Ο ταλαντωτής αποτελεί σημαντικό κομμάτι κάθε τηλεπικοινωνιακού συστήματος. Το σημαντικότερο στοιχείο της απόδοσής του είναι ο θόρυβος φάσης. Για τη βελτίωσή του χρησιμοποιείται η μέθοδος του injection locking. Με αυτή τη μέθοδο ένα σήμα αναφοράς με καλά χαρακτηριστικά θορύβου χρησιμοποιείται για να βελτιώσει την έξοδο του ταλαντωτή. Χρησιμοποιείται μια τοπολογία τροποποιημένου ταλαντωτή Colpitts, ο οποίος εξομοιώνεται και υλοποιείται. Με τις μετρήσεις που ακολουθούν επιβεβαιώνεται η καλύτερη συμπεριφορά θορύβου που επιτυγχάνει η μέθοδος του injection locking. / Oscillators form an integral part of all communication systems. Their most crucial element regarding performance is phase noise. To improve it we use the method of injection locking. With this method, a reference signal with good noise characteristics is used to improve the output of the oscillator. A modified Colpitts oscillator topology is used which is both simulated and implemented as a circuit board. Measurements confirmed that injection locking improved the characteristics of phase noise.

Στα οπτικά τηλεπικοινωνιακά συστήματα μεγάλων αποστάσεων το κύριο μέλημα είναι η καταπολέμηση των φαινομένων διάδοσης στις οπτικές ίνες. Από το 2004 και μετά το ενδιαφέρον της ερευνητικής κοινότητας έχει στραφεί προς τα οπτικά τηλεπικοινωνιακά συστήματα με δέκτες σύμφωνης φώρασης, καθώς οι τελευταίοι επιτρέπουν την αντιμετώπιση των φαινομένων διάδοσης με ηλεκτρονικά μέσα. Οι σύμφωνοι δέκτες έχουν κατά πολύ αυξημένη πολυπλοκότητα και κόστος σε σχέση με τους δέκτες άμεσης φώρασης, κάνοντας χρήση επιπλέον διατάξεων όπως laser τοπικού ταλαντωτή και προσαρμοσμένες φωτοδιόδους. Όμως, οι δέκτες σύμφωνης φώρασης διατηρούν όλη την πληροφορία (πλάτος και φάση) κατά τη μετατροπή του σήματος από οπτικό σε ηλεκτρονικό, σε αντίθεση με τους δέκτες άμεσης φώρασης που διατηρούν μόνο την πληροφορία που μεταφέρεται από τη στιγμιαία ισχύ του σήματος. Το μεγάλο αυτό πλεονέκτημα των σύμφωνων δεκτών δίνει τη δυνατότητα της αντιμετώπισης των φαινομένων διάδοσης, όπως ο θόρυβος φάσης που θα αναλυθεί σε αυτήν την εργασία, με χρήση συστημάτων ψηφιακής επεξεργασίας σήματος. Ο θόρυβος φάσης είναι ένας από τους σημαντικότερους περιοριστικούς παράγοντες της απόδοσης ενός σύμφωνου οπτικού τηλεπικοινωνιακού συστήματος. Η εκτίμηση και η απαλοιφή του αποτελεί πάντα αναγκαίο και θεμελιώδες βήμα της σωστής ανάκτησης των δεδομένων στο δέκτη, αλλά και σημαντικότατο παράγοντα της επιτυχούς σχεδίασης ενός οπτικού τηλεπικοινωνιακού συστήματος. Παραδοσιακά, για τον προσδιορισμό του θορύβου φάσης, χρησιμοποιείται ένα κύκλωμα PLL (Phase Locked Loop). Το κύκλωμα αυτό όμως παρουσιάζει αυξημένη πολυπλοκότητα, όσον αφορά την υλοποίησή του σε hardware. Έτσι, το επιστημονικό ενδιαφέρον έχει στραφεί πια στη χρήση προσαρμοστικών αλγορίθμων προσδιορισμού θορύβου φάσης. Για την εκτίμηση του θορύβου φάσης χρησιμοποιούνται κυρίως τυφλοί προσαρμοστικοί εξισωτές πρόσθιας τροφοδότησης, αλλά έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία και εξισωτές με ανατροφοδότηση απόφασης. Στην πράξη όμως, μόνο οι εξισωτές πρόσθιας τροφοδότησης είναι υλοποιήσιμοι σε hardware αφού η ανάδραση στα οπτικά δίκτυα εισάγει σημαντική καθυστέρηση. Στην παρούσα εργασία μελετάμε με προσομοίωση την απόδοση πέντε διαφορετικών προσαρμοστικών αλγορίθμων εκτίμησης του θορύβου φάσης σε σύμφωνα συστήματα δεκαεξαδικής ορθογωνικής διαμόρφωσης πλάτους 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Πρόκειται για τον αλγόριθμο του Pfau, τον αλγόριθμο του Fatadin, τον αλγόριθμο ελαχίστων μέσων τετραγώνων (LMS, Least Mean Square), τον κανονικοποιημένο αλγόριθμο ελαχίστων μέσων τετραγώνων (NLMS, Normalized LMS) και τον αλγόριθμο ελαχίστων μέσων τετραγώνων με περιορισμούς (Constrained LMS). / The subject of this Diploma Thesis is the phase noise estimation in long-haul terrestrial coherent optical communications systems, using 16-QAM modulation (Quadrature Amplitude Modulation). Five adaptive equalization algorithms are studied by simulation. The phase noise is a limiting factor of coherent optical communications systems efficiency. The phase noise etsimation is necessary for the right data recovery at the receiver and for the successful design of a coherent optical communications system. Traditionally, a PLL (Phase Locked Loop) circuit is used for the phase noise estimation. However, the implementation of PLL in hardware show increased complexity. Thus, scientific interest is focused to the adaptive algorithms for the phase noise estimation. Blind adaptive feed forward equalizers are used for the phase noise estimation, while decision feedback equalizers have been also proposed in the literature. In practice, however, only the feed forward equalizers are achievable in hardware since the feedback introduces significant delay in optical networks. In this Diploma Thesis we study, by simulation, the performance of five different adaptive phase noise estimation algorithms in 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) coherent systems. These algorithms are: the Pfau algorithm , Fatadin algorithm, the Least Mean Square Algorithm (LMS Algorithm), the Normalized LMS (NLMS) and the Constrained LMS.

Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας μελετήθηκαν οι βασικές αρχές λειτουργίας και θορύβου στα Phase Locked Loops. Στη συνέχεια σχεδιάστηκε το σχηματικό και το layout ενός PLL μικτού σήματος στο λογισμικό σχεδίασης ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, Cadence IC5141. Το κύκλωμα αυτό λειτουργεί σαν συνθέτης συχνοτήτων στην περιοχή των 5GHz, από μία συχνότητα αναφοράς 50MHz, έχει θόρυβο φάσης περίπου 88dBc στο 1MHz από το φορέα και μέση κατανάλωση λιγότερο από 30mW. / Analysis of basic operation principles and noise performance of Phase Locked Loops. Design of a PLL (schematic and layout) in Cadence IC5141.

Ο στόχος της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η μελέτη ενός διαφορικού ταλαντωτή Collpits ο οποίος λειτουργεί ως διαιρέτης συχνότητας με έγχυση ρεύματος στην πηγή, χαμηλού θορύβου και διαφορικής εισόδου, ως προς την κατανάλωση και το θόρυβο. Επίσης συγκρίνεται η απόδοσή του σε αυτούς τους τομείς με την απόδοση άλλων τοπολογιών αναλογικών διαιρετών συχνότητας αλλά και ψηφιακών. / The objective of this thesis is to study a Collpits differential oscillator which works as a low noise and differential input, current source injection frequency divider, by taking into account consumption and noise. Also the performance in these areas is compared with other topologies of analogue and/or digital frequency dividers.

Ο σχεδιασμός αναλογικών κυκλωμάτων σε υψηλές συχνότητες είναι αδιαμφισβήτητα μία από τις σημαντικότερες εφαρμογές στον τομέα των ηλεκτρονικών. Οι προκλήσεις που καλείται να αντιμετωπίσει ο σχεδιαστής είναι πολλές και σημαντικές, καθώς τα κυκλώματα μικραίνουν σε μέγεθος και είναι απαραίτητο να δημιουργηθούν νέα μοντέλα περιγραφής των στοιχείων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Παράλληλα, τα παρασιτικά φαινόμενα που επεισέρχονται στον σχεδιασμό των αναλογικών κυκλωμάτων δημιουργούν πολλές φορές trade – off μεταξύ των διαφόρων σχεδιαστικών απαιτήσεων που πρέπει να ικανοποιηθούν. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής, επικεντρώνομαι στη μελέτη και στο σχεδιασμό ταλαντωτών ελέγχομενων από τάση (VCOs). Πιο συγκεκριμένα, μελετώ τα χαρακτηριστικά δύο κατηγοριών των ταλαντωτών αυτών : των ταλαντωτών L-C και των ταλαντωτών δακτυλίου (ring). Αρχικά δίνω μία γενική περιγραφή των ταλαντωτών και των μοντέλων περιγραφής τους. Στη συνέχεια αναλύω τις πηγές θορύβου στα ολοκληρωμένα κυκλώματα και δίνω έμφαση στη θεωρία θορύβου φάσης, παρουσιάζοντας μοντέλα περιγραφής του. Στη συνέχεια, παρουσιάζω τη σχεδίαση ταλαντωτών L – C και ring, δίνοντας και τα αποτελέσματα εξομοιώσεων. Τέλος, εκτός από τα συμπεράσματα που βγαίνουν μέσω των εξομοιώσεων, γίνεται και σύγκριση μεταξύ των δύο κατηγοριών ταλαντωτών. / The design of analog circuits operating at high frequencies is undoubtedly one of the most important applications in the field of electronics. The challenges that the designer needs to face are many and important, as the circuits become smaller and smaller and is imperative that new models need to be made that describe the operation of the transistors. Furthermore, the parasitics that are inherent in any analog design create a trade – off between several design specifications that need to be satisfied. In this work I emphasize on the study and design of voltage controlled oscillators (VCOs). More specifically, I study the characteristics of two major categories of such oscillators: L-C oscillators and ring oscillators. At start, I present a general description of oscillators and the models that describe their operation. Next, I analyze the various noise sources in analog integrated circuits and I emphasize on phase noise theory, by presenting its models. In the fourth and fifth chapter, I show the design of L – C and ring oscillators, while I give the results of the simulations. Finally, apart from the conclusion drawn from the simulations, I make a comparison between the two oscillators’ categories.

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.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και ο σχεδιασμός καινοτόμων αλγορίθμων φυσικού επιπέδου σε ασύρματα συστήματα επικοινωνίας που χρησιμοποιούν διαμόρφωση με πολύπλεξη συχνότητας ορθογωνίων φερουσών (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM). Η έρευνα επικεντρώθηκε σε δύο κατηγορίες προβλημάτων, στον σχεδιασμό αλγορίθμων προσαρμοστικής διαμόρφωσης καθώς και αλγορίθμων αντιμετώπισης ισχυρού θορύβου φάσης. Αναπτύχθηκαν αλγόριθμοι εκτίμησης φάσης με γραμμική πολυπλοκότητα, μέσω ενός καινούργιου εναλλακτικού μοντέλου περιγραφής του συστήματος. Το μοντέλο αυτό επιτρέπει την επέκταση των κλασικών αλγορίθμων εκτίμησης της κοινής φάσης με στόχο την εκτίμηση του συνολικού διανύσματος θορύβου φάσης. Επιπλέον, η τεχνική διαγώνιας φόρτωσης (diagonal-loading) προσαρμόστηκε κατάλληλα για τη βελτίωση σύγκλισης της προτεινόμενης λύσης. Τέλος, προτάθηκε και αξιολογήθηκε ένα συνολικό σύστημα OFDM όπου η εκτίμηση του καναλιού, της διαταραχής φάσης και των δεδομένων βασίζονται στο κριτήριο ελαχίστων τετραγώνων, διατηρώντας έτσι τη συνολική πολυπλοκότητα σε χαμηλά επίπεδα. Στο πλαίσιο του σχεδιασμού αλγορίθμων προσαρμοστικής διαμόρφωσης προτείνεται ένα γενικό μοντέλο περιγραφής απόδοσης συστήματος ικανό να περιγράψει τα αναπτυσσόμενα πρωτόκολλα μετάδοσης. Η πρόταση αυτή εντάσσεται στην οικογένεια των τεχνικών ισοδύναμης σηματοθορυβικής απεικόνισης (Εffective SNR Μapping - ESM). Χρησιμοποιώντας τις τεχνικές ESM και κατάλληλους περιορισμούς στην παραμετροποίηση των μεταβλητών μετάδοσης, αναπτύχθηκαν αλγόριθμοι προσαρμοστικής διαμόρφωσης χαμηλής πολυπλοκότητας που ικανοποιούν διαφορετικά κριτήρια βελτιστοποίησης. Επιπρόσθετα, προτείνεται ένα γενικό πλαίσιο για τον σχεδιασμό αλγορίθμων προσαρμοστικής διαμόρφωσης, χρησιμοποιώντας προσεγγιστικά μοντέλα απόδοσης. Ορίστηκαν οι κατάλληλες μετρικές για την ποσοτικοποίηση της σπατάλης ενέργειας που επιφέρει η χρήση προσεγγιστικών μοντέλων. Μελετήθηκε η επίδραση της καθυστέρησης ανατροφοδότησης πληροφορίας καναλιού στους αλγορίθμους και παρήχθησαν κατάλληλα μοντέλα περιγραφής απόδοσης που συμπεριλαμβάνουν το χρόνο καθυστέρησης. Το συνολικό αποτέλεσμα της εργασίας είναι αλγόριθμοι που καταφέρνουν υψηλή απόδοση συστήματος, με χαμηλή πολυπλοκότητα, κάτι το οποίο τους κάνει υλοποιήσιμους σε ρεαλιστικά συστήματα. / The objective of this thesis is to study and develop novel, low complexity physical layer algorithms for Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) based communication systems. The study aims at two algorithmic categories, namely adaptive modulation and coding and compensation of severe phase noise (PHN) errors. A parameterized windowed least-squares (WLS) decision directed phase error estimator is proposed via proper (alternative) system modeling, applied to both channel estimation and data detection stage in OFDM systems. The window is optimized so as to minimize the post-compensation error variance (PCEV) of the residual phase, analytically computed for arbitrary PHN and frequency offset (FO) models. Closed-form expressions for near-optimal windows are derived for zero-mean FO, Wiener and first-order autoregressive PHN models, respectively. Furthermore, the diagonal-loading approach is properly employed, initially proposed for providing robustness to a general class of estimators in the presence of model mismatch, to enhance convergence of the iterative estimation scheme, in those high-SNR regions where the effect of data decision errors dominates performance. In the proposed OFDM scheme, channel, IFO estimation and data equalization are also based on the LS criterion, thus keeping the overall system complexity low. A generic performance description model is proposed and used for AMC algorithmic design, capable of describing most of current and under preparation communication protocols. This model proposition is incorporated to a larger family of performance modelling techniques named Effective SNR Mapping techniques (ESM). Using the ESM techniques and proper parameter adaptation constraints, a number of low-complexity AMC algorithms are developed under a chosen set of optimization scenarios. A framework for the design of AMC algorithms using approximate performance description models is proposed. Specific bounds are derived for quantifying the power loss when using approximate models. The effect of outdated channel state information is also studied by statistically characterizing the effective SNR at the receiver. This description allows parameter adaptation under mobility scenarios. The main value of this collective procedure is the development of low complexity- high performance algorithms, implementable on pragmatic OFDM systems.