Reconfigurable transmitters for software-defined radios

Flexible radio transmitters based on the Software-Defined Radio (SDR) concept are gaining an increased research importance due to the unparalleled proliferation of new wireless standards operating at different frequencies, using dissimilar coding and modulation schemes, and targeted for different ends. In this new wireless communications paradigm, the physical layer of the radio transmitter must be able to support the simultaneous transmission of multi-band, multi-rate, multi-standard signals, which in practice is very hard or very inefficient to implement using conventional approaches. Nevertheless, the last developments in this field include novel all-digital transmitter architectures where the radio datapath is digital from the baseband up to the RF stage. Such concept has inherent high flexibility and poses an important step towards the development of SDR-based transmitters. However, the truth is that implementing such radio for a real world communications scenario is a challenging task, where a few key limitations are still preventing a wider adoption of this concept. This thesis aims exactly to address some of these limitations by proposing and implementing innovative all-digital transmitter architectures with inherent higher flexibility and integration, and where improving important figures of merit, such as coding efficiency, signal-to-noise ratio, usable bandwidth and in-band and out-of-band noise will also be addressed. In the first part of this thesis, the concept of transmitting RF data using an entirely digital approach based on pulsed modulation is introduced. A comparison between several implementation technologies is also presented, allowing to state that FPGAs provide an interesting compromise between performance, power efficiency and flexibility, thus making them an interesting choice as an enabling technology for pulse-based all-digital transmitters. Following this discussion, the fundamental concepts inherent to pulsed modulators, its key advantages, main limitations and typical enhancements suitable for all-digital transmitters are also presented. The recent advances regarding the two most common classes of pulse modulated transmitters, namely the RF and the baseband-level are introduced, along with several examples of state-of-the-art architectures found on the literature. The core of this dissertation containing the main developments achieved during this PhD work is then presented and discussed. The first key contribution to the state-of-the-art presented here consists in the development of a novel ΣΔ-based all-digital transmitter architecture capable of multiband and multi-standard data transmission in a very flexible and integrated way, where the pulsed RF output operating in the microwave frequency range is generated inside a single FPGA device. A fundamental contribution regarding the simultaneous transmission of multiple RF signals is then introduced by presenting and describing novel all-digital transmitter architectures that take advantage of multi-gigabit data serializers available on current high-end FPGAs in order to transmit in a time-interleaved approach multiple independent RF carriers. Further improvements in this design approach allowed to provide a two-stage up-conversion transmitter architecture enabling the fine frequency tuning of concurrent multichannel multi-standard signals. Finally, further improvements regarding two key limitations inherent to current all-digital transmitter approaches are then addressed, namely the poor coding efficiency and the combined high quality factor and tunability requirements of the RF output filter. The followed design approach based on poliphase multipath circuits allowed to create a new FPGA-embedded agile transmitter architecture that significantly improves important figures of merit, such as coding efficiency and SNR, while maintains the high flexibility that is required for supporting multichannel multimode data transmission.

Esparsidade como condição na análise espetral

Esta tese apresenta algoritmos que estimam o espetro de um sinal não periódico a partir de um numero finito de amostras, tirando partido da esparsidade do sinal no domínio da frequência. Trata-se de um problema em que devido aos efeitos de leakage, o sucesso dos algoritmos tradicionais esta limitado. Para ultrapassar o problema, os algoritmos propostos transformam a base DFT numa frame com um maior numero de colunas, inserindo um numero reduzido de colunas entre algumas das iniciais. Estes algoritmos são baseados na teoria do compressed sensing, que permite obter e representar sinais esparsos e compressíveis, utilizando uma taxa de amostragem muito inferior à taxa de Nyquist. Os algoritmos propostos apresentam um bom desempenho em comparação com os algoritmos existentes, destacando-se na estimação do espetro de sinais compostos por sinusóides com frequências muito próximas, com amplitudes diferentes e na presença de ruído, situação particularmente difícil e perante a qual os restantes algoritmos falham.

Fiber-optic components for optical communicatios and sensing

Nos últimos anos, a Optoelectrónica tem sido estabelecida como um campo de investigação capaz de conduzir a novas soluções tecnológicas. As conquistas abundantes no campo da óptica e lasers, bem como em comunicações ópticas têm sido de grande importância e desencadearam uma série de inovações. Entre o grande número de componentes ópticos existentes, os componentes baseados em fibra óptica são principalmente relevantes devido à sua simplicidade e à elevada de transporte de dados da fibra óptica. Neste trabalho foi focado um destes componentes ópticos: as redes de difracção em fibra óptica, as quais têm propriedades ópticas de processamento únicas. Esta classe de componentes ópticos é extremamente atraente para o desenvolvimento de dispositivos de comunicações ópticas e sensores. O trabalho começou com uma análise teórica aplicada a redes em fibra e foram focados os métodos de fabricação de redes em fibra mais utilizados. A inscrição de redes em fibra também foi abordado neste trabalho, onde um sistema de inscrição automatizada foi implementada para a fibra óptica de sílica, e os resultados experimentais mostraram uma boa aproximação ao estudo de simulação. Também foi desenvolvido um sistema de inscrição de redes de Bragg em fibra óptica de plástico. Foi apresentado um estudo detalhado da modulação acústico-óptica em redes em fibra óptica de sílica e de plástico. Por meio de uma análise detalhada dos modos de excitação mecânica aplicadas ao modulador acústico-óptico, destacou-se que dois modos predominantes de excitação acústica pode ser estabelecidos na fibra óptica, dependendo da frequência acústica aplicada. Através dessa caracterização, foi possível desenvolver novas aplicações para comunicações ópticas. Estudos e implementação de diferentes dispositivos baseados em redes em fibra foram realizados, usando o efeito acústico-óptico e o processo de regeneração em fibra óptica para várias aplicações tais como rápido multiplexador óptico add-drop, atraso de grupo sintonizável de redes de Bragg, redes de Bragg com descolamento de fase sintonizáveis, método para a inscrição de redes de Bragg com perfis complexos, filtro sintonizável para equalização de ganho e filtros ópticos notch ajustáveis.

Tecnologias de informação e comunicação e o cidadão sénior : estudo sobre o impacto em variáveis psicossociais e a conceptualização de serviços com e para o cidadão sénior

Perante uma sociedade em célere envelhecimento demográfico e permanente avanço tecnológico, justifica-se a aposta em estudos que potenciem a ação comunicativa e a diminuição do isolamento social decorrente das perdas biopsicossociais associadas à idade sénior. Esta tese possui quatro objetivos de estudo: i) pretende-se investigar qual é o impacto da utilização das Tecnologias de Informação e Comunicação (TIC) no autoconceito (AC), no ânimo e na qualidade de vida (QV) de um grupo de seniores; ii) perceber se existe e qual a relação entre as variáveis independentes sexo, idade, estado civil, escolaridade, profissão, IPSS, regime de frequência, tempo na IPSS, orientação para frequentar a IPSS, visita de familiares e visita de amigos e as variáveis dependentes AC, ânimo, QV e respetivos fatores e domínios, nos momentos de pré e pós-teste; iii) perceber se a sua participação no processo de conceptualização de um serviço de comunicação assíncrona, email, influencia a sua usabilidade ao nível das componentes eficácia, eficiência e satisfação; iv) e sugerir a componente política da comunidade online sénior em desenvolvimento no âmbito do Projeto SEDUCE. Para o desenvolvimento do estudo estabeleceram-se parcerias com quatro Instituições Particulares de Segurança Social do concelho de Aveiro, integradas no âmbito do projeto SEDUCE. Os instrumentos utilizados para a avaliação do autoconceito, do ânimo e da qualidade de vida foram o Inventário Clínico de Auto-Conceito, a Escala de Ânimo do Centro Geriátrico de Philadelphia e a Escala de Qualidade de Vida da Organização Mundial de Saúde WHOQOL-Bref, respetivamente. No processo de conceptualização do serviço de email e da componente política da comunidade online utilizou-se a observação participativa e o contextual design. O estudo envolveu a participação de 42 seniores distribuídos por duas condições experimentais: 22 seniores do grupo experimental utilizaram as TIC duas vezes por semana (em sessões de 90 minutos cada, num total de 80 sessões) e 19 seniores do grupo de controlo passivo não experimentaram qualquer intervenção. Para a avaliação das variáveis psicossociais realizaram-se dois momentos de avaliação, antes e depois de 11 meses de intervenção, de Agosto de 2011 a Julho de 2012. Ao longo das sessões de envolvimento com as TIC observou-se que os seniores apresentam, continuamente, dificuldades em: manipular o rato e percecionar a sua ação no monitor; fazer a distinção entre teclas (enter, spacebar, delete, caps lock entre outras); em utilizar duplas teclas para colocar pontuação e acentuação; iniciar atividades no Microsoft Office Word; selecionar a informação disponibilizada em motores de pesquisa; perceber quais as zonas clicáveis; falta de confiança em efetivar ações; receio em iniciar nova atividades, pela falta de conhecimento e pelo medo de errar; memorizar endereços de email e passwords; e dar continuidade às tarefas. Na utilização do serviço de email consideram importante receber resposta quando enviam uma mensagem, assim como responder sempre aos remetentes; raramente colocam assunto nas mensagens; e expressam grande satisfação ao receber mensagens de familiares e/ou amigos. O processo de desenvolvimento de serviços com a participação ativa dos seniores revela-se exequível mas é necessário adaptar as práticas: os processos devem ser iterativos; evitar linguagem formal; clarificar o objetivo; deixar os seniores pensar em voz alta; dar-lhes tempo; mantê-los focados e não conduzi-los nas tarefas. Os resultados sugerem que houve aumento significativo do domínio físico da qualidade de vida do grupo experimental. Os participantes que exprimiram maiores níveis de satisfação ao utilizar as TIC apresentam uma perspetiva mais positiva sobre a maturidade psicológica e menos solidão e insatisfação. No grupo experimental e no grupo de controlo passivo verificam-se relações entre as variáveis independentes e as variáveis dependentes, quer no momento de pré-teste como de pós-teste. Conclui-se que a participação dos seniores no processo de conceptualização do serviço de email permitiu fomentar a componente eficácia da usabilidade mas não a satisfação ao utilizar o mesmo. Os resultados sobre a eficiência são inconclusivos. Sobre a componente política os seniores validam a existência de termos de utilização que orientem o comportamento de todos os utilizadores, assim como de uma política de privacidade. A área de registo proposta é adequada ao utilizador sénior.

Hospitalização em pessoas idosas : impacto na qualidade de vida

As pessoas idosas são hospitalizadas com mais frequência e por períodos superiores por comparação com pessoas mais novas. A literatura indica que a interação entre idade, patologia e cuidados durante o internamento influencia a perceção de Qualidade de Vida (QV) pela pessoa idosa. Esta investigação analisa a influência da hospitalização na QV e espiritualidade das pessoas idosas e pretende contribuir para melhor compreender a hospitalização na velhice, ajudando a desenvolver medidas que promovam a qualidade dos cuidados a pessoas idosas durante a hospitalização. A amostra compreende 250 participantes (≥65 anos). Administrou-se o EASYcare (Sistema de Avaliação de Pessoas Idosas) e a Escala da Espiritualidade em 3 momentos: admissão, alta e follow-up (6 a 12 meses após a alta). Os principais resultados indicam: i) na admissão, as pessoas idosas mais dependentes tendem a ser viúvas, não praticar exercício físico, sentir-se sozinhas e deprimidas; os independentes tendem a estar mais satisfeitos com a sua habitação e a gerir de forma autónoma as suas finanças, apresentando maior escolaridade e sendo mais novos; ii) na alta, as pessoas idosas diminuem a perceção da qualidade de vida, principalmente com aumento da dependência, diminuição da saúde mental e bem-estar, diminuição da mobilidade e capacidade de cuidar de si; iii) no follow-up, os participantes tendem a ser mais dependentes comparativamente com a admissão; o risco de queda é menor comparativamente com os outros momentos. O modelo preditivo de óbitos indica como principais resultados: falecimento entre admissão e alta tem como fatores protetores rendimentos suficientes e ausência de apoio social; falecimento entre alta e follow-up tem como fatores de risco idade e risco de queda elevado; falecimento entre admissão e follow-up tem como fator protetor antecedentes clínicos do foro cardíaco. As conclusões gerais sustentam a importância do aprofundamento da pesquisa sobre a influência da hospitalização na pessoa idosa na sua qualidade de vida, e a adoção de medidas e estratégias para a promoção da QV durante e após o internamento hospitalar. Estes resultados têm implicações na prática e na elaboração de políticas institucionais, pois permite compreender o impacto da hospitalização nas pessoas idosas, permitindo desenvolver medidas para melhorar os cuidados antes, durante e após o internamento hospitalar. Este estudo permite conhecer as necessidades das pessoas idosas durante o internamento e delinear estratégias para o follow-up, sendo adaptado às especificidades da população idosa Portuguesa.

Microbe-mediated recovery of salt marshes contaminated with oil hydrocarbons

Salt marshes are highly productive intertidal habitats that serve as nursery grounds for many commercially and economically important species. Because of their location and physical and biological characteristics, salt marshes are considered to be particularly vulnerable to anthropogenic inputs of oil hydrocarbons. Sediment contamination with oil is especially dangerous for salt marsh vegetation, since low molecular weight aromatic hydrocarbons can affect plants at all stages of development. However, the use of vegetation for bioremediation (phytoremediation), by removal or sequestration of contaminants, has been intensively studied. Phytoremediation is an efficient, inexpensive and environmental friendly approach for the removal of aromatic hydrocarbons, through direct incorporation by the plant and by the intervention of degrading microbial populations in the rhizosphere (microbe-assisted phytoremediation). Rhizosphere microbial communities are enriched in important catabolic genotypes for degradation of oil hydrocarbons (OH) which may have a potential for detoxification of the sediment surrounding the roots. In addition, since rhizosphere bacterial populations may also internalize into plant tissues (endophytes), rhizocompetent AH degrading populations may be important for in planta AH degradation and detoxification. The present study involved field work and microcosms experiments aiming the characterization of relevant plant-microbe interactions in oilimpacted salt marshes and the understanding of the effect of rhizosphere and endosphere bacteria in the role of salt marsh plants as potential phytoremediation agents. In the field approach, molecular tools were used to assess how plant species- and OH pollution affect sediment bacterial composition [bulk sediment and sediment surrounding the roots (rhizosphere) of Halimione portulacoides and Sarcocornia perennis subsp. perennis] in a temperate estuary (Ria de Aveiro, Portugal) chronically exposed to OH pollution. In addition, the 16S rRNA gene sequences retrieved in this study were used to generate in silico metagenomes and to evaluate the distribution of potential bacterial traits in different microhabitats. Moreover, a combination of culture-dependent and -independent approaches was used to investigate the effect of oil hydrocarbons contamination on the structure and function of endophytic bacterial communities of salt marsh plants.Root systems of H. portulacoides and S. perennis subsp. perennis appear to be able to exert a strong influence on bacterial composition and in silico metagenome analysis showed enrichment of genes involved in the process of polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) degradation in the rhizosphere of halophyte plants. The culturable fraction of endophytic degraders was essentially closely related to known OH-degrading Pseudomonas species and endophytic communities revealed sitespecific effects related to the level of OH contamination in the sediment. In order to determine the effects of oil contamination on plant condition and on the responses in terms of structure and function of the bacterial community associated with plant roots (rhizosphere, endosphere), a microcosms approach was set up. The salt marsh plant Halimione portulacoides was inoculated with a previous isolated Pseudomonas sp. endophytic degrader and the 2-methylnaphthalene was used as model PAH contaminant. The results showed that H. portulacoides health and growth were not affected by the contamination with the tested concentration. Moreover, the decrease of 2-methylnaphthalene at the end of experiment, can suggest that H. portulacoides can be considered as a potential plant for future uses in phytoremedition approaches of contaminated salt marsh. The acceleration of hydrocarbon degradation by inoculation of the plants with the hydrocarbon-degrading Pseudomonas sp. could not, however, be demonstrated, although the effects of inoculation on the structure of the endophytic community observed at the end of the experiment indicate that the strain may be an efficient colonizer of H. portulacoides roots. The results obtained in this work suggest that H. portulacoides tolerates moderate concentrations of 2-methylnaphthalene and can be regarded as a promising agent for phytoremedition approaches in salt marshes contaminated with oil hydrocarbons. Plant/microbe interactions may have an important role in the degradation process, as plants support a diverse endophytic bacterial community, enriched in genetic factors (genes and plasmids) for hydrocarbon degradation.

Blearning no ensino superior politécnico: estudo de avaliação do Mestrado em Turismo, Inovação e Desenvolvimento na ESTG de Viana do Castelo

As transformações tecnológicas e a crescente heterogeneidade dos alunos que frequentam o Ensino Superior, bem como a premente necessidade de financiamento num universo cada vez mais competitivo têm tornado necessária a implementação de mudanças ao nível das instituições que, cada vez mais têm de diversificar e flexibilizar a sua oferta pedagógica sem comprometer a qualidade de ensino aprendizagem. Encarado por muitos como uma solução viável e prática, o blearning tem vindo a assumir uma importância crescente neste contexto. No entanto, subsistem algumas dúvidas relativamente à forma como os cursos nesta modalidade estão a ser implementados e o seu impacto real nas aprendizagens dos alunos. Neste sentido torna-se necessário proceder à sua avaliação, aferindo a sua qualidade, validade e identificando vantagens e áreas problemáticas. Com uma vertente interventiva, uma vez que se desenvolveu um plano de atuação e se apresentou uma lista de recomendações, e assumindo a forma de um estudo de avaliação, esta investigação pretendeu cumprir esse desígnio. Envolvendo alunos, docentes e responsáveis institucionais procurou caracterizar-se e analisar-se a componente online do Mestrado em Turismo, Inovação e Desenvolvimento a funcionar na Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Viana do Castelo, partindo dessa análise para a reflexão conjunta e trabalho de campo. Globalmente, concluiu-se que, muito embora os intervenientes assumam um posicionamento favorável à adoção do blearning, subsistem algumas reservas e desconhecimento por parte dos docentes e responsáveis relativamente à sua implementação na prática, verificando-se ainda uma grande discrepância entre as expectativas iniciais dos alunos e as suas perceções após um ano de frequência do mestrado. A lista final de recomendações a apresentar à instituição refletiu todo este processo, sendo o corolário de todo um trabalho que se pretende ver continuado e alargado a outros cursos e instituições.

Channel modelling for MIMO systems

Systems equipped with multiple antennas at the transmitter and at the receiver, known as MIMO (Multiple Input Multiple Output) systems, offer higher capacities, allowing an efficient exploitation of the available spectrum and/or the employment of more demanding applications. It is well known that the radio channel is characterized by multipath propagation, a phenomenon deemed problematic and whose mitigation has been achieved through techniques such as diversity, beamforming or adaptive antennas. By exploring conveniently the spatial domain MIMO systems turn the characteristics of the multipath channel into an advantage and allow creating multiple parallel and independent virtual channels. However, the achievable benefits are constrained by the propagation channel’s characteristics, which may not always be ideal. This work focuses on the characterization of the MIMO radio channel. It begins with the presentation of the fundamental results from information theory that triggered the interest on these systems, including the discussion of some of their potential benefits and a review of the existing channel models for MIMO systems. The characterization of the MIMO channel developed in this work is based on experimental measurements of the double-directional channel. The measurement system is based on a vector network analyzer and a two-dimensional positioning platform, both controlled by a computer, allowing the measurement of the channel’s frequency response at the locations of a synthetic array. Data is then processed using the SAGE (Space-Alternating Expectation-Maximization) algorithm to obtain the parameters (delay, direction of arrival and complex amplitude) of the channel’s most relevant multipath components. Afterwards, using a clustering algorithm these data are grouped into clusters. Finally, statistical information is extracted allowing the characterization of the channel’s multipath components. The information about the multipath characteristics of the channel, induced by existing scatterers in the propagation scenario, enables the characterization of MIMO channel and thus to evaluate its performance. The method was finally validated using MIMO measurements.