Στα ασύρµατα δίκτυα η τεχνολογία MIMO-OFDM έχει ευρέως υιοθετηθεί µε στόχο την αύξηση του ρυθµού δεδοµένων σε υπηρεσίες υψηλής ποιότητας. Στο δέκτη ενός συστήµατος MIMO-OFDM ο υπολογισµός του µητρώου συντελεστών που χρειάζεται ο εξισωτής (equalizer) είναι ένα κρίσιµο σηµείο µε υψηλή υπολογιστική πολυπλοκότητα. Η καθυστέρηση που απαιτείται για την εκτέλεση του συγκεκριµένου υπολογισµού επηρεάζει άµεσα το ρυθµό περάτωσης (throughput) και την ποιότητα υπηρεσίας (QoS). Σε συστήµατα wi-fi (για παράδειγµα στο IEEE 802.11ac) στην αρχή κάθε πακέτου µεταδίδονται προσυµφωνηµένα σύµβολα, ώστε να εκπαιδεύσουν τον εξισωτή. Η συµβατική µέθοδος περιµένει να έρθουν όλα τα σύµβολα και στη συνέχεια υπολογίζει τοµητρώο του εξισωτή. Μια πιο πρόσφατη µέθοδος που αποσκοπεί στη µείωση της παραπάνω καθυστέρησης είναι ο προοδευτικός υπολογισµός του µητρώου του εξισωτή. Στη µέθοδο αυτή, γίνονται υπολογισµοί ανά σύµβολο εκπαίδευσης χωρίς να επηρεάζεται το τελικό αποτέλεσµα. Στα πλαίσια της διπλωµατικής υλοποιήθηκαν αρχιτεκτονικές υλικού για εξισωτές που αξιοποιούν την ανωτέρω µέθοδο και απεικονίστηκαν σε αναπτυξιακό σύστηµα µε FPGA. Επίσης, διερευνήθηκε ο ρόλος της αναπαράστασης των δεδοµένων στην πολυπλοκότητα του συστήµατος και βελτιστοποιήθηκαν οι σχετικές σχεδιαστικές παράµετροι, µε έµφαση στη χρήση της λογαριθµικής αριθµητικής. / In wireless networks, the MIMO-OFDM technology has been widely adopted in order to increase the data rate at high quality of service (QoS). In the receiver, the MIMO equalizer matrix calculation is an important part with high computational complexity. The delay of the matrix calculation affects directly the system throughput and QoS. In wi-fi systems (e.g. IEEE 802.11ac), training symbols are transmitted at the beginning of every frame, in order to train the equalizer. The conventional method waits all the training symbols to arrive before starting the calculations. A recent method proposes the progressive calculation of the equalizer matrix in order to decrease the processing delay. In this method, the equalizer matrix calculation starts upon receiving the first training symbol. The object of this thesis is the development of hardware architectures for equalizers that follow the progressive method and their implementation on FPGA. Furthermore, we analyzed the impact of the data representation on the system complexity and optimized the respective design parameters, using logarithmic number system.

Η παρούσα διατριβή εστιάζεται σε οπτικά τηλεπικοινωνιακά συστήματα με σύμφωνο δέκτη, τετραδική διαμόρφωση φάσης και πολύπλεξη κατά πόλωση. Το κυριότερο πλεονέκτημα αυτών των συστημάτων σε σύγκριση με τα συμβατικά οπτικά τηλεπικοινωνιακά συστήματα με δέκτες άμεσης φώρασης είναι οι αυξημένες δυνατότητες ψηφιακής επεξεργασίας σήματος στο δέκτη, που καθιστά εφικτή την εξίσωση των φαινομένων διάδοσης και την αποπολύπλεξη πόλωσης με ηλεκτρονικά μέσα. Μελετώνται διατάξεις ηλεκτρονικής επεξεργασίας σήματος. Η μελέτη διεξάγεται με χρήση προσομοίωσης με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή. Προτείνεται η χρήση δύο πρωτότυπων μεθόδων αποπολύπλεξης σημάτων πολυπλεγμένων κατά πόλωση, με πλεονεκτήματα ως προς την απόδοση, την αξιοπιστία και την ταχύτητα σύγκλισης σε σύγκριση με τις μεθόδους που έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία Στη συνέχεια μελετάται η απόδοση των ηλεκτρονικών εξισωτών ελαχίστου μέσου τετραγώνου (least-mean square) και σταθερής περιβάλλουσας (constant modulus algorithm) στην εξίσωση της χρωματικής διασποράς και της διασποράς τρόπων πόλωσης, τόσο μεμονωμένα, όσο και από κοινού. Στη μελέτη μας συμπεριλαμβάνουμε το θόρυβο φάσης και την ενδιάμεση συχνότητα, αίροντας αντίστοιχες απλοποιήσεις που συνήθως γίνονται στη βιβλιογραφία. Ακολούθως αναφερόμαστε στο πρόβλημα του εκφυλισμού του πίνακα συντελεστών των εξισωτών ελαχίστου μέσου τετραγώνου και σταθερής περιβάλλουσας παρουσία έντονης διεξασθένησης. O πίνακας συντελεστών στον οποίο έχει συγκλίνει ο εξισωτής ονομάζεται εκφυλισμένος όταν παράγεται η ίδια απεσταλμένη ακολουθία συμβόλων και στις δύο εξόδους του εξισωτή. Προτείνουμε τη χρήση του πολυχρηστικού εξισωτή σταθερής περιβάλλουσας (multiuser constant modulus algorithm equalizer). Η λύση που προτείνεται έχει πλεονεκτήματα αξιοπιστίας και απλότητας σε σχέση με αντίστοιχες προτάσεις στη βιβλιογραφία, και αποδεικνύεται η άριστη απόδοσή της. Στη συνέχεια, γίνεται αναφορά στο φαινόμενο της ανισοσταθμίας ορθογωνιότητας που παρατηρείται στα οπτικά συστήματα με σύμφωνους δέκτες και αποτελεί ένα φαινόμενο το οποίο, κατά κανόνα, παραβλέπεται στις μελέτες της βιβλιογραφίας και αποδεικνύεται το ότι οι συμβατικοί ηλεκτρονικοί εξισωτές δεν μπορούν να το αντιμετωπίσουν. Τέλος, παραθέτουμε αποτελέσματα από την επεξεργασία πραγματικών πειραματικών δεδομένων, για την επαλήθευση των συμπερασμάτων που προέκυψαν θεωρητικά. / This PhD dissertation focuses on optical communication systems utilizing coherent receiver, quadrature phase modulation and polarization multiplexing. Their main advantage compared to conventional systems is the ability to perform extended digital signal processing, in order to compensate for transmission effects and to successfully demultiplex polarization multiplexed signals. We study such DSP modules with the help of computer simulations. We propose two novel polarization demultiplexing algorithms, with advantages in performance reliability and convergence speed compared to conventional methods. One of the two methods utilizes training procedure, an approach not yet studied enough in the literature. Next, we study the performance of least mean square and constant modulus algorithm equalizers in mitigating chromatic dispersion and polarization mode dispersion, both separately and in combination. We include in our study phase noise and intermediate frequency offset, without the simplifications usually found in the literature. Next, we address the subject of equalizer degeneration, which describes the phenomenon when both equalizer outputs transmit one of the two polarization multiplexed signals. We propose the use of multi-user constant modulus algorithm, which is an enhanced version of the conventional constant modulus algorithm. We prove that our solution has excellent performance as well as reliability and simplicity advantages compared to other methods. Next, we prove that quadrature imbalance is a ubiquitous phenomenon that cannot be addressed with conventional electronic equalizers and should not be omitted as is often the case. Finally, we present results derived from the application of some of the proposed algorithms on real experimental data, and prove the consistency of the theoretical derived results.

Στις μέρες μας, οι αυξανόμενες απαιτήσεις για υπηρεσίες υψηλού φασματικού εύρους ζώνης επιβάλλουν την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών στο σχεδιασμό των δικτύων νέας γενιάς, ικανές να προσφέρουν α) χαμηλό κόστος κατά το σχεδιασμό του συστήματος, β) μεγάλη απόσταση μετάδοσης, γ) πολλοί χρήστες και δ) υψηλό εύρος ζώνης στην πλευρά του χρήστη για την παροχή των νέων υπηρεσιών. Ωστόσο, τα οπτικά δίκτυα λόγω των αναλογικών χαρακτηριστικών των οπτικών σημάτων τους, υποφέρουν από γραμμικές και μη γραμμικές παραμορφώσεις. Αυτές οι παραμορφώσεις επηρεάζουν άμεσα την απόδοση των συστημάτων και η επίδραση τους αυξάνει με την αύξηση του ρυθμού μετάδοσης. Παραδοσιακά χρησιμοποιούνται οπτικοί τρόποι για την εξομάλυνση των παραμορφώσεων. Ωστόσο, η ραγδαία ανάπτυξη στον τομέα των ηλεκτρονικών αναδεικνύει την ηλεκτρονική εξομάλυνση των παραμορφώσεων ως μία ευέλικτη, χαμηλού κόστους ολοκληρωμένη και βιώσιμη λύση που αποφεύγει τις επιπρόσθετες οπτικές απώλειες. Σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η εξομάλυνση με αποδοτικό τρόπο των πιο σημαντικών παραμορφώσεων (χρωματική διασπορά, αυτοδιαμόρφωση φάσης και φαινόμενο αλληλουχίας φίλτρων) που δημιουργούνται στα οπτικά δίκτυα και ειδικότερα στα μητροπολιτικά δίκτυα, στα δίκτυα πρόσβασης, και στα παθητικά δίκτυα. Από σχεδιαστικής πλευράς του συστήματος, αυτή η διατριβή προτείνει τη βέλτιστη χρησιμοποίηση λύσεων χαμηλού κόστους, ικανές να επεκτείνουν (σε ρυθμό μετάδοσης και απόσταση) την χρησιμοποίησή τους σε οπτικά δίκτυα νέας γενιάς. Πιο συγκεκριμένα, η απόδοση της ηλεκτρονικής αντιστάθμισης μελετάται για συστήματα που χρησιμοποιούν χαμηλού κόστους, συμβατικούς πομπούς laser άμεσης διαμόρφωσης (DML), που οδηγούνται στα 10 Gb/s. Σκοπός σε αυτήν την περίπτωση είναι η αύξηση της απόστασης και του ρυθμού μετάδοσης που μπορεί να επιτευχθεί, εξομαλύνοντας τις παραμορφώσεις που δημιουργούνται εξαιτίας των χαρακτηριστικών των πομπών και αυτών που δημιουργούνται κατά τη μετάδοση του σήματος (χρωματική διασπορά, αυτοδιαμόρφωση φάσης και φαινόμενο αλληλουχίας φίλτρων) με την βέλτιστη χρησιμοποίηση ηλεκτρονικού εξισωτή. Επιπλέον, όσον αφορά τα παθητικά δίκτυα πρόσβασης νέας γενιάς, μελετάται μία αποδοτική και χρήσιμη τεχνική, χρησιμοποιώντας τα πλεονεκτήματα της χρήσης του ηλεκτρονικού εξισωτή στην πλευρά του δέκτη (OLT). Η πειραματική μελέτη εστιάζει στα παθητικά οπτικά δίκτυα (PON) στα 10 Gb/s χρησιμοποιώντας χαμηλού κόστους, χαμηλού εύρους ζώνης RSOA στην πλευρά του χρήστη (ONU), και ηλεκτρονικό εξισωτή στην πλευρά του δέκτη (OLT). Αυτή η τεχνική προσφέρει την απαιτούμενη ευελιξία για την προσαρμογή στις καινούργιες συνθήκες του συστήματος και την υλοποίηση των απαιτήσεων (πολύ μεγάλες αποστάσεις μετάδοσης, αριθμό χρηστών και ρυθμό μετάδοσης), ενώ ταυτόχρονα μπορεί και εκπληρώνει τις απαιτήσεις χαμηλού κόστους στην ανάπτυξη των μελλοντικών δικτύων πρόσβασης νέας γενιάς. / Nowadays, the rapid increase in bandwidth demanding services imposes new technological directions in the design of next generation optical networks with the purpose to achieve: a) reduced cost, b) larger transmission distances, c) larger number of users and d) higher bandwidth connectivity to the end user. However, due to the analogue nature of the optical signals, the optical networks suffer from a variety of linear and non-linear impairments. These impairments have a direct impact in the signal’s bit error rate performance, while their effect increases as bit rate increases. The compensation of impairments has been traditionally performed by optical means. However, the rapid increase in available electronic processing power has made electronic mitigation of impairments a viable option, leading to an adaptive, low cost and integrated solution which avoids additional optical losses. The goal of this thesis is to study the effective mitigation by electronic means of the most important impairments (i.e. chromatic dispersion, self phase modulation and filter concatenation) that are related with optical networks and particularly metropolitan, access and passive optical networks. From the network (and system) design point of view, this study proposes the optimum use of certain low cost solutions able to extend (in bit rate and coverage) the applicability of next generation optical networks. More specifically, the effectiveness of electronic equalization is examined for systems utilizing low cost, conventional directly modulated laser (DML) sources that are operated at 10 Gb/s. The purpose in this case is to extend the reach and operating data rate of these systems by mitigating the transmission limiting effects due to the source characteristics and the link impairments (dispersion, self-phase modulation, and filter concatenation) with the optimum use of electronic equalization. Moreover, with respect to next generation optical access networks an effective and useful design approach on PON systems is fully investigated, by using the benefits of electronic equalization at the receiver side (ΟLT). This experimental system studies are focusing on PON systems operated at 10 Gb/s by using low cost and low bandwidth RSOAs at the ONU side assisted by electronic equalization at the receiver (ΟLT). This technique offers the required flexibility for the optimum adaptation on the specific network characteristics (in terms of covered distance, number of users and bit rate) and additionally meets the requirements for the development and further extension of future low cost optical access networks.