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Generation and Transmission of Optical Ultra-wideband Signals for Optical Fiber and Wireless Communication Links

Malekizandi, Mohammadreza :
Generation and Transmission of Optical Ultra-wideband Signals for Optical Fiber and Wireless Communication Links.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Text (Ph.D. Dissertation)
2018-07-05_Malekizandi_Mohammadreza.pdf - Accepted Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Generation and Transmission of Optical Ultra-wideband Signals for Optical Fiber and Wireless Communication Links
Language: English
Abstract:

The demand for high bandwidth in wireless communication in the past years has been growing rapidly as the personal smart devices are becoming more and more an inseparable part of modern life. Accordingly, the current wireless personal area network (WPAN) has to migrate to a higher radio frequency in order to satisfy the demand for high data rates. Ultrawideband (UWB) systems are considered to be one of the most promising technologies for short range broadband wireless communication, due to their numerous attractive features such as low power spectral density, wide bandwidth, enhanced ability for penetrating obstacles , immunity to multi-path fading, coexistence with other wireless systems and capability of providing Gbps data transmission. In the year 2002, the U.S. Federal Communications Commission approved the unlicensed use of the UWB spectrum from 3.1 GHz to 10.6 GHz, with a power spectral density lower than -41.3 dBm/MHz. Due to the low power spectral density, the wireless coverage of UWB technology is limited to a few meters, while the broadband access technology demands a larger coverage in range of kilometers. In order to satisfy this demand and also integrate the local UWB environment into the fixed wired network, UWB-over-fiber (UWBoF) is proposed as a promising solution. The concept of UWBoF is to transmit the UWB signals over optical channels in order to extend the coverage area and benefit from the features offered by the optical fiber such as, low loss and immunity to electromagnetic interference. Moreover, generating and encoding the UWB signals directly into the optical domain is highly desirable, in order to avoid the use of wideband electronics and the need for extra optical-electrical conversion. Furthermore, optical generation of UWB signals has many other advantages such as light weight, small size and large tunability. This dissertation proposes a novel concept on the optical generation of UWB pulses. In particular, the ultimate goal is to introduce a technique which satisfies the demands of the future fiber optic based WPAN industry such as: simplicity in transmitters and receivers, low cost, the most effective utilization of the imposed FCC mask, ability to deliver high data rates (range of Gbps), offering a huge coverage area (range of 10s of kilometers), compatibility with the time-division-multiplexing passive-optical-networks (TDM-PONs) and compatibility with the wavelength-division-multiplexing passive-optical-networks (WDM-PONs). Accordingly, a simple and cost effective approach based on the direct modulation of a semiconductor laser and optical filtering is investigated and experimentally demonstrated. The novel pulse shaping techniques are reported and their compliance to the FCC mask in terms of bandwidth, spectral power efficiency and wireless coverage is studied. The impact of the fiber transmission on the generated UWB signals based on the proposed technique is investigated and a coverage area of up to 60 km is experimentally verified. The compatibility of the transmitter with the TDM-PON is demonstrated through the generation and error-free transmission of a 1.25-Gbps UWB signal and a 10-Gbps-non-return-to-zero (NRZ) signal with the use of only one single light source and in different time slots of a TDM architecture. Additionally, the performance evaluation of a bidirectional, symmetric and WDM-compatible transmission of 1.25 Gbps UWB over 60 km fiber is performed and error-free transmission is obtained. Finally, transmission of a 2.5 Gbps UWB signal is made possible by employing a new modulation technique in the transmitter. The outstanding achievements of this thesis underline the great potential of UWBoF for the future of smart, cost effective, energy efficient and broadband WPAN applications.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Der Bedarf an hoher Bandbreite der kabellosen Datenübertragung ist in den vergangenen Jahren durch die immer engere Einbindung smarter Geräte im Privatleben stark angewachsen. Um den Bedarf hoher Datenraten decken zu können, müssen aktuelle kabellose persönliche Netzwerke (WPAN) zu höheren Übertragungsfrequenzen migrieren. Ultra-Breitband (UWB) Systeme sind aktuell eine der vielversprechenden Technologien für breitbandige kabellose Daten-übertragungen auf kurzen Distanzen aufgrund von zahlreichen attraktiven Eigenschaften, wie geringe spektrale Leistungsdichte, große Bandbreite, verbesserte Fähigkeit Hindernisse zu durchdringen, Unempfindlichkeit gegenüber Abschwächung durch Mehrwegausbreitung, der Koexistenz mit weiteren kabellosen Systemen und der Möglichkeit von Gbps-Übertragungs-geschwindigkeiten. Im Jahr 2002 hat die U.S. Federal Communication Commision die unlizenzierte Nutzung des UWB-Spektrums zwischen 3,1 GHz und 10,6 GHz bei einer spektralen Leistungsdichte kleiner als -41,3 dBm/MHz genehmigt. Wegen der geringern spektralen Leistungsdichte ist die kabellose Abdeckung mittels der UWBTechnologie auf wenige Meter beschränkt, während Breitband-Zugangs-Technologien eine größere Abdeckung im Bereich von Kilometern fordern. Um diese Anforderung zu erfüllen und um das lokale UWB-Netzwerk mit fest installierten kabelgebundenen Netzwerken zu vereinen, wird die glasfasergebundene UWB-Übertragung (UWBoF) als aussichtsreiche Lösung vorgeschlagen. Das Konzept von UWBoF sieht vor, die UWB Signale über optische Kanäle zu übertragen um die Abdeckung zu erweitern und um von den Vorteilen der Glasfaser zu profitieren, wie beispielsweise die geringen Verluste und die Immunitt gegenüber elektromagnetischer Beeinflussung. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, das UWB Signal direkt im optischen Bereich zu generieren und zu kodieren, um den Bedarf von breitbandigen elektronischen Komponenten und zusätzlichen elektro-optischen Wandlern zu umgehen. Außerdem hat die optische Erzeugung von UWB-Signalen viele weitere Vorteile, wie das geringe Gewicht und Größe und eine große Abstimmbarkeit. Diese Arbeit stellt ein neues Konzept für die rein optische Erzeugung von UWB Impulsen vor. Insbesondere ist es das endgültige Ziel eine Technik vorzustellen, die den Anspruch der zukünftigen WPAN-Industrie basierend auf Glasfasern vorzustellen. Diese sind beispielsweise die Einfachheit der Sender und Empfänger, geringe Kosten, die effizienteste Ausnutzung der vorgegebenen FCC-Maske, die Fähigkeit hohe Übertragungsraten (im Bereich von Gbps), eine große Abdeckung (im Bereich von einigen 10 Kilometern) und die Kompatibilität mit Zeit- und Wellenlängenmultiplexverfahren von passiven optischen Netzwerken (TDM-PON und WDMPON). Dahingehend wird ein einfacher und kosteneffizienter Ansatz basierend auf direkter Modulation eines Halbleiterlasers und auf optischen Filtern untersucht und experimentell demonstriert. Diese neuartige Technik zur Formung des Impulses wird vorgestellt und die Vereinbarkeit mit der FCC-Maske analysiert, ausgehend von der Bandbreite, der spektralen Leistungsdichte und der kabellosen Reichweite. Es wird der Einfluss der Faserübertragung auf das generierte UWB-Signal basierend auf der vorgeschlagenen Technik untersucht. Experimentell wird eine Reichweite von 60 km erreicht. Die Kompatibilität des Senders mit TDM-PON wird durch die Generation und fehlerfreie Übertragung eines 1,25 Gbps UWBSignals, sowie eines 10-Gbps-Non-Return-to-Zero-Signals (NRZ) demonstriert. Dabei wird nur eine Lichtquelle in unterschiedlichen Zeitabschnitten der TDM-Architektur eingesetzt. Zusätzlich wird die Leistungsfähigkeit einer bidirektionalen, symmetrischen und WDMkompatiblen Datenübertragung eines 1,25 Gbps UWB-Signals durch 60 km Glasfaser getestet. Fehlerfreie Datenübertragung wird erzielt. Schließlich wurde die Übertragung eines 2,5 Gbps UWB-Signals durch den Einsatz einer neuen Modulationstechnik im Sender ermöglicht. Die herausragenden Eigenschaften der in dieser Arbeit beschriebenen Technik unterstreichen das enorme Potential von UWBoF f¨ur die Zukunft von kosten- und energieeffizienten, sowie breitbandigen WPAN-AnwendungenGerman
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics > Photonics and Optical Communications
Date Deposited: 17 Jul 2018 07:41
Last Modified: 17 Jul 2018 07:41
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-75220
Referees: Küppers, Prof. Dr. Franko and Berroth, Prof. Dr. Manfred
Refereed: 21 June 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7522
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