Στη διατριβή αυτή προτείνονται, αναλύονται και υλοποιούνται εναλλακτικές τοπολογίες για δυο από τα κύρια υποσυστήματα ενός πομποδέκτη, τον τοπικό ταλαντωτή και τον ενισχυτή χαμηλού θορύβου. Το κύριο σύστημα που εξετάζεται είναι αυτό του τοπικού ταλαντωτή, όπου μελετούνται και υλοποιούνται τοπολογίες ταλαντωτών και βρόχων που λειτουργούν υπό εμβολή, με κύριο προσανατολισμό την ελαχιστοποίηση του θορύβου φάσης. Ο προτεινόμενος βρόχος εμβολής προσφέρει την δυνατότητα χρησιμοποίησής του σε multiband συστήματα με ταυτόχρονη μάλιστα λειτουργία στις ζώνες των 2.4 GHz και 5.2 GHz για την περίπτωση των ασύρματων τοπικών δικτύων. Ένας τέτοιος βρόχος μπορεί να συμβάλει καθοριστικά στην ελαχιστοποίηση του μεγέθους και της κατανάλωσης του συνολικού multiband συστήματος. Προτείνεται και υλοποιείται ένας ταλαντωτής εμβολής (injection-locked oscillator) και διερευνάται η δυνατότητά του να λειτουργεί παράλληλα και ως μίκτης δίνοντας ένα κύκλωμα πολλαπλών λειτουργιών και εφαρμογών. Το κύκλωμα αυτό ανάλογα με τα σήματα που εμφανίζονται στην είσοδό του λειτουργεί ως απλός ταλαντωτής, ως ταλαντωτής εμβολής, ή ως ίδιο-ταλαντούμενος μίκτης. Προτείνεται και υλοποιείται βρόχος εμβολής (injection-locked phase-locked loop, ILPLL) και μελετάται η βελτίωση στον θόρυβο φάσης και την περιοχή κλειδώματος. Στα πλαίσια των ILPLL μελετώνται και υλοποιούνται βρόχοι εμβολής στην θεμελιώδη συχνότητα και βρόχοι υπό-αρμονικής (sub-harmonic) εμβολής (s-ILPLL). Ο βρόχος υπό-αρμονικής εμβολής χρησιμοποιεί σήμα εμβολής στα 2.5 GHz και παράγει συχνότητα εξόδου 5 GHz. Στα πλαίσια της διερεύνησης του θορύβου φάσης σε συστήματα τοπικών ταλαντωτών μελετάται η διάταξη του συνθέτη διπλού βρόχου και αναπτύσσεται μία πρωτότυπη τοπολογία με καλύτερα χαρακτηριστικά στον θόρυβο φάσης σε σύγκριση με τις κλασικές αρχιτεκτονικές διπλού βρόχου. Σε όλες τις παραπάνω διατάξεις, παρουσιάζονται, η μαθηματική ανάλυση για τον θόρυβο φάσης και τα αποτελέσματα των θεωρητικών υπολογισμών. Η ορθότητα των προτάσεων και η λειτουργία των προτεινόμενων διατάξεων επαληθεύεται με μετρήσεις των πειραματικών πρωτοτύπων. Τέλος, στα πλαίσια της διατριβής προτείνεται ένας ενισχυτής χαμηλού θορύβου που περιλαμβάνει κύκλωμα ελέγχου του κέρδους, το οποίο δίνει την δυνατότητα στο σύστημα να «επιλέξει» την επιθυμητή ενίσχυση ανάλογα με τις συνθήκες, μειώνοντας έτσι σημαντικά την κατανάλωση σε περιπτώσεις όπου αυτό είναι δυνατό. Περιλαμβάνει επίσης και φίλτρο απόρριψης ειδώλου που ελέγχεται από εξωτερική τάση συντονισμού. / In this dissertation we propose, study and develop alternative topologies for two of the most important blocks of a Front-End, the Local Oscillator and the Low Noise Amplifier. We are mainly concerned with the analysis of various local oscillator topologies, studying the phase noise and the injection-locking performance of oscillators and phase-locked loops. The overall performance of the experimental design demonstrates the applicability of the proposed approach to the development of dual-band synthesizers (2.4 GHz and 5.2 GHz), which constitute very important subsystems for modern multiband/multistandard transceivers in WLAN applications. We propose and develop an injection locked oscillator (ILO) and investigate the ability to operate simultaneously as a mixer resulting in a multifunctional circuit. The proposed circuit topology operates as: a) a free-running oscillator, b) both an injection-locked oscillator and a subharmonic injection-locked oscillator (s-ILO), c) both a self-oscillating mixer and a harmonic self-oscillating mixer (h-SOM), and d) a subharmonic injection-locked self-oscillating mixer (s-ILSOM). We propose and develop a different approach for ILPLL design at 5 GHz by applying a technique used in optical communications. We newly address the phase-noise analysis using the loop linear model and compare the results with previously reported work. Furthermore, we address the phase noise improvement of subharmonic ILPLLs, especially for the 5-GHz band. Theoretical analysis and computer calculations demonstrate an improved performance for phase noise and power consumption. We present the analysis and experimental evaluation of a modified dual-loop phase locked loop synthesizer, using the phase noise transfer functions resulting from the linear model of the synthesizer. The different arrangement in the high frequency loop, in contrast to previous reported series-connected dual-loop topologies, offers various advantages, such as improved phase noise, finer resolution and lower spurious levels. Discrete elements are used to implement a prototype system for testing. This adds to the flexibility of the design and allows for experimental optimisation of the loop trade-offs. The synthesizer generates signals in the 4850 MHz to 5050 MHz range with a 10 MHz resolution and can match the specifications for wireless LANs operating at 5 GHz. The design resulted in a prototype with very good characteristics suitable for future integration. For all the proposed topologies we present the mathematical analysis and calculated results for the phase noise. Measurement results illustrate the validity of the proposed analyses, demonstrate the main characteristics, and confirm the feasibility of the proposed systems. Finally, a bipolar Low Noise Amplifier (LNA) is designed in this thesis. The IC contains the LNA core, an externally programmed bias network and an image rejection filter. The externally programmed bias network allows the user to select the bias current in an adaptive manner, depending upon the requirements of the individual system. (Low NF, high gain, low consumption etc). Furthermore, the chip can be powered down by sending an appropriate bit stream to the bias network.

Το ερευνητικό αντικείμενο της παρούσας διατριβής υπάγεται στον «Έλεγχο Σφαλμάτων» (Error Control), έναν επιστημονικό χώρο με καθοριστικής σημασίας συνεισφορά στην εξέλιξη των ψηφιακών τηλεπικοινωνιών. Πιο συγκεκριμένα, η παρούσα διατριβή πραγματεύεται την εφαρμογή του «ελέγχου σφαλμάτων» στην οπτική μετάδοση. Κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαπενταετίας (‘93-‘08), τρεις γενιές «άμεσης διόρθωσης σφαλμάτων» (FEC) έχουν διαδεχθεί η μία την άλλη, σε ανταπόκριση προς τις ολοένα απαιτητικότερες προδιαγραφές των οπτικών ζεύξεων (υψηλότεροι ρυθμοί μετάδοσης και πυκνότερα οπτικά πλέγματα). Κατά κανόνα, οι μέθοδοι FEC κωδικοποιούν τα δεδομένα εισόδου χωρίς να έχουν γνώση γι’ αυτά (π.χ. δομή, πρωτόκολλο) και χωρίς να επεμβαίνουν σ’ αυτά. Η προσέγγιση αυτή καλείται «κωδικοποίηση εκτός ζώνης» (Out-Band Coding – OBC) και συνεπάγεται αύξηση του ρυθμού μετάδοσης στο οπτικό κανάλι σε σχέση με το ρυθμό των δεδομένων εισόδου, ανάλογα με το ποσοστό πλεονασμού του κώδικα. Ωστόσο, ο τελικός ρυθμός μετάδοσης στο κανάλι μπορεί να διατηρηθεί αμετάβλητος, αν το πρωτόκολλο μετάδοσης προβλέπει την ύπαρξη πλεονάσματος και μέρος αυτού μπορεί να διατεθεί για κωδικοποίηση FEC. Η εναλλακτική αυτή προσέγγιση καλείται «κωδικοποίηση εντός ζώνης» (In-Band Coding – IBC). Η «σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία» (SDH) και το «σύγχρονο οπτικό δίκτυο» (SONET) είναι τα πρότυπα, που σήμερα κυριαρχούν στις οπτικές τηλεπικοινωνίες. Με αφθονία πλεονάσματος στα πλαίσια μετάδοσης, τα παραπάνω σύγχρονα δίκτυα προσφέρονται για την IBC. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, τα SDH & SONET αναλύθηκαν από κοινού για την εύρεση της βέλτιστης μεθόδου IBC με βάση έναν αριθμό από κριτήρια. Καταρχήν εξετάστηκε διεξοδικά το πλεόνασμα μετάδοσης για να εντοπιστούν τα διαθέσιμα bytes και να αιτιολογηθεί η δέσμευσή τους για την IBC. Στη συνέχεια, αναζητήθηκε ο βέλτιστος κώδικας FEC για τα δεδομένα πλαίσια μετάδοσης και με το δεδομένο πλεόνασμα (για την αποθήκευση των bits ισοτιμίας του κώδικα). Η βελτιστοποίηση κάλυψε όλους τους γραμμικούς και συστηματικούς κώδικες ανά κατηγορίες – ο χωρισμός τους σε κατηγορίες έγινε με βάση τις εξής βασικές ιδιότητες: α) την αλφάβητο: «δυαδικοί» έναντι «μη-δυαδικών», και β) τη διορθωτική ικανότητα: κώδικες κατάλληλοι για «τυχαία» (μεμονωμένα) σφάλματα έναντι κατάλληλων για «ομοβροντίες» (ριπές) σφαλμάτων. iii Από την παραπάνω διαδικασία βελτιστοποίησης προέκυψε μία μέθοδος IBC, που βασίζεται στο συρρικνωμένο Reed-Solomon κώδικα RS(240,236,9). Πρόκειται για μία εντελώς νέα μέθοδο και δικαιολογεί τη διάκρισή της ως βέλτιστη, έχοντας σαφή πλεονεκτήματα έναντι των μεθόδων, που είχαν προταθεί στο παρελθόν. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, η παραπάνω βέλτιστη μέθοδος προτείνεται με το όνομα «FOCUS» για την κωδικοποίηση IBC στα δίκτυα SDH/SONET. Με στόχο την ακριβή πειραματική αξιολόγηση της προτεινόμενης μεθόδου FOCUS, υλοποιήθηκε κατόπιν ένας αριθμός από πρωτότυπα συστήματα, χρησιμοποιώντας τις διαθέσιμες μικροκυματικές κάρτες «10g-Tester». Αναλυτικότερα, η μοντελοποίηση έγινε στη γλώσσα περιγραφής υλικού VHDL και η υλοποίηση με προγραμματιζόμενη λογική (Xilinx® XC2V3000-4 FPGA). Τέλος, η πειραματική αξιολόγηση της προτεινόμενης μεθόδου FOCUS πραγματοποιήθηκε σε δύο διαδοχικές φάσεις: Στην πρώτη φάση, το σύστημα FOCUS αξιολογήθηκε ως μία «ανεξάρτητη» μέθοδος κωδικοποίησης FEC (stand-alone IBC evaluation). Η αξιολόγηση έγινε με ρυθμό μετάδοσης STM-64 σε κατάλληλα διαμορφωμένη, πειραματική οπτική ζεύξη «από-σημείο σε-σημείο» (point-to-point optical link), συνολικού μήκους ~88 χμ. Στην παραπάνω ζεύξη μετρήθηκαν οι επιδόσεις του FOCUS κατά την αντιστάθμιση των κυριότερων ατελειών της οπτικής μετάδοσης: α) της χρωματικής διασποράς (CD), β) της «παρασιτικής» ενίσχυσης του θορύβου από οπτικούς ενισχυτές (ASE) και γ) της μη-γραμμικής συμπεριφοράς (WDM -NL). Στη δεύτερη φάση, το σύστημα FOCUS αξιολογήθηκε ως μία «αναβάθμιση» για οπτικές ζεύξεις, οι οποίες διαθέτουν ήδη κωδικοποίηση OBC (evaluation of IBC and OBC in concatenation). Πιο συγκεκριμένα, το σύστημα FOCUS συνδέθηκε σε σειρά (ως εξωτερικός κώδικας) με το κατά ITU-T G.975 (2000) πρότυπο σύστημα κωδικοποίησης (OBC). Σε αυτή τη συνδεσμολογία, το σύστημα FOCUS αποτελεί τη δικλείδα ασφαλείας, που επεμβαίνει όταν ο εσωτερικός αποκωδικοποιητής (G.975) υπερχειλίζεται από τα σφάλματα του καναλιού. Η αξιολόγηση της υβριδικής αυτής μεθόδου κωδικοποίησης έγινε με ρυθμό μετάδοσης 10.66 Gb/s (SDH STM-64 x 15/14) σε μία καθαρά οπτική διάταξη μετατροπής μήκους κύματος, που αποτελείται από δύο οπτικούς ενισχυτές πυριτίου (SOA-based MZI). Ειδικότερα, μετρήθηκαν: α) η μείωση της ευαισθησίας της οπτικής διάταξης στις (τυχαίες) μεταβολές φάσης των δύο σημάτων εισόδου και β) η καθαρή συνεισφορά του συστήματος FOCUS, όταν αυτό επεμβαίνει ως δικλείδα ασφαλείας. Το FOCUS συγκεντρώνει σημαντική καινοτομία, τόσο στην επινόηση όσο και στην υλοποίηση. Όλα τα συμπεράσματα της αξιολόγησης έχουν δημοσιευτεί σε έγκυρα διεθνή περιοδικά και συνέδρια. / This Ph.D. thesis falls into “Error Control”, a scientific field with key contribution to the evolution of digital telecommunications. In specific, this thesis treats optical transmission in terms of “Error Control”. Noteworthy is the fact that during the last fifteen years (‘93-‘08), three generations of “Forward Error Correction” (FEC) methods for optical transmission have succeeded one another, in response to the increasingly demanding optical link specifications (higher transmission rates, denser wavelength mesh). In general, FEC-methods assume no prior knowledge of the input data (e.g. structure, protocol); in addition, input data are not modified at all (i.e. under normal channel conditions, output-data will be identical to the input data). This approach is called “Out-Band Coding” (OBC) and incurs an increase of the optical channel data-rate relatively to the input data-rate, inversely proportional to the coding-rate. Notwithstanding, the rate of the optical-channel can be kept unchanged, on condition that the transmission protocol provides “overhead” and part of this “overhead” can be allocated for parity-information. This alternative approach is called “In-Band Coding” (IBC). The “Synchronous Digital Hierarchy” (SDH) and the “Synchronous Optical Network” (SONET) are currently the dominant standards in optical communications. The abundance of overhead in transmission-frames renders these synchronous networks suitable for IBC. In this thesis, SDH and SONET were analyzed together to determine the optimum IBC method with respect to a number of criteria. Firstly, SDH/SONET transmission-overhead was scrutinized in order to identify available bytes and justify their commitment to implement IBC. Next, the optimum FEC-code was sought, given the size of the transmission-frames and the availability of overhead (to allocate the parity bits). Optimization spanned all linear and systematic codes. The codes were divided in groups according to the following fundamental properties: a) the underlying alphabet: “binary” versus “non-binary” codes, and b) the corrective power: codes, appropriate for “random” (isolated) errors versus codes, appropriate for “burst-form” errors. Optimization resulted in an IBC-method, which relies on the shortened Reed-Solomon code RS(240,236,9). This IBC-method is completely novel and its optimality can be verified by the clear advantages, it presents over methods that were proposed in the past. In this thesis, the above IBC-method is given the name “FOCUS” and proposed for IBC in SDH/SONET networks. In order to accurately measure the performance of the proposed method “FOCUS”, a number of prototypes were implemented by making use of microwave cards, called “10gv Tester”. More specifically, “FOCUS” was modelled in the “VHDL” hardware description language and its prototypes were implemented by means of a Xilinx® “XC2V3000-4” FPGA. The experimental evaluation of the proposed method was conducted in two successive phases: During the first phase, “FOCUS” was evaluated as an independent (stand-alone) FEC method. This evaluation took place at an STM-64 transmission-rate in a suitable experimental “point-to-point” optical link, whose length was ~88 km. In the above link, the performance of “FOCUS” was measured, in compensating the principal impairments of optical transmission: a) the chromatic dispersion (CD), b) the parasitic amplification of noise by optical amplifiers (ASE), and c) the non-linear behavior (WDM-NL). During the second phase, “FOCUS” was evaluated as an “upgrade” for optical links, which have already been equipped with OBC (evaluation of IBC and OBC in concatenation). Specifically, “FOCUS” was concatenated with the OBC-method, which has been proposed in rec. G.975 (ITU-T, 2000) with “FOCUS” as the outer- and “G.975” as the inner-code. In this arrangement, “FOCUS” plays the role of the “safety-valve”, which prevents the inner decoder (G.975) from deteriorating the error-rate of the optical link, when it is overwhelmed by severe channel-conditions. The evaluation of this hybrid coding-method took place at a transmissionrate of 10.66 Gb/s (SDH STM-64 x 15/14) in a purely optical wavelength conversion device, which consists of two silicon optical amplifiers (SOA-based MZI). In the above wavelengthconversion device, the following measurements were obtained: a) the reduction of sensitivity of the optical wavelength converter to the (random) phase-changes of the two input signals, and b) the net contribution of “FOCUS”, when acting as a “safety valve”. “FOCUS” has many innovative aspects, both in its conception and the implementation of its prototypes. All conclusions of the above two-phased experimental evaluation have been published in international journals and conferences.