Timing jitter and phase noise are important design considerations in most electronic systems, particularly communication systems. The desire for faster transmission speeds and higher levels of integration, combined with lower signal levels and denser circuit boards has placed greater emphasis on managing problems related to phase noise, timing jitter, and timing distribution. This thesis reports original work on phase noise modelling in electronic systems. A new model is proposed which predicts the up-conversion of baseband noise to the carrier frequency in RF amplifiers. The new model is validated by comparing the predicted phase noise performance to experimental measurements as it applies to a common emitter (CE), bipolar junction transistor (BJT) amplifier. The results show that the proposed model correctly predicts the measured phase noise, including the shaping of the noise about the carrier frequency, and the dependence of phase noise on the amplifier parameters. In addition, new work relating to timing transfer in digital communication systems is presented. A new clock recovery algorithm is proposed for decoding timing information encoded using the synchronous residual time-stamp (SRTS) method. Again, theoretical analysis is verified by comparison with an experimental implementation. The results show that the new algorithm correctly recovers the source clock at the destination, and satisfies the jitter specification set out by the ITU-T for G.702 signals.

Ο θόρυβος φάσης που εμφανίζεται στους ταλαντωτές, επηρεάζει την ποιότητα των σημάτων που επεξεργάζονται τα επικοινωνιακά ηλεκτρονικά κυκλώματα. Η παρούσα μελέτη, δεν έχει σκοπό μια θεωρητική η πρακτική εξέταση των αιτιών του θορύβου φάσης, ή την παρουσίαση τεχνικών μείωσής του, αλλά εξετάζεται η επίδραση του θορύβου φάσης πάνω σε διαμορφωμένα σήματα επικοινωνιών. Αυτή η επίδραση πάνω στα διαμορφωμένα σήματα επικοινωνιών δε λαμβάνεται υπ' όψιν μέχρι σήμερα στην βιβλιογραφία. Δείχνουμε ότι αυτή η επίδραση, που στις περισσότερες πρακτικές περιπτώσεις αγνοείται, μπορεί κάτω από προϋποθέσεις να είναι πολύ σημαντική. Αυτό ισχύει ακόμα, και όταν το σήμα του ταλαντωτή με τον συνοδευτικό θόρυβο φάσης, λείπει όπως π.χ στην περίπτωση διαμόρφωσης SSB. Η ύπαρξη της ανωτέρω επίδρασης, έχει την προέλευσή της στη διαδικασία (πράξη) διαμόρφωσης. Για να αποδείξουμε το παραπάνω, χρησιμοποιούμε δύο βασικές ιδιότητες, την ιδιότητα μετατόπισης της συχνότητας, και την ιδιότητα του γινόμενου στο πεδίο του χρόνου - συνέλιξης στην περιοχή της συχνότητας. Η διερεύνηση των δύο προσεγγίσεων, οδηγεί σε παρόμοια αποτελέσματα, σε διάφορα θέματα, σχετιζόμενα με την θορυβική ανάλυση, όπως π.χ η επίδραση του θορύβου φάσης στην ενδιάμεση συχνότητα (I.F). Τα αποτελέσματα και οι εφαρμογές, δεν είναι εξαρτημένα από τη γραμμικότητα του κυκλώματος του ταλαντωτή, αλλά η υπόθεση της γραμμικότητας, απλοποιεί πολλούς χειρισμούς. Εισάγουμε βασικά την έννοια της αντιγραφής του θορύβου φάσης του ταλαντωτή, λόγω της διεργασίας της διαμόρφωσης (mirror imaging), σε κάθε διαμορφωμένη συχνότητα, που είναι συνιστώσα του συνολικά διαμορφωμένου σήματος. Εφαρμογή του θεωρήματος της διαμόρφωσης συνεπάγεται απλή μετατόπιση του φάσματος του ταλαντωτή, λόγω διαμόρφωσης, για κάθε διαμορφωμένη συνιστώσα, για τους διάφορους τύπους διαμορφώσεων. Αυτά τα αντίγραφα στις διαφορετικές συνιστώσες συχνότητες του διαμορφωμένου φάσματος, δίνουν σε κάθε λαμβανόμενη συνιστώσα συχνότητας διαμορφωμένης πληροφορίας, ένα ανεπιθύμητο ποσό ισχύος πού αντιστοιχεί σε θόρυβο. / The role of the phase noise on the oscillators performance, is wide known. This noise stems mostly from the electronic circuitry used to implement the oscillator. Moreover, it is well known, the direct influence of the oscillator Phase Noise on the nearby modulated up (down) converted signals at the frequency domain. In the literature the direct influence, on the oscillator phase noise sidebands, is generally examined. In this work, we do not attempt, an examination of the reasoning of phase noise phenomenon, nor a reduction of the phase noise itself, but rather we examine the direct effect, of the phase noise sidebands on the modulated signals. The Phase Noise (PN) is considered of a given character and its influence on the communication signals is examined. These effects have their origin on the PN, but there are present and influence the signal integrity even if oscillator’s phase noise is absent. Their existence origins from the modulation action, at the respective frequency transfer, of a realistic oscillator via the non ideal output , which is corrupted by PN. Two basic concepts, the theorem of the Time Domain Product – Frequency Domain Convolution Theorem, and the Frequency Shifting Theorem, which lead basically to the same results, are applied and extended to the Intermediate Frequency and relative concepts. These results basically do not depend on the supposed circuit linearity, but the linearity supposition simplifies a lot of the manipulations. Thus oscillator’s phase noise is “copied”, because of the modulation action to every modulated frequency that the modulated signal consists of, at the different types of modulation. These copies from the neighbored frequencies give at every modulated frequency an undesirable sum of noise contributions. The small amplitude and phase variations of the carrier, from another more representative view, via the Frequency Shifting Theorem or because of the respective convolution , are transferred to the shifted spectrum via the modulation action. The here above are examined, firstly using the Time Domain Product – Frequency Domain Convolution Theorem. All the “copies” of the carrier form every modulated constitute of the information are accumulated to a “worst case” integral. The referenced integral, is an indicative calculation, of the introduced fluctuations. The second approach deals with the total spectrum movement due to fluctuations and is more pictorial and prone to relevant calculations, as analyzed in this thesis.

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.

Ces travaux de recherche portent sur les systèmes de communication radio-sur-fibre aux fréquences millimétriques supérieures à 60 GHz. Cette thèse s’articule autour de trois problématiques cruciales pour ces systèmes : la mesure du bruit de phase des signaux millimétriques instables générés par voie optique, la suppression de l’impact du bruit de phase sur les performances des systèmes de communications radio-sur-fibre par l’utilisation de techniques de conversion de fréquence non-cohérente, et enfin l’étude de l’impact du bruit d’intensité sur les performances des systèmes à détection non-cohérente. La première partie du travail présente une nouvelle technique de détection numérique du bruit de phase, capable de mesurer le bruit de phase à n’importe quelle fréquence millimétrique générée par voie optique et donc le plus souvent instable. Il est possible de mesurer le bruit de phase pour une large gamme de fréquences de décalage, allant de fréquence très proches de la porteuse à des bruits lointains grâce à l’adaptation de la résolution fréquentielle de la mesure. Cette mesure se fait de plus sans l’approximation des petits angles, très souvent utilisés. Dans la deuxième partie, un système de communication millimétrique basé sur une détection non-cohérente est étudié. L’étage de conversion de fréquences électrique permettant l’analyse des signaux est réalisé avec une détection d’enveloppe, ce qui permet de s’affranchir des variations de phase et de fréquence de la porteuse générée par voie optique. Pour terminer, des études théoriques et expérimentales sont menées sur l’impact du bruit d’amplitude sur les systèmes radio-sur-fibre utilisant ce type de détection non-cohérente. Les simulations, basées sur des modèles théoriques, sont capables de déterminer quel bruit est prédominant lors des mesures d’EVM parmi les bruits optiques et électriques. Cette technique s’appuie sur l’observation de l’évolution de l’EVM sur la puissance optique reçue. / This Ph.D. investigates the radio over fiber communication systems at mm-wave frequencies higher than 60 GHz. The thesis elaborates on three crucial issues in these systems including:phase noise measurement of unstable optically generated mm-wave signals, elimination ofphase noise impact on performance of radio over fiber systems using non-coherent down conversion technique, and studying the amplitude noise impacts on performance of system based on these detectors. In the first part of this work, a new digital phase noise measurement technique is presented which is able to extract the phase noise of any unstable mm-waveoptically generated signal. This technique is able to measure the phase noise for a widerange of offset frequencies from close-in phase noise to far noise floor by adapting frequency resolution of measurement and without considering small angle approximation. In the second part, we present a radio over fiber system at mm-wave frequency based on non-coherent electrical frequency down conversion stage using an envelope detector which is robust against phase and frequency fluctuations of the optically generated carrier signal. Finally, a the oreticaland experimental study of amplitude noise impact on performance of radio over fiber systemsbased on non-coherent receivers is presented. In this study, a simulation technique based ontheory is developed which is able to determine, among different optical and electrical noise, the one which has the dominant effect on EVM results. This simulation technique is based onobserving the EVM evolution versus received optical power.

This thesis evaluates the possibility of using millimeter waves of frequency 28GHz for the use of wireless backhaul in small cell solutions in the coming fifth generation mobile networks. This frequency band has not been used in preceding mobile networks but is undergoing a lot of research. In this thesis simulations are performed to evaluate how the high frequency waves behave inside a three dimensional grid of buildings. The simulations use highly directive antenna arrays with antenna gains of 26dBi. A main results of the investigation was that a high bandwidth of 800MHz was not enough to provide 12Gbps in non line-of-sight propagation within the simulations. Furthermore, without interference limiting techniques, the interference is probable to dominate the noise, even though the high diffraction losses of millimeter waves propose that interference should be very limited in urban areas.

Les nouveaux besoins en communications sans fil pussent le développement de systèmes de transmission RF en termes the reconfigurabilité, multistandard et à basse consommation. Ces travaux de thèse font l’objet de la proposition d’une nouvelle architecture de réception capable d’adresser ces aspects dans le contexte des réseaux WPAN. La technique de sous échantillonnage (BPS-Bandpass Sampling) est appliquée et permet d’exploiter et certain nombre d’avantages liées au traitement du signal à Temps Discret (DT-Discrete Time signal processing), notamment le filtrage et la décimation. Si comparées à la Radio Logicielle, ces techniques permettent de relâcher les contraintes liées aux ADCs en maintenant des caractéristiques multistandard et de reconfigurabilité. Un simulateur dans le domaine fréquentiel large bande a été développé sous MATLAB pour répondre à des limitations au niveau système comme par exemple le repliement spectral et le produit gain bande. En addition avec une nouvelle méthode de conception système, cet outil permet de séparer les différentes contraintes des blocs pour la définition d’un plan de fréquence et the filtrage optimaux. La séparation des différentes contributions dans la dégradation du SNDR (notamment le bruit thermique, bruit de phase, non linéarité et le repliement), permet de relâcher de spécifications critiques liées à la consommation de puissance. L’architecture à sous échantillonnage proposée dans la thèse est résultat d’une comparaison quantitative des différentes architectures à sous échantillonnage, tout en appliquant la méthode et l’outil de conception système développés. Des aspects comme l’optimisation du filtrage entre les techniques à temps continu et temps discret et le plan de fréquence associé, permettent de trouve l’architecture qui représente le meilleur compromis entre la consommation électrique et l’agilité, dans le contexte voulu. Le bloc de filtrage à temps discret est identifié comme étant critique, et une étude sur les limitations d’implémentation circuit est menée. Des effets come les capacités parasites, l’imparité entre les capacités, le bruit du commutateur, la non linéarité, le gain finit de Ampli OP, sont évalués à travers d’une simulation comportementale en VHDL-AMS. On observe la robustesse des circuits orientés temps discret par rapport les contraintes des nouvelles technologies intégrés. Finalement, le système est spécifié en termes de bruit de phase, qui peuvent représenter jusqu’à 30% de la consommation en puissance. Dans ce but, une nouvelle méthode numérique est proposée pour être capable d’évaluer le rapport signal sur distorsion due au jitter SDjR dans le processus de sous échantillonnage. En plus, une conclusion non intuitive est survenue de cette étude, où on que réduire la fréquence d’échantillonnage n’augmente pas les contraintes en termes de jitter pour le système. L’architecture proposée issue de cette étude est sujet d’un développement circuit pour la validation du concept. / New needs on wireless communications pushes the development in terms reconfigurable, multistandards and low power radio systems. The objective of this work is to propose and design new receiver architecture capable of addressing these aspects in the context of the WPAN networks. The technique of Bandpass Sampling (BPS) is applied and permits to exploit a certain number of advantages linked to the discrete time (DT) signal processing, notably filtering and decimation. Compared to the Software-defined Radio (SDR), these techniques permit to relax the ADC constraints while keeping the multi standard and reconfigurable features. A wide band system level simulation tool is developed using MATLAB platform to overcome system level limitations such spectral aliasing and gain bandwidth product. In addition to a new system design method, the tool helps separating the blocks constraints and defining the optimum frequency plan and filtering. Separating the different contributions on the SNDR degradation (noise, phase noise, non linearity, and aliasing), critical specifications for power consumption can be relaxed. The proposed BPS architecture on the thesis is a result of a quantitative comparison of different BPS architectures, applying the system design method and tool. Aspects such filtering optimization between continuous and discrete time filtering and the associated frequency plan permitted to find the architecture which represents the best trade-off between power consumption and agility on the aimed context. The DT filtering block is therefore identified as critical block, which a study on the circuit implementation limitations is carried out. Effects such parasitic capacitances and capacitance mismatch, switch noise, non linear distortion, finite gain OTA, are evaluated through VHDL-AMS modelling. It is observed the robustness of discrete time oriented circuits. Finally, phase noise specifications are given considering that frequency synthesis circuits may represent up to 30% of the power consumption. For that goal, a new numerical method is proposed, capable of evaluating the signal to jitter distortion ratio SDjR on the BPS process. Moreover, a non intuitive conclusion is given, where reducing the sampling frequency does not increase the constraints in terms of jitter. The proposed architecture issue from this study is in stage of circuit level design in the project team of LETI for final proof of concept.

L'avancement de la communication numérique optique dans les réseaux longue distance et d'accès a déclenché les technologies émergentes dans le domaine micro-ondes / ondes millimétriques. Ces systèmes hybrides sont fortement influencés non seulement par les déficiences de liens optiques mais aussi des effets de circuits électriques. Les effets optiques et électriques peuvent être ainsi étudiés en même temps en utilisant des outils assistés par ordinateur en développant des modèles de circuit équivalent de l'ensemble des composants de liaison tels que les lasers à semi-conducteurs, modulateurs, photo-détecteurs et fibre optique. Dans cette thèse, les représentations de circuit des composants de liaison photoniques sont développées pour étudier des architectures différentes. Depuis la source de lumière optique est le principal facteur limitant de la liaison optique, une attention particulière est accordée aux caractéristiques, y compris les plus importants de simples lasers en mode semi-conducteurs. Le modèle de circuit équivalent de laser qui représente l'enveloppe du signal optique est modifié pour inclure les propriétés de bruit de phase du laser. Cette modification est particulièrement nécessaire d'étudier les systèmes où le bruit de phase optique est important. Ces systèmes comprennent des systèmes de télécommande hétérodynes optiques et des systèmes auto-hétérodynes optiques. Les résultats de mesure des caractéristiques de laser sont comparés aux résultats de simulation afin de valider le modèle de circuit équivalent dans des conditions différentes. Il est démontré que le modèle de circuit équivalent peut prédire avec précision les comportements des composants pour les simulations au niveau du système. Pour démontrer la capacité du modèle de circuit équivalent de la liaison photonique pour analyser les systèmes micro-ondes / ondes millimétriques, le nouveau modèle de circuit du laser avec les modèles comportementaux des autres composants sont utilisés pour caractériser différents radio sur fibre (RoF) liens tels que la modulation d'intensité - détection directe (IM-DD) et les systèmes RoF hétérodynes optique. Signal sans fil avec des spécifications conformes à la norme de IEEE 802.15.3c pour la bande de fréquence à ondes millimétriques est transmis sur les liens RoF. La performance du système est analysée sur la base de l'évaluation de l'EVM. L'analyse montre que l'analyse efficace des systèmes de photonique micro-ondes / ondes millimétriques est obtenue en utilisant des modèles de circuit qui nous permet de prendre en compte les comportements à la fois électriques et optiques en même temps / The advancement of digital optical communication in the long-haul and access networks has triggered emerging technologies in the microwave/millimeter-wave domain. These hybrid systems are highly influenced not only by the optical link impairments but also electrical circuit effects. The optical and electrical effects can be well studied at the same time using computer aided tools by developing equivalent circuit models of the whole link components such as semiconductor lasers, modulators, photo detectors and optical fiber. In this thesis, circuit representations of the photonic link components are developed to study different architectures. Since the optical light source is the main limiting factor of the optical link, particular attention is given to including the most important characteristics of single mode semiconductor lasers. The laser equivalent circuit model which represents the envelope of the optical signal is modified to include the laser phase noise properties. This modification is particularly necessary to study systems where the optical phase noise is important. Such systems include optical remote heterodyne systems and optical self-heterodyne systems. Measurement results of the laser characteristics are compared with simulation results in order to validate the equivalent circuit model under different conditions. It is shown that the equivalent circuit model can precisely predict the component behaviors for system level simulations. To demonstrate the capability of the equivalent circuit model of the photonic link to analyze microwave/millimeter-wave systems, the new circuit model of the laser along with the behavioral models of other components are used to characterize different radio-over-fiber (RoF) links such as intensity modulation – direct detection (IM-DD) and optical heterodyne RoF systems. Wireless signal with specifications complying with IEEE 802.15.3c standard for the millimeter-wave frequency band is transmitted over the RoF links. The system performance is analyzed based on EVM evaluation. The analysis shows that effective analysis of microwave/millimeter-wave photonics systems is achieved by using circuit models which allows us to take into account both electrical and optical behaviors at the same time

Le travail présenté dans ce mémoire traite de l’étude comportementale, de la conception et de la validation d’une nouvelle architecture, basée sur le couplage d’O.C.T différentiels, appliquée à la commande électronique de l’orientation du diagramme de rayonnement d’un réseau d’antennes linéaire. Après avoir optimisé la structure de l’O.C.T différentiel, qui constitue le corps du circuit de commande, selon une méthode graphique qui visualise les différentes contraintes imposées par le système afin de minimiser son bruit de phase et sa consommation, l’O.C.T à sorties différentielles a été réalisé en technologie NXP BiCMOS SiGe 0,25 μm puis mesuré en boîtier. Etant donné que la direction de rayonnement d’une antenne réseau dépend de la valeur du déphasage imposé entre les signaux envoyés sur deux antennes adjacentes, les équations théoriques modélisant deux O.C.T couplés et permettant d’extraire les amplitudes et le déphasage entre les différents signaux ont été décrites. La dernière étape a alors consisté en la réalisation de deux réseaux constitués respectivement de deux et de quatre O.C.T couplés au moyen d’une résistance puis d’un transistor MOS fonctionnant en zone ohmique. L’approche de couplage proposée a été validée en se basant sur les résultats de mesures effectués. De plus, l’impact de l’utilisation de structures différentielles sur la plage de déphasage obtenue et donc sur le dépointage réalisé a également été présenté ce qui nous a permis de conclure sur l’efficacité du circuit de commande proposé. / The work presented in this thesis deals with the study, design, and validation of a new architecture based on the coupling of differential voltage controlled oscillators (VCO) applied to the beamsteering of a linear antenna array. After optimizing the differential VCO structure, with a graphical optimization approach while satisfying design constraints imposed, in order to minimize the phase noise and power consumption, the differential VCO was realized in NXP BiCMOS SiGe 0.25 µm process and then measured. Since the radiation direction of an antenna array depends on the phase difference imposed between the two signals on adjacent antennas, the theoretical equations modeling two coupled VCOs, and allowing the extraction of the amplitude and phase difference between the outputs signals have been presented. The last step was the realization of two arrays consisting respectively of two and four VCOs coupled through a resistor and a MOS transistor operating in the triode region. The proposed coupling approach is validated based on the obtained measurement results. Furthermore, the impact of the use of differential structures on the phase shift range obtained and thus on the beam-scanning range achieved was also presented allowing to conclude on the efficiency of the proposed architecture.

Abstract The aim of this work was to develop time-to-digital converters(TDC) with a wide measurement range of several hundred microseconds and with a measurement precision of a few picoseconds. Because of these requirements, the focus of this work was mainly on TDC architectures based on the Nutt interpolation method, which has several advantages when a long measurement range is a requirement. Compared to conventional data converters the characteristics of a Nutt TDC differ significantly when, for example, quantization errors and linearity errors are considered. In this thesis, the operating principle of a Nutt TDC is analysed and, in particular, the effects of reference clock instabilities are studied giving new insight how the different phase noise processes can be reliably translated into time interval jitter, and how these affect the measurement precision when very long time intervals are measured. Furthermore, these analytical results are confirmed by measurements conducted with a long-range TDC designed as part of this work. Two long-range TDCs have been designed, each based on different interpolator architectures. The first TDC utilises discrete component time-to-voltage converters(TVC) as interpolators. Other key functionality is implemented on an FPGA. The interpolators use Miller integrators to improve the linearity and the single-shot precision of the converter. The TDC has a nominal measurement range of 84ms and it achieves a single-shot precision of 2ps for time intervals shorter than 2ms, after which the precision starts to deteriorate due to the phase noise of the reference clock. In addition to the discrete TDC, an integrated long-range CMOS TDC has been designed with 0.35μm technology. Instead of TVCs, this TDC features cyclic/algorithmic interpolators, which are based on switched-frequency ring oscillators(SRO). The frequency switching is used as a mechanism to amplify quantization error, a key functionality required by any cyclic or a pipeline converter. The interpolators are combined with a 16-bit main counter giving a total range of 327μs. The RMS single-shot precision of the TDC is 4.2ps without any nonlinearity compensation. Furthermore, a calibration functionality implemented partially on-chip ensures that the accuracy of the TDC varies only ±2.5ps in a temperature range of -30C to 70C. Although implemented with fairly old technology, the interpolators’ effective linear range and precision represent state-of-the-art performance. / Tiivistelmä Tämän työn tavoitteena oli kehittää aika-digitaalimuuntia (TDC), joilla on laaja satojen mikrosekuntien mittausalue ja muutaman pikosekunnin kertamittaustarkkuus. Näistä vaatimuksista johtuen tässä työssä keskitytään pääasiassa Nuttin interpolointimenetelmään perustuviin TDC-arkkitehtuureihin. Verrattuna tavanomaisiin datamuuntimiin, Nutt TDC:n toiminta poikkeaa merkittävästi, kun tarkastellaan kvantisointi- ja lineaarisuusvirhettä. Tässä väitöskirjatyössä Nuttin menetelmään perustavan TDC:n toiminta analysoidaan, jonka yhteydessä tutkitaan erityisesti referenssioskillaattorin epästabiilisuuksien vaikutusta mittausepävarmuuteen. Tämän pohjalta vaihekohinan eri kohinaprosessit voidaan luotettavasti muuntaa taajuustason kohinatiheysmittauksista aika-tasossa kuvattavaksi aikavälijitteriksi. Nämä teoreettiset tulokset ovat varmistettu yhdellä osana tätä työtä suunnitellulla pitkän kantaman TDC:llä. Teoreettisen tarkastelun lisäksi kaksi pitkän kantaman TDC:tä on suunniteltu, toteutettu ja testattu. Ensimmäinen näistä perustuu erilliskomponenteilla toteutettuun aika-jännitemuunnokseen (TVC) pohjautuvaan interpolointimenetelmään. Analogisten interpolaattoreiden ohella muu olennainen toiminnallisuus toteutettiin FPGA:lle. Interpolaattorit käyttävät Miller-integraattoreita lineaarisuuden ja kertamittaustarkkuuden parantamiseksi. TDC:n nimellinen mittausalue on 84ms ja sillä saavutetaan 2ps:n kertamittaustarkkuus, kun mitattava aikaväli on lyhyempi kuin 2ms, minkä jälkeen mittaustarkkuus heikkenee referenssioskillaattorin vaihekohinan vaikutuksesta. Toinen pitkän kantaman TDC perustuu 0.35μm:n CMOS teknologialla totetutettuun integroituun piiriin. Aika-jännitemuunnoksen sijasta tämä TDC perustuu sykliseen/algoritmiseen interpolointitekniikkaan, jossa taajuusmoduloitua rengasoskillaattoria(SRO) käytetään kvantisointivirheen vahvistamiseksi. Interpolaattorit ovat yhdistetty 16-bittiseen referenssioskillaattorin laskuriin, jolloin TDC:n mittausalue on noin 327μs. Tämän TDC:n RMS kertamittaustarkkuus on 4.2ps, joka saavutetaan ilman epälineaarisuuden kompensointia. Samalle piirille on lisäksi toteutettu kalibrointitoiminnallisuus, jolla varmistetaan TDC:n hyvä mittaustarkkuus kaikissa olosuhteissa. Mittaustarkkuus poikkeaa maksimissaan vain ±2.5ps, kun lämpötila on välillä -30C-70C. Vaikka TDC on toteutettu kohtalaisen vanhalla CMOS teknologialla, interpolaattoreiden efektiivinen lineaarinen alue ja mittaustarkkuus edustavat alansa huippua.

Le but de cette thèse est la synthèse optique d'ondes millimétriques et submillimétriques avec un très bas bruit de phase. La première partie concerne la réalisation d'un laser biaxe bifréquence dont chacune des deux fréquences est accordable indépendamment et continûment sur 1 THz. Ce laser est caractérisé en bruit d'amplitude et de phase. Nous avons mis en évidence un facteur de couplage entre les fluctuations de puissance de la diode de pompe et le bruit de phase du laser. La deuxième partie concerne le développement d'un système amplificateur qui se compose d'un amplificateur EDFA et d'un SOA par polarisation. Ce système amplificateur permet d'obtenir une puissance de l'ordre de 17 dBm, tout en réduisant le bruit relatif d'intensité (RIN) d'une vingtaine de dB sur 1 GHz. Cet amplificateur est également un actionneur pour la stabilisation de puissance permettant un RIN de l'ordre de -150 dB/Hz de 3 Hz à 5 kHz. La dernière partie concerne la mise en place du banc cavité et de l'asservissement des fréquences du laser sur une cavité ultra-stable. Nous obtenons un bruit de phase, à 10 kHz pour une porteuse à 10 GHz, meilleur que le plancher de bruit d'un analyseur de bruit de phase hautes performances de l'ordre de -115 dBc/ Hz. Le bruit de phase du système est indépendant de la fréquence de battement. / The aim of this thesis is the optical synthesis of millimeter and submillimeter waves with a very low phase noise. The first part concerns the development of a dual-axis dual frequency laser, whose the two frequencies are tuneable independently and continuously on 1 THz. This laser is characterized in amplitude noise and phase noise. We have identified a coupling factor between the diode pump and the power fluctuations of the laser phase noise. In the second part, we report the development of an amplifier system which consists of an EDFA and a SOA per polarisation axis. This amplifier system delivers 17 dBm of power and reduces the relative intensity noise (RIN) by 20 dB on a 1 GHz bandwidth. This amplifier is also an actuator for the power stabilization to a RIN of the order of -150 dB/Hz from 3 Hz to 5 kHz. The last part concerns the setup of the cavity bench and the stabilization of the laser frequency on a ultrastable cavity. We obtain a phase noise at 10 kHz of frequency offset on a 10 GHz carrier better than the noise floor of a phase noise analyser with high performance of the order of -115 dBc/Hz. The system phase noise is independent of the beatnote frequency.