In recent years, the Brigham Young University (BYU) Radio Astronomy Systems group has developed phased-array feeds and the data acquisition processing systems necessary to perform radio astronomy observations. This thesis describes the development and testing of a real-time digital beamforming system that reduces both the time required to process phased-array feed data and the disk space used to record this data compared to post-processing beamforming systems. A real-data experiment is also discussed in this thesis, which focuses on some of the data post-processing required for one of BYU's data acquisition systems.Radio-frequency interference mitigation techniques for phased-array feed radio astronomy have been studied for several years, but the effect that these techniques have on weak-signal detection is not well understood. This thesis provides analysis of a simulated weak-source observation for the Green Bank 20-meter telescope and BYU 19 element phasedarray feed with radio-frequency interference present. Interference mitigation techniques are shown to reduce the detectability of weak sources compared with the no interference case, but it is also shown that a weak source can be detected that would otherwise be masked by interference.

One of the many challenges in radio astronomy is the ability to make accurate measurements quickly. In recent years engineers and astronomers have begun implementing phased array feeds (PAFs) as a way to negate the long observation times required by single antenna feeds. Unfortunately, large mutual coupling and other loss terms result in low sensitivity, restricting PAF usefulness in on dish observation. This thesis addresses several ways to reduce mutual coupling and maximize sensitivity for PAFs in radio astronomy. Antenna design of this magnitude requires accurate modeling capabilities. To this end, electromagnetic software models and low loss component designs are verified and validated with measured data. This process required the construction of a 50 Ω matched dipole and measurements on a network analyzer at Brigham Young University. The design and optimization of several single and dual polarization hexagonal grid arrays of 19 and 38 elements respectively are also described. Model figures of merit are compared with measurements taken on the 20-Meter dish at the National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in Green Bank, WV and the 300 meter dish at the Arecibo Observatory in Arecibo, PR. Although some unexplained discrepancies exist between measured and model datasets, the dual pol cryocooled kite array described boasts the highest PAF sensitivity ever measured.

Research institutions around the globe are developing phased array feed (PAF) systems for wide-field L-band radio astronomical observations. PAFs offer faster survey speeds and larger fields of view than standard single-pixel feeds, which enable rapid sky surveys and significantly increased scientific capability. Because deep space astronomical signals are inherently weak, PAF systems must meet stringent noise and sensitivity requirements. Meeting these requirements requires detailed modeling of the phased array itself as well as the reflector it is mounted on. This thesis details a novel approach to dual-pol PAF design that models the array and reflector as a complete system in order to achieve a more optimal sensitivity and system noise temperature. The design and construction of two arrays designed using this technique is discussed. The implementation of a data acquisition system to receive data from the first of these arrays is also detailed. Polarization state information plays an important role in understanding cosmological processes for many deep space sources. Because of phase and gain imbalances in the LNAs and receiver chains calibration is required for accurate measurement of polarization by phased array feeds. As a result accurate polarimetric calibration techniques are essential for many observations. Existing polarimetric calibration methods are based on assumptions about the form of the system Mueller matrix that limit the generality of the method or require long observations of a polarized source which is time-consuming for multiple PAF beams. This thesis introduces a more efficient method of calibration that uses only three snapshot observations of bright astronomical calibrator sources, one unpolarized and two partially polarized. The design of an engineering array for the Green Bank Telescope is discussed. Measured results from a prototype element are presented along with simulated on-reflector results for the full array. Simulations predict that the array will be the highest sensitivity dual pol feed built by the Radio Astronomy Systems group at Brigham Young University to date.

This work continues the development of phased array radar for UAS detection and tracking. The earlier 1D scanning, 4 channel BYU SAA radar is improved upon and replicated to form a network of radars. These are shown to work together for higher level tracking across multiple fields of view. Additionally, a new phased array instrument is designed and constructed with 16 channels, 2D scanning, and improved signal processing algorithms. Preliminary metrics and field results show the operation of this sensor. A new technique for measuring array mutual impedances from embedded element patterns is developed here. This technique uses an antenna range instead of a network analyzer. New mathematical relationships are built to handle cases for practical measurements and field transformations. Demonstration of this method with a 2x2 uniform rectangular array is shown and compares favorably with the mutual impedances traditionally measured with a network analyzer. A new way to measure radiation efficiency using the antenna Y factor method is demonstrated. This method does not require an expensive field measurement chamber and can be done with a simple ground shield and absorber foam. Various X band antennas have their radiation efficiency characterized and compare favorable with known efficiencies.

Underwater communication within underwater sensor network is crucial for surveillance of coast and ocean areas. The aim of this report was to examine whether it is realistic to use the communication signal which is sent from one node to another as a sonar pulse, and in such case at what distances. To examine the problem, a system consisting of two nodes and one approaching target was simulated in Matlab. At first, the system tries to detect the target by using a generalized likelihood ratio test, which calculates the probability of a present target from the surrounding sounds. When a target is detected by a node, it estimates the bearing to the target by using beamforming and sends out a communication signal to the other node. The communication signal spreads out in the water, and bounces on the target before it is received by the second node. To calculate the distance, the second node decodes the signal to get the time difference, from which the distance is calculated. In the end, the target's position was estimated with a weighted least square estimator with measurements of the bearing and distance. The result shows that the distance to the target could be estimated with high precision in the given scenario, and that the width of the Cramér-Rao lower bound depends mainly on the variance of the beamforming algorithm. The maximum distance reached up to two kilometers but was mainly restricted by the detection algorithm. In conclusion, the result shows that the communication pulse can be used as a sonar pulse at the tested distances. However, the simulated scenario is a simplified version of the real world so more testing should be performed before a final conclusion can be made. / För övervakning av kust- och havsområden, vid exempelvis militära operationer eller för oceanografska observationer, används ofta ett undervattenssystem som är uppbyggt av flera noder som finns utplacerade på botten. Noderna lyssnar efter mål såsom ubåtar, fartyg etc, med syftet att kunna detektera och lokalisera dessa. Om en nod lyckas detektera ett mål så skickar den ut en akustisk kommunikationssignal till övriga noder i systemet. Målet med detta examensarbete var att undersöka om den kommunikationssignal som skickas mellan noderna också kan användas som en sonarpuls för att bestämma avståndet till målet, och därmed förbättra lokaliseringen av målets position. Under antagandet att kommunikationssignalen kan användas som sonarpuls, så undersöktes dessutom vid vilka avstånd mellan noden och målet som det var möjligt att använda signalen som sonarpuls. Resultatet visar att det är möjligt att använda kommunikationssignalen som en sonarpuls. Bäst funkar det på nära avstånd, då är den estimerade positionen i stort sett lika med det riktiga positionen. I takt med att avståndet till målet ökar så ökar även osäkerheten i vilken rikting målet befinner sig, estimeringen av avståndet höll sig däremot väldigt nära den faktiska distansen i alla simuleringar som gjordes. Simuleringen som gjordes var dock en förenkling av verkligheten, och flera av de störningsmoment som finns ute i naturen har inte tagits med i beräkningarna. För att undersöka detta så simulerades ett sensorsystem bestående av två noder tillsammans med ett mål som närmade sig noderna. Noderna försöker detektera målet genom att lyssna efter ljud som tillhör målet. Genom att mäta energinivåer i de ljudsignaler som noderna hör, så kan man utifrån sannolikhetslära bestämma hur troligt det är att det finns ett mål i närheten. När sannolikheten är tillräckligt hög säger man att ett mål detekterats. För att bestämma positionen så uppskattades målets riktning och avstånd i förhållande till noderna, som i sin tur användes för att beräkna målets position.

This thesis explores the practical application of Physical Layer Security (PLS) inMultiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems, particularly focusing on ShortPacket Communication (SPC). The aim is to enhance the security of wireless com-munications against eavesdropping threats. By employing advanced techniques suchas Maximum Ratio Transmission (MRT) and Maximum Ratio Combining (MRC),along with Beamforming, the study demonstrates how these methods can signifi-cantly strengthen the signal integrity in MIMO systems.In developing a comprehensive system model that integrates PLS into MIMO,the research provides a dual approach of evaluation. Rigorous theoretical analy-sis coupled with MATLAB simulations are utilized to validate the effectiveness ofthe proposed model. These methods not only underscore the feasibility of PLSin real-world applications but also highlight the potential improvements in wirelesscommunication security, offering a valuable contribution to the field.

In aeroacoustic experiments of aircraft models and/or components, arrays of microphones are utilized to spatially isolate distinct sources and mitigate interfering noise which contaminates single-microphone measurements. Array measurements are still biased by interfering noise which is coherent over the spatial array aperture. When interfering noise is accounted for, existing algorithms which aim to both spatially isolate distinct sources and determine their individual levels as measured by the array are complex and require assumptions about the nature of the sound field. This work develops a processing scheme which uses spatially-defined phase constraints to remove correlated, interfering noise at the single-channel level. This is achieved through a merger of Conditioned Spectral Analysis (CSA) and the Generalized Sidelobe Canceller (GSC). A cross-spectral, frequency-domain filter is created using the GSC methodology to edit the CSA formulation. The only constraint needed is the user-defined, relative phase difference between the channel being filtered and the reference channel used for filtering. This process, titled Constrained Spectral Conditioning (CSC), produces single-channel Fourier Transform estimates of signals which satisfy the user-defined phase differences. In a spatial sound field mapping context, CSC produces sub-datasets derived from the original which estimate the signal characteristics from distinct locations in space. Because single-channel Fourier Transforms are produced, CSC's outputs could theoretically be used as inputs to many existing algorithms. As an example, data-independent, frequency-domain beamforming (FDBF) using CSC's outputs is shown to exhibit finer spatial resolution and lower sidelobe levels than FDBF using the original, unmodified dataset. However, these improvements decrease with Signal-to-Noise Ratio (SNR), and CSC's quantitative accuracy is dependent upon accurate modeling of the sound propagation and inter-source coherence if multiple and/or distributed sources are measured. In order to demonstrate systematic spatial sound mapping using CSC, it is embedded into the CLEAN algorithm which is then titled CLEAN-CSC. Simulated data analysis indicates that CLEAN-CSC is biased towards the mapping and energy allocation of relatively stronger sources in the field, which limits its ability to identify and estimate the level of relatively weaker sources. It is also shown that CLEAN-CSC underestimates the true integrated levels of sources in the field and exhibits higher-than-true peak source levels, and these effects increase and decrease respectively with increasing frequency. Five independent scaling methods are proposed for correcting the CLEAN-CSC total integrated output levels, each with their own assumptions about the sound field being measured. As the entire output map is scaled, these do not account for relative source level errors that may exist. Results from two airfoil tests conducted in NASA Langley's Quiet Flow Facility show that CLEAN-CSC exhibits less map noise than CLEAN yet more segmented spatial sound distributions and lower integrated source levels. However, using the same source propagation model that CLEAN assumes, the scaled CLEAN-CSC integrated source levels are brought into closer agreement with those obtained with CLEAN. / Ph. D.

[ES] La llegada de la próxima generación del estándar de comunicaciones móviles, la llamada quinta generación (5G), es prácticamente una realidad. Las primeras redes comerciales han comenzado a ser desplegadas, centrándose en ofrecer altas velocidades de transferencia de datos. Sin embargo, el estándar 5G va mucho más allá y prevé dar soporte a nuevos servicios que pretenden revolucionar la sociedad. Estos nuevos servicios imponen un nivel alto de requisitos en no solo en cuanto a velocidad del tráfico de datos, sino en cuanto a latencia o número de dispositivos conectados simultáneamente. La amplia variedad de requisitos no puede ser soportada por las redes de cuarta generación (4G), por lo que se hizo necesario plantear un nuevo paradigma para las redes inalámbricas. Con la promesa de grandes cantidades de ancho de banda sin utilizar, el estándar 5G contempla utilizar frecuencias en la comúnmente conocida como banda de milimétricas (mmWave). Esta banda presenta grandes pérdidas de propagación, que se acentúan si existen bloqueos de señal. Actividades regulatorias del uso de las bandas de milimétricas atrajo el interés tanto de la industria como de la academia en plantear soluciones para dar servicio en estas bandas. En los últimos años se han presentado infinidad de trabajos basados en sistemas con múltiples antenas o MIMO, para conformar las señales transmitidas o recibidas en haces apuntando en determinadas direcciones. La ganancia que aportan los sistemas MIMO pueden compensar las altas pérdidas de propagación, asegurando la viabilidad de las comunicaciones mmWave. Se ha detectado una evidente falta de estudios sobre la viabilidad de sistemas MIMO en entornos móviles y dinámicos con bloqueos que hagan necesario que el sistema se reconfigure. Esta Tesis pretende cubrir este espacio desde un enfoque práctico y propone mecanismos de gestión de los haces para hacerles un seguimiento utilizando los recursos y mecanismos del nuevo estándar 5G. Las soluciones aportadas se basan en el uso eficiente de los reportes de medidas de las señales de referencia estandarizadas en enlace descendente. En primer lugar, esta Tesis recoge un análisis minucioso del estado del arte, donde se corrobora la necesidad de aportar soluciones de seguimiento de haces en sistemas de comunicaciones en la banda de milimétricas. Además, se estudian los diferentes mecanismos definidos en el estándar 5G y que posibilitan el seguimiento. Cabe destacar que el estándar no define un mecanismo único a seguir, permitiendo presentar propuestas. Una vez conocidas las tecnologías, se centra el estudio en el impacto del seguimiento sobre las prestaciones a nivel de red y de enlace. Dicho estudio se realiza sobre un sistema punto a punto, donde el terminal móvil se desplaza por un entorno urbano. En base a simulaciones de red, se cuantifica el índice de seguimiento de haz y de cómo dicho seguimiento afecta a la relación señal a ruido más interferencia (SINR) y la tasa de transmisión del usuario. Las soluciones de seguimiento propuestas en esta Tesis se pueden clasificar en dos categorías. En una primera categoría, se realiza el seguimiento en base a reportes de medidas de las señales de referencia. Independientemente de la velocidad, se alcanza un seguimiento del 91% con poca penalización en la tasa de transmisión si se monitorizan los haces de interés con una periodicidad menor de 20 ms. En la segunda categoría caben mecanismos de seguimiento que hacen uso de fuentes externas de información. Dentro de esta categoría, se propone un fingerprinting que relacione haces con la localización reportada y un modelo de machine learning (ML) que prediga los haces a utilizar. El fingerprinting proporciona los mismos niveles de rendimiento. Sin embargo, esta solución es muy sensible a errores y requiere considerar todos los casos posibles, lo que la hace tecnológicamente inviable. En cambio, el modelo de ML, que hace p / [CA] L'arribada de la següent generació de l'estàndard de comunicacions mòbils, l'anomenada cinquena generació (5G), es pràcticament una realitat. Les primeres xarxes comercials han començat a desplegar-se i s'han centrat en oferir altes velocitats de transferència de dades. No obstant, l'estàndard 5G va molt mes allà y preveu donar suport a nous serveis que pretenen revolucionar la societat. Estos nous serveis imposen un alt nivell de requisits no sols en quant a velocitat de tràfic de dades, si no també en quant a latència o número de connexions simultànies. L'ampla varietat de requisits no es suportada per les xarxes de quarta generació (4G) actuals, per el qual es va fer necessari un nou paradigma de xarxes sense fil. Amb la promesa de amplies quantitats d'ample de banda, l'estàndard 5G contempla utilitzar freqüències a la banda de mil·limètriques. Esta banda presenta l'inconvenient d'experimentar grans pèrdues de propagació, que s'accentuen en cas de bloqueigs. L'apertura de les bandes de mil·limètriques va atraure l'interès tant de l'industria com de l'acadèmia en plantejar solucions per a donar servei en estes bandes. En els últims anys s'han presentat infinitat de treballs basats en sistemes amb múltiples antenes o MIMO, per a conformar els senyals transmesos o rebuts en feixos apuntant en determinades direccions d'interès. El guany de feix es pot utilitzar per a compensar les pèrdues de propagació, assegurant la viabilitat de les comunicacions en la banda de mil·limètriques. No obstant això, s'ha detectat una preocupant manca d'estudis sobre la viabilitat d'estos sistemes en entorns mòbils i dinàmics, amb obstacles que bloquejen els feixos i facen necessari que el sistema es reconfigure. El present treball de Tesi pretén cobrir este espai buit i des d'un punt de vista pràctic, es proposen mecanismes de gestió dels feixos per a ser el seguiment utilitzant els recursos i mecanismes dels que disposa l'estàndard 5G. D'esta manera, les solucions aportades es basen en la utilització eficient dels reports de mesures dels senyals de referència del enllaç descendent. En primer lloc, esta Tesi recull una anàlisi minuciosa de l'estat de l'art on es corrobora la necessitat de aportar solucions de seguiment de feixos per a comunicacions en la banda de freqüències mil·limètriques. A més a més, s'estudien els diferents mecanismes definits a l'estàndard 5G i que possibiliten el seguiment. Cap destacar que l'estàndard no defineix un mecanisme únic, si no que deixa la porta oberta a presentar propostes. Una vegada conegudes les tecnologies, l'estudi es centra en l'impacte del seguiment sobre les prestacions a nivell de xarxa i d'enllaç. Este estudi es realitza sobre un sistema MIMO punt a punt, en una única estació base i un terminal mòbil desplaçant-se en un entorn urbà. En base a simulacions d'extrem a extrem, es quantifica l'índex de seguiment de feix i com l'anomenat seguiment afecta a la relació senyal a soroll més interferència (SINR) i a la taxa instantània de transmissió de l'usuari. Les solucions de seguiment de feixos propostes a la Tesi es poden classificar en dos categories. A la primera categoria, el seguiment de feixos es realitza en base als reports de mesures dels senyals de referència. Independentment de la velocitat, s'arriba a una taxa de seguiment del 91% amb poca penalització de taxa de transmissió si els feixos d'interès es mesuren amb una periodicitat menor a 20 ms. A la segona categoria pertanyen els algoritmes que utilitzen fonts d'informació externes. Dins d'aquesta categoria es proposa un fingerprinting que relaciona un parell de feixos amb la ubicació de l'usuari, i a banda un model d'intel·ligència artificial (IA) que preveu el feix a utilitzar. El fingerprinting ofereix el mateix rendiment. Però, esta solució es molt sensible a errors i requereix considerar tots els casos possibles, fent-la tecnològicament inviable. En canvi, el / [EN] The arrival of the next generation of mobile communication standards, the so-called Fifth Generation (5G), is already a reality. The first commercial networks have begun to be deployed, and they focus on providing higher data rates. However, the 5G standard goes much further from that and aims at providing support to new services which will revolutionise the society. These new services impose a high level of requirements not only in terms of the data traffic speed, but also in terms of very low latency or incredibly large number of simultaneous connections. This wide variety of requirements cannot be technologically supported by the current Fourth Generation (4G) networks, so it became necessary to move forward with a new paradigm for wireless networks. With the promise of large amounts of bandwidth, in the order of GHz, the 5G standard contemplates the use of frequencies in the commonly known Millimetre Wave (mmWave) band. The mmWave band experiences large propagation losses, which are accentuated in blockage events. Regulatory activities worldwide in the mmWave bands attracted the interest of both the industry and the academia. In the last few years, a tremendous number of contributions on mmWave propagation studies and networks have appeared, most of them based on Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) solutions. MIMO architectures allow to beamform, which focuses the radiated energy on certain directions of interest called beams. The additional beam gain compensates the high propagation losses, ensuring the viability of the communications in the mmWave band. There is an evident lack of viability studies of mmWave MIMO systems in mobile and highly-dynamic environments, where obstacles may block beams and forcing frequent re-configurations. This Thesis work aims to fill this gap from a practical approach. This Thesis proposes beam management mechanisms utilising the mechanisms and resources offered by the Third Generation Partnership Project (3GPP) 5G radio access standard: 5G New Radio (NR). The practical solutions are based on the efficient use of measurement reports of standardised downlink Reference Signals (RS). In first place, this Thesis provides a thorough state-of-the-art analysis and corroborates the need of adopting beam tracking solutions for mmWave networks. Then, a complete overview of the 5G standard mechanisms that enable beam tracking is given. The NR standard does not define a standardised mechanism for beam tracking, leaving the door open to proposals to carry out such monitoring. Once the technologies have been identified, the Thesis continues with assessing the impact of the beam tracking strategies on the network and link-level performance. The study is focused on individual point-to-point mmWave links in a realistic urban environment. Based on end-to-end network simulations, the Thesis is interested in assessing the beam tracking success ratio and how beam misalignment affects the perceived Signal to Noise plus Interference Ratio (SINR) and user throughput at pedestrian and vehicular speeds. The beam tracking solutions proposed in this Thesis fall into two categories. The first category monitors beams based on measuring and reporting beamformed RS. Regardless of the speed, this beam tracking category provides up to 91 % tracking performance, with little throughput reduction if the beams of interest are measured with a periodicity below 20 ms. Beam tracking in the second category relies on external information sources. Within this category, this Thesis proposes a fingerprinting database relating beams to the user position and a machine learning (ML) model. Fingerprinting beam tracking is technologically viable and provides similar performance levels. However, this solution is very sensitive to errors and requires considering all possible situations. The ML beam tracking, which makes predictions with a 16 % of estimation error for the reference data set. / I want to thank the Spanish Ministry of Education and Professional Formation for funding this Thesis work with an official pre-doctoral contract grant. / Herranz Claveras, C. (2019). Beam Tracking Strategies for 5G New Radio Networks Operating in the Millimetre Wave Bands [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/130845

[EN] The processing of radiofrequency signals using photonics means is a discipline that appeared almost at the same time as the laser and the optical fibre. Photonics offers the capability of managing broadband radiofrequency (RF) signals thanks to its low transmission attenuation, a variety of linear and non-linear phenomena and, recently, the potential to implement integrated photonic subsystems. These features open the door for the implementation of multiple functionalities including optical transportation, up and down frequency conversion, optical RF filtering, signal multiplexing, de-multiplexing, routing and switching, optical sampling, tone generation, delay control, beamforming and photonic generation of digital modulations, and even a combination of several of these functionalities. This thesis is focused on the application of vector processing in the optical domain to radiofrequency signals in two fields of application: optical beamforming, and photonic vector modulation and demodulation of digital quadrature amplitude modulations. The photonic vector control enables to adjust the amplitude and phase of the radiofrequency signals in the optical domain, which is the fundamental processing that is required in different applications such as beamforming networks for direct radiating array (DRA) antennas and multilevel quadrature modulation. The work described in this thesis include different techniques for implementing a photonic version of beamforming networks for direct radiating arrays (DRA) known as optical beamforming networks (OBFN), with the objectives of providing a precise control in terrestrial applications of broadband signals at very high frequencies above 40 GHz in communication antennas, optimizing the size and mass when compared with the electrical counterparts in space application, and presenting new photonic-based OBFN functionalities. Thus, two families of OBFNs are studied: fibre-based true time delay architectures and integrated networks. The first allow the control of broadband signals using dispersive optical fibres with wavelength division multiplexing techniques and advanced functionalities such as direction of arrival estimation in receiving architectures. In the second, passive OBFNs based on monolithically-integrated Optical Butler Matrices are studied, including an ultra-compact solution using optical heterodyne techniques in silicon-on-insulator (SOI) material, and an alternative implementing a homodyne counterpart in germanium doped silica material. In this thesis, the application of photonic vector processing to the generation of quadrature digital modulations has also been investigated. Multilevel modulations are based on encoding digital information in discrete states of phase and amplitude of an electrical signal to enhance spectral efficiency, as for instance, in quadrature modulation. The signal process required for generating and demodulating this kind of signals involves vector processing (phase and amplitude control) and frequency conversion. Unlike the common electronic or digital implementation, in this thesis, different photonic based signal processing techniques are studied to produce digital modulation (photonic vector modulation, PVM) and demodulation (PVdM). These techniques are of particular interest in the case of broadband signals where the data rate required to be managed is in the order of gigabit per second, for applications like wireless backhauling of metro optical networks (known as fibre-to-the-air). The techniques described use optical dispersion in optical fibres, wavelength division multiplexing and photonic up/down conversion. Additionally, an optical heterodyne solution implemented monolithically in a photonic integrated circuit (PIC) is also described. / [ES] El procesamiento de señales de radiofrecuencia (RF) utilizando medios fotónicos es una disciplina que apareció casi al mismo tiempo que el láser y la fibra óptica. La fotónica ofrece la capacidad de manipular señales de radiofrecuencia de banda ancha, una baja atenuación, procesados basados en una amplia variedad de fenómenos lineales y no lineales y, recientemente, el potencial para implementar subsistemas fotónicos integrados. Estas características ofrecen un gran potencial para la implementación de múltiples funcionalidades incluyendo transporte óptico, conversión de frecuencia, filtrado óptico de RF, multiplexación y demultiplexación de señales, encaminamiento y conmutación, muestreo óptico, generación de tonos, líneas de retardo, conformación de haz en agrupaciones de antenas o generación fotónica de modulaciones digitales, e incluso una combinación de varias de estas funcionalidades. Esta tesis se centra en la aplicación del procesamiento vectorial en el dominio óptico de señales de radiofrecuencia en dos campos de aplicación: la conformación óptica de haces y la modulación y demodulación vectorial fotónica de señales digitales en cuadratura. El control fotónico vectorial permite manipular la amplitud y fase de las señales de radiofrecuencia en el dominio óptico, que es el procesamiento fundamental que se requiere en diferentes aplicaciones tales como las redes de conformación de haces para agrupaciones de antenas y en la modulación en cuadratura. El trabajo descrito en esta tesis incluye diferentes técnicas para implementar una versión fotónica de las redes de conformación de haces de en agrupaciones de antenas, conocidas como redes ópticas de conformación de haces (OBFN). Se estudian dos familias de redes: arquitecturas de retardo en fibra óptica y arquitecturas integradas. Las primeras permiten el control de señales de banda ancha utilizando fibras ópticas dispersivas con técnicas de multiplexado por división de longitud de onda y funcionalidades avanzadas tales como la estimación del ángulo de llegada de la señal en la antena receptora. En la segunda, se estudian redes de conformación pasivas basadas en Matrices de Butler ópticas integradas, incluyendo una solución ultra-compacta utilizando técnicas ópticas heterodinas en silicio sobre aislante (SOI), y una alternativa homodina en sílice dopado con germanio. En esta tesis, también se han investigado técnicas de procesado vectorial fotónico para la generación de modulaciones digitales en cuadratura. Las modulaciones multinivel codifican la información digital en estados discretos de fase y amplitud de una señal eléctrica para aumentar su eficiencia espectral, como por ejemplo la modulación en cuadratura. El procesado necesario para generar y demodular este tipo de señales implica el procesamiento vectorial (control de amplitud y fase) y la conversión de frecuencia. A diferencia de la implementación electrónica o digital convencional, en esta tesis se estudian diferentes técnicas de procesado fotónico tanto para la generación de modulaciones digitales (modulación vectorial fotónica, PVM) como para su demodulación (PVdM). Esto es de particular interés en el caso de señales de banda ancha, donde la velocidad de datos requerida es del orden de gigabits por segundo, para aplicaciones como backhaul inalámbrico de redes ópticas metropolitanas (conocida como fibra hasta el aire). Las técnicas descritas se basan en explotar la dispersión cromática de la fibra óptica, la multiplexación por división de longitud de onda y la conversión en frecuencia. Además, se presenta una solución heterodina implementada monolíticamente en un circuito integrado fotónico (PIC). / [CA] El processament de senyals de radiofreqüència (RF) utilitzant mitjans fotònics és una disciplina que va aparèixer gairebé al mateix temps que el làser i la fibra òptica. La fotònica ofereix la capacitat de manipular senyals de radiofreqüència de banda ampla, una baixa atenuació, processats basats en una àmplia varietat de fenòmens lineals i no lineals i, recentment, el potencial per implementar subsistemes fotònics integrats. Aquestes característiques ofereixen un gran potencial per a la implementació de múltiples funcionalitats incloent transport òptic, conversió de freqüència, filtrat òptic de RF, multiplexació i demultiplexació de senyals, encaminament i commutació, mostreig òptic, generació de tons, línies de retard, conformació de feix en agrupacions d'antenes i la generació fotònica de modulacions digitals, i fins i tot una combinació de diverses d'aquestes funcionalitats. Aquesta tesi es centra en l'aplicació del processament vectorial en el domini òptic de senyals de radiofreqüència en dos camps d'aplicació: la conformació òptica de feixos i la modulació i demodulació vectorial fotònica de senyals digitals en quadratura. El control fotònic vectorial permet manipular l'amplitud i la fase dels senyals de radiofreqüència en el domini òptic, que és el processament fonamental que es requereix en diferents aplicacions com ara les xarxes de conformació de feixos per agrupacions d'antenes i en modulació multinivell. El treball descrit en aquesta tesi inclou diferents tècniques per implementar una versió fotònica de les xarxes de conformació de feixos en agrupacions d'antenes, conegudes com a xarxes òptiques de conformació de feixos (OBFN), amb els objectius de proporcionar un control precís en aplicacions terrestres de senyals de banda ampla a freqüències molt altes per sobre de 40 GHz en antenes de comunicacions, optimitzant la mida i el pes quan es compara amb els homòlegs elèctrics en aplicacions espacials, i la presentació de noves funcionalitats fotòniques per agrupacions d'antenes. Per tant, s'estudien dues famílies de OBFNs: arquitectures de retard en fibra òptica i arquitectures integrades. Les primeres permeten el control de senyals de banda ampla utilitzant fibres òptiques dispersives amb tècniques de multiplexació per divisió en longitud d'ona i funcionalitats avançades com ara l'estimació de l'angle d'arribada del senyal a l'antena receptora. A la segona, s'estudien xarxes de conformació passives basades en Matrius de Butler òptiques en fotònica integrada, incloent una solució ultra-compacta utilitzant tècniques òptiques heterodinas en silici sobre aïllant (SOI), i una alternativa homodina en sílice dopat amb germani. D'altra banda, també s'ha investigat en aquesta tesi tècniques de processament vectorial fotònic per a la generació de modulacions digitals en quadratura. Les modulacions multinivell codifiquen la informació digital en estats discrets de fase i amplitud d'un senyal elèctric per augmentar la seva eficiència espectral, com ara la modulació en quadratura. El processat necessari per generar i desmodular aquest tipus de senyals implica el processament vectorial (control d'amplitud i fase) i la conversió de freqüència. A diferència de la implementació electrònica o digital convencional, en aquesta tesi s'estudien diferents tècniques de processament fotònic tant per a la generació de modulacions digitals (modulació vectorial fotònica, PVM) com per la seva demodulació (PVdM). Això és de particular interès en el cas de senyals de banda ampla, on la velocitat de dades requerida és de l'ordre de gigabits per segon, per a aplicacions com backhaul sense fils de xarxes òptiques metropolitanes (coneguda com fibra fins l'aire). Les tècniques descrites es basen en explotar la dispersió cromàtica de la fibra òptica, la multiplexació per divisió en longitud d'ona i la conversió en freqüència. A més, es prese / Piqueras Ruipérez, MÁ. (2016). Photonic Vector Processing Techniques for Radiofrequency Signals [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63264

This dissertation develops and analyzes several techniques for improving channel estimation and tracking performance in distributed multi-input multi-output (D-MIMO) wireless communication systems. D-MIMO communication systems have been studied for the last decade and are known to offer the benefits of antenna arrays, e.g., improved range and data rates, to systems of single-antenna devices. D-MIMO communication systems are considered a promising technology for future wireless standards including advanced cellular communication systems. This dissertation considers problems related to channel estimation and tracking in D-MIMO communication systems and is focused on three related topics: (i) characterizing oscillator stability for nodes in D-MIMO systems, (ii) the development of an optimal unified tracking framework and a performance comparison to previously considered sub-optimal tracking approaches, and (iii) incorporating independent kinematics into dynamic channel models and using accelerometers to improve channel tracking performance. A key challenge of D-MIMO systems is estimating and tracking the time-varying channels present between each pair of nodes in the system. Even if the propagation channel between a pair of nodes is time-invariant, the independent local oscillators in each node cause the carrier phases and frequencies and the effective channels between the nodes to have random time-varying phase offsets. The first part of this dissertation considers the problem of characterizing the stability parameters of the oscillators used as references for the transmitted waveforms. Having good estimates of these parameters is critical to facilitate optimal tracking of the phase and frequency offsets. We develop a new method for estimating these oscillator stability parameters based on Allan deviation measurements and compare this method to several previously developed parameter estimation techniques based on innovation covariance whitening. The Allan deviation method is validated with both simulations and experimental data from low-precision and high-precision oscillators. The second part of this dissertation considers a D-MIMO scenario with $N_t$ transmitters and $N_r$ receivers. While there are $N_t imes N_r$ node-to-node pairwise channels in such a system, there are only $N_t + N_r$ independent oscillators. We develop a new unified tracking model where one Kalman filter jointly tracks all of the pairwise channels and compare the performance of unified tracking to previously developed suboptimal local tracking approaches where the channels are not jointly tracked. Numerical results show that unified tracking tends to provide similar beamforming performance to local tracking but can provide significantly better nullforming performance in some scenarios. The third part of this dissertation considers a scenario where the transmit nodes in a D-MIMO system have independent kinematics. In general, this makes the channel tracking problem more difficult since the independent kinematics make the D-MIMO channels less predictable. We develop dynamics models which incorporate the effects of acceleration on oscillator frequency and displacement on propagation time. The tracking performance of a system with conventional feedback is compared to a system with conventional feedback and local accelerometer measurements. Numerical results show that the tracking performance is significantly improved with local accelerometer measurements.