Analysis and design of sinusoidal quadrature RC-oscillators

Modern telecommunication equipment requires components that operate in many different frequency bands and support multiple communication standards, to cope with the growing demand for higher data rate. Also, a growing number of standards are adopting the use of spectrum efficient digital modulations, such as quadrature amplitude modulation (QAM) and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). These modulation schemes require accurate quadrature oscillators, which makes the quadrature oscillator a key block in modern radio frequency (RF) transceivers. The wide tuning range characteristics of inductorless quadrature oscillators make them natural candidates, despite their higher phase noise, in comparison with LC-oscillators. This thesis presents a detailed study of inductorless sinusoidal quadrature oscillators. Three quadrature oscillators are investigated: the active coupling RC-oscillator, the novel capacitive coupling RCoscillator, and the two-integrator oscillator. The thesis includes a detailed analysis of the Van der Pol oscillator (VDPO). This is used as a base model oscillator for the analysis of the coupled oscillators. Hence, the three oscillators are approximated by the VDPO. From the nonlinear Van der Pol equations, the oscillators’ key parameters are obtained. It is analysed first the case without component mismatches and then the case with mismatches. The research is focused on determining the impact of the components’ mismatches on the oscillator key parameters: frequency, amplitude-, and quadrature-errors. Furthermore, the minimization of the errors by adjusting the circuit parameters is addressed. A novel quadrature RC-oscillator using capacitive coupling is proposed. The advantages of using the capacitive coupling are that it is noiseless, requires a small area, and has low power dissipation. The equations of the oscillation amplitude, frequency, quadrature-error, and amplitude mismatch are derived. The theoretical results are confirmed by simulation and by measurement of two prototypes fabricated in 130 nm standard complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. The measurements reveal that the power increase due to the coupling is marginal, leading to a figure-of-merit of -154.8 dBc/Hz. These results are consistent with the noiseless feature of this coupling and are comparable to those of the best state-of-the-art RC-oscillators, in the GHz range, but with the lowest power consumption (about 9 mW). The results for the three oscillators show that the amplitude- and the quadrature-errors are proportional to the component mismatches and inversely proportional to the coupling strength. Thus, increasing the coupling strength decreases both the amplitude- and quadrature-errors. With proper coupling strength, a quadrature error below 1° and amplitude imbalance below 1% are obtained. Furthermore, the simulations show that increasing the coupling strength reduces the phase noise. Hence, there is no trade-off between phase noise and quadrature error. In the twointegrator oscillator study, it was found that the quadrature error can be eliminated by adjusting the transconductances to compensate the capacitance mismatch. However, to obtain outputs in perfect quadrature one must allow some amplitude error.

Notes on analogue and digital amplitude modulation

Notes on AM, DSBSC, QAM, BPSK, 4QAM, 8PSK, 16QAM

Assignment on Modulation

Considers Sampling, Pulse Amplitude Modulation, Multiple Access, Quantisation, Pulse Coded Modulation, Manchester Line Coding, Amplitude Modulation, Double SideBand Suppressed Carrier Modulation, Quadrature Amplitude Modulation and M-ary Shift Keying.

EEG amplitude modulation analysis for semi-automated diagnosis of Alzheimer's disease

Recent experimental evidence has suggested a neuromodulatory deficit in Alzheimer's disease (AD). In this paper, we present a new electroencephalogram (EEG) based metric to quantitatively characterize neuromodulatory activity. More specifically, the short-term EEG amplitude modulation rate-of-change (i.e., modulation frequency) is computed for five EEG subband signals. To test the performance of the proposed metric, a classification task was performed on a database of 32 participants partitioned into three groups of approximately equal size: healthy controls, patients diagnosed with mild AD, and those with moderate-to-severe AD. To gauge the benefits of the proposed metric, performance results were compared with those obtained using EEG spectral peak parameters which were recently shown to outperform other conventional EEG measures. Using a simple feature selection algorithm based on area-under-the-curve maximization and a support vector machine classifier, the proposed parameters resulted in accuracy gains, relative to spectral peak parameters, of 21.3% when discriminating between the three groups and by 50% when mild and moderate-to-severe groups were merged into one. The preliminary findings reported herein provide promising insights that automated tools may be developed to assist physicians in very early diagnosis of AD as well as provide researchers with a tool to automatically characterize cross-frequency interactions and their changes with disease.

Linear dispersive pre-defined peak amplitude modulation of spectrally modulated airy-based pulses

Spectrally modulated Airy-based pulses peak amplitude modulation (PAM) in linear dispersive media is investigated, designed, and numerically simulated. As it is shown here, it is possible to design the spectral modulation of the initial Airy-based pulses to obtain a pre-defined PAM profile as the pulse propagates. Although optical pulses self-amplitude modulation is a well-known effect under non-linear propagation, the designed Airy-based pulses exhibit PAM under linear dispersive propagation. This extraordinary linear propagation property can be applied in many kinds of dispersive media, enabling its use in a broad range of experiments and applications. © 2013 Optical Society of America.

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.

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.

The Gaussian assumption in second-order estimation problems in digital communications

This paper deals with the goodness of the Gaussian assumption when designing second-order blind estimationmethods in the context of digital communications. The low- andhigh-signal-to-noise ratio (SNR) asymptotic performance of the maximum likelihood estimator—derived assuming Gaussiantransmitted symbols—is compared with the performance of the optimal second-order estimator, which exploits the actualdistribution of the discrete constellation. The asymptotic study concludes that the Gaussian assumption leads to the optimalsecond-order solution if the SNR is very low or if the symbols belong to a multilevel constellation such as quadrature-amplitudemodulation (QAM) or amplitude-phase-shift keying (APSK). On the other hand, the Gaussian assumption can yield importantlosses at high SNR if the transmitted symbols are drawn from a constant modulus constellation such as phase-shift keying (PSK)or continuous-phase modulations (CPM). These conclusions are illustrated for the problem of direction-of-arrival (DOA) estimation of multiple digitally-modulated signals.

Assignment on Carrier Communications Simulation

Simulation of AM, QAM, complex QAM, 4QAM and 16QAM carrier communication schemes in Matlab.

Matlab Code for Modulators

Considers Sampling, Pulse Amplitude Modulation, Multiple Access, Quantisation, Pulse Coded Modulation, Manchester Line Coding, Amplitude Modulation, Double SideBand Suppressed Carrier Modulation, Quadrature Amplitude Modulation and M-ary Shift Keying.

A novel soft decision QAM demodulator for DVB-T for multipath system

In 1997, the United Kingdom started the world's first commercial digital terrestrial television service. The system used was the European Digital Video Broadcast - Terrestrial (DVB-T) but due to technological constraints at the time, the system chosen was the 2K system - a system that uses 1705 carriers to convey the digital television services through a hostile terrestrial environment. Today, these constraints are no longer applicable but in order to maintain backwards compatibility to the older set top boxes, the 2K system is still used. The 2K system has the disadvantage of excluding the possibiliiy of employing a Single Frequency Network (SFN) - something that can help minimise the required bandwidth for television services. This paper will demonstrate a computationally inexpensive soft decision Quadrature Amplitude Modulation technique that can reject the multipaths. (1).

Cyclic prefixed OQAM-OFDM and its application to single-carrier FDMA

Single-carrier frequency division multiple access (SC-FDMA) has appeared to be a promising technique for high data rate uplink communications. Aimed at SC-FDMA applications, a cyclic prefixed version of the offset quadrature amplitude modulation based OFDM (OQAM-OFDM) is first proposed in this paper. We show that cyclic prefixed OQAMOFDM CP-OQAM-OFDM) can be realized within the framework of the standard OFDM system, and perfect recovery condition in the ideal channel is derived. We then apply CP-OQAMOFDM to SC-FDMA transmission in frequency selective fading channels. Signal model and joint widely linear minimum mean square error (WLMMSE) equalization using a prior information with low complexity are developed. Compared with the existing DFTS-OFDM based SC-FDMA, the proposed SC-FDMA can significantly reduce envelope fluctuation (EF) of the transmitted signal while maintaining the bandwidth efficiency. The inherent structure of CP-OQAM-OFDM enables low-complexity joint equalization in the frequency domain to combat both the multiple access interference and the intersymbol interference. The joint WLMMSE equalization using a prior information guarantees optimal MMSE performance and supports Turbo receiver for improved bit error rate (BER) performance. Simulation resultsconfirm the effectiveness of the proposed SC-FDMA in termsof EF (including peak-to-average power ratio, instantaneous-toaverage power ratio and cubic metric) and BER performances.

On the power amplifier nonlinearity in MIMO transmit beamforming systems

In this paper, single-carrier multiple-input multiple-output (MIMO) transmit beamforming (TB) systems in the presence of high-power amplifier (HPA) nonlinearity are investigated. Specifically, due to the suboptimality of the conventional maximal ratio transmission/maximal ratio combining (MRT/MRC) under HPA nonlinearity, we propose the optimal TB scheme with the optimal beamforming weight vector and combining vector, for MIMO systems with nonlinear HPAs. Moreover, an alternative suboptimal but much simpler TB scheme, namely, quantized equal gain transmission (QEGT), is proposed. The latter profits from the property that the elements of the beamforming weight vector have the same constant modulus. The performance of the proposed optimal TB scheme and QEGT/MRC technique in the presence of the HPA nonlinearity is evaluated in terms of the average symbol error probability and mutual information with the Gaussian input, considering the transmission over uncorrelated quasi-static frequency-flat Rayleigh fading channels. Numerical results are provided and show the effects on the performance of several system parameters, namely, the HPA parameters, numbers of antennas, quadrature amplitude modulation modulation order, number of pilot symbols, and cardinality of the beamforming weight vector codebook for QEGT.