Η χωροχρονική μπλοκ κωδικοποίηση (STBC) αποτελεί μία αποδοτική και ευρέως διαδεδομένη τεχνική διαφορετικότητας μετάδοσης για την αντιμετώπιση του φαινομένου της εξασθένησης στις ασύρματες επικοινωνίες. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι ο ορθογώνιος κώδικας του σχήματος Alamouti, ο οποίος με δύο κεραίες μετάδοσης επιτυγχάνει τη μέγιστη χωρική διαφορετικότητα στο μέγιστο δυνατό ρυθμό μετάδοσης, για οποιονδήποτε (πραγματικό ή μιγαδικό) αστερισμό συμβόλων. Ωστόσο, το σχήμα Alamouti έχει σχεδιαστεί για συχνοτικά επίπεδα κανάλια. Στην παρούσα εργασία μελετούμε την εφαρμογή STBC σε κανάλια συχνοτικά επιλεκτικής εξασθένησης. Εστιάζουμε κυρίως στο συνδυασμό του σχήματος Alamouti με τεχνικές εξάλειψης της διασυμβολικής παρεμβολής, εξετάζοντας τα σχήματα OFDM-STBC, FDE-STBC και TR-STBC, που έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία. Επιπρόσθετα των συμβατικών δεκτών, για τα δύο τελευταία σχήματα περιγράφουμε και προσαρμοστικούς δέκτες, οι οποίοι παρακολουθούν τις μεταβολές του καναλιού, χωρίς να απαιτούν την ακριβή εκτίμησή του. Η έρευνα πάνω στα προηγούμενα σχήματα οδήγησε σε ορισμένα αξιόλογα αποτελέσματα. Κατ’ αρχήν, αποδεικνύουμε ότι τα σχήματα FDE-STBC και TR-STBC είναι ισοδύναμα, μολονότι καθένα εφαρμόζει διαφορετική κωδικοποίηση στα μεταδιδόμενα δεδομένα. Επίσης, σχεδιάζουμε έναν νέο δέκτη για το σχήμα TR-STBC, τον οποίο αναπτύσσουμε και σε προσαρμοστική μορφή. Βασικό πλεονέκτημα του προτεινόμενου δέκτη είναι ότι εκμεταλλεύεται τους κυκλικούς πίνακες συνέλιξης για τη μείωση της πολυπλοκότητας αποκωδικοποίησης. Τέλος, η απόδοση κάθε σχήματος και δέκτη αξιολογείται σε διάφορες συνθήκες εξασθένησης μέσω προσομοιώσεων σε υπολογιστικό περιβάλλον. / Space-time block coding (STBC) is an effective and widely used transmit diversity technique to combat multipath fading in wireless communication systems. A prominent example of STBC is the orthogonal code of Alamouti scheme, which achieves full spatial diversity at full transmission rate for two transmit antennas and any (real or complex) signal constellation. However, Alamouti scheme has been designed only for frequency-flat channels. In this thesis we study the application of STBC in frequency-selective channels. We mainly focus on combining Alamouti scheme with techniques for mitigating intersymbol interference, by studying several schemes (OFDM-STBC, FDE-STBC and TR-STBC) that have been proposed in literature. In addition to the conventional receivers, for FDE-STBC and TR-STBC we describe adaptive receivers too, which have the ability of tracking channel variations, without requiring explicit channel estimation. Research made upon the above schemes has come to some remarkable results. First, we prove that TR-STBC and FDE-STBC are equivalent, although each one encodes differently the transmitted data. Then, we design a new receiver for TR-STBC, which exploits the circulant convolution matrices, in order to reduce decoding complexity and we, also, develop an adaptive structure for the proposed receiver. At last, we evaluate the performance of all the described schemes and receivers in different fading conditions, by using computer simulations.

Στην εργασία, αυτή, εξετάζονται οι μέθοδοι συμπίεσης του συνόλου δοκιμής με τη χρήση πινάκων που έχουν ήδη προταθεί και προτείνεται μία νέα μέθοδος συμπίεσης δεδομένων δοκιμής για πυρήνες που ο έλεγχος ορθής λειτουργίας υλοποιείται μέσω μονοπατιών ολίσθησης. Η νέα μέθοδος επαναχρησιμοποιεί μπλοκ του πίνακα για τη σύνθεση διανυσμάτων δοκιμής. Δύο νέοι αλγόριθμοι παρουσιάζονται για επιλεκτική και πλήρη καταχώρηση τμημάτων του συνόλου δοκιμής σε πίνακα. Η προτεινόμενη μέθοδος συγκρίνεται με τις υπάρχουσες μεθόδους ως προς το ποσοστό συμπίεσης αλλά και ως προς το κόστος υλοποίησης. Για την αξιολόγηση της μεθόδου λαμβάνονται υπόψη σύνολα δοκιμής που έχουν παραχθεί για την ανίχνευση απλών σφαλμάτων μόνιμης τιμής, απλών σφαλμάτων μόνιμης τιμής με πολλαπλότητα ανίχνευσης Ν (Ν-detect) και σφαλμάτων καθυστέρησης μετάβασης. / In this work we refer to dictionary based test data compression methods. At first the already known dictionary based test data compression methods are comparably presented. Then we propose a new method and we show that the test data compression achieved by a dictionary based method can be improved significantly by suitably reusing parts of the dictionary entries. To this end two new algorithms are proposed, suitable for partial and complete dictionary coding respectively. For the evaluation of the proposed method, test sets have been generated and used based on the stuck-at fault model for single and N detection of each fault as well as on the transition fault model.

Η αντιστοίχιση εικόνων έχει σαν σκοπό την εύρεση γεωμετρικών και άλλων διαφορών ανάμεσα σε δύο ή περισσότερες εικόνες. Η ψηφιακή υδατογράφηση εικόνων προσφέρει κατοχύρωση των πνευματικών δικαιωμάτων, εισάγοντας στις εικόνες ένα αδιόρατο σήμα, ένα υδατογράφημα, με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι δύσκολο να αφαιρεθεί. Η αντιστοίχιση μπορεί να αποτελέσει τμήμα της ψηφιακής υδατογράφησης, στη φάση της ανίχνευσης του υδατογραφήματος. Επιπλέον, για την ανίχνευση του υδατογραφήματος χρησιμοποιούνται παρόμοιες ή και ίδιες μετρικές ομοιότητας με αυτές που χρησιμοποιούνται στην αντιστοίχιση. Έτσι, οποιαδήποτε βελτίωση αφορά την αντιστοίχιση ή τις μετρικές ομοιότητας μπορεί να έχει θετικές επιδράσεις και στην ψηφιακή υδατογράφηση. Η έρευνα που έγινε στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής σε σχέση με το πρόβλημα της αντιστοίχισης αφορά τη συσχέτιση των εικόνων στο χωρικό πεδίο, η οποία έχει το εξής μειονέκτημα: η περιοχή γύρω από τη μέγιστη τιμή της μπορεί να έχει μεγάλο εύρος και να επηρεάζει την ακρίβεια της αντιστοίχισης. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, προτείνεται μια διαδικασία προ-λεύκανσης των εικόνων, βασισμένη στο φίλτρο σφάλματος πρόβλεψης. Επίσης, αναπτύσσεται ένας επαναληπτικός αλγόριθμος αντιστοίχισης για μετατοπίσεις και περιστροφές, ο οποίος εφαρμόζεται σε ακολουθίες ιατρικών εικόνων με σκοπό τη διάγνωση δυσπλασιών και κακοηθειών. Ένα δεύτερο μειονέκτημα της χωρικής συσχέτισης είναι το μεγάλο υπολογιστικό της κόστος. Στη διδακτορική διατριβή προτείνεται ένα γρήγορο σχήμα υπολογισμού της, το οποίο βασίζεται σε κατάλληλη τμηματοποίηση της εικόνας και στη χρήση του μετασχηματισμού Fourier. Επίσης, το πιο απαιτητικό κομμάτι της διαδικασίας αντιστοίχισης είναι ο υπολογισμός της χρησιμοποιούμενης μετρικής σαν συνάρτηση της σχετικής θέσης των εικόνων. Έτσι, αναπτύσσεται ένας αποδοτικός επαναληπτικός αλγόριθμος, ο οποίος μειώνει σημαντικά τις αναζητήσεις που απαιτούνται για την εύρεση του μεγίστου του συντελεστή συσχέτισης και παρέχει ακρίβεια εικονοστοιχείου. Τέλος, προτείνεται μια τεχνική η οποία παρέχει ακρίβεια υποδιαίρεσης εικονοστοιχείου και βασίζεται στη μεγιστοποίηση του συντελεστή συσχέτισης. Η τεχνική αυτή δεν απαιτεί ανακατασκευή των τιμών της έντασης και παρέχει μια λύση κλειστού τύπου για την εκτίμηση της μετατόπισης. Όσο αφορά το πρόβλημα της υδατογράφησης, η έρευνα που έγινε στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής στοχεύει στην ένθεση ισχυρών υδατογραφημάτων στο χωρικό πεδίο και στη βελτίωση της ανίχνευσής τους. Καταρχήν, προτείνεται μια χωρική αντιληπτική μάσκα, η οποία βασίζεται στην τοπική διασπορά του σφάλματος πρόβλεψης της αρχικής εικόνας. Παράλληλα, αναπτύσσεται ένα «τυφλό» σύστημα ανίχνευσης και η βελτιωμένη απόδοσή του σε σχέση με υπάρχοντες ανιχνευτές αποδεικνύεται θεωρητικά για τη γενική περίπτωση επίθεσης με γραμμικό φίλτρο και θόρυβο. Στη συνέχεια, παράγεται μια νέα χωρική μάσκα η οποία επιτρέπει την ένθεση υδατογραφημάτων με εξαιρετικά μεγάλη ενέργεια, διατηρώντας ταυτόχρονα την ποιότητα της εικόνας σε πολύ καλό επίπεδο. Η απόδοσή της συγκρίνεται με πολύ γνωστές και ευρέως χρησιμοποιούμενες μάσκες και αποδεικνύεται σημαντικά καλύτερη. Επίσης, αναπτύσσεται ένα βελτιωμένο σχήμα ανίχνευσης, το οποίο σε συνδυασμό με την προτεινόμενη μάσκα έχει πολύ καλή απόδοση. Τέλος, προτείνεται μια μέθοδος εισαγωγής υδατογραφήματος στην εικόνα με πολλαπλασιαστικό τρόπο, χρησιμοποιώντας χωρο-χρονική κωδικοποίηση μπλοκ και ειδικότερα μια 4x4 πραγματική, ορθογώνια διάταξη συμβόλων. Το σχήμα αυτό αποδεικνύεται να έχει πολύ καλύτερη απόδοση σε σχέση με την επαναληπτική υδατογράφηση. / Image registration aims at finding geometrical or other differences between two or more images. Image watermarking offers copyright protection by embedding in the images an invisible signal, a watermark, in such a way that it is difficult to be removed. Image registration can be part of a watermark detector. Moreover, similar (or the same) similarity measures are used for both image registration and watermark detection. Thus, any improvement concerning the image registration or the similarity measures can have positive effects on image watermarking, too. Our research concerning the image registration problem deals with the spatial cross-correlation, which has the following drawback: the region around its maximum value can be rather wide, affecting the registration accuracy. This problem can be solved, by properly pre-whitening the images with the prediction error filter. Furthermore, an iterative algorithm is proposed for registering images with translation and rotation differences, which is then applied in sequences of medical images for cancer diagnosis. A second disadvantage of the spatial correlation is its computational cost. A fast computation scheme is proposed, based on a proper partitioning of the images and the Fourier transform. Also, the most computationally intensive part of a registration process is the evaluation of the involved measure for different relative image positions. Thus, an efficient iterative algorithm is developed that considerably reduces the number of searches required for finding the correlation coefficient maximum value and provides pixel accuracy. Finally, an image registration technique with subpixel accuracy is proposed, which is based on the correlation coefficient maximization. This technique does not require the reconstruction of the intensity values and provides a closed form solution to the subpixel translation estimation problem. As far as the problem of image watermarking is concerned, our research aims at embedding robust watermarks in spatial domain and improving their detection. First, a spatial perceptual mask is proposed, based on the local variance of the initial image prediction error. A blind detector is also developed, which performs better than the existing ones. This is theoretically proved for the general attack case with linear filter and noise. Furthermore, a new spatial perceptual mask is proposed that allows for a significantly increased strength of the watermark, while at the same time the image quality remains very good. Its performance is compared to known and widely used masks and is proved to be much better. Moreover, an improved detector is developed, which, combined with the new mask, performs very well. Finally, a new multiplicative watermark embedding is proposed, which uses space-time block coding (specifically a 4x4 real orthogonal design). This scheme is proved to perform much better than the repetitive watermarking.

H διδακτορική διατριβή μελετά ζητήματα που αφορούν την ενσωμάτωση υπολογιστικών μοντέλων ακοής για την μοντελοποίηση και επεξεργασία ηχητικών σηματών για την βέλτιστη αναπαραγωγή τους σε χώρους με αντήχηση καθώς και την κωδικοποίηση ηχητικών δεδομένων. Το κύριο μέρος της διατριβής επικεντρώθηκε στην μοντελοποίηση των αντιληπτικά σημαντικών αλλοιώσεων λόγω αντήχησης, με την βοήθεια κατάλληλα οριζόμενων μόνο-ωτικών και διαφορικών ενδο-καναλικών παραμέτρων και την απεικόνιση τους με τη βοήθεια χρονο-συχνοτικών 2Δ αναπαραστάσεων. Ο λεπτομερής εντοπισμός των αλλοιώσεων στα ηχητικά σήματα μέσω του προτεινόμενου Δείκτη Επικάλυψης λόγω Αντήχησης (ΔΕΑ) διαμόρφωσε κατάλληλη μεθοδολογία ανάλυσης-σύνθεσης, για την καταστολή της αντήχησης σε συγκεκριμένες χρονο-συχνοτικές περιοχές. Το κύριο πλεονέκτημα της προτεινόμενης, εξαρτώμενης του σήματος, μεθοδολογίας είναι ότι επιτυγχάνεται η καταστολή των, με σχετική καθυστέρηση, παραμορφώσεων λόγω αντήχησης σε μια μεγαλύτερη κλίμακα, δεδομένου ότι μόνο οι αντιληπτικά σημαντικές περιοχές του σήματος επηρεάζονται από την επεξεργασία. Επιπλέον, αναζητήθηκε η δυνατότητα ανάλυσης των ηχητικών δεδομένων με βάση τις εσωτερικές τους αναπαραστάσεις (όπως δηλαδή τις παρέχει το υπολογιστικό μοντέλο ακοής) με εφαρμογή στην περιοχή της κωδικοποίησης σημάτων. Ο προτεινόμενος μη-ομοιόμορφος κβαντιστής πραγματοποιεί τη διαδικασία της κβάντισης χρονο-συχνοτικά με κατάλληλη οδήγηση από το υπολογιστικό μοντέλο ακοής, εξασφαλίζοντας καλύτερη υποκειμενική ηχητική ποιότητα, σε σχέση με ένα ομοιόμορφο PCM κβαντιστή. Χρησιμοποιώντας τη βασική λειτουργία του μη-ομοιόμορφου κβαντιστή, υλοποιήθηκε ενά κριτήριο αξιολόγησης ηχητικών δεδομένων, όπου σε αντίθεση με καθιερώμενα κριτήρια (όπως το Noise to Mask Ration, NMR) επιτελεί τις λειτουργίες του στο πεδίο χρόνου-συχνότητας και παρέχει τη δυνατότητα εντοπισμού της υποκειμενικά σημαντικής παραμόρφωσης με βάση την χρονική εξέλιξη του σήματος. / The dissertation studies issues concerning the integration of computational auditory models for modeling and processing of audio signals for optimal reproduction in reverberant spaces as well as topics related to audio coding. Based on the theoretical framework analysis that was established, the necessity of a signal-dependent approach was underlined for modeling the perceptually-relevant effects of reverberation. The main part of the dissertation thesis was focused on describing the perceptually-relevant alterations due to reverberation, based on appropriate defined monaural and differential inter-channel parameters and also their representation with well-defined time-frequency 2D maps. The detailed localization of alterations due to reverberation in the acoustic signals via the proposed Reverberation Masking Index (RMI) introduced an analysis-synthesis methodology for the compensation of reverberation in perceptually-significant time-frequency regions incorporating also, well-established digital signal processing techniques. The main advantage of the proposed signal-dependent methodology is that the suppression of reverberant tails can be achieved on a larger scale under practical conditions, since only perceptually significant regions of the signal are affected after processing. Additionally, the proposed framework complements the more traditional system-dependent inverse filtering methods, enabling novel and efficient signal processing schemes to evolve for room dereverberation applications. The thesis examines also the feasibility of the acoustic signal analysis based on the internal representations provided by the computational auditory model, applicable in the area of audio coding. The proposed non-uniform quantizer operates in the time-frequency domain, where a novel quantization process is driven by the computational auditory model, thus enabling an overall better perceptual quality with respect to uniform PCM quantizer. Considering the fundamental operation of the novel non-uniform quantizer, a criterion for audio quality evaluation was proposed, where contrary to well-established criteria (i.e., Noise to Mask Ratio, NMR) its potential structure performs in the time-frequency domain and provides the detailed localization of perceptually-important distortions based on the input signal’s evolution.

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.

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.