Precompensación de sistemas de transmisión de alta velocidad basados en conversores digital-analógicos para aplicación en comunicaciones digitales

Abstract

En el panorama tecnológico actual, caracterizado por la acelerada demanda de velocidad en las comunicaciones digitales, la evolución de la tecnología aplicada a las comunicaciones ópticas se han convertido en la piedra angular. Esta tesis doctoral aborda los avances en este campo, específicamente en el bloque de transmisión, con un enfoque particular en los conversores digital-analógicos para aumentar su ancho de banda, su frecuencia de muestreo y contrarrestar los efectos indeseados que producen los desapareamientos de su implementación analógica. El principal objetivo es el de incrementar la velocidad de transmisión de datos en sistemas de comunicaciones ópticas de alta velocidad. No obstante, se comprueba que los avances presentados en esta tesis pueden ser aplicados de manera genérica en cualquier sistema basado en conversores paralelizados de alta velocidad con el fin de mejorar su desempeño. En el Capítulo 1, se presentan conceptos y técnicas fundamentales en comunicaciones ópticas, enfocándose en los transmisores. Se ofrece una descripción detallada de los bloques que componen los transceptores y se analiza la interacción entre ellos. Se concluye que el DAC es uno de los principales limitantes para aumentar la velocidad de transmisión de datos. Se describen las arquitecturas más prometedoras para mejorar el desempeño de los sistemas de comunicación de alta velocidad, resaltando su sensibilidad a desperfectos analógicos y la necesidad de esquemas de calibración. El Capítulo 2 se centra en los conversores paralelizados, conocidos como conversores entrelazados, para superar las limitaciones de frecuencia de muestreo y ancho de banda. Se explica el concepto de paralelismo aplicado a los DACs y se introduce una nueva arquitectura mixta, el JFTI-DAC, que combina entrelazado en tiempo y frecuencia. Se incluye un modelado matemático del comportamiento de los distintos tipos de conversores paralelizados y se discute el impacto de los desperfectos analógicos en la señal sintetizada. En el Capítulo 3, se introduce una técnica avanzada de estimación y compensación de errores diseñada para transmisores digitales, con aplicación en dispositivos multipropósito. La técnica propuesta contrarresta el efecto de los desperfectos analógicos presentes en los conversores y opera de manera adaptativa en segundo plano, gracias a la aplicación de un sistema de estimación de canal y al empleo de la técnica de retropropagación de error, ampliamente usada en el entrenamiento de redes neuronales. Aplicada a cada tipo de conversor paralelizado, esta técnica permite una mitigación eficaz de los efectos de las imperfecciones del canal analógico. El Capítulo 4 presenta los resultados de la evaluación de la propuesta de estimación y compensación de canales analógicos en transmisores para comunicaciovii nes digitales y aplicaciones multipropósito. Los resultados demuestran la eficacia del método en diversos escenarios y configuraciones, incluyendo diferentes tipos de entrelazado en DACs. Se analiza el desempeño de la técnica en aplicaciones de comunicaciones y en la generación de señales de banda angosta, destacando su robustez, adaptabilidad y eficiencia. En las Conclusiones, se resume la propuesta de una técnica de compensación adaptativa para corregir errores en conversores paralelizados (TI-DAC, FI-DAC y JFTI-DAC). Se destaca la introducción de una nueva técnica de compensación digital basada en la retropropagación de error, capaz de operar en segundo plano y adaptable a cualquier arquitectura de conversores paralelizados mediante un modelo digital apropiado. La técnica corrige errores de tiempo, ganancia, ancho de banda, offset, y desajustes de fase y amplitud, demostrando su eficacia en transmisores para comunicaciones coherentes y otros dispositivos de alta frecuencia. Además, la técnica propuesta realiza la mayoría del procesamiento en el dominio digital, beneficiándose de los avances en las tecnologías de fabricación. Se propusieron esquemas de diezmado para minimizar el impacto en el consumo, y se discutió la implementación en firmware para reducir la complejidad y el área. La versatilidad y baja complejidad de la técnica representan un avance significativo para implementar formatos de modulación y velocidades de transmisión más exigentes en dispositivos comerciales. El desarrollo de esta tesis incentiva nuevas investigaciones y transferencia a la industria para resolver problemáticas en comunicaciones de alta velocidad comerciales y brinda una base para el futuro estudio y tratamiento de los efectos no lineales en dispositivos del canal de transmisión eléctrico.

In the current technological landscape, characterized by the accelerated demand for speed in digital communications, the evolution of technology applied to optical communications has become the cornerstone. This doctoral thesis addresses advances in this field, specifically focusing on the transmission block, with particular emphasis on digital-to-analog converters (DACs) to increase their bandwidth, and sampling frequency, and counteract the undesired effects produced by mismatches in their analog implementation. The primary objective is to increase the data transmission speed in high-speed optical communication systems. However, it is demonstrated that the advancements presented in this thesis can be beneficially applied generically in any high-speed parallelized converter system to improve its performance. In Chapter 1, fundamental concepts and techniques in optical communications are presented, focusing on transmitters. A detailed description of the blocks that compose transceivers is provided, and their interaction is analyzed. It is concluded that the DAC is one of the main limitations in increasing data transmission speed. The most promising architectures to enhance the performance of high-speed communication systems are described, highlighting their sensitivity to analog imperfections and the need for calibration schemes. Chapter 2 focuses on parallelized converters, known as interleaved converters, to overcome the limitations of sampling frequency and bandwidth. The concept of parallelism applied to DACs is explained, and a new hybrid architecture, the JFTI-DAC, which combines time and frequency interleaving, is introduced. A mathematical modeling of the behavior of the various types of parallelized converters is included, and the impact of analog imperfections on the synthesized signal is discussed. In Chapter 3, an advanced error estimation and compensation technique designed for digital transmitters, with application in multipurpose devices, is introduced. The proposed technique counteracts the effect of analog imperfections present in the converters and operates adaptively in the background, thanks to the application of a channel estimation system and the use of the error backpropagation technique, widely used in neural network training. Applied to each type of parallelized converter, this technique allows effective mitigation of the effects of analog channel imperfections. Chapter 4 presents the results of the evaluation of the proposed analog channel estimation and compensation method in transmitters for digital communications and multipurpose applications. The results demonstrate the effectiveness of the method in various scenarios and configurations, including different types of interleaving in DACs. The performance of the technique is analyzed in communication applications and narrowband signal generation, highlighting its robustness, adaptability, and efficiency. In the Conclusions, the proposal of an adaptive compensation technique to correct errors in parallelized converters (TI-DAC, FI-DAC, and JFTI-DAC) is summarized. The introduction of a new digital compensation technique based on error backpropagation, capable of operating in the background and adaptable to any parallelized converter architecture through an appropriate digital model, is highlighted. The technique corrects timing, gain, bandwidth, offset errors, and phase and amplitude mismatches, demonstrating its effectiveness in coherent communication transmitters and other high-frequency devices. Additionally, the proposed technique performs most of the processing in the digital domain, benefiting from advances in manufacturing technologies. Decimation schemes were proposed to minimize the impact on power consumption, and firmware implementation was discussed to reduce complexity and area. The versatility and low complexity of the technique represent a significant advancement for implementing more demanding modulation formats and transmission speeds in commercial devices. The development of this thesis encourages new research and industrial transfer to address specific problems in commercial high-speed communications and provides a basis for future study and treatment of nonlinear effects in transmission channel devices.