The birth of the knowledge and information society has been made possible mainly by the development of the optical fiber communications. The optical fiber characteristics, as a very low loss and very high capacity transmission medium, have let to meet until recent dates the increasing demand of data transmission by using simple communications systems from the point of view of signal theory. The overall aim of this thesis consists in applying more advanced signal transmission techniques to several scenarios of optical fiber communications to increase their potential capabilities. The studied scenarios share a common feature consisting in that the light propagates under multimodal condition. Moreover, numerical simulations have been employed when evaluating the proposals in this dissertation, to study a greater range of fiber conditions and thus, more general conclusions can be obtained. Firstly, it has been studied the ability of Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) to compensate the modal dispersion in MMF links at 1550 nm. It has been shown how the classical scheme with cyclic prefix (CP-OFDM) has deficient performance in detecting the received signal when channel conditions generate strong frequency selectivity. To overcome this limitation, it has been proposed as a novelty the use of zero padding OFDM (ZP-OFDM), which can make use of several receiving schemes. Furthermore, it has been proposed for the first time a low-complexity combined receiver scheme (OLA+V-BLAST). Secondly, equalization techniques for amplitude modulated signals have been used to improve the reception in intensity-modulated and direct-detected (IM/DD) optical systems over standard single-mode fiber (SSMF) at 850nm, by using Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSEL's) as optical source. The simulation results over a numerical model constructed from experimental measures, which includes a statistical distribution of fiber misalignment due to optical connectors, allow to assert that the bidirectional DFE schemes (BiDFE) fit properly to this scenario, increasing noticeably the maximum reach achieved by the optical links. Finally, Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) processing has been applied in systems with Mode-Division Multiplexing (MDM) over SSMF at 850~nm. This is the first time that these structures have been applied for the reception of MDM signals in this framework with bimodal propagation. By means of numerical simulations, the DFE-based MIMO receivers have been evaluated in their ability to compensate the mutual interference between the transmitted signals, which is generated in both the elements that carry out the multiplexation/demultiplexation (MUX/DEMUX) and the optical connectors in the SSMF installation. The results obtained show the good performance of the proposed MIMO receivers: the MIMO-DFE BiDFE with Linear Combining (MIMO LC-BiDFE), and the Fully Connected with Ordered Succesive Interference Cancellation MIMO-DFE (MIMO-DFE FC-OSIC). / El nacimiento de la sociedad de la información y el conocimiento ha sido posible en buena medida gracias al desarrollo de las comunicaciones sobre fibra óptica. Las características de la fibra, como medio de transmisión de muy bajas pérdidas y elevada capacidad, han permitido hasta fechas recientes cubrir la demanda siempre creciente en la transmisión de datos por medio de sistemas de comunicación sencillos desde el punto de vista de la teoría de la señal en comunicaciones. El enfoque de esta tesis consiste en aplicar técnicas de transmisión de señal más avanzadas en varios escenarios de comunicaciones sobre fibra con el fin de aumentar las capacidades potenciales de los mismos. Además, los escenarios estudiados en este trabajo comparten una característica común que consiste en que la transmisión de la luz en la fibra se produce en condiciones de propagación multimodal. Además, a la hora de evaluar las distintas propuestas, se han empleado simulaciones numéricas con el fin de estudiar la mayor gama de condiciones posibles que la fibra puede experimentar y obtener así unas conclusiones más generales. En primer lugar, se ha estudiado la capacidad de multiplexación por división en frecuencia ortogonal (OFDM) de compensar la dispersión modal en enlaces de fibra multimodo (MMF) a 1550 nm. Se ha mostrado cómo la implementación clásica con prefijo cíclico (CP-OFDM) tiene un pobre rendimiento en cuanto a la detección de las señales recibidas en condiciones de fuerte selectividad frecuencial del canal. Para superar esta limitación, se ha propuesto de manera novedosa la utilización del esquema OFDM con postfijo de ceros (ZP-OFDM). Además, se ha propuesto por primera vez un esquema de recepción ZP-OFDM combinado (OLA+V-BLAST) de baja complejidad. En segundo lugar, se han utilizado técnicas de igualación para mejorar la recepción en sistemas ópticos con modulación de intensidad y detección directa (IM/DD) sobre fibra monomodo estándar (SSMF) a la longitud de onda de 850 nm, utilizando láseres de cavidad vertical y emisión superficial (VCSEL) como fuentes ópticas. Los resultados de las simulaciones sobre un modelo numérico construido a partir de medidas experimentales, incluyendo una distribución estadística de la desalineación entre fibras debido a conectores ópticos, permiten afirmar que los esquemas de igualación DFE bidireccionales se ajustan adecuadamente a este escenario, permitiendo aumentar de forma notable el alcance máximo de los enlaces. Finalmente, se ha aplicado el procesado de señal de entrada múltiple y salida múltiple (MIMO) en un sistema con multiplexación por división modal (MDM) sobre SSMF a 850 nm. Esta es la primera vez que se aplican estas estructuras para la recepción de señales con MDM en este escenario de propagación bimodal. Por medio de simulaciones numéricas, los distintos receptores propuestos, basados en el esquema de igualación DFE, han sido evaluados en su capacidad de compensar la interferencia entre las distintas señales transmitidas, debida a los elementos que permiten la multiplexación/de-multiplexación (MUX/DEMUX) y a los conectores que pueda incluir el enlace de SSMF con alta dispersión modal. Los resultados obtenidos muestran el buen rendimiento de los dos esquemas MIMO propuestos: el esquema BiDFE con combinación lineal (MIMO LC-BiDFE), y el esquema MIMO-DFE con cancelación sucesiva de interferencia ordenada (MIMO-DFE FC-OSIC). / El naixement de la societat de la informació i el coneixement ha sigut possible, en bona mesura, gràcies al desenvolupament de les comunicacions sobre fibra òptica. Les característiques de la fibra, com a mitjà de transmissió de molt baixes pèrdues i alta capacitat, han permès fins a dates recents cobrir la demanda sempre creixent en la transmissió de dades per mitjà de sistemes de comunicació senzills des del punt de vista de la teoria del senyal en comunicacions. L'enfocament d'aquesta tesi consisteix en aplicar tècniques de transmissió més avançades en diversos escenaris en les comunicacions sobre fibra amb el propòsit d'augmentar les capacitats potencials dels mateixos. Els escenaris estudiats comparteixen una característica comuna que consisteix que la transmissió de la llum a la fibra es produeix en condicions de propagació multimodal. A l'hora d'avaluar les distintes propostes, s'hi han emprat simulacions numèriques per tal d'estudiar la major gamma de condicions possibles que la fibra puga experimentar i obtenir així unes conclusions més generals. En primer lloc, s'ha estudiat la capacitat de la multiplexació per divisió en freqüència ortogonal (OFDM) de compensar la dispersió modal en enllaços de MMF a 1550 nm. S'hi ha mostrat com la implementació clàssica amb prefix cíclic (CP-OFDM) té un rendiment pobre en quant a la detecció dels senyals rebuts en condicions de forta selectivitat freqüencial del canal. Per superar aquesta limitació, s'hi ha proposat de manera innovadora la utilització de l'esquema OFDM amb postfix de ceros (ZP-OFDM). Amés, s'hi ha proposat per primera vegada una esquema de recepció combinat (OLA+V~-BLAST) de baixa complexitat. En segon lloc, s'han utilitzat tècniques d'igualació de senyals modulades en amplitud per millorar la recepció en sistemes òptics amb modulació d'intensitat i detecció directa (IM/DD) sobre fibra monomode estàndard (SSMF) a la longitud d'ona de 850 nm emprant làsers de cavitat superficial i emissió vertical (VCSEL) com a fonts òptiques. Els resultats de les simulacions sobre un model numèric construït a partir de mesures experimentals, incloent hi una distribució estadística del desalineament entre fibres deguda a connectors òptics, han permès afirmar que els esquemes d'igualació DFE bidireccionals (BiDFE) s'ajusten de manera adequada en aquest escenari, permetent augmentar de forma notable l'abast màxim dels enllaços. Finalment, s'hi ha aplicat el processat d'entrada múltiple i eixida múltiple (MIMO) en un sistema amb multiplexació per divisió modal (MDM) sobre SSMF a 850 nm. Aquesta és la primera vegada que s'apliquen aquestes estructures per a la recepció de senyals amb MDM en aquest escenari de propagació bimodal. Per mitjà de simulacions numèriques, els distints receptors proposats, basats en l'esquema de igualació DFE, han sigut avaluats en la seua capacitat de compensar la interferència entre els distints senyals transmesos, deguda als elements de multiplexació/de-multiplexació (MUX/DEMUX) i als connectors que pot incloure l'enllaç de SSMF amb alta dispersió modal. Els resultats obtinguts mostren el bon rendiment dels dos esquemes MIMO proposats: l'esquema BiDFE amb combinació lineal (MIMO LC-BiDFE), i l'esquema MIMO-DFE amb cancel·lació successiva d'interferència ordenada (MIMO-DFE FC-OSIC). / Medina Sevila, P. (2017). Técnicas de transmisión sobre fibra óptica con dispersión modal [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90414

[ES] Esta tesis propone nuevos sistemas híbridos de comunicación de luz visible (VLC) en interiores para diversas aplicaciones que abordan los retos de las redes de comunicaciones inalámbricas de próxima generación. Se desarrollan y demuestran experimentalmente nuevas arquitecturas de enlaces híbridos de fibra óptica de polímero (POF) y VLC con interfaces inalámbricas pasivas que muestran ventajas significativas relacionadas con la ausencia de necesidad de conversiones optoelectrónicas adicionales. Se demuestra un enlace híbrido fibra/inalámbrico basado en un único LED central para interiores que utiliza señales de datos con diferentes anchos de banda y formatos de modulación (QPSK, 16-QAM y 64-QAM) sobre 1.5 m de cable de POF y hasta 2.8 m de enlace inalámbrico, alcanzando velocidades de hasta 294 Mbps con 64-QAM. Además, se emplean diodos láser (LD) en una configuración similar a la anterior, pero en enlaces punto a punto que permiten la multiplexación por división de longitud de onda (WDM) para transmitir señales QPSK y M-QAM en un escenario de Industria 4.0. También se demuestra el potencial del acceso multiusuario a velocidades hasta 3.5 Gbps por usuario y velocidades agregadas hasta 6 Gbps. Este trabajo aborda también un sistema de seguimiento en tiempo real basado en un único espejo de sistemas microelectromecánicos (MEMS) que redirige el haz de luz de la interfaz óptica pasiva y mantiene la conectividad. El montaje experimental incluye un sistema de detección de movimiento basado en una cámara para determinar la posición del receptor y los resultados demuestran velocidades de transmisión de señales de hasta 10 Mbps utilizando el formato de modulación on-off sin retorno a cero (NRZ-OOK). Las comunicaciones ópticas por cámara (OCC) también se han integrado en el sistema híbrido POF/VLC mediante la interfaz óptica pasiva basada en un único LED centralizado. De este modo, se pueden transmitir señales de alta y baja velocidad utilizando un fotodiodo (PD) y un sensor de imagen (IS), respectivamente. Es decir, se han recuperado con éxito dos flujos de datos de 88 Mbps y 4 kbps a través de un POF de 20 m y enlaces ópticos inalámbricos de hasta 3 m. Además, se han desarrollado esquemas de transmisión full dúplex en este tipo de enlaces híbridos POF/VLC/OCC. Se han demostrado velocidades de transmisión de datos de hasta 160 Mbps en el enlace ascendente y una transmisión en el enlace descendente de hasta 500 bps con una SoR del 98,6%. Este trabajo también aborda otras aplicaciones de los sistemas VLC en sistemas inalámbricos de posicionamiento y comunicación. Se propone y demuestra un sistema de posicionamiento por luz visible (VLP) de alta precisión en interiores en 2D/3D que utiliza redes neuronales artificiales (ANN) y alcanza una precisión de posicionamiento de 1.8 cm en 2D y 2.7 cm en 3D. Por último, se propone e implementa un enlace fronthaul óptico convergente para el acceso inalámbrico heterogéneo por ondas milimétricas (mmW) y VLC en redes de próxima generación. Basado en un láser modulado directamente y una modulación externa con portadora suprimida para la generación fotónica de la señal en la banda de las milimétricas, el enlace de fibra de 10 km suministra simultáneamente señal de datos en la banda base para modular el LED en el enlace VLC y datos en la banda de mmW. Se han realizado pruebas experimentales para el acceso simultáneo VLC y mmW a distancias v de hasta 2.5 y 4 m, respectivamente, con rendimientos máximos de aproximadamente 55 y 400 Mbps para anchos de banda de señales con multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM) de 30 y 100 MHz, respectivamente. Las arquitecturas propuestas y las demostraciones experimentales presentadas contribuyen a la evolución de los sistemas VLC con mayor capacidad, flexibilidad y posibilidades de posicionamiento para satisfacer las crecientes demandas de las comunicaciones inalámbricas de interior de próxima generación. / [CA] Esta tesis proposa nous sistemes híbrids de comunicació de llum visible (VLC) en interiors per a diverses aplicacions que aborden els reptes de les xarxes de comunicacions sense fils de pròxima generació. Es desenvolupen i es demostren experimentalment noves arquitectures d'enllaços híbrids de fibra òptica polimèrica (POF) i VLC amb interfícies sense fils passives que mostren avanços significatius relacionats amb l'absència de conversions optoelectròniques addicionals. Es demostra un enllaç híbrid fibra/sense fils basat en un únic LED central per a interiors que utilitza senyals de dades amb diferents amplàries de banda i formats de modulació (QPSK, 16-QAM i 64-QAM) sobre 1.5 m de cable de fibra òptica polimèrica (POF) i fins a 2.8 m d'enllaç sense fils, assolint velocitats de fins a 294 Mbps amb 64-QAM i 1.5 m d'enllaç sense fils. A més, s'empren diodes làser (LD) en una configuració similar a la dels enllaços punt a punt multiplexats per divisió de longitud d'ona (WDM) per transmetre senyals QPSK i M-QAM en un escenari d'Indústria 4.0. També es demostra el potencial de l'accés multiusuari a velocitats de fins a 3.5 Gbps per usuari i velocitats combinades de fins a 6 Gbps. Aquest treball aborda també un sistema de seguiment en temps real basat en un únic mirall de sistemes microelectromecànics (MEMS) que redirigeix el feix de llum de la interfície òptica passiva i manté la connectivitat. El muntatge experimental inclou un sistema de detecció de moviment basat en una càmera per determinar la posició del receptor i els resultats demostren velocitats de transmissió de senyals de fins a 10 Mbps utilitzant el format de modulació on-off sense retorn a zero (NRZ-OOK). Les comunicacions òptiques per càmera (OCC) també s'han integrat en el sistema híbrid POF/VLC mitjançant la interfície òptica passiva basada en un únic LED central. D'aquesta manera, es poden transmetre senyals d'alta i baixa velocitat utilitzant un fotodiodi (PD) i un sensor d'imatge (IS), respectivament. És a dir, s'han recuperat amb èxit dos fluxos de dades d'88 Mbps i 4 kbps a través d'un POF de 20 m i enllaços òptics sense fils de fins a 3 m. A més, s'han desenvolupat esquemes de transmissió full dúplex en aquest tipus d'enllaços híbrids POF/VLC/OCC. En aquest cas, s'han demostrat velocitats de transmissió de dades de fins a 160 Mbps en l'enllaç ascendent i una transmissió de baixa velocitat de dades de fins a 500 bps amb una SoR del 98.6 % l¿enllaç descendent. Aquest treball també aborda altres aplicacions dels sistemes VLC en sistemes sense fils de posicionament i comunicació. Concretament, es proposa i es demostra un sistema de posicionament per llum visible (VLP) d'alta precisió en interiors en 2D/3D que utilitza xarxes neuronals artificials (ANN) i aconsegueix una precisió de posicionament de 1.8 cm en 2D i 2.7 cm en 3D. Per últim, es proposa i implementa un enllaç frontal òptic convergent per a l'accés sense fils heterogeni per ones mil·límetres (mmW) i VLC en xarxes de pròxima generació. Basat en un làser modulat directament i una modulació externa amb portadora suprimida per a la generació fotònica a la banda dels mmW, l'enllaç de fibra de 10 km subministra simultàniament senyal de dades en la banda base per modular el LED en l'enllaç VLC i dades en la banda dels mmW per ser radiades en un enllaç d'antena. S'han realitzat proves experimentals per a l'accés simultani VLC i mmW a distàncies d'ús màxims d'aproximadament 55 i 400 Mbps per amplàries de banda de senyals amb multiplexació per divisió de freqüències ortogonals (OFDM) de 30 i vii 100 MHz, respectivament. Les arquitectures proposades i les demostracions experimentals permeten avançar cap a implementacions pràctiques del VLC amb major capacitat, flexibilitat i possibilitats de posicionament per satisfer les creixents demandes de les comunicacions sense fils interiors de pròxima generació. / [EN] This thesis proposes new hybrid indoor visible light communication (VLC) systems for various applications addressing the challenges of next-generation wireless communications networks. Novel hybrid polymer optical fibre (POF) and VLC link architectures with passive wireless interfaces are developed and experimentally demonstrated, showing significant advantages related to the lack of need for additional optoelectronic conversions. A hybrid fibre/wireless link based on a single central LED is demonstrated for indoor purposes using data signals with different bandwidths and modulation formats (QPSK, 16-QAM and 64-QAM) over 1.5 m of POF and up to 2.8 m of wireless link, reaching speeds of up to 294 Mbps with 64-QAM and 1.5 m of wireless link. Moreover, laser diodes (LD) are employed in a similar setup where wavelength division multiplexed (WDM) point-to-point links are implemented to transmit QPSK and M-QAM signals in an Industry 4.0 scenario. The potential of multi-user access at rates up to 3.5 Gbps per user and combined rates up to 6 Gbps using QPSK modulation is also demonstrated. As one of the main disadvantages of the VLC links is the requirement for line-of-sight between the transmitter and receiver, this work also addresses a real-time tracking system based on a single micro-electro-mechanical systems (MEMS) mirror that redirects the light beam from the passive optical interface and maintains the connectivity. The experimental setup includes a camera-based motion detection system to determine the receiver's position. The results demonstrate signal transmission rates of up to 10 Mbps using a non-return-to-zero on-off modulation (NRZ-OOK) format. Optical camera communications (OCC) have also been integrated into the hybrid POF/VLC system using the passive optical interface based on a single central LED. Thus, high-speed and low-speed signals can be transmitted and then received using a photodiode (PD) and image sensor (IS), respectively, i.e. two data streams of 88 Mbps and 4 kbps are successfully recovered over a 20 m POF and up to 3 m wireless optical links. Full characterisation of the system performance has been done in terms of the error vector magnitude (EVM) in the PD link, while the IS-based system is characterised in terms of successful reception (SoR). Moreover, full-duplex transmission schemes have been developed for hybrid POF/VLC/OCC links. In this case, data rates of up to 160 Mbps have been demonstrated using a 16-QAM modulation scheme in the uplink and low data rate transmission of up to 500 bps with 98.6% SoR using NRZ-OOK modulation. This work also develops further applications of VLC systems in wireless positioning and communication systems. Concretely, a high-accuracy 2D/3D indoor visible light positioning (VLP) system using artificial neural networks (ANN) is proposed and demonstrated, achieving a positioning accuracy of 2 mm in 2D and 9.3 mm in 3D scenarios. Finally, a converged optical fronthaul link is proposed and implemented for heterogeneous millimetre wave (mmW) and VLC wireless access in next-generation networks. Based on a directly modulated laser and external carrier suppressed modulation for photonic upconversion to the mmW band, the 10 km fibre link simultaneously delivers baseband data signal to modulate the LED in the VLC link and data at the mmW band to be radiated in an antenna link. Experimental tests have been carried out for simultaneous VLC and mmW access at distances of up to 2.5 and 4 m, respectively, with maximum throughputs of approximately 55 and 400 Mbps for orthogonal frequency division multiplexed (OFDM) signal bandwidths of 30 and 100 MHz, respectively. The proposed architectures and experimental demonstrations pave the way for the practical implementation of VLC with increased capacity, flexibility, and positioning capabilities to meet the growing demands of next-generation indoor wireless communications. / Apolo Gonzaga, JA. (2024). Hybrid Visible Light Communication Indoor Networks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/214062