Tese de Mestrado Integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Área de Especialização de Telecomunicações, Eletrónica e Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Ce travail de thèse présente le développement de phototransistors bipolaires à hétérojonction (HPT) SiGe/Si mis en œuvre dans une technologie de processus 80GHz SiGe bipolaire pour des applications de transmission Radio-sur-Fibre. Le cas particuliers d'un réseau domestique sans fil à infrastructure optique est considéré pour lequel le critère de coût est prépondérant. Le fonctionnement des ce HPT SiGe/Si est étudié sous une longueur d'onde optique de 850 nm en exploitant des fibres optique multimode (MMF) suffisantes pour les besoins de bande passante dans un environnement de réseau domestique. Le HPT SiGe/Si est également développé dans l'objectif de permettre une intégration combiné du photorécepteur et circuit intégré monolithiquement, conduisant à des structures de type Opto-electronic Microwave Monolithically Integrated Circuit (OE-MMIC), visant à poursuivre l'intégration et la réduction des cours. Deux topologies ont été explorées principalement: 1) une topologie avec élargissement de la base et du collecteur (xBC HPT) et 2) une topologie avec élargissement des trois régions de base, émetteur et collecteur simultanément (xEBC HPT). Des variations technologies ont été réalisées et analysées en détail, à la fois en terme de couches verticales que de dessin de masque (layout). Les mesures ont démontré la validité technologique de chacune de ces approches, et permis d'isoler l'impact sur les performances statiques et dynamiques de chacune de ces couches. Une solution de type xEBC se montre ainsi préférable pour le cas de composants de petites dimensions inférieure à 50x50µm², dans la bande du GHz. Les phototransistors sont développés dans une configuration à trois terminaux (3T-HPT). Le type de polarisation de la base du HPT influe également sur la responsivité du phototransistor. Une polarisation de courant constant (CC) démontre une plus grande responsivité par rapport au cas d'une polarisation en tension ( CV). Une analyse détaillée montre aussi les différences de responsivité mesurées en continue et celles mesurées en basse fréquence à 50MHz. La connexion de base permet également de varier l'impédance de charge présentée sur celle-ci. La théorie de l'adaptation des phototransistors est rappelée. L'effet de différentes impédances de base sont étudiées par la simulation et la mesure des circuits réalisés technologiquement. L'intégration du phototransistor au sein d'un circuit élémentaire est enfin explorée. Différentes configurations de paires HPT - HBT sont étudiées, formant des circuits élémentaires. Des caractérisations expérimentales permettent de vérifier l'amélioration apportées par ces topologies par rapport au phototransistor unique. Enfin, un phototransistor SiGe en configuraiton 2T-HPT est utilisé et intégré avec succès pour la première fois au sein d'un module de type Receiving Optical Sub Assembly (ROSA) pour la mise au point d'une transmission Radio-sur-Fibre multiGigabit par seconde pour un réseau domestique / This research is focused on the study of silicon germanium based heterojunction bipolar phototransistors (SiGe HPTs) implemented in an 80GHz SiGe Bipolar process technology. It's application in a radio over fiber system for home area networks are investigated. RoF for Home area networks are envisioned to implemented with a minimal system cost. Operation at 850nm is identified as a critical parameter to achieve this goal. Low cost off the shelf optical components are readily available at this wavelength. The use of multi mode fibers (MMF) as opposed to higher cost single mode fiber (SMF) is sufficient for the bandwidth requirements in a home network environment. A monolithically integrated OE receiver chip would help in the overall reduction of the system cost by having the optical detector in the same chip with the electronic circuits. We have designed and implemented three terminal HPT (3T-HPT) structures. The two main groups of the HPT structures are: 1) HPTs with extended Base and Collector regions (xBC HPT) and 2) HPTs with extended Emitter, Base and Collector regions (xEBC HPT). Variations to improve optical coupling the though optimizations in the vertical stack and lateral size of the HPT. The measurements and characterization showed that all the structures are compatible with the process technology. The type of biasing used in the base of the HPT also influences the HPT performance. A constant current (CC) bias has higher extracted DC responsivity as compared to a constant voltage (CV) bias. The effects of the different passive base loads on the HPT responsivity are studied through simulation and measurement of fabricated circuits. The impedance presented on the base has a great influence on the HPT responsivity. The performance of an HPT as circuit component is studied using different HPT-HBT pair configurations. Tests and measurements verify that improvement in the classical transistor pair configurations are also present in the opto microwave response of the HPT-HBT pair. Finally, SiGe hpt is used in the development of a ROSA module for a radio over fiber systems for home area network

Aging sewer infrastructure is posing greater and greater risk to the health and well-being of City residents. Issues can range from pipe blockages in sewer laterals to Sanitary Sewer Overflows. This thesis develops a risk analysis method that can be used by municipalities to maintain and rehabilitate sewer assets. Risk combines the effect of Likelihood of Failure (LOF) and Consequence of Failure (COF) to perform a complete two-dimensional analysis that allows for relative comparison between different pipes in the system. The LOF rating has been equated to pipe integrity while the COF rating was related to the environmental, economic, and social consequences to pipe failure. In order to estimate pipe integrity Closed Circuit Television (CCTV) scores from the City of Santa Barbara were used in combination with spatial and physical properties associated with each pipe. The CCTV scores were simply integer values between 0 and 5 based on the National Association of Sewer Services Company’s (NASSCO) Pipeline Assessment Certification Program (PACP) results. The quantitative parameters included pipe material and age, distance from restaurants, distance from any above ground water source, pipe depth below the ground surface, pipe length, and vehicular traffic volumes. The sensitivity analysis compared the given structural integrity scores with the predicted scores based on the weighted scoring method. It isolated four out of six of the parameters tested that affected the structural integrity of sewer pipes: material and age (45%), pipe depth (20%), Vehicular Traffic (10%), and distance from an above-ground water source (25%). A program was created in the C programming language that iteratively determined the percentage for each factor. These percentage factors are used to obtain the predicted structural integrity score for all the pipes. Like the LOF rating, the COF rating consisted of scores between 0 and 5. The COF rating used pipe diameter, distance from commercial zones, distance from critical infrastructure, and vehicular traffic volume as parameters for quantifying the environmental, economic, and social consequences. These factors were determined from review of past literature and given approximately equal weighting when determining the COF rating values. The environmental factor, pipe diameter, was given a percentage factor of 30%; the economic factor, distance to commercial zones, was given a percentage factor of 30%; and the social concerns, distance to critical infrastructure and vehicular traffic volume, were given percentage factors of 20% each. Finally, the risk for each pipe was determined in Geographic Information Systems (GIS) by combining the predicted structural integrity score or LOF rating and COF rating value for each pipe. This generated color-coded maps that showed distinct pipes that had the most critical predicted structural integrity scores, highest consequence, and the pipes with the most risk. This process could be used by any City to create a maintenance and rehabilitation schedule and plan for future CCTV inspections.

L'évolution des Réseaux Locaux Domestiques (RLD) est influencée par l'augmentation irréfrénée du nombre de terminaux connectés dans nos domiciles et par le déploiement de réseaux d'accès optiques haut débit qui délivrent désormais des services dépassant le Gigabit/s. Pour continuer à échanger efficacement les données, les RLD doivent évoluer vers le multi-Gigabit/s, et plus particulièrement la très appréciée connectivité sans fil. Les systèmes radio actuels ont des capacités limitées, néanmoins de nouveaux standards dont le débit excède 7Gbit/s voient le jour. Mais comme ces derniers exploitent la bande millimétrique, entre 57 et 66 GHz, leur couverture radio est limitée à la taille d'une pièce. En effet, à de telles fréquences, les pertes en espace libre sont très élevées et les ondes ne traversent pas les murs. Cette thèse propose de résoudre cette limitation au moyen de solutions Radio sur Fibre (RoF pour Radio over Fiber). Cette technique consiste à capturer les signaux radio émis dans une première pièce, puis à les convertir en signaux optiques pour les transmettre par fibre optique jusqu'à une seconde pièce où ils seront réémis. Plusieurs transducteurs RoF seront donc installés dans le domicile et interconnectés entre eux au moyen d'une infrastructure optique adaptée, créant ainsi des systèmes se comportant à la fois comme répéteurs and comme système de distribution. Pour le marché du RLD, de telles solutions sont compétitives que si elles sont bas coût. Par conséquent, ce travail se focalise sur la modulation directe avec détection directe (IM-DD) en Fréquence Intermédiaire (FI). En d'autres termes, le signal radio à 60GHz est translaté à une plus faible fréquence, autour de 5GHz, pour moduler directement un laser, puis il est restitué à 60GHz après la détection directe. Concernant la fibre optique, la multimode silice (MMF) est privilégiée puisqu'elle permet l'utilisation de composants optoélectroniques bas coût et largement disponible. Cette thèse propose différentes architectures RoF, de la point-à-point reliant deux pièces à la multipoint-à-multipoint agissant comme un bus logique. Après une caractérisation analogique des composants optoélectroniques, du lien RoF et du câble domestique, ces architectures sont construites et caractérisées étape par étape sur la base d'une modulation OFDM conforme aux standards radio 60GHz. Des transmissions temps réel entre terminaux commerciaux sont également réalisées afin de valider ces architectures. Pour finir, des infrastructures RoF avancées sont proposées. Premièrement, les systèmes RoF peuvent être améliorés si l'accès à leur couche optique est contrôlé par la couche MAC radio. Cette approche est donc étudiée, démontrant ainsi sa faisabilité. Deuxièmement, les systèmes optiques, perçus par les utilisateurs comme des produits premium, doivent supporter aussi bien les services de base du RLD que ceux qui vont émerger dans les années à venir. Ainsi, des infrastructures multiservice and multiformat innovantes transportant sur un unique câble optique des données IP, la télévision hertzienne et satellite, les signaux radio 60GHz et d'autres formats spécifiques tels que l'HDMI sont proposées puis testées / The evolution of the Home Area Network (HAN) is lead by the proliferation of connected devices inside the home and the deployment of high broadband access network which now allows the delivery of services that can exceed 1Gbit/s. To ensure efficient in-house exchanges, the HAN has to move rapidly toward multi-Gigabit/s connections, in particular the wireless connectivity generally preferred by the customers. Current wireless systems have limited capacities, but new radio standards delivering data-rates up to 7Gbit/s are emerging. Nevertheless, as they address the unlicensed millimeter-wave band, from 57 to 66 GHz, their radio coverage is limited to a single room. Indeed, at such frequencies, the free-space losses are high and the waves do not cross the walls. This thesis proposes to solve this problem by means of the Radio over Fiber (RoF) technology. This consists in capturing the 60GHz radio signals emitted in one room, converting them into optical signals for transmission through optical fibers, and reemitting them in another room. Thus, several RoF transducers will be installed in the home and interconnected by a suitable optical infrastructure to create systems acting at the same time as repeaters and as distribution systems. From the viewpoint of the HAN market, such systems will be competitive only if they are low cost. As a consequence, this work focuses on direct modulation with direct detection (IM-DD) at Intermediate Frequency (IF). In other words, the 60GHz signal is down-converted at a lower frequency around 5GHz before the laser modulation and up-converted to 60GHz after the photodetection. Concerning the optical fiber, silica multimode fiber (MMF) is privileged as it allows the use of low cost and largely available optoelectronic devices working at 850nm.The thesis proposes different RoF architectures, from point-to-point interconnecting two rooms to multipoint-to-multipoint acting as logical buses. After an analog characterization of the optoelectronic components, the RoF link and the domestic cable, these architectures are designed, built and characterized step by step using OFDM modulation according to existing wireless 60GHz standards. Real-time transmissions between commercial devices have also been performed to validate these architectures. Moreover, advanced RoF infrastructures are proposed. First, the RoF systems can be easily improved if the access to their optical media is managed by the radio MAC layer. This approach is therefore studied showing its feasibility. Secondly, an optical system, seen by users as a premium product, has to support the legacy home services commonly used as well as the new ones that could emerge in the future. Thus, innovative multiservice and multiformat infrastructures conveying on a unique optical cable wired IP data, broadcast terrestrial or satellite television, the 60GHz wireless connectivity, and specific formats as HDMI signals are proposed and tested

The evolution of the Home Area Network (HAN) is lead by the proliferation of connected devices inside the home and the deployment of high broadband access network which now allows the delivery of services that can exceed 1Gbit/s. To ensure efficient in-house exchanges, the HAN has to move rapidly toward multi-Gigabit/s connections, in particular the wireless connectivity generally preferred by the customers. Current wireless systems have limited capacities, but new radio standards delivering data-rates up to 7Gbit/s are emerging. Nevertheless, as they address the unlicensed millimeter-wave band, from 57 to 66 GHz, their radio coverage is limited to a single room. Indeed, at such frequencies, the free-space losses are high and the waves do not cross the walls. This thesis proposes to solve this problem by means of the Radio over Fiber (RoF) technology. This consists in capturing the 60GHz radio signals emitted in one room, converting them into optical signals for transmission through optical fibers, and reemitting them in another room. Thus, several RoF transducers will be installed in the home and interconnected by a suitable optical infrastructure to create systems acting at the same time as repeaters and as distribution systems. From the viewpoint of the HAN market, such systems will be competitive only if they are low cost. As a consequence, this work focuses on direct modulation with direct detection (IM-DD) at Intermediate Frequency (IF). In other words, the 60GHz signal is down-converted at a lower frequency around 5GHz before the laser modulation and up-converted to 60GHz after the photodetection. Concerning the optical fiber, silica multimode fiber (MMF) is privileged as it allows the use of low cost and largely available optoelectronic devices working at 850nm.The thesis proposes different RoF architectures, from point-to-point interconnecting two rooms to multipoint-to-multipoint acting as logical buses. After an analog characterization of the optoelectronic components, the RoF link and the domestic cable, these architectures are designed, built and characterized step by step using OFDM modulation according to existing wireless 60GHz standards. Real-time transmissions between commercial devices have also been performed to validate these architectures. Moreover, advanced RoF infrastructures are proposed. First, the RoF systems can be easily improved if the access to their optical media is managed by the radio MAC layer. This approach is therefore studied showing its feasibility. Secondly, an optical system, seen by users as a premium product, has to support the legacy home services commonly used as well as the new ones that could emerge in the future. Thus, innovative multiservice and multiformat infrastructures conveying on a unique optical cable wired IP data, broadcast terrestrial or satellite television, the 60GHz wireless connectivity, and specific formats as HDMI signals are proposed and tested

Dans le but de fournir un service GNSS (Global Navigation Satellite System) de localisation continu et disponible partout, les systèmes utilisant des pseudolites et des répéteurs semblent être des solutions pertinentes pour la localisation en indoor. Le système à répélites, inspiré de ces deux méthodes (répéteurs et pseudolites), est aussi proposé pour résoudre cette problématique. Les répélites sont des transmetteurs locaux qui, installés en intérieur, formeront une constellation locale. Ils émettent tous un signal GNSS unique mais déphasé par un délai spécifique à chacun d’eux. Ces délais sont nécessaires pour distinguer les différents signaux reçus au niveau du récepteur. Les travaux de cette thèses sont réalisés dans le cadre du système à répélites et dans l’objectif d’améliorer son architecture et de réduire ses interférences inter-système. En effet, l’architecture du système (un peu encombrante) et les interférences éventuelles avec les signaux satellitaires reçus par un récepteur placé à l’extérieur font partie des inconvénients de ce système. On cherche donc à traiter ces deux difficultés de façon à minimiser leurs effets. Dans une première partie, on étudie les différents codes GNSS existants dans la littérature ainsi que les techniques de modulation employées. Ceci nous mène à proposer des codes ayant un niveau d’interférence équivalent à la référence GPS (obtenue entre deux codes GPS) pour les bandes L1 de GPS et G1 de Glonass. Dans une seconde étape, on développe la modulation IMBOC (Indoor Modified Binary Offset Carrier) pour générer de nouveaux codes caractérisés par des niveaux d’interférence réduits (comparés à la référence GPS). Parmi ces codes il y a deux catégories : ceux qui sont adaptés aux systèmes à répélites (émettant un code unique) et ceux qui sont adaptés aux systèmes pseudolites. Une étude théorique et des simulations des niveaux d’interférences pour les codes émis dans la bande GPS et Glonass sont réalisées pour déterminer les gains en termes de niveaux de bruit. Ce gain (par rapport à la référence GPS) en puissance d’interférence s’élève à 16 dB pour Glonass et 20 dB pour GPS. Pour valider les performances de ces codes, on génère les signaux IMBOC et on observe les interférences réelles qu’ils induisent sur un récepteur GPS recevant un signal satellitaire. Dans la deuxième partie, on utilise la fibre optique pour transmettre le signal du générateur jusqu’aux répélites et pour créer les délais initiaux par propagation du signal dans des bobines de fibre. Ainsi on remplace les câbles coaxiaux et les montages électroniques (de déphasage) par des bobines de fibres plus légères, facile à installer et à faible perte de puissance. Il reste cependant à évaluer avec une précision centimétrique les délais réels induits sur chaque signal dans le but de garantir une précision de localisation inférieure au mètre. Cette précision semble en effet représenter un bon compromis entre complexité globale du système de localisation et réponse à un ensemble suffisant de besoins des utilisateurs potentiels. On développe alors une technique d’estimation des délais basée sur la mesure de déphasage (entre deux signaux sinusoïdaux) et une analyse statistique des séries de mesures. Pour finir, on présente quelques résultats de localisation obtenus avec notre système à répélites déployé dans un environnement indoor typique / In order to make the GNSS positioning service continuous and available when going from an outdoor to an indoor environment, pseudolite and repeater based systems have been developed. A new system called repealite is a combination of both pseudolites and repeaters. It is based on transmitting a single signal through a set of transmitters (thus creating the local constellation). In order to avoid interference between the repealite signals and to distinguish between them at the receiver’s end, each signal is shifted with a specific delay. The research carried out in this PhD aims at optimizing two aspects of the repealite based system. Firstly, we need to mitigate the effect of the interference caused on the satellite signals received outdoors. So we decided to design new codes characterized by low interference levels with outdoor signals. Secondly, we worked on the infrastructure part in order to simplify it and to make it easier to install: this is mainly achieved through the use of optical fibers. In the first part, we study the codes and the modulation techniques currently used in the GNSS systems. Then, we propose a few codes having an interference level equivalent to that of the GPS (obtained when computing two GPS codes). These new codes are compatible with the GPS L1 or the Glonass G1 bands. In a second step, we focus on the modulation techniques and create the so-called IMBOC (Indoor Modified Binary Offset Carrier) that aims at minimizing the interference levels with outdoor signals. With this modulation, we propose new IMBOC codes capable of much lower interference levels than the GPS reference. In order to evaluate the performance of the proposed codes, we carried out a theoretical study, simulations and experimental tests. The interference gain reached about 20 dB on the GPS band and 16 dB on the Glonass one. The proposed codes are divided into two categories: those reserved to the repealite system (using a single code) and families of codes suited to pseudolite–based systems. Finally, we generated the IMBOC signals modulated by the new codes and tested the real interference induced on an outdoor receiver tracking the satellite signals. In the second part, we use optical fibers in order to replace the coaxial cables used to transmit signals from the GNSS-like signal generator to the repealites. In addition, the initial delay needed for each repealite is added by propagating the signals through rolls of fibers. Indeed, optical fiber offers advantages such as lightness, flexibility and low power loss that make it suitable to simplify the infrastructure of the system. In order to evaluate the real delays of these various fibers, we develop an estimating method based on phase shift measurements (between two sinusoidal signals) and statistical analysis of the series of measurements. This method should have uncertainties lower than one centimeter in order to insure a sub-meter precision (in absolute positioning with the repealite positioning system). In order to validate this method, we compare it to a GNSS based calibration approach. Finally, we carry out a few positioning tests with the repealite positioning system deployed in a typical indoor environment. These tests deal with absolute and relative positioning and give an idea about the system’s performance

Les problèmes inverses consistent à retrouver une donnée qui a été transformée ou perturbée. Ils nécessitent une régularisation puisque mal posés. En traitement d'images, la variation totale en tant qu'outil de régularisation a l'avantage de préserver les discontinuités tout en créant des zones lisses, résultats établis dans cette thèse dans un cadre continu et pour des énergies générales. En outre, nous proposons et étudions une variante de la variation totale. Nous établissons une formulation duale qui nous permet de démontrer que cette variante coïncide avec la variation totale sur des ensembles de périmètre fini. Ces dernières années les méthodes non-locales exploitant les auto-similarités dans les images ont connu un succès particulier. Nous adaptons cette approche au problème de complétion de spectre pour des problèmes inverses généraux. La dernière partie est consacrée aux aspects algorithmiques inhérents à l'optimisation des énergies convexes considérées. Nous étudions la convergence et la complexité d'une famille récente d'algorithmes dits Primal-Dual.