臺灣大學電信工程學研究所學位論文
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在無線通訊網路中，為了達到高網路容量和高資料傳輸速度，在60GHz下使用無線本地區域蜂巢式網路系統開始被注意和研究。 在高頻環境下，正交分頻多工被認為是適合的調變系統，它能有效減輕由多路徑傳輸訊號造成的訊號間干擾。由於蜂巢式網路的使用，共通道細胞系統間的功率控制對正交分頻多工而言是非常重要的。 在本文中，我們討論兩種功率分配和功率控制的方法，其中一種是在總功率限制下，藉由使用水注式演算法和適應性調變系統，來達到高系統傳輸量。另一種是在固定系統效能需求下，經由軟性解碼求得的水注式演算法，提供低傳輸功率耗費。模擬在60GHz頻帶的室內環境下的結果將被提出。 對於一個正交分頻多工系統，當峰值功率高於無線電放大器的線性操作區間而造成訊號失真，峰均值功率比將是一個嚴重的問題。在本文中，當功率分配運作時，我們考慮其峰值功率限制，我們將發現由水注式演算法所推導的功率分配較其他作為比較的功率分配方法有更好的能力去減少由於峰值功率限制造成的系統損失。我們也提出一個能避免高峰值功率且救回一些由於峰值功率限制造成系統損失的方法。由模擬的結果可證明並分析我們所提出的想法。
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儘管正交分頻多工對干擾敏感，但仍被廣泛的應用在無線寬頻通訊系統中。在窄頻干擾下，首先研究其在同步碼符號輔助之下的時間與頻率偏移估測的效果。同時，時頻交錯正交分頻多工被普遍擬用在（相對地）受到窄頻干擾的環境下所操作的超寬頻通訊系統。這篇論文，主要是在利用時頻交錯的協助，發展出在干擾環境下有效的頻率偏估測方法。正交分頻多工系統經由不同的次頻帶的同步碼符號，在時域，使用適應性雜訊消除法技術來估測消除干擾後的關聯樣本；在頻域，透過頻域轉換去取得關聯次載波，使得所估測的頻率偏移更為強健。同時亦顯示出頻域方法在強干擾下較時域方法來的強健，其原因為當所有的次頻帶的同步碼都被窄頻干擾的情況下，在高信號雜訊比的地方會有明顯有效抑制其錯誤地板效應的能力。
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我們藉著研究在有線網路中具「最佳延遲」(delay-optimal)特性的最早截止時間優先(Earliest Deadline First)排程政策，來把握能保證有限延遲的充份條件的本質。透過這個研究及決定式服務品質保證(deterministic QoS guarantee)理論架構激發的靈感，提出用以描述無線通道狀態變化的特徵。藉著檢視幾個重要排程案例，發現只依照截止時間設計資訊的排程政策不適用於無線網路，尤其是在通道被嚴重干擾的狀況中。我們討論了幾個可能改善的途徑，並利用PGPS (Packet by Packet Generalized Processor Sharing)的設計觀念及在最早截止時間優先排程政策下保證有限延遲的充份條件提出新的排程政策。我們推導出可達到的延遲上限及可排程區域的部份結果，但所找出的最糟案例說明描述無線通道的特徵需要加以改進，使可達到的延遲上限能更好。
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我們使用最大概似技術從基礎上來研究多用戶同步化的問題，特別是著重在多用戶頻率偏差的估測。由於最大概似法量測函數曲面形狀的特殊性，因此在單一使用者的情況下提出了包含離散傅立葉轉換粗估以及近域尋找細估這種兩步驟估測方法，並且我們把這種方法延伸到多用戶同步化的情況下。我們也討論了在頻率偏差存在時的多用戶存取干擾。並且從最大概似法的角度出發，提出了接續干擾消除以及平行干擾消除用來改善遠近效應。最後也考慮了使用相位來估測頻率偏差的方法在有多用戶存取干擾情形下的追蹤能力。
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在各種微波傳輸線中，微帶線(microstip line)由於性質已被研究的十分徹底，等效介電係數與特性阻抗皆有對應的公式來推算，並且易於製作、價格便宜、易與其他種類傳輸線整合，因此成為最受歡迎的傳輸線之一。 而各種微帶線電路中，濾波器在通訊系統裡扮演十分重要的角色，其主要功能是把通帶頻段之外的其他頻率信號濾除，使傳送與接收的信號皆限制在操作頻段之內。傳統的微帶線濾波器設計，因為本身具傳輸線性質，因而大都會有二倍頻、或三倍頻之諧波產生；換言之這些二倍頻、三倍頻之諧波信號便有可能通過濾波器干擾系統中其他元件的運作。對於濾波器倍頻壓抑的研究已經有大量的論文被提出，其中如光子能隙(photonic bandgap , PBG)針對微帶線電路的縮小化與倍頻壓抑，有各種的文獻提出。PBG其中的一種應用是在接地面挖週期性的槽線(slot)來達到倍頻壓抑的效果，而將這種結構的週期性去除之後，演化而來的DGS結構(接地面開槽式結構，Defected Ground Structure)，也出現在十數篇論文研究上。本論文主要研究DGS獨特的性質，並且利用DGS設計了數個濾波器電路與傳統濾波器作比較，以表現出DGS在設計濾波器上之高截止率、倍頻壓抑與縮小電路尺寸的優良效果。
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本論文主要敘述AMIBA無線電天文望遠鏡接收機之中頻與倍頻模組，以MIC組裝方式及薄膜製程將其尺寸微小化之設計、研製與測試結果。其中的中頻模組包含三級中頻放大器及一個頻率等化器，倍頻模組則包含倍頻器、42GHz前級放大器、功率分配器、射頻開關、移相器以及42GHz後級輸出放大器等。相較於原來的模組，設計之中頻及倍頻模組尺寸，確實能夠達到微小化之目標。論文之第二章及第三章主要敘述倍頻及中頻模組之設計及組裝。論文的第四章則主要敘述倍頻及中頻模組之量測結果。由於AMiBA接收機是架設於戶外，受到環境溫度變化的影響較大，因此除了常溫以外，也進行於高低溫的量測。第五章的結論主要是針對問題提出改善措施。
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光分碼多工系統的研究從開始至今已經約有二十年的時間，此種系統的優點主要在於其可容許不同的使用者同時使用相同的頻帶，並且在傳送資料時可提供高度的資訊安全。光分碼多工系統的效能主要是受到多使用者干擾(multi-user interference, MUI)的影響，對於使用時域編碼之非同步光分碼多工系統(time-spreading asynchronous OCDMA)而言，多使用者干擾不但無法避免，而且會嚴重的影響系統整體之效能。近年來，由於具有非同調光源(non-coherent light source)之光分碼多工系統，可藉由編碼的方式來消除多使用者干擾，是以引發許多相關的研究。然而，由於非同調光源會產生相位引發強度雜訊(phase-induced intensity noise, PIIN)，使得具有非同調光源之光分碼多工系統的效能受到嚴重影響。 傳統上具有非同調光源之光分碼多工系統主要分有三類，分別是同調多工系統(coherent multiplexing system)、頻譜振幅編碼系統(spectral-amplitude-coding system, i.e. SAC system)及二維頻譜/空間編碼系統(two-dimensional spectral/spatial coding system)，為了提高具有非同調光源之光分碼多工系統的效能，本篇論文分別提出了三個新的系統架構以抑制由相位所引發之強度雜訊。就同調多工系統而論，我們所提出之系統係使用一脈衝寬頻光源(pulsed broadband light source)來取代傳統同調多工系統所使用之具有連續波之寬頻光源(continuous wave broadband light source)，以降低各個使用者之信號碰撞的機率，並藉此抑制由相位引發之強度雜訊，以提昇系統之整體效能。 就頻譜振幅編碼系統而論，我們係提出了部分變異質數碼(partial modified prime codes)及對應之頻譜振幅編碼系統。其中，該部分變異質數碼係依據變異質數碼而推導出來的，是以其交叉相關係數(cross correlation)係小於或等於一。由於部分變異質數碼之交叉相關係數在大部分情況下是等於零，是以與其他頻譜振幅編碼系統相比，我們所提出之頻譜振幅編碼系統係具有較低之信號撞擊機率，故可進一步降低相位引發之強度雜訊所造成的影響。此外，藉由使用馬赫-曾德爾干涉儀（Mach-Zehnder interferometers），我們所提出之頻譜振幅編碼系統亦可完全消除多使用者干擾。 最後，為了改進二維頻譜/空間編碼系統的效能，我們提出二維完美相差碼(two-dimensional perfect difference codes)及其對應之二維頻譜/空間編碼系統。其中，該二維完美相差碼係依據一維完美相差碼而推導出來的，該一維完美相差碼原本係用於時域編碼同步光分碼多工系統(time-spreading synchronous OCDMA)之中。由於二維完美相差碼係具有一多使用者干擾相消特性(MUI cancellation property)，並且其交叉相關係數係遠小於傳統之二維頻譜/空間碼，如最大面積矩陣碼(maximal-area matrices codes, i.e. M-matrices codes)，是以我們所提出之二維頻譜/空間編碼系統可以同時除去多使用者干擾並抑制由相位引發之強度雜訊。此外，我們所提出之二維頻譜/空間編碼系統可容納之使用者個數，可隨著二維完美相差碼之空域碼長度增長而呈線性增加，目前傳統之二維頻譜/空間編碼系統仍無法達到此種效能。 依據數學分析及數值結果，本篇論文所提出之三種系統架構皆可有效的抑制由相位引發之強度雜訊並增加同時使用同一頻帶之使用者的數目。此外，我們亦使用一具有高度公信力的軟體工具”VPItransmissionMaker”，來驗證我們所提出之頻譜振幅編碼系統及二維頻譜/空間編碼系統的效能。