Thesis: DESIGN, FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF POROUS SILICON MULTILAYER OPTICAL DEVICESAuthor: Elisabet Xifré PérezDirectors: Lluís F. Marsal Garví i Josep Pallarès Marzal Aquesta tesi està centrada en el disseny i fabricació de dispositius òptics multicapa realitzats en silici porós. El silici porós és un material dielèctric que s'obté amb l'atac electroquímic del silici mitjançant solucions d'àcid fluorhídric. Aquest material té unes excel·lents propietats mecàniques i tèrmiques i és totalment compatible amb la tecnologia del silici. És un material molt adient per a la fabricació de multicapes ja que l'índex de refracció i el gruix de cadascuna de les capes que les formen es determinen durant el procés de fabricació. Escollint de forma adient aquests dos paràmetres de les capes, es poden fabricar diferents dispositius òptics. Per a assolir el principal objectiu d'aquesta tesi que és la fabricació de dispositius òptics multicapa de silici porós per aplicacions en el camp de les telecomunicacions s'han realitzat els següents passos. En primer lloc s'han realitzat programes de simulació per a l'estudi teòric del comportament òptic de les multicapes. Amb aquests programes s'ha realitzat l'estudi i el disseny de diversos dispositius òptics: Distributed Bragg Reflectors, microcavitats, miralls omnidireccionals i guies d'ona tant basades en reflexió total interna com basades en les propietats dels cristalls fotònics. Una vegada simulats i dissenyats, aquests dispositius òptics de silici porós s'han fabricat. S'ha posat en marxa un sistema complert de fabricació de silici porós i s'ha realitzat la seva calibració. Amb aquest sistema s'han fabricat monocapes i multicapes de silici porós que s'han caracteritzat física i òpticament mitjançant diversos mètodes: SEM, espectroscopia FTIR i el·lipsometria espectroscòpica. Un d'aquests mètodes de caracterització, l'el·lipsometria, s'ha dut a terme durant una estada predoctoral de tres mesos a l'Ecole Polytechnique de Paris. Aquest mètode es diferencia de tots els altres utilitzats en que ha permès analitzar l'anisotropia de les capes en funció de la porositat. Tots aquests passos han estat necessaris per assolir l'objectiu final d'aquesta tesi que és la fabricació de dispositius òptics multicapa. Els dispositius de silici porós fabricats han estat Distributed Bragg Reflectors, microcavitats (amb aplicacions de sensor d'humitat) i miralls omnidireccionals amb estructures diferents a les utilitzades fins ara que optimitzen les seves característiques òptiques. Les aportacions científiques del treball desenvolupat durant la realització d'aquesta tesi han estat: - el disseny i desenvolupament de noves estructures multicapa que permeten obtenir miralls omnidireccionals amb una amplada de banda omnidireccional independent de les limitacions que fins ara presentava el material i amb una baixa complexitat de fabricació.- la fabricació d'aquestes estructures mirall el que implica la introducció de les multicapes de silici porós en aplicacions làsers i de guies d'ona- el disseny i anàlisi de guies d'ona basades en cristalls fotònics (miralls omnidireccionals).- la introducció de multicapes de silici porós com a sensors òptics d'humitat.- la creació de programes de simulació de multicapes que són utilitzats actualment pel grup NePhos- la posta en marxa i calibració d'un sistema de fabricació de silici porós al Departament d'Enginyeria Electrònica, Elèctrica i Automàtica (DEEEA), que serà utilitzat en un futur pròxim per a realitzar el treball de nous doctorands sobre noves aplicacions del silici porós, - l'anàlisi el·lipsomètric de multicapes de silici porós iniciant les relacions entre el DEEEA i el LPICM de l'Ecole Polytechnique de París. Aquest anàlisi ha determinat el comportament anisotròpic del silici porós i iniciant una nova línia de simulació de multicapes de materials anisòtrops. Del treball desenvolupat durant la tesi s'han realitzat 7 publicacions a revistes internacionals, 7 comunicacions a congressos internacionals i 6 comunicacions a congressos nacionals. Cal destacar que una part del treball realitzat s'ha dut a terme durant una estada de tres mesos a la Universitat Ecole Polytechnique (Palaiseau, Paris) de França. Thesis: DESIGN, FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF POROUS SILICON MULTILAYER OPTICAL DEVICESAuthor: Elisabet Xifré PérezDirectors: Lluís F. Marsal Garví i Josep Pallarès Marzal This thesis is focused on the design and fabrication of multilayer optical devices based on porous silicon. Porous silicon is a dielectric material obtained with the electrochemical etching of silicon with hydrofluoric acid solutions. This material has excellent mechanical and thermal properties and is completely compatible with the well-established silicon technology. It is a very suitable material for the fabrication of multilayers because the refractive index and the thickness of each of the layers of the multilayer are determined during the fabrication process. Selecting, in an appropriate way, these two parameters of the layers different optical devices can be fabricated. In order to achieve the main objective of this thesis that is the fabrication of multilayer optical devices made of porous silicon, different steps have been realized. Firstly, different simulation programs have been developed to theoretically study the optical behavior of the multilayers. With these simulation programs, it has been realized the study and design of different optical devices: Distributed Bragg Reflectors, microcavities, omnidirectional mirrors, and waveguides not only based on total internal reflection but also based on the photonic crystal properties. Once simulated and designed, these porous silicon multilayer devices have been fabricated. For this purpose, a fabrication system has been established and calibrated and several porous silicon monolayers and multilayers have been fabricated. These fabricated layers have been characterized to determine their physical and optical properties using different methods: SEM, FTIR spectrometry, and spectroscopic ellipsometry. One of these methods, the ellipsometry, has been carried out during a three-month predoctoral stage at the Ecole Polytechnique in Paris. This method has allowed the analysis of the anisotropy of the porous silicon layers. All these steps were necessary to achieve our main and final objective: the fabrication of porous silicon multilayer optical devices. The optical devices fabricated with porous silicon multilayers are Distributed Bragg Reflectors, microcavities (with applications as humidity sensors) and omnidireccional mirrors with structures different to the ones used until this moment that optimize their optical characteristics. The scientific contributions derived from the work realized during this thesis are: - the design and development of new multilayer structures that permitted to obtain omnidirectional mirrors with a low fabrication complexity and with an omnidirectional bandgap width independent of the limitations that the material presented until this moment.- the fabrication of these mirror structures that introduces porous silicon multilayers for laser applications and waveguides.- the design and analysis of waveguides based on the photonic crystals properties (omnidirectional mirrors).- the introduction of porous silicon multilayers for humidity sensors applications.- the creation of programs for the simulation of multilayers, that are used nowadays by the NePhos group.- the establishment and calibration of a porous silicon fabrication system at the Departament d'Enginyeria Electrònica, Elèctrica i Automàtica (DEEEA), that will be used in a near future by new doctoral students for new applications of porous silicon. - the ellipsometric analysis of porous silicon multilayers beginning the relations between the DEEEA and the LPICM at the Ecole Polytechnique in Paris. This analysis has determined the anisotropic behavior of porous silicon and started a new simulation line of multilayers with anisotropic materials. From the work realized during this thesis 7 publications in international journals, 7 communications to international conferences and 6 communications to national conferences have been realized. It is worth to emphasize that one part of the work has been realized during a stage at the Ecole Polytechnique (Palaiseau, Paris) in France.

This thesis discusses the fabrication and characterization of self-ordered porous alumina structures. Two anodizing techniques 'two step anodization' and 'hard anodization' were used to prepare porous alumina structures. The physical properties of several porous alumina structures were studied using various characterization techniques: namely, X-ray diffraction, optical spectroscopy in the visible-ultraviolet (UV-Vis) and infrared range (FT-IR), photoluminescence spectroscopy (PL), nanoindentation and friction measurements. Derived applications such as metal nanowire arrays and polymer nanopillar arrays were prepared using porous alumina templates. The preliminary results from the novel and promising anodization approach of discontinuous anodization showed that the pore diameter in porous alumina could be modulated. A three-dimensional porous alumina structure makes novel applications possible in the fields of nanostructured materials and optical nanodevices. / La disertación ha sido organizada de la siguiente manera. En el primer capítulo se presenta el estado del arte, donde se exponen algunos conceptos básicos de las propiedades electroquimicaselectroquímicas del alumino, las fases del crecimiento de los poros y el proceso de auto-ordenación de los mismos. El segundo capítulo de la tesis esta relacionado con la preparación y caracterización morfológica de las muestras de alumina porosa. >En el capítulo 4 se desglosan los resultados obtenidos de las caracterizaciones realizadas a las distintas estructuras obtenidas durante el desarrollo de la tesis. Las muestras fabricadas fueron analizadas mediante varias técnicas como difracción de rayos X (XRD), espectroscopia óptica en rango de ultravioleta-visible (UV-Vis), espectroscopia de infrarrojo con transformación de Furrier (FT-IR), espectroscopia de fotoluminiscencia, técnica nanoidentación y prueba de fricción. Finalmente, el capítulo 5 esta dedicada a las aplicaciones derivadas de la alumina porosa.

La fabricación de micro- y nanoestructuras orgánicas ha recibido un creciente interés debido a sus potenciales aplicaciones en campos como los sensores, las células solares y los diodos emisores de luz. En este trabajo, se ha desarrollado la técnica "template-based method", la cual consiste en la infiltración de un polímero en un molde poroso para obtener una estructura que sea su replica inversa. Dicha técnica ha sido utilizada empleando diferentes condiciones experimentales. El silicio macroporoso y la alumina nanoporosa han sido utilizados como moldes. Se fabricaron micro- y nanoestructuras orgánicas y se caracterizaron por microscopia electrónica de barrido, absorción, fotoluminiscencia, difracción de rayos X y espectroscopia Raman. Se analizó la morfología, las propiedades ópticas y la estructura cristalográfica de las micro- y nanoestructuras obtenidas. Finalmente, se estudió la influencia del disolvente, la estructura y del método experimental en la ordenación de las cadenas del polímero dentro de los nanoporos. Fabrication and characterization of polymer micro- and nanostructures by template-based method / The fabrication of polymer micro- and nanostructures has received an increasing interest due to its potential applications in fields such as sensors, solar cells and light-emitting diodes. In this thesis, we have developed the template-based method, which consists on the infiltration of a specific material into a cavity (called template) to obtain the inverse replica of the template. This method has been studied using different experimental conditions. Macroporous silicon and self-ordered nanoporous alumina have been employed as templates. Polymer micro- and nanostructures were prepared and characterized by scanning electron microscopy, UV-Vis absorbance, photoluminescence, X-ray diffraction and Raman spectroscopy. Then, the morphology, optical properties and the degree of crystallinity of the micro- and nanostructures were analysed. Finally, the influence of the solvent, the structure and the experimental method in the conformation of the polymer chains inside the nanopores were studied.

La actual era de las comunicaciones requieren dispositivos para el tratamiento de la información cada vez más eficientes en términos de velocidad, consumo y tamaño. Los dispositivos basados en cristales fotónicos con componentes anisotrópicos pueden aplicarse para el diseño de dispositivos electro-ópticos con características convenientes tales como la sintonizabilidad. En este trabajo se han analizado y diseñado varios dispositivos unidimensionales (1D), bidimensionales (2D) y tridimensionales (3D) sintonizables basados en cristales fotónicos de silicio y cristal líquido. En el caso de los cristales fotónicos 1D se ha propuesto dos ecualizadores ópticos basados en interferómetros Fabry-Pèrot. Estos dispositivos permiten sintonizar 2 resonancias en sus frecuencias y amplitudes de transmisión. En cuanto a los cristales fotónicos 2D, se ha analizado filtros y guías de onda sintonizables, proponiendo en ambos casos aplicaciones como interruptores ópticos. Por último, se ha desarrollado una aproximación para el análisis de cristales fotónicos 3D. Mediante dicha aproximación se ha explicado la presencia de máximos en reflexión en altas frecuencias así como se han analizado 3 muestras experimentales. / The present Communications Age requires more and more efficient devices in terms of speed, consumption and size for the treatment of information. Nanoscale photonic crystal devices and anisotropic materials is expected to provide a possibility to create electro-optical devices with required characteristics such us tunability. In this work we have analyzed and designed several tunable one-dimensional (1D), two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) devices based on silicon photonic crystals and liquid crystal. In the case of 1D photonic crystals, two optical equalizers based on Fabry-Perot interferometers have been proposed. These devices allow tuning 2 resonances in frequencies and transmission amplitudes. As for 2D photonic crystals, tunable filters and waveguides have been analyzed, offering both applications as optical switches. Finally, we have developed an approach for the analysis of 3D photonic crystals. The presence of reflection peaks in high frequencies has been explained by this approach and 3 experimental samples were analyzed.

El gran atractivo del modelo estándar del motor de inducción en ejes dq con parámetros constantes reside en su relativa simplicidad, por lo que generalmente se toma como base para la predicción de su conducta dinámica. No obstante, durante transitorios exigentes y en determinadas condiciones de operación, este modelo se revela claramente inadecuado para representar el comportamiento de la máquina.Para paliar este hecho, numerosos esfuerzos se han efectuado para incluir en el modelo del motor efectos tales como el de ranura profunda o la saturación magnética, así como otros fenómenos de segundo orden. No obstante, el enorme incremento en complejidad experimetado por el modelo desincentiva su utilización.En la presente tesis se explora la bondad de determinados modelos simplificados con inclusión del efecto de ranura profunda y la saturación magnética del flujo principal, evaluando bajo qué condiciones su utilización ofrece garantías.Concretamente, se muestra la necesidad del empleo de modelos con inclusión del efecto de ranura profunda para la determinación del tiempo de operación estable del motor trifásico de inducción ante huecos de tensión, evidenciando cómo aun los modelos de orden reducido, mas de doble jaula, predicen resultados acordes con los datos de catálogo suministrados por el fabricante, cometido en el que falla el modelo estándar de jaula sencilla.En lo tocante al modelado de la saturación magnética, se justifica la divergencia en los resultados obtenidos a partir de los modelos con y sin intersaturación cuando estos son formulados en función de determinados conjuntos de variables de estado, a partir de la evaluación de los pesos relativos de los distintos términos que marcan la diferencia entre ambos tipos de modelos, contribuyendo así a clarificar un punto que ha sido objeto de controversia en la literatura especializada. Se efectúa, así mismo, un estudio detallado sobre las implicaciones del uso de parámetros y magnitudes referidos en los modelos con y sin intersaturación, evaluando para qué conjuntos de variables de estado su utilización resulta ventajosa.En suma, queda puesto de manifiesto que haciendo uso de determinados recursos simplificativos, es posible modelar con garantías efectos que en muchas ocasiones son obviados en los modelos para evitar la excesiva complejidad que su inclusión aporta, pero que en aplicaciones concretas resultan esenciales para representar adecuadamente el comportamiento real del motor.

El inminente lanzamiento de la misión Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS, humedad del terreno y salinidad del mar) de la Agencia Espacial Europea (ESA) permitirá la recuperación sistemática y a escala global de la salinidad superficial del mar, con el consecuente beneficio tanto para oceanografía como para la climatología. No obstante, primero es necesario modelar y compensar adecuadamente el impacto de la rugosidad del mar en las medidas radiométricas, a fin de reducir el error inducido en la SSS recuperada y obtener valores significativos. En los últimos años el uso de señales reflejadas de sistemas de navegación global por satélite (GNSS-R) ha mostrado su potencial para obtener parámetros geofísicos, inicialmente altimetría y más recientemente estado del mar. La metodología más comúnmente empleada era comparar la forma de onda medida (correlación para diferentes retardos) con la modelada. Uno de los objetivos que motivó la presentación del proyecto Passive Advance Unit (PAU, Unidad Pasiva Avanzada) a la fundación EURYI fue el estudiar la relación directa entre la temperatura de brillo radiométrica y algunos observables GNSS-R por definir. Para ello se obtendrían medidas colocadas con una radiómetro en banda L y un reflectómetro GPS, y se procedería a la recuperación completa de la salinidad con ayuda de un radiómetro de infrarrojos adicional. El proyecto PAU se ha desarrollado dentro del Grupo de Teledetección Pasiva del Remote Sensing Lab, en el departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones del la Universitat Politècnica de Catalunya.La presente tesis doctoral describe el trabajo desarrollado entre 2004 y 2008 en aspectos tanto teóricos como de implementación hardware dentro del campo de la reflectometría GNSS. Más concretamente, el capítulo 1 introduce brevemente la recuperación de SSS mediante teledetección y describe el proyecto PAU. Por su parte, el capítulo 2 esta dedicado a los fundamentos de la reflectometría GNSS, mientras que el capítulo 3 hace hincapié en el observable GNSS-R elegido, el delay-Doppler Map (DDM) completo. Así, se presenta una nueva y eficiente aproximación a la simulación de DDMs junto a las clásicas expresiones de Zavorotny-Voronovich para la señal GNSS dispersada. Posteriormente se estudia la parametrización de DDMs en el capítulo 4, donde algunos de los parámetros derivados son subsecuentemente relacionados con el estado del mar. Por otro lado, en el capítulo 5 se ofrece una descripción pormenorizada del diseño, implementación y validación del un reflectómetro capaz de generar DDMs en tiempo real basado en un dispositivo FGPA, mientras que en el capítulo 6 se presenta la campaña de medidas ALBATROSS 08, donde se utilizó el instrumento PAU-GNSS/R desarrollado para verificar la idoneidad de los parámetros GNSS-R propuestos para describir el estado del mar. Finalmente, las conclusiones y el trabajo futuro se consignan en el capítulo 7. / With the upcoming launch of the ESA's Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission, the retrieval of Sea Surface Salinity (SSS) from space will benefit both the oceanography and climatology communities. However, the impact of the sea roughness on the radiometric measurement has to be accurately modeled and accounted for first, so that to reduce the induced error on the retrieved SSS and yield meaningful values. In recent years the use of reflected Global Navigation Satellite System Signals (GNSS-R) has shown its potential to retrieve geophysical parameters, mainly altimetry and more recently sea state. The approach consisted of comparing the measured waveform (correlation at different delays) with a modeled one. One of the rationales that motivated the submission of the Passive Advanced Unit (PAU) project to the EURYI foundation was to study the direct relationship between the radiometric brightness temperature and some to-be-defined GNSS-R observables by obtaining co-located measurements with an L-band radiometer and a GPS reflectometer, and perform the actual SSS retrieval with the aid of an infrared radiometer. The PAU project has been developed by the Passive Remote Sensing Group of the Remote Sensing Lab, at the Department of Signal Theory and Communications of the Universitat Politènica de Catalunya. The present PhD dissertation describes the work undertaken between 2004 and 2008 in both theoretical and hardware issues within the field of GNSS-R reflectometry. More specifically, in chapter 1 a brief introduction to SSS retrieval is given along with the description of the PAU project. Chapter 2 is devoted to the basics of GNSS reflectometry, whereas chapter 3 is focused into the simulation of the chosen GNSS-R observable, the whole Delay-Doppler Map (DDM). A new approach to DDM simulation is introduced along with the review of the classical implementation of the Zavorotny-Voronovich expressions for the reflected GNSS signal. After that, the parameterization of the DDMs is studied in chapter 4, where some of the derived parameters are to be linked to the actual sea state. Chapter 5 offers a detailed description of the design, implementation and validation of a real- time FPGA-based DDM reflectometer, whereas chapter 6 describes the ALBATROSS 08 measurement campaign, where the developed PAU-GNSS/R was tested. The conclusions and the future work are listed in chapter 7.

Los canales multiple-input multiple-output (MIMO) proporcionan una forma abstracta y general de modelar un gran número de sistemas de comunicaciones. Los canales MIMO inalámbricos, en concreto, han despertado un gran interés en la comunidad investigadora durante la última década, puesto que aportan mejoras significativas en términos de eficiencia espectral y fiabilidad frente a los sistemas single-input single-output (SISO) tradicionales. Esta tesis se concentra en sistemas MIMO de multiplexado espacial con conocimiento perfecto de canal (CSI) en ambos lados del enlace de comunicaciones. Las técnicas de multiplexado espacial engloban a todos aquellos sistemas de transmisión MIMO que dividen el flujo de datos de entrada en múltiples subflujos independientes para transmitirlos después de forma simultánea. Cuando se posee CSI perfecto en transmisión, la adaptación de dichos subflujos al estado del canal resulta en notables mejoras de las prestaciones del sistema de comunicaciones. Dentro de esta filosofía destacan los transceptores MIMO lineales por su gran relevancia práctica. El diseño de transceptores MIMO lineales se ha abordado extensivamente en la literatura durante las tres últimas décadas bajo una gran variedad de criterios de optimización. Las prestaciones de estos esquemas, en cambio, no se han investigado analíticamente, de forma que medidas de rendimiento tales como la probabilidad de error de bit promedio (BER) y la probabilidad de outage se han evaluado mediante simulaciones numéricas, las cuales no proporcionan una visión intuitiva del comportamiento del sistema. Los análisis teóricos, en cambio, ayudan a identificar los grados de libertad en el diseño y a comprender mejor su impacto en las prestaciones obtenidas. La presente tesis parte de esta necesidad y proporciona una caracterización analítica de la BER promedio y la probabilidad de outage bajo diferentes modelos de canal. El régimen de alta relación señal a ruido (SNR) ha recibido una atención especial y las prestaciones del sistema se han investigado desde dos puntos de vista diferentes. En primer lugar, adoptando una perspectiva más práctica, hemos caracterizado las curvas de BER promedio y probabilidad de outage en términos de dos parámetros clave: la ganancia en diversidad y la ganancia de agrupación. A continuación nos hemos centrado en el marco del diversity and multiplexing tradeoff. De esta forma, hemos podido analizar conjuntamente la capacidad del sistema para tratar con la naturaleza aleatoria del canal pero, también, la capacidad de acomodar una tasa de transmisión superior cuando la SNR crece. En esta tesis se han evaluado las prestaciones de los transceptores MIMO lineales analíticamente y de forma simultánea para los modelos de canal MIMO inalámbricos más comunes, tales como el canal Rayleigh incorrelado o semicorrelado, o el canal Ricean incorrelado. Para alcanzar este objetivo, hemos obtenido una formulación general que unifica la caracterización probabilística de los autovalores de matrices aleatorias Hermíticas con una determinada estructura, que incluye los modelos de canal anteriores como casos particulares. En efecto, la formulación propuesta y los resultados obtenidos proporcionan un marco sólido para el análisis de las prestaciones de los sistemas MIMO, pero también pueden ser muy útiles en otras áreas del procesado estadístico de la señal y las comunicaciones. Finalmente, como conclusión al análisis realizado en esta tesis, se han evidenciado las limitaciones inherentes a los sistemas prácticos de multiplexado espacial con conocimiento de canal estudiados. En consecuencia, se han propuesto esquemas alternativos que tratan dichas limitaciones y superan las prestaciones de los diseños prácticos disponibles en la literatura. / Multiple-input multiple-output (MIMO) channels are an abstract and general way to model many different communication systems of diverse physical nature. In particular, wireless MIMO channels have been attracting a great interest in the last decade, since they provide significant improvements in terms of spectral efficiency and reliability with respect to single-input single-output (SISO) channels. In this thesis we concentrate on spatial multiplexing MIMO systems with perfect channel state information (CSI) at both sides of the link. Spatial multiplexing is a simple MIMO transmit technique that does not require CSI at the transmitter and allows a high spectral efficiency by dividing the incoming data into multiple independent substreams and transmitting each substream on a different antenna. When perfect CSI is available at the transmitter, channel-dependent linear precoding of the data substreams can further improve performance by adapting the transmitted signal to the instantaneous channel eigen-structure. An example of practical relevance of this concept is given by linear MIMO transceivers, composed of a linear precoder at the transmitter and a linear equalizer at the receiver. The design of linear MIMO transceivers has been extensively studied in the literature for the past three decades under a variety of optimization criteria. However, the performance of these schemes has not been analytically investigated and key performance measures such as the average bit error rate (BER) or the outage probability have been obtained through time-comsuming Monte Carlo simulations. In contrast to numerical simulations, which do not provide any insight on the system behavior, analytical performance expressions help the system designer to identify the degrees of freedom and better understand their influence on the system performance. This thesis attempts to fill this gap by providing analytical average and outage performance characterizations in some common MIMO channel models. More exactly, we derive exact expressions or bounds (depending on the case) for the average BER and the outage probability of linear MIMO transceivers designed under a variety of design criteria. Special attention is given to the high signal-to-noise ratio (SNR) regime, where the system performance is investigated under two different perspectives. First, from a more practical point-of-view, we characterize the average BER and outage probability versus SNR curves in terms of two key parameters: the diversity gain and the array gain. Then, we focus on the diversity and multiplexing tradeoff framework in order to take into consideration the capability of the system to deal with the fading nature of the channel, but also its ability to accommodate higher data rates as the SNR increases. The performance of linear MIMO transceivers is simultaneously analyzed for the most common wireless MIMO channel models such as the uncorrelated and semicorrelated Rayleigh, and the uncorrelated Rician MIMO fading channels. For this purpose, we have obtained a general formulation that unifies the probabilistic characterisation of the eigenvalues of Hermitian random matrices with a specific structure, which includes the previous channel distributions as particular cases, i.e., the uncorrelated and semicorrelated central Wishart, the uncorrelated noncentral Wishart, and the semicorrelated central Pseudo-Wishart distributions. Indeed, the proposed formulation and derived results provide a solid framework for the analytical performance evaluation of MIMO systems, but it could also find numerous applications in other fields of statistical signal processing and communications. Finally, and as a consequence of our performance analysis, limitations inherent to all practical linear MIMO transceiver designs have been enlightened. Accordingly, new schemes have been proposed which achieve considerable performance enhancements with respect to classical linear MIMO transceivers.

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Increasing memory capacity in mobile devices, is driving the need of high-data rates equipment. The 7 GHz band around 60 GHz provides the opportunity for multi-gigabit/sec wireless communication. It is a real opportunity for developing next generation of High-Definition (HD) devices. In the last two decades there was a great proliferation of Voltage Controlled Oscillator (VCO) and Frequency Divider (FD) topologies in RF ICs on silicon, but reaching high performance VCOs and FDs operating at 60 GHz is in today's technology a great challenge. A key reason is the inaccuracy of CMOS active and passive device models at mm-W. Three critical issues still constitute research objectives at 60 GHz in CMOS: generation of the Local Oscillator (LO) signal (1), division of the LO signal for the Phase-Locked Loop (PLL) closed loop (2) and distribution of the LO signal (3). In this Thesis, all those three critical issues are addressed and experimentally faced-up: a divide-by-2 FD for a PLL of a direct-conversion transceiver operating at mm-W frequencies in 65 nm RF CMOS technology has been designed. Critical issues such as Process, Voltage and Temperature (PVT) variations, Electromagnetic (EM) simulations and power consumption are addressed to select and design a FD with high frequency dividing range. A 60 GHz VCO is co-designed and integrated in the same die, in order to provide the FD with mm-W input signal. VCOs and FDs play critical roles in the PLL. Both of them constitute the PLL core components and they would need co-design, having a big impact in the overall performance especially because they work at the highest frequency in the PLL. Injection Locking FD (ILFD) has been chosen as the optimum FD topology to be inserted in the control loop of mm-W PLL for direct-conversion transceiver, due to the high speed requirements and the power consumption constraint. The drawback of such topology is the limited bandwidth, resulting in narrow Locking Range (LR) for WirelessHDTM applications considering the impact of PVT variations. A simulation methodology is presented in order to analyze the ILFD locking state, proposing a first divide-by-2 ILFD design with continuous tuning. In order to design a wide LR, low power consumption ILFD, the impacts of various alternatives of low/high Q tank and injection scheme are deeply analysed, since the ILFD locking range depends on the Q of the tank and injection efficiency. The proposed 3-bit dual-mixing 60 GHz divide-by-2 LC-ILFD is designed with an accumulation of switching varactors binary scaled to compensate PVT variations. It is integrated in the same die with a 4-bit 60 GHz LC-VCO. The overall circuit is designed to allow measurements of the singles blocks stand-alone and working together. The co-layout is carried on with the EM modelling process of passives devices, parasitics and transmission lines extracted from the layout. The inductors models provided by the foundry are qualified up to 40 GHz, therefore the EM analysis is a must for post-layout simulation. The PVT variations have been simulated before manufacturing and, based on the results achieved, a PLL scheme PVT robust, considering frequency calibration, has been patented. The test chip has been measured in the CEA-Leti (Grenoble) during a stay of one week. The operation principle and the optimization trade-offs among power consumption, and locking ranges of the final selected ILFD topology have been demonstrated. Even if the experimental results are not completely in agreement with the simulations, due to modelling error and inaccuracy, the proposed technique has been validated with post-measurement simulations. As demonstrated, the locking range of a low-power, discrete tuned divide-by-2 ILFD can be enhanced by increasing the injection efficiency, without the drawbacks of higher power consumption and chip area. A 4-bits wide tuning range LC-VCO for mm-W applications has been co-designed using the selected 65 nm CMOS process.

Nowadays, the great diffusion of advanced devices, such as smart-phones, has shown that there is a growing trend to rely on new technologies to generate and/or support progress; the society is clearly ready to trust on next-generation communication systems to face today’s concerns on economic and social fields. The reason for this sociological change is represented by the fact that the technologies have been open to all users, even if the latter do not necessarily have a specific knowledge in this field, and therefore the introduction of new user-friendly applications has now appeared as a business opportunity and a key factor to increase the general cohesion among all citizens. Within the actors of this technological evolution, wireless machine-to-machine (M2M) networks are becoming of great importance. These wireless networks are made up of interconnected low-power devices that are able to provide a great variety of services with little or even no user intervention. Examples of these services can be fleet management, fire detection, utilities consumption (water and energy distribution, etc.) or patients monitoring. However, since any arising technology goes together with its security threats, which have to be faced, further studies are necessary to secure wireless M2M technology. In this context, main threats are those related to attacks to the services availability and to the privacy of both the subscribers’ and the services providers’ data. Taking into account the often limited resources of the M2M devices at the hardware level, ensuring the availability and privacy requirements in the range of M2M applications while minimizing the waste of valuable resources is even more challenging. Based on the above facts, this Ph. D. thesis is aimed at providing efficient security solutions for wireless M2M networks that effectively reduce energy consumption of the network while not affecting the overall security services of the system. With this goal, we first propose a coherent taxonomy of M2M network that allows us to identify which security topics deserve special attention and which entities or specific services are particularly threatened. Second, we define an efficient, secure-data aggregation scheme that is able to increase the network lifetime by optimizing the energy consumption of the devices. Third, we propose a novel physical authenticator or frame checker that minimizes the communication costs in wireless channels and that successfully faces exhaustion attacks. Fourth, we study specific aspects of typical key management schemes to provide a novel protocol which ensures the distribution of secret keys for all the cryptographic methods used in this system. Fifth, we describe the collaboration with the WAVE2M community in order to define a proper frame format actually able to support the necessary security services, including the ones that we have already proposed; WAVE2M was funded to promote the global use of an emerging wireless communication technology for ultra-low and long-range services. And finally sixth, we provide with an accurate analysis of privacy solutions that actually fit M2M-networks services’ requirements. All the analyses along this thesis are corroborated by simulations that confirm significant improvements in terms of efficiency while supporting the necessary security requirements for M2M networks.