained for modulation optimisation purposes. Two example methods can solve the voltage imbalance problem of the dc-link capacitors and furthermore avoid two switches' simultaneous switching transitions and improve the inverter's performance as compared with the traditional phase disposition pulse-width modulation strategy. A 6 kW prototype inverter is developed and a range of simulation and experiments are carried out for validation. It is found that simulation and experimental results are in a good agreement and the proposed modulation strategy is verified in terms of low-order harmonic reduction.

Quantum-dot saturable absorber and Kerr-lens mode-locked Yb:KGW laser with >450 kW of peak power

The hybrid action of quantum-dot saturable absorber and Kerr-lens mode locking in a diode-pumped Yb:KGW laser was demonstrated. Using a quantum-dot saturable absorber with a 0.7% (0.5%) modulation depth, the mode-locked laser delivered 90 fs (93 fs) pulses with 3.2 W (2.9 W) of average power at the repetition rate of 77 MHz, corresponding to 462 kW (406 kW) of peak power and 41 nJ (38 nJ) of pulse energy. To the best of our knowledge, this represents the highest average and peak powers generated to date from quantum-dot saturable absorber-based mode-locked lasers.

Quasi-Orthogonal Space-Time Block Coding Using Polynomial Phase Modulation

Recently, polynomial phase modulation (PPM) was shown to be a power- and bandwidth-efficient modulation format. These two characteristics are in high demand nowadays specially in mobile applications, where devices with size, weight, and power (SWaP) constraints are common. In this paper, we propose implementing a full-diversity quasiorthogonal space-time block code (QOSTBC) using polynomial phase signals as modulation format. QOSTBCs along with PPM are used in order to improve the power efficiency of communication systems with four transmit antennas. We obtain the optimal PPM constellations that ensure full diversity and maximize the QOSTBC's minimum coding gain distance. Simulation results show that by using QOSTBCs along with a properly selected PPM constellation, full diversity in flat fading channels and thus low BER at high signal-to-noise ratios (SNR) can be ensured. More importantly, it is also shown that QOSTBCs using PPM achieve a better error performance than those using conventional modulation formats.

Constant V/Hz control based on DSP for open winding doubly-fed wind power generator

A DSP implementation of Space Vector PWM (SVPWM) using constant V/Hz control for the open winding doubly-fed generator is proposed. This control of SVPWM modulation mode and open winding structure combination has the high voltage utilization ratio, greatly improves the control precision of the system, and reduces the stator winding output current distortion rate, though the complexity of the system is increased. This paper describes the basic principle of SVPWM and discusses the particularity of SVPWM waveform generated by hybrid vector under the condition of open winding. This method is applied to a state of doubly-fed wind power generator. The experimental verification shows that this control method can make the output voltage amplitude of the doubly-fed induction generator be 380V and the frequency be 50Hz by using of TMS32028335 chip based on constant V/Hz control of symmetric SVPWM modulation wave.

Using Coding to Improve Localization and Backscatter Communication Performance in Low-Power Sensor Networks

Backscatter communication is an emerging wireless technology that recently has gained an increase in attention from both academic and industry circles. The key innovation of the technology is the ability of ultra-low power devices to utilize nearby existing radio signals to communicate. As there is no need to generate their own energetic radio signal, the devices can benefit from a simple design, are very inexpensive and are extremely energy efficient compared with traditional wireless communication. These benefits have made backscatter communication a desirable candidate for distributed wireless sensor network applications with energy constraints.

The backscatter channel presents a unique set of challenges. Unlike a conventional one-way communication (in which the information source is also the energy source), the backscatter channel experiences strong self-interference and spread Doppler clutter that mask the information-bearing (modulated) signal scattered from the device. Both of these sources of interference arise from the scattering of the transmitted signal off of objects, both stationary and moving, in the environment. Additionally, the measurement of the location of the backscatter device is negatively affected by both the clutter and the modulation of the signal return.

This work proposes a channel coding framework for the backscatter channel consisting of a bi-static transmitter/receiver pair and a quasi-cooperative transponder. It proposes to use run-length limited coding to mitigate the background self-interference and spread-Doppler clutter with only a small decrease in communication rate. The proposed method applies to both binary phase-shift keying (BPSK) and quadrature-amplitude modulation (QAM) scheme and provides an increase in rate by up to a factor of two compared with previous methods.

Additionally, this work analyzes the use of frequency modulation and bi-phase waveform coding for the transmitted (interrogating) waveform for high precision range estimation of the transponder location. Compared to previous methods, optimal lower range sidelobes are achieved. Moreover, since both the transmitted (interrogating) waveform coding and transponder communication coding result in instantaneous phase modulation of the signal, cross-interference between localization and communication tasks exists. Phase discriminating algorithm is proposed to make it possible to separate the waveform coding from the communication coding, upon reception, and achieve localization with increased signal energy by up to 3 dB compared with previous reported results.

The joint communication-localization framework also enables a low-complexity receiver design because the same radio is used both for localization and communication.

Simulations comparing the performance of different codes corroborate the theoretical results and offer possible trade-off between information rate and clutter mitigation as well as a trade-off between choice of waveform-channel coding pairs. Experimental results from a brass-board microwave system in an indoor environment are also presented and discussed.

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.

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.

Thalamic modulation of the cortisal slow oscillation

Il est bien établi que le thalamus joue un rôle crucial dans la génération de l’oscillation lente synchrone dans le cortex pendant le sommeil lent. La puissance des ondes lente / delta (0.2-4 Hz) est un indicateur quantifiable de la qualité du sommeil. La contribution des différents noyaux thalamiques dans la génération de l’activité à ondes lentes et dans sa synchronisation n’est pas connue. Nous émettons l’hypothèse que les noyaux thalamiques de premier ordre (spécifiques) influencent localement l’activité à ondes lentes dans les zones corticales primaires, tandis que les noyaux thalamiques d’ordre supérieur (non spécifiques) synchronisent globalement les activités à ondes lentes à travers de larges régions corticales. Nous avons analysé les potentiels de champ locaux et les activités de décharges de différentes régions corticales et thalamiques de souris anesthésiées alors qu’un noyau thalamique était inactivé par du muscimol, un agoniste des récepteurs GABA. Les enregistrements extracellulaires multi-unitaires dans les noyaux thalamiques de premier ordre (VPM) et d’ordre supérieur (CL) montrent des activités de décharges considérablement diminuées et les décharges par bouffées de potentiels d’action sont fortement réduites après inactivation. Nous concluons que l’injection de muscimol réduit fortement les activités de décharges et ne potentialise pas la génération de bouffées de potentiel d’action à seuil bas. L’inactivation des noyaux thalamiques spécifiques avec du muscimol a diminué la puissance lente / delta dans la zone corticale primaire correspondante. L’inactivation d’un noyau non spécifique avec le muscimol a significativement réduit la puissance delta dans l’ensemble du cortex étudié. Nos expériences démontrent que le thalamus a un rôle crucial dans la génération de l’oscillation lente corticale.

Material characterization and process development for indium-arsenide / indium-gallium-antimonide channel, high electron mobility transistors for low power, high speed applications

Efforts to push the performance of transistors for millimeter-wave and microwave applications have borne fruit through device size scaling and the use of novel material systems. III-V semiconductors and their alloys hold a distinct advantage over silicon because they have much higher electron mobility which is a prerequisite for high frequency operation. InGaAs/InP pseudomorphic heterojunction bipolar transistors (HBTs) have demonstrated fT of 765 GHz at room temperature and InP based high electron mobility transistors (HEMTs) have demonstrated fMax of 1.2 THz. The 6.1 A lattice family of InAs, GaSb, AlSb covers a wide variety of band gaps and is an attractive future material system for high speed device development. Extremely high electron mobilities ~ 30,000 cm^2 V^-1s^-1 have been achieved in modulation doped InAs-AlSb structures. The work described in this thesis involves material characterization and process development for HEMT fabrication on this material system.