The concept of cable television, originally called community antenna television (CATV), began in the 1940's. The information and services provided by cable operators have changed drastically since the early days. Cable service providers are no longer simply providing their customers with broadcast television but are providing a multi-purpose, two-way link to the digital world. Custom programming, telephone service, radio, and high-speed internet access are just a few of the services offered by cable service providers in the 21st century. At the dawn of the internet the dominant mode of access was through telephone lines. Despite advances in dial-up modem technology, the telephone system was unable to keep pace with the demand for data throughput. In the late 1990's an industry consortium known as Cable Television Laboratories, Inc. developed a standard protocol for providing high-speed internet access through the existing CATV infrastructure. This protocol is known as Data Over Cable Service Interface Specification (DOCSIS) and it helped to usher in the era of the information superhighway. CATV systems use different parts of the radio frequency (RF) spectrum for communication to and from the user. The downstream portion (data destined for the user) consumes the bulk of the spectrum and is located at relatively high frequencies. The upstream portion (data destined to the network from the user) of the spectrum is smaller and located at the low end of the spectrum. This lower frequency region of the RF spectrum is particularly prone to impairments such as micro-reflections, which can be viewed as a type of multipath interference. Upstream data transfer in the presence of these impairments is therefore problematic and requires complex signal correction algorithms to be employed in the receiver. The quality of a receiver is largely determined by how well it mitigates the signal impairments introduced by the channel. For this reason, engineers developing a receiver require a piece of equipment that can emulate the channel impairments in any permutation in order to test their receiver. The conventional test methodology uses a hardware RF channel emulator connected between the transmitter and the receiver under test. This method not only requires an expensive RF channel emulator, but a functioning analog front-end as well. Of these two problems, the expense of the hardware emulator is likely less important than the delay in development caused by waiting for a functional analog front-end. Receiver design is an iterative, time consuming process that requires the receiver's digital signal processing (DSP) algorithms be tested as early as possible to reduce the time-to-market. This thesis presents a digital implementation of a DOCSIS-compliant channel emulator whereby cable micro-reflections and thermal noise at the analog front-end of the receiver are modelled digitally at baseband. The channel emulator and the modulator are integrated into a single hardware structure to produce a compact circuit that, during receiver testing, resides inside the same field programmable gate array (FPGA) as the receiver. This approach removes the dependence on the analog front-end allowing it to be developed concurrently with the receiver's DSP circuits, thus reducing the time-to-market. The approach taken in this thesis produces a fully programmable channel emulator that can be loaded onto FPGAs as needed by engineers working independently on different receiver designs. The channel emulator uses 3 independent data streams to produce a 3-channel signal, whereby a main channel with micro-reflections is flanked on either side by adjacent channels. Thermal noise normally generated by the receiver's analog front-end is emulated and injected into the signal. The resulting structure utilizes 43 dedicated multipliers and 401.125 KB of RAM, and achieves a modulation error ratio (MER) of 55.29 dB.

Αντικείµενο της παρούσας διατριβής είναι η αξιοποίηση των γραµµών χαµηλής τάσης εντός κτιρίων για τη δηµιουργία ενός τοπικού δικτύου επικοινωνιών για µετάδοση δεδοµένων σε υψηλές ταχύτητες µε σκοπό την παροχή υπηρεσιών ευρείας ζώνης στον τελικό χρήστη. Η χρήση του δικτύου παροχής ηλεκτρικής ενέργειας ως επικοινωνιακό µέσο σε υψηλές συχνότητες εξαρτάται από την αντιµετώπιση των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της συµπεριφοράς του, που περιλαµβάνουν επιλεκτική εξασθένηση πλάτους συναρτήσει της συχνότητας, παραµόρφωση φάσης που εξαρτάται από τα µήκη των γραµµών, ισχυρό κρουστικό θόρυβο και παρεµβολές στενής ζώνης. Οι συνθήκες µετάδοσης επηρεάζονται επίσης δυσµενώς από την εξάρτηση των παραπάνω χαρακτηριστικών από το χρόνο, η οποία οφείλεται στη µεταβολή της φόρτισης του δικτύου. Η σύγχρονη αντιµετώπιση του επικοινωνιακού µέσου στηρίζεται σε εµπειρικά µοντέλα συµπεριφοράς, που πηγάζουν από µετρητικά δεδοµένα σε πειραµατικά δίκτυα και επιχειρεί να καλύψει αξιόπιστα µε κατάλληλες τεχνικές µετάδοσης τη ‘χειρότερη’ περίπτωση σε ότι αφορά τις συνθήκες του καναλιού, χωρίς να βοηθά στην κατανόηση των παραγόντων που επηρεάζουν τη συµπεριφορά του µέσου, ώστε να είναι εφικτή και η ουσιαστική αντιµετώπισή τους. Η παρούσα εργασία ακολουθεί µια διαφορετική προσέγγιση για την αξιοποίηση του µέσου, που στοχεύει στην ουσιαστική αντιµετώπιση της χρονικά µεταβαλλόµενης συµπεριφοράς του µέσου, προτείνοντας διαδικασίες και τεχνικές που προσαρµόζουν τη µετάδοση στο υφιστάµενο επικοινωνιακό περιβάλλον. Η ανάπτυξη των διαδικασιών αυτών στηρίχθηκε σε ένα πρότυπο περιβάλλον επικοινωνιών που καλείται pDSL (powerline Digital Subscriber Lines) και προτάθηκε για να αποτελέσει το πλαίσιο, σύµφωνα µε το οποίο αναπτύχθηκαν διαδικασίες ανίχνευσης και προσαρµογής της µετάδοσης στις συνθήκες του καναλιού. Στο pDSL περιβάλλον ορίζονται επικοινωνιακά κανάλια που ισοδυναµούν µε ‘σηµείο-προς-σηµείο’ ζεύξεις µεταξύ της pDSL πύλης (κεντρική µονάδα του δικτύου και µονάδα διασύνδεσης του τοπικού δικτύου µε άλλα δίκτυα) και των pDSL επικοινωνιακών συσκευών, όπως ονοµάζονται οι ηλεκτρονικές συσκευές που απαιτούν υπηρεσίες µετάδοσης δεδοµένων υψηλών ταχυτήτων. Η ανάπτυξη των τεχνικών µετάδοσης που αντιµετωπίζουν τις συνθήκες που επικρατούν στο επικοινωνιακό µέσο στηρίζεται στο χαρακτηρισµό της συµπεριφοράς του. Πρώτο βήµα της διαδικασίας αυτής αποτελεί η σύνδεση της απόκρισης του καναλιού µετάδοσης µε τα χαρακτηριστικά του δικτύου γραµµών. Για το σκοπό αυτό, αναπτύχθηκε και παρουσιάζεται ένας αλγόριθµος ανάλυσης της πολυοδικής µετάδοσης του σήµατος στο δίκτυο των γραµµών χαµηλής τάσης, ο οποίος προσδιορίζει µε αναλυτικό τρόπο τα προϊόντα της µετάδοσης που πραγµατοποιείται µέσω πολλαπλών διαδροµών στο δίκτυοκαι συνθέτει την κρουστική και φασµατική απόκρισή του. Ο αλγόριθµος βασίζεται στην περιγραφή της τοπολογίας, των χαρακτηριστικών µετάδοσης των καλωδίων και των εµπεδήσεων των φορτίων τερµατισµού της. Η εργασία περιλαµβάνει επίσης την ανάπτυξη δύο πειραµατικών µεθοδολογιών µε τις οποίες πραγµατοποιείται η εκτίµηση των χαρακτηριστικών µετάδοσης των καλωδίων χαµηλής τάσης στις υψηλές συχνότητες και της εµπέδησης των ηλεκτρικών φορτίων που συνδέονται στα δίκτυα αυτά. Τα µεγέθη αυτά προκαλούν την εξάρτηση της συµπεριφοράς του µέσου µετάδοσης από τη συχνότητα και το χρόνο και ο προσδιορισµός τους είναι αναγκαίος για την εφαρµογή της ανάλυσης και της πρόβλεψης της συµπεριφοράς του καναλιού µε τη βοήθεια του αλγορίθµου ανάλυσης. Η αξιοπιστία των µεθόδων πιστοποιήθηκε µε τη σύγκριση της πειραµατικής και της θεωρητικής συνάρτησης µεταφοράς των καναλιών που σχηµατίζονται σε πειραµατικές τοπολογίες γραµµών χαµηλής τάσης, οι οποίες κατασκευάστηκαν για το σκοπό αυτό. Στην παρούσα εργασία, η ανάλυση της συµπεριφοράς του µέσου πλαισιώνεται µε τη σχεδίαση και την υλοποίηση ενός εξοµοιωτή πραγµατικού χρόνου του επικοινωνιακού καναλιού, ο οποίος εξοµοιώνει τη χρονικά µεταβαλλόµενη συµπεριφορά του µέσου µε βάση την τοπολογία και τη φόρτιση του. Ο εξοµοιωτής αυτός µπορεί να αποτελέσει πολύτιµο εργαλείο ελέγχου νέων τεχνικών µετάδοσης, κάτω από διαφορετικές συνθήκες επικοινωνίες. Τέλος, µε βάση το χαρακτηρισµό της συµπεριφοράς του επικοινωνιακού µέσου που προηγήθηκε επιχειρείται η ανάπτυξη διαδικασιών που αποσκοπούν στην ανίχνευση των συνθηκών που επικρατούν στο επικοινωνιακό κανάλι και στην προσαρµογή της τεχνικής µετάδοσης σε αυτές, στα πλαίσια της pDSL αρχιτεκτονικής επικοινωνιών. Για την ανίχνευση των συνθηκών µετάδοσης στις επικοινωνιακές ζεύξεις αναπτύχθηκαν δύο επιµέρους διαδικασίες: η ‘αρχική συνθηκοθέτηση’ του καναλιού, που πραγµατοποιείται κατά την αρχικοποίηση των επικοινωνιακών ζεύξεων και η ‘ενδιάµεση συνθηκοθέτηση’ που εκτελείται περιοδικά και επανεκτιµά τις συνθήκες του καναλιού κατά τη διάρκεια της µετάδοσης. Η δεύτερη διαδικασία, η οποία υπόκειται σε εξαιρετικά αυστηρούς χρονικούς περιορισµούς, πλαισιώθηκε από µια µέθοδο πρόβλεψης της συµπεριφοράς του µέσου που επιταχύνει και συµπληρώνει τη διαδικασία ‘ενδιάµεσης συνθηκοθέτησης’ και βασίζεται στη διαθέσιµη πληροφορία εκτίµησης του καναλιού και στον αλγόριθµο ανάλυσης της µετάδοσης στο κανάλι. Η προτεινόµενη διαδικασία προσαρµογής της µετάδοσης στις τρέχουσες συνθήκες που επικρατούν στο κανάλι στοχεύει στην κατάλληλη ανακατανοµή του διαθέσιµου εύρους ζώνης στις επικοινωνιακές ζεύξεις, Η διαδικασία αξιοποιεί την πληροφορία της εκτίµησης των συνθηκών στο µέσο και επιχειρεί να χαρακτηρίσει τα διαθέσιµα υπο-κανάλια ως προς την καταλληλότητα τους για µετάδοση δεδοµένων, ώστε να τα κατανείµει µε βέλτιστο τρόπο στις ζεύξεις, ανάλογα µε τις απαιτήσεις τους σε ρυθµό µετάδοσης.

Ces travaux portent sur l'étude et le développement d'un système de caractérisation de radioaltimètres. La propagation Air-Sol-Air, contexte particulier du canal de propagation aéronautique adaptée aux radioaltimètres, est étudiée et modélisée. Une approche hybride basée sur le lancer de rayon et les fonctions de distribution de la réflectance bidirectionnelle est proposée pour le développement d'un simulateur de canal de propagation dédié aux radioaltimètres. Les modèles issus de cet outil sont validés par confrontation à des essais en vol et une méthode de conditionnement des résultats est proposée pour les rendre utilisables dans un accumulateur de canaux de propagation temps réel. L'architecture matérielle et logicielle de celui-ci est détaillée dans ce manuscrit et son fonctionnement est validé par la mesure. / This thesis presents the study and the development of a radar-altimeter characterization tool. The Air-Ground-Air propagation channel is a specific context of the aeronautical channel applied to the radar-altimeters. A new hybrid method designed to the development of a channel simulator is described. This one is based upon ray tracing and bidirectionnal reflectance distribution functions and permits to obtain channel models validated by comparison with on flight measurements. A pre-conditioning method is also explained to make the channel models ready to be used in a real time channel emulator. The hardware and software architecture of this channel emulator is detailed in this book and its behavior is validated with laboratory measurements.