High Efficiency Envelope Amplifier based on a Ripple Cancellation Buck Converter. Design, Optimization and Integration in an EER RFPA

Durante los últimos años la tendencia en el sector de las telecomunicaciones ha sido un aumento y diversificación en la transmisión de voz, video y fundamentalmente de datos. Para conseguir alcanzar las tasas de transmisión requeridas, los nuevos estándares de comunicaciones requieren un mayor ancho de banda y tienen un mayor factor de pico, lo cual influye en el bajo rendimiento del amplificador de radiofrecuencia (RFPA). Otro factor que ha influido en el bajo rendimiento es el diseño del amplificador de radiofrecuencia. Tradicionalmente se han utilizado amplificadores lineales por su buen funcionamiento. Sin embargo, debido al elevado factor de pico de las señales transmitidas, el rendimiento de este tipo de amplificadores es bajo. El bajo rendimiento del sistema conlleva desventajas adicionales como el aumento del coste y del tamaño del sistema de refrigeración, como en el caso de una estación base, o como la reducción del tiempo de uso y un mayor calentamiento del equipo para sistemas portátiles alimentados con baterías. Debido a estos factores, se han desarrollado durante las últimas décadas varias soluciones para aumentar el rendimiento del RFPA como la técnica de Outphasing, combinadores de potencia o la técnica de Doherty. Estas soluciones mejoran las prestaciones del RFPA y en algún caso han sido ampliamente utilizados comercialmente como la técnica de Doherty, que alcanza rendimientos hasta del 50% para el sistema completo para anchos de banda de hasta 20MHz. Pese a las mejoras obtenidas con estas soluciones, los mayores rendimientos del sistema se obtienen para soluciones basadas en la modulación de la tensión de alimentación del amplificador de potencia como “Envelope Tracking” o “EER”. La técnica de seguimiento de envolvente o “Envelope Tracking” está basada en la modulación de la tensión de alimentación de un amplificador lineal de potencia para obtener una mejora en el rendimiento en el sistema comparado a una solución con una tensión de alimentación constante. Para la implementación de esta técnica se necesita una etapa adicional, el amplificador de envolvente, que añade complejidad al amplificador de radiofrecuencia. En un amplificador diseñado con esta técnica, se aumentan las pérdidas debido a la etapa adicional que supone el amplificador de envolvente pero a su vez disminuyen las pérdidas en el amplificador de potencia. Si el diseño se optimiza adecuadamente, puede conseguirse un aumento global en el rendimiento del sistema superior al conseguido con las técnicas mencionadas anteriormente. Esta técnica presenta ventajas en el diseño del amplificador de envolvente, ya que el ancho de banda requerido puede ser menor que el ancho de banda de la señal de envolvente si se optimiza adecuadamente el diseño. Adicionalmente, debido a que la sincronización entre la señal de envolvente y de fase no tiene que ser perfecta, el proceso de integración conlleva ciertas ventajas respecto a otras técnicas como EER. La técnica de eliminación y restauración de envolvente, llamada EER o técnica de Kahn está basada en modulación simultánea de la envolvente y la fase de la señal usando un amplificador de potencia conmutado, no lineal y que permite obtener un elevado rendimiento. Esta solución fue propuesta en el año 1952, pero no ha sido implementada con éxito durante muchos años debido a los exigentes requerimientos en cuanto a la sincronización entre fase y envolvente, a las técnicas de control y de corrección de los errores y no linealidades de cada una de las etapas así como de los equipos para poder implementar estas técnicas, que tienen unos requerimientos exigentes en capacidad de cálculo y procesamiento. Dentro del diseño de un RFPA, el amplificador de envolvente tiene una gran importancia debido a su influencia en el rendimiento y ancho de banda del sistema completo. Adicionalmente, la linealidad y la calidad de la señal de transmitida deben ser elevados para poder cumplir con los diferentes estándares de telecomunicaciones. Esta tesis se centra en el amplificador de envolvente y el objetivo principal es el desarrollo de soluciones que permitan el aumento del rendimiento total del sistema a la vez que satisfagan los requerimientos de ancho de banda, calidad de la señal transmitida y de linealidad. Debido al elevado rendimiento que potencialmente puede alcanzarse con la técnica de EER, esta técnica ha sido objeto de análisis y en el estado del arte pueden encontrarse numerosas referencias que analizan el diseño y proponen diversas implementaciones. En una clasificación de alto nivel, podemos agrupar las soluciones propuestas del amplificador de envolvente según estén compuestas de una o múltiples etapas. Las soluciones para el amplificador de envolvente en una configuración multietapa se basan en la combinación de un convertidor conmutado, de elevado rendimiento con un regulador lineal, de alto ancho de banda, en una combinación serie o paralelo. Estas soluciones, debido a la combinación de las características de ambas etapas, proporcionan un buen compromiso entre rendimiento y buen funcionamiento del amplificador de RF. Por otro lado, la complejidad del sistema aumenta debido al mayor número de componentes y de señales de control necesarias y el aumento de rendimiento que se consigue con estas soluciones es limitado. Una configuración en una etapa tiene las ventajas de una mayor simplicidad, pero debido al elevado ancho de banda necesario, la frecuencia de conmutación debe aumentarse en gran medida. Esto implicará un bajo rendimiento y un peor funcionamiento del amplificador de envolvente. En el estado del arte pueden encontrarse diversas soluciones para un amplificador de envolvente en una etapa, como aumentar la frecuencia de conmutación y realizar la implementación en un circuito integrado, que tendrá mejor funcionamiento a altas frecuencias o utilizar técnicas topológicas y/o filtros de orden elevado, que permiten una reducción de la frecuencia de conmutación. En esta tesis se propone de manera original el uso de la técnica de cancelación de rizado, aplicado al convertidor reductor síncrono, para reducir la frecuencia de conmutación comparado con diseño equivalente del convertidor reductor convencional. Adicionalmente se han desarrollado dos variantes topológicas basadas en esta solución para aumentar la robustez y las prestaciones de la misma. Otro punto de interés en el diseño de un RFPA es la dificultad de poder estimar la influencia de los parámetros de diseño del amplificador de envolvente en el amplificador final integrado. En esta tesis se ha abordado este problema y se ha desarrollado una herramienta de diseño que permite obtener las principales figuras de mérito del amplificador integrado para la técnica de EER a partir del diseño del amplificador de envolvente. Mediante el uso de esta herramienta pueden validarse el efecto del ancho de banda, el rizado de tensión de salida o las no linealidades del diseño del amplificador de envolvente para varias modulaciones digitales. Las principales contribuciones originales de esta tesis son las siguientes: La aplicación de la técnica de cancelación de rizado a un convertidor reductor síncrono para un amplificador de envolvente de alto rendimiento para un RFPA linealizado mediante la técnica de EER. Una reducción del 66% en la frecuencia de conmutación, comparado con el reductor convencional equivalente. Esta reducción se ha validado experimentalmente obteniéndose una mejora en el rendimiento de entre el 12.4% y el 16% para las especificaciones de este trabajo. La topología y el diseño del convertidor reductor con dos redes de cancelación de rizado en cascada para mejorar el funcionamiento y robustez de la solución con una red de cancelación. La combinación de un convertidor redactor multifase con la técnica de cancelación de rizado para obtener una topología que proporciona una reducción del cociente entre frecuencia de conmutación y ancho de banda de la señal. El proceso de optimización del control del amplificador de envolvente en lazo cerrado para mejorar el funcionamiento respecto a la solución en lazo abierto del convertidor reductor con red de cancelación de rizado. Una herramienta de simulación para optimizar el proceso de diseño del amplificador de envolvente mediante la estimación de las figuras de mérito del RFPA, implementado mediante EER, basada en el diseño del amplificador de envolvente. La integración y caracterización del amplificador de envolvente basado en un convertidor reductor con red de cancelación de rizado en el transmisor de radiofrecuencia completo consiguiendo un elevado rendimiento, entre 57% y 70.6% para potencias de salida de 14.4W y 40.7W respectivamente. Esta tesis se divide en seis capítulos. El primer capítulo aborda la introducción enfocada en la aplicación, los amplificadores de potencia de radiofrecuencia, así como los principales problemas, retos y soluciones existentes. En el capítulo dos se desarrolla el estado del arte de amplificadores de potencia de RF, describiéndose las principales técnicas de diseño, las causas de no linealidad y las técnicas de optimización. El capítulo tres está centrado en las soluciones propuestas para el amplificador de envolvente. El modo de control se ha abordado en este capítulo y se ha presentado una optimización del diseño en lazo cerrado para el convertidor reductor convencional y para el convertidor reductor con red de cancelación de rizado. El capítulo cuatro se centra en el proceso de diseño del amplificador de envolvente. Se ha desarrollado una herramienta de diseño para evaluar la influencia del amplificador de envolvente en las figuras de mérito del RFPA. En el capítulo cinco se presenta el proceso de integración realizado y las pruebas realizadas para las diversas modulaciones, así como la completa caracterización y análisis del amplificador de RF. El capítulo seis describe las principales conclusiones de la tesis y las líneas futuras. ABSTRACT The trend in the telecommunications sector during the last years follow a high increase in the transmission rate of voice, video and mainly in data. To achieve the required levels of data rates, the new modulation standards demand higher bandwidths and have a higher peak to average power ratio (PAPR). These specifications have a direct impact in the low efficiency of the RFPA. An additional factor for the low efficiency of the RFPA is in the power amplifier design. Traditionally, linear classes have been used for the implementation of the power amplifier as they comply with the technical requirements. However, they have a low efficiency, especially in the operating range of signals with a high PAPR. The low efficiency of the transmitter has additional disadvantages as an increase in the cost and size as the cooling system needs to be increased for a base station and a temperature increase and a lower use time for portable devices. Several solutions have been proposed in the state of the art to improve the efficiency of the transmitter as Outphasing, power combiners or Doherty technique. However, the highest potential of efficiency improvement can be obtained using a modulated power supply for the power amplifier, as in the Envelope Tracking and EER techniques. The Envelope Tracking technique is based on the modulation of the power supply of a linear power amplifier to improve the overall efficiency compared to a fixed voltage supply. In the implementation of this technique an additional stage is needed, the envelope amplifier, that will increase the complexity of the RFPA. However, the efficiency of the linear power amplifier will increase and, if designed properly, the RFPA efficiency will be improved. The advantages of this technique are that the envelope amplifier design does not require such a high bandwidth as the envelope signal and that in the integration process a perfect synchronization between envelope and phase is not required. The Envelope Elimination and Restoration (EER) technique, known also as Kahn’s technique, is based on the simultaneous modulation of envelope and phase using a high efficiency switched power amplifier. This solution has the highest potential in terms of the efficiency improvement but also has the most challenging specifications. This solution, proposed in 1952, has not been successfully implemented until the last two decades due to the high demanding requirements for each of the stages as well as for the highly demanding processing and computation capabilities needed. At the system level, a very precise synchronization is required between the envelope and phase paths to avoid a linearity decrease of the system. Several techniques are used to compensate the non-linear effects in amplitude and phase and to improve the rejection of the out of band noise as predistortion, feedback and feed-forward. In order to obtain a high bandwidth and efficient RFPA using either ET or EER, the envelope amplifier stage will have a critical importance. The requirements for this stage are very demanding in terms of bandwidth, linearity and quality of the transmitted signal. Additionally the efficiency should be as high as possible, as the envelope amplifier has a direct impact in the efficiency of the overall system. This thesis is focused on the envelope amplifier stage and the main objective will be the development of high efficiency envelope amplifier solutions that comply with the requirements of the RFPA application. The design and optimization of an envelope amplifier for a RFPA application is a highly referenced research topic, and many solutions that address the envelope amplifier and the RFPA design and optimization can be found in the state of the art. From a high level classification, multiple and single stage envelope amplifiers can be identified. Envelope amplifiers for EER based on multiple stage architecture combine a linear assisted stage and a switched-mode stage, either in a series or parallel configuration, to achieve a very high performance RFPA. However, the complexity of the system increases and the efficiency improvement is limited. A single-stage envelope amplifier has the advantage of a lower complexity but in order to achieve the required bandwidth the switching frequency has to be highly increased, and therefore the performance and the efficiency are degraded. Several techniques are used to overcome this limitation, as the design of integrated circuits that are capable of switching at very high rates or the use of topological solutions, high order filters or a combination of both to reduce the switching frequency requirements. In this thesis it is originally proposed the use of the ripple cancellation technique, applied to a synchronous buck converter, to reduce the switching frequency requirements compared to a conventional buck converter for an envelope amplifier application. Three original proposals for the envelope amplifier stage, based on the ripple cancellation technique, are presented and one of the solutions has been experimentally validated and integrated in the complete amplifier, showing a high total efficiency increase compared to other solutions of the state of the art. Additionally, the proposed envelope amplifier has been integrated in the complete RFPA achieving a high total efficiency. The design process optimization has also been analyzed in this thesis. Due to the different figures of merit between the envelope amplifier and the complete RFPA it is very difficult to obtain an optimized design for the envelope amplifier. To reduce the design uncertainties, a design tool has been developed to provide an estimation of the RFPA figures of merit based on the design of the envelope amplifier. The main contributions of this thesis are: The application of the ripple cancellation technique to a synchronous buck converter for an envelope amplifier application to achieve a high efficiency and high bandwidth EER RFPA. A 66% reduction of the switching frequency, validated experimentally, compared to the equivalent conventional buck converter. This reduction has been reflected in an improvement in the efficiency between 12.4% and 16%, validated for the specifications of this work. The synchronous buck converter with two cascaded ripple cancellation networks (RCNs) topology and design to improve the robustness and the performance of the envelope amplifier. The combination of a phase-shifted multi-phase buck converter with the ripple cancellation technique to improve the envelope amplifier switching frequency to signal bandwidth ratio. The optimization of the control loop of an envelope amplifier to improve the performance of the open loop design for the conventional and ripple cancellation buck converter. A simulation tool to optimize the envelope amplifier design process. Using the envelope amplifier design as the input data, the main figures of merit of the complete RFPA for an EER application are obtained for several digital modulations. The successful integration of the envelope amplifier based on a RCN buck converter in the complete RFPA obtaining a high efficiency integrated amplifier. The efficiency obtained is between 57% and 70.6% for an output power of 14.4W and 40.7W respectively. The main figures of merit for the different modulations have been characterized and analyzed. This thesis is organized in six chapters. In Chapter 1 is provided an introduction of the RFPA application, where the main problems, challenges and solutions are described. In Chapter 2 the technical background for radiofrequency power amplifiers (RF) is presented. The main techniques to implement an RFPA are described and analyzed. The state of the art techniques to improve performance of the RFPA are identified as well as the main sources of no-linearities for the RFPA. Chapter 3 is focused on the envelope amplifier stage. The three different solutions proposed originally in this thesis for the envelope amplifier are presented and analyzed. The control stage design is analyzed and an optimization is proposed both for the conventional and the RCN buck converter. Chapter 4 is focused in the design and optimization process of the envelope amplifier and a design tool to evaluate the envelope amplifier design impact in the RFPA is presented. Chapter 5 shows the integration process of the complete amplifier. Chapter 6 addresses the main conclusions of the thesis and the future work.

Digital Coherent Receivers and Advanced Optical Modulation Formats in 100 and 200 Gb/s DWDM Systems

Recent advances in coherent optical receivers is reviewed. Digital-Signal-Processing (DSP) based phase and polarization management techniques make coherent detection robust and feasible. With coherent detection, the complex field of the received optical signal is fully recovered, allowing compensation of linear and nonlinear optical impairments including chromatic dispersion (CD) and polarization-mode dispersion (PMD) using digital filters. Coherent detection and advanced optical modulation formats have become a key ingredient to the design of modern dense wavelength-division multiplexed (DWDM) optical broadband networks. In this paper, firstly we present the different subsystems of a digital coherent optical receiver, and secondly, we will compare the performance of some multi-level and multi-dimensional modulation formats in some physical impairments and in high spectral-efficiency (SE) and high-capacity DWDM transmissions, simulating the DSP with Matlab and the optical network performance with OptiSystem software.

Evaluación del funcionamiento de sistemas de análisis digital de imágenes - wipfrag (edición manual) y split online

En minería, la estimación de la curva granulométrica del escombro de voladura es importante para evaluar el diseño, ejecución y optimización de la misma. Para ello, actualmente se usan sistemas digitales de fotografías que obtienen dicha curva a partir de imágenes tomadas por una cámara. En este proyecto se ha analizado la fragmentación de seis voladuras realizadas en el año 2012 en la cantera “El Aljibe” situada en el término municipal de Almonacid de Toledo con un sistema automático en línea (Split Online) y con un software de otra compañía (WipFrag) que permite la edición manual de las imágenes. Han sido analizadas 120 imágenes de seis voladuras, elegidas aleatoriamente. Tras el estudio granulométrico, se observa que las curvas granulométricas obtenidas con ambos sistemas, estadísticamente, no son la misma en la mayor parte de la curva, por tanto, se analiza una posible relación entre los tamaños característicos X50 y X80, llegando a la conclusión de que ninguno de los sistemas es totalmente fiable, y es necesario calibrar los sistemas con datos de fragmentación reales obtenidos por medio de básculas. Abstract In mining, the estimate of the granulometric curve blasting debris is very important to evaluate the design, implementation and optimization of it. Currently, for the obtaining of this curves are used digital system of pictures taken by a camera. In this project, the fragmentation of six rock blasting were analyzed. The rock blastings are executed in 2012 in the quarry “El Aljibe” located in Almonacid de Toledo, with a automatic online system (Split Online) and a manual editing software (WipFrag). 120 randomly selected pictures have been analyzed. After the granulometric study, it appears that the size distribution curves obtained with both systems, statistically, are not the same, then, a possible relationship between the feature sizes X50 and X80 is analyzed, concluding that none of the systems is fully reliable, and systems must be calibrated with real data fragmentation obtained from data scales.

Desarrollo de un entorno inteligente en el contexto del hogar digital

A lo largo de las últimas décadas el desarrollo de la tecnología en muy distintas áreas ha sido vertiginoso. Su propagación a todos los aspectos de nuestro día a día parece casi inevitable y la electrónica de consumo ha invadido nuestros hogares. No obstante, parece que la domótica no ha alcanzado el grado de integración que cabía esperar hace apenas una década. Es cierto que los dispositivos autónomos y con un cierto grado de inteligencia están abriéndose paso de manera independiente, pero el hogar digital, como sistema capaz de abarcar y automatizar grandes conjuntos de elementos de una vivienda (gestión energética, seguridad, bienestar, etc.) no ha conseguido extenderse al hogar medio. Esta falta de integración no se debe a la ausencia de tecnología, ni mucho menos, y numerosos son los estudios y proyectos surgidos en esta dirección. Sin embargo, no ha sido hasta hace unos pocos años que las instituciones y grandes compañías han comenzado a prestar verdadero interés en este campo. Parece que estamos a punto de experimentar un nuevo cambio en nuestra forma de vida, concretamente en la manera en la que interactuamos con nuestro hogar y las comodidades e información que este nos puede proporcionar. En esa corriente se desarrolla este Proyecto Fin de Grado, con el objetivo de aportar un nuevo enfoque a la manera de integrar los diferentes dispositivos del hogar digital con la inteligencia artificial y, lo que es más importante, al modo en el que el usuario interactúa con su vivienda. Más concretamente, se pretende desarrollar un sistema capaz de tomar decisiones acordes al contexto y a las preferencias del usuario. A través de la utilización de diferentes tecnologías se dotará al hogar digital de cierta autonomía a la hora de decidir qué acciones debe llevar a cabo sobre los dispositivos que contiene, todo ello mediante la interpretación de órdenes procedentes del usuario (expresadas de manera coloquial) y el estudio del contexto que envuelve al instante de ejecución. Para la interacción entre el usuario y el hogar digital se desarrollará una aplicación móvil mediante la cual podrá expresar (de manera conversacional) las órdenes que quiera dar al sistema, el cual intervendrá en la conversación y llevará a cabo las acciones oportunas. Para todo ello, el sistema hará principalmente uso de ontologías, análisis semántico, redes bayesianas, UPnP y Android. Se combinará información procedente del usuario, de los sensores y de fuentes externas para determinar, a través de las citadas tecnologías, cuál es la operación que debe realizarse para satisfacer las necesidades del usuario. En definitiva, el objetivo final de este proyecto es diseñar e implementar un sistema innovador que se salga de la corriente actual de interacción mediante botones, menús y formularios a los que estamos tan acostumbrados, y que permita al usuario, en cierto modo, hablar con su vivienda y expresarle sus necesidades, haciendo a la tecnología un poco más transparente y cercana y aproximándonos un poco más a ese concepto de hogar inteligente que imaginábamos a finales del siglo XX. ABSTRACT. Over the last decades the development of technology in very different areas has happened incredibly fast. Its propagation to all aspects of our daily activities seems to be inevitable and the electronic devices have invaded our homes. Nevertheless, home automation has not reached the integration point that it was supposed to just a few decades ago. It is true that some autonomic and relatively intelligent devices are emerging, but the digital home as a system able to control a large set of elements from a house (energy management, security, welfare, etc.) is not present yet in the average home. That lack of integration is not due to the absence of technology and, in fact, there are a lot of investigations and projects focused on this field. However, the institutions and big companies have not shown enough interest in home automation until just a few years ago. It seems that, finally, we are about to experiment another change in our lifestyle and how we interact with our home and the information and facilities it can provide. This Final Degree Project is developed as part of this trend, with the goal of providing a new approach to the way the system could integrate the home devices with the artificial intelligence and, mainly, to the way the user interacts with his house. More specifically, this project aims to develop a system able to make decisions, taking into account the context and the user preferences. Through the use of several technologies and approaches, the system will be able to decide which actions it should perform based on the order interpretation (expressed colloquially) and the context analysis. A mobile application will be developed to enable the user-home interaction. The user will be able to express his orders colloquially though out a conversational mode, and the system will also participate in the conversation, performing the required actions. For providing all this features, the system will mainly use ontologies, semantic analysis, Bayesian networks, UPnP and Android. Information from the user, the sensors and external sources will be combined to determine, through the use of these technologies, which is the operation that the system should perform to meet the needs of the user. In short, the final goal of this project is to design and implement an innovative system, away from the current trend of buttons, menus and forms. In a way, the user will be able to talk to his home and express his needs, experiencing a technology closer to the people and getting a little closer to that concept of digital home that we imagined in the late twentieth century.

Sistema de autenticación accesible para el hogar digital

El Hogar Digital Accesible (HDA) de la ETSIST nace con el propósito de acercar las nuevas Tecnologías de la Información a las personas que precisan de necesidades concretas de accesibilidad y usabilidad, dotándoles de herramientas que les permitan aumentar su calidad de vida, confort, seguridad y autonomía. El entorno del HDA consta de elementos de control para puertas, persianas, iluminación, agua o gas, sensores de temperatura, incendios, gas, sistemas de climatización, sistemas de entretenimiento y sistemas de seguridad tales como detectores de presencia y alarmas. Todo ello apoyado sobre una arquitectura de red que proporciona una pasarela residencial y un acceso a banda ancha. El objetivo principal de este PFG ha sido el desarrollo de un sistema de autenticación para el Hogar Digital Accesible de bajo coste. La idea de integrar un sistema de autenticación en el HDA, surge de la necesidad de proteger de accesos no deseados determinados servicios disponibles dentro de un ámbito privado. Algunos de estos servicios pueden ser tales como el acceso a la lectura de los mensajes disponibles en el contestador automático, el uso de equipos multimedia, la desconexión de alarmas de seguridad o simplemente la configuración de ambientes según el usuario que esté autenticado (intensidad de luz, temperatura de la sala, etc.). En el desarrollo han primado los principios de accesibilidad, usabilidad y seguridad necesarios para la creación de un entorno no invasivo, que permitiera acreditar la identidad del usuario frente al sistema HDA. Se ha planteado como posible solución, un sistema basado en el reconocimiento de un trazo realizado por el usuario. Este trazo se usará como clave de cara a validar a los usuarios. El usuario deberá repetir el trazado que registró en el sistema para autenticarse. Durante la ejecución del presente PFG, se justificará la elección de este mecanismo de autenticación frente a otras alternativas disponibles en el mercado. Para probar la aplicación, se ha podido contar con dos periféricos de distintas gamas, el uDraw creado para la PS3 que se compone de una tableta digitalizadora y un lápiz que permite recoger los trazos realizados por el usuario de forma inalámbrica y la tableta digitalizadora Bamboo de Wacom. La herramienta desarrollada permite a su vez, la posibilidad de ser usada por otro tipo de dispositivos como es el caso del reloj con acelerómetro de 3 ejes de Texas Instruments Chronos eZ430 capaz de trasladar los movimientos del usuario al puntero de un ratón. El PFG se encuentra dividido en tres grandes bloques de flujo de trabajo. El primero se centra en el análisis del sistema y las tecnologías que lo componen, incluyendo los distintos algoritmos disponibles para realizar la autenticación basada en reconocimiento de patrones aplicados a imágenes que mejor se adaptan a las necesidades del usuario. En el segundo bloque se recoge una versión de prueba basada en el análisis y el diseño UML realizado previamente, sobre la que se efectuaron pruebas de concepto y se comprobó la viabilidad del proyecto. El último bloque incluye la verificación y validación del sistema mediante pruebas que certifican que se han alcanzado los niveles de calidad necesarios para la consecución de los objetivos planteados, generando finalmente la documentación necesaria. Como resultado del trabajo realizado, se ha obtenido un sistema que plantea una arquitectura fácilmente ampliable lograda a través del uso de técnicas como la introspección, que permiten separar la lógica de la capa de negocio del código que la implementa, pudiendo de forma simple e intuitiva sustituir código mediante ficheros de configuración, lo que hace que el sistema sea flexible y escalable. Tras la realización del PFG, se puede concluir que el producto final obtenido ha respondido de forma satisfactoria alcanzando los niveles de calidad requeridos, siendo capaz de proporcionar un sistema de autenticación alternativo a los convencionales, manteniendo unas cotas de seguridad elevadas y haciendo de la accesibilidad y el precio sus características más reseñables. ABSTRACT. Accessible Digital Home (HDA) of the ETSIST was created with the aim of bringing the latest information and communications technologies closer to the people who has special needs of accessibility and usability increasing their quality of life, comfort, security and autonomy. The HDA environment has different control elements for doors, blinds, lighting, water or gas, temperature sensors, fire protection systems, gas flashover, air conditioning systems, entertainments systems and security systems such as intruders detectors and alarms. Everything supported by an architecture net which provides a broadband residential services gateway. The main goal of this PFG was the development of a low-cost authentication system for the Accessible Digital Home. The idea of integrating an authentication system on the HDA, stems from the need to safeguard certain private key network resources from unauthorized access. Some of said resources are the access to the answering machine messages, the use of multimedia devices, the alarms deactivation or the parameter settings for each environment as programmed by the authenticated user (light intensity, room temperature, etc.). During the development priority was given to concepts like accessibility, usability and security. All of them necessary to create a non invasive environment that allows the users to certify their identity. A system based on stroke pattern recognition, was considered as a possible solution. This stroke is used as a key to validate users. The user must repeat the stroke that was saved on the system to validate access. The selection of this authentication mechanism among the others available options will be justified during this PFG. Two peripherals with different ranges were used to test the application. One of them was uDraw design for the PS3. It is wireless and is formed by a pen and a drawing tablet that allow us to register the different strokes drawn by the user. The other one was the Wacom Bamboo tablet, that supports the same functionality but with better accuracy. The developed tool allows another kind of peripherals like the 3-axes accelerometer digital wristwatch Texas Instruments Chronos eZ430 capable of transfering user movements to the mouse cursor. The PFG is divided by three big blocks that represent different workflows. The first block is focused on the system analysis and the technologies related to it, including algorithms for image pattern recognition that fits the user's needs. The second block describes how the beta version was developed based on the UML analysis and design previously done. It was tested and the viability of the project was verified. The last block contains the system verification and validation. These processes certify that the requirements have been fulfilled as well as the quality levels needed to reach the planned goals. Finally all the documentation has been produced. As a result of the work, an expandable system has been created, due to the introspection that provides the opportunity to separate the business logic from the code that implements it. With this technique, the code could be replaced throughout configuration files which makes the system flexible and highly scalable. Once the PFG has finished, it must therefore be concluded that the final product has been a success and high levels of quality have been achieved. This authentication tool gives us a low-cost alternative to the conventional ones. The new authentication system remains security levels reasonably high giving particular emphasis to the accessibility and the price.

Propuesta de un modelo de sistema de información interorganizacional: aplicación en el sector de la domótica para la gestión de servicios del hogar digital

El sector de la edificación es uno de los principales sectores económicos en España y, además, es un componente básico de la actividad económica y social, debido a su importante papel como generador de empleo, proveedor de bienes e incentivador del crecimiento. Curiosamente, es uno de los sectores con menos regulación y organización y que, además, está formado mayoritariamente por empresas de pequeña y mediana dimensión (pymes) que, por su menor capacidad, a menudo, se quedan detrás de las grandes empresas en términos de adopción de soluciones innovadoras. La complejidad en la gestión de toda la información relacionada con un proyecto de edificación ha puesto de manifiesto claras ineficiencias que se traducen en un gasto innecesario bastante representativo. La información y los conocimientos aprendidos rara vez son transmitidos de una fase a otra dentro del proyecto de edificación y, mucho menos, reutilizados en otros proyectos similares. De este modo, no sólo se produce un gasto innecesario, sino que incluso podemos encontrar información contradictoria y obsoleta y, por tanto, inútil para la toma de decisiones. A lo largo de los años, esta situación ha sido motivada por la propia configuración del sector, poniendo de manifiesto la necesidad de una solución que pudiera solventar este reto de gestión interorganizacional. Así, la cooperación interorganizacional se ha convertido en un factor clave para mejorar la competitividad de las organizaciones, típicamente pymes, que componen el sector de la edificación. La información es la piedra angular de cualquier proceso de negocio. Durante la última década, una amplia gama de industrias han experimentado importantes mejoras de productividad con la aplicación eficiente de las TIC, asociadas, principalmente, a incrementos en la velocidad de proceso de información y una mayor coherencia en la generación de datos, accesibilidad e intercambio de información. La aplicación eficaz de las TIC en el sector de la edificación requiere una combinación de aspectos estratégicos y tácticos, puesto que no sólo se trata de utilizar soluciones puntuales importadas de otros sectores para su aplicación en diferentes áreas, sino que se buscaría que la información multi-agente estuviera integrada y sea coherente para los proyectos de edificación. El sector de la construcción ha experimentado un descenso significativo en los últimos años en España y en Europa como resultado de la crisis financiera que comenzó en 2007. Esta disminución está acompañada de una baja penetración de las TIC en la interorganizacionales orientadas a los procesos de negocio. El descenso del mercado ha provocado una desaceleración en el sector de la construcción, donde sólo las pymes flexibles han sido capaces de mantener el ritmo a pesar de la especialización y la innovación en los servicios adaptados a las nuevas demandas del mercado. La industria de la edificación está muy fragmentada en comparación con otras industrias manufactureras. El alto grado de esta fragmentación está íntimamente relacionado con un impacto significativo en la productividad y el rendimiento. Muchos estudios de investigación han desarrollado y propuesto una serie de modelos de procesos integrados. Por desgracia, en la actualidad todavía no se está en condiciones para la formalización de cómo debe ser la comunicación y el intercambio de información durante el proceso de construcción. El paso del proceso secuencial tradicional a los procesos de interdependencia recíproca sin lugar a duda son una gran demanda asociada a la comunicación y el flujo de información en un proyecto de edificación. Recientemente se está poniendo mucho énfasis en los servicios para el hogar como un primer paso hacia esta mejora en innovación ya que la industria de los servicios digitales interactivos tiene un alto potencial para generar innovación y la ventaja estratégica para las empresas existentes. La multiplicidad de servicios para el hogar digital (HD) y los proveedores de servicios demandan, cada vez más, la aparición de una plataforma capaz de coordinar a todos los agentes del sector con el usuario final. En consecuencia, las estructuras organizacionales tienden a descentralizarse en busca de esa coordinación y, como respuesta a esta demanda, se plantea, también en este ámbito, el concepto de cooperación interorganizacional. Por lo tanto, ambos procesos de negocio -el asociado a la construcción y el asociado a la provisión de servicios del hogar digital, también considerado como la propia gestión de ese hogar digital o edificio, inteligente o no- deben de ser vistos en su conjunto mediante una plataforma tecnológica que les dé soporte y que pueda garantizar la agregación e integración de los diversos procesos, relacionados con la construcción y gestión, que se suceden durante el ciclo de vida de un edificio. Sobre esta idea y atendiendo a la evolución permanente de los sistemas de información en un entorno de interrelación y cooperación daría lugar a una aplicación del concepto de sistema de información interorganizacional (SIIO). El SIIO proporciona a las organizaciones la capacidad para mejorar los vínculos entre los socios comerciales a lo largo de la cadena de suministro, por lo que su importancia ha sido reconocida por organizaciones de diversos sectores. Sin embargo, la adopción de un SIIO en diferentes ámbitos ha demostrado ser complicada y con una alta dependencia de las características particulares de cada sector, siendo, en este momento, una línea de investigación abierta. Para contribuir a esta línea de investigación, este trabajo pretende recoger, partiendo de una revisión de la literatura relacionada, un enfoque en un modelo de adopción de un SIIO para el objeto concreto de esta investigación. El diseño de un SIIO está basado principalmente, en la identificación de las necesidades de información de cada uno de sus agentes participantes, de ahí la importancia en concretar un modelo de SIIO en el ámbito de este trabajo. Esta tesis doctoral presenta el modelo de plataforma virtual de la asociación entre diferentes agentes del sector de la edificación, el marco de las relaciones, los flujos de información correspondientes a diferentes procesos y la metodología que subyace tras el propio modelo, todo ello, con el objeto de contribuir a un modelo unificado que dé soporte tanto a los procesos relacionados con la construcción como con la gestión de servicios en el hogar digital y permitiendo cubrir los requisitos importantes que caracterizan este tipo de proyectos: flexibilidad, escalabilidad y robustez. El SIIO se ha convertido en una fuente de innovación y una herramienta estratégica que permite a las pymes obtener ventajas competitivas. Debido a la complejidad inherente de la adopción de un SIIO, esta investigación extiende el modelo teórico de adopción de un SIIO de Kurnia y Johnston (2000) con un modelo empírico para la caracterización de un SIIO. El modelo resultante tiene como objetivo fomentar la innovación de servicios en el sector mediante la identificación de los factores que influyen en la adopción de un SIIO por las pymes en el sector de la edificación como fuente de ventaja competitiva y de colaboración. Por tanto, esta tesis doctoral, proyectada sobre una investigación empírica, proporciona un enfoque para caracterizar un modelo de SIIO que permita dar soporte a la gestión integrada de los procesos de construcción y gestión de servicios para el hogar digital. La validez del modelo de SIIO propuesto, como fuente y soporte de ventajas competitivas, está íntimamente relacionada con la necesidad de intercambio de información rápido y fiable que demandan los agentes del sector para mejorar la gestión de su interrelación y cooperación con el fin de abordar proyectos más complejos en el sector de la edificación, relacionados con la implantación del hogar digital, y contribuyendo, así a favorecer el desarrollo de la sociedad de la información en el segmento residencial. ABSTRACT The building industry is the largest industry in the world. Land purchase, building design, construction, furnishing, building equipment, operations maintenance and the disposition of real estate have an unquestionable prominence not only at economic but also at social level. In Spain, the building sector is one of the main drivers of economy and also a basic component of economic activity and its role in generating employment, supply of goods or incentive for growth is crucial in the evolution of the economy. Surprisingly, it is one of the sectors with less regulation and organization. Another consistent problem is that, in this sector, the majority of companies are small and medium (SMEs), and often behind large firms in terms of their adoption of innovative solutions. The complexity of managing all information related to this industry has lead to a waste of money and time. The information and knowledge gathered is frequently stored in multiple locations, involving the work of thousands of people, and is rarely transferred on to the next phase. This approach is inconsistent and makes that incorrect information is used for decisions. This situation needs a viable solution for interorganizational information management. So, interorganizational co-operation has become a key factor for organization competitiveness within the building sector. Information is the cornerstone of any business process. Therefore, information and communication technologies (ICT) offer a means to change the way business is conducted. During the last decade, significant productivity improvements were experienced by a wide range of industries with ICT implementation. ICT has provided great advantages in speed of operation, consistency of data generation, accessibility and exchange of information. The wasted money resulting from reentering information, errors and omissions caused through poor decisions and actions, and the delays caused while waiting for information, represent a significant percentage of the global benefits. The effective application of ICT in building construction sector requires a combination of strategic and tactical developments. The building sector has experienced a significant decline in recent years in Spain and in Europe as a result of the financial crisis that began in 2007. This drop goes hand in hand with a low penetration of ICT in inter-organizational-oriented business processes. The market decrease has caused a slowdown in the building sector, where only flexible SMEs have been able to keep the pace though specialization and innovation in services adapted to new market demands. The building industry is highly fragmented compared with other manufacturing industries. This fragmentation has a significant negative impact on productivity and performance. Many research studies have developed and proposed a number of integrated process models. Unfortunately, these studies do not suggest how communication and information exchange within the construction process can be achieved, without duplication or lost in quality. A change from the traditional sequential process to reciprocal interdependency processes would increase the demand on communication and information flow over the edification project. Focusing on home services, the digital interactive service industry has the potential to generate innovation and strategic advantage for existing business. Multiplicity of broadband home services (BHS) and suppliers suggest the need for a figure able to coordinate all the agents in sector with the final user. Consequently, organizational structures tend to be decentralized. Responding to this fact, the concept of interorganizational co-operation also is raising in the residential market. Therefore, both of these business processes, building and home service supply, must be complemented with a technological platform that supports these processes and guarantees the aggregation and integration of the several services over building lifecycle. In this context of a technological platform and the permanent evolution of information systems is where the relevance of the concept of inter-organizational information system (IOIS) emerges. IOIS improves linkages between trading partners along the supply chain. However, IOIS adoption has proved to be difficult and not fully accomplished yet. This research reviews the literature in order to focus a model of IOIS adoption. This PhD Thesis presents a model of virtual association, a framework of the relationships, an identification of the information requirements and the corresponding information flows, using the multi-agent system approach. IOIS has become a source of innovation and a strategic tool for SMEs to obtain competitive advantage. Because of the inherent complexity of IOIS adoption, this research extends Kurnia and Johnston’s (2000) theoretical model of IOIS adoption with an empirical model of IOIS characterization. The resultant model aims to foster further service innovation in the sector by identifying the factors influencing IOIS adoption by the SMEs in the building sector as a source of competitive and collaborative advantage. Therefore, this PhD Thesis characterizes an IOIS model to support integrated management of building processes and home services. IOIS validity, as source and holder of competitive advantages, is related to the need for reliable information interchanges to improve interrelationship management. The final goal is to favor tracking of more complex projects in building sector and to contribute to consolidation of the information society through the provision of broadband home services and home automation.

Sight distance studies on roads: influence of digital elevation models and roadside elements

Sight distance plays an important role in road traffic safety. Two types of Digital Elevation Models (DEMs) are utilized for the estimation of available sight distance in roads: Digital Terrain Models (DTMs) and Digital Surface Models (DSMs). DTMs, which represent the bare ground surface, are commonly used to determine available sight distance at the design stage. Additionally, the use of DSMs provides further information about elements by the roadsides such as trees, buildings, walls or even traffic signals which may reduce available sight distance. This document analyses the influence of three classes of DEMs in available sight distance estimation. For this purpose, diverse roads within the Region of Madrid (Spain) have been studied using software based on geographic information systems. The study evidences the influence of using each DEM in the outcome as well as the pros and cons of using each model.

User experience design

Inmersos en un mundo digital en el que participan cada vez más personas con diferentes niveles de experiencia en tecnología, ha aparecido la necesidad de diseñar las aplicaciones pensando en el usuario. El principal problema que un desarrollador se encuentra hoy en día es la falta de tiempo o agilidad para conceder al usuario una experiencia a medida. Muchas empresas han conseguido destacar en un mundo donde la competencia es muy grande gracias al aporte de valor añadido de una buena experiencia de usuario. Empezando por el análisis psicológico y las reacciones que tenemos cuando estamos interactuando con un sistema digital se intenta conseguir un método para diseñar la experiencia de usuario de un modo satisfactorio para ambas partes. Con el objetivo de probar el método diseñado, en el cual se incorporan muchas técnicas de otros métodos, se diseña parte de la experiencia de usuario de “ESEM 2014”, una de las conferencias informáticas más importantes del norte de Italia. Los resultados obtenidos en este trabajo son muy favorables, ya que mejoran substancialmente el resultado final y permiten al desarrollador seguir mejorando la aplicación hasta el momento y objetivo deseado. Resumen Español---ABSTRACT---In a world where more people with different level of expertise is engaging with technology, designing for the user has become one of the main concerns for the developers. Lack of time or agility are the main problems from the developers’ point of view in order to provide a good user experience. One of most important differentiators for companies is the provided experience as the technology and knowledge is highly available for everyone. The main goal of this project is to compose a method to include experience design in current agile development where short iterations is the main characteristic. In order to test the designed method, were many parts of other techniques have been included, part of the “ESEM 2014” conference has been designed. The results achieved with this guidelines has been very positive from both sides of the development, users and developers. Having short iterations allows improvement until the desired experience is achieved.

Digital chaos synchronization in optical networks

A possible approach to the synchronization of chaotic circuits is reported. It is based on an Optically Programmable Logic Cell and as a consequence its output is digital, its application to cryptography in Optical Communications comes directly from its properties. The model here presented is based on a computer simulation.

Spatial analysis of geometric design consistency and road sight distance

Because of the high number of crashes occurring on highways, it is necessary to intensify the search for new tools that help in understanding their causes. This research explores the use of a geographic information system (GIS) for an integrated analysis, taking into account two accident-related factors: design consistency (DC) (based on vehicle speed) and available sight distance (ASD) (based on visibility). Both factors require specific GIS software add-ins, which are explained. Digital terrain models (DTMs), vehicle paths, road centerlines, a speed prediction model, and crash data are integrated in the GIS. The usefulness of this approach has been assessed through a study of more than 500 crashes. From a regularly spaced grid, the terrain (bare ground) has been modeled through a triangulated irregular network (TIN). The length of the roads analyzed is greater than 100 km. Results have shown that DC and ASD could be related to crashes in approximately 4% of cases. In order to illustrate the potential of GIS, two crashes are fully analyzed: a car rollover after running off road on the right side and a rear-end collision of two moving vehicles. Although this procedure uses two software add-ins that are available only for ArcGIS, the study gives a practical demonstration of the suitability of GIS for conducting integrated studies of road safety.

A methodology to analyze, design and implement very fast and robust controls of Buck-type converters

La electrónica digital moderna presenta un desafío a los diseñadores de sistemas de potencia. El creciente alto rendimiento de microprocesadores, FPGAs y ASICs necesitan sistemas de alimentación que cumplan con requirimientos dinámicos y estáticos muy estrictos. Específicamente, estas alimentaciones son convertidores DC-DC de baja tensión y alta corriente que necesitan ser diseñados para tener un pequeño rizado de tensión y una pequeña desviación de tensión de salida bajo transitorios de carga de una alta pendiente. Además, dependiendo de la aplicación, se necesita cumplir con otros requerimientos tal y como proveer a la carga con ”Escalado dinámico de tensión”, donde el convertidor necesitar cambiar su tensión de salida tan rápidamente posible sin sobreoscilaciones, o ”Posicionado Adaptativo de la Tensión” donde la tensión de salida se reduce ligeramente cuanto más grande sea la potencia de salida. Por supuesto, desde el punto de vista de la industria, las figuras de mérito de estos convertidores son el coste, la eficiencia y el tamaño/peso. Idealmente, la industria necesita un convertidor que es más barato, más eficiente, más pequeño y que aún así cumpla con los requerimienos dinámicos de la aplicación. En este contexto, varios enfoques para mejorar la figuras de mérito de estos convertidores se han seguido por la industria y la academia tales como mejorar la topología del convertidor, mejorar la tecnología de semiconducores y mejorar el control. En efecto, el control es una parte fundamental en estas aplicaciones ya que un control muy rápido hace que sea más fácil que una determinada topología cumpla con los estrictos requerimientos dinámicos y, consecuentemente, le da al diseñador un margen de libertar más amplio para mejorar el coste, la eficiencia y/o el tamaño del sistema de potencia. En esta tesis, se investiga cómo diseñar e implementar controles muy rápidos para el convertidor tipo Buck. En esta tesis se demuestra que medir la tensión de salida es todo lo que se necesita para lograr una respuesta casi óptima y se propone una guía de diseño unificada para controles que sólo miden la tensión de salida Luego, para asegurar robustez en controles muy rápidos, se proponen un modelado y un análisis de estabilidad muy precisos de convertidores DC-DC que tienen en cuenta circuitería para sensado y elementos parásitos críticos. También, usando este modelado, se propone una algoritmo de optimización que tiene en cuenta las tolerancias de los componentes y sensados distorsionados. Us ando este algoritmo, se comparan controles muy rápidos del estado del arte y su capacidad para lograr una rápida respuesta dinámica se posiciona según el condensador de salida utilizado. Además, se propone una técnica para mejorar la respuesta dinámica de los controladores. Todas las propuestas se han corroborado por extensas simulaciones y prototipos experimentales. Con todo, esta tesis sirve como una metodología para ingenieros para diseñar e implementar controles rápidos y robustos de convertidores tipo Buck. ABSTRACT Modern digital electronics present a challenge to designers of power systems. The increasingly high-performance of microprocessors, FPGAs (Field Programmable Gate Array) and ASICs (Application-Specific Integrated Circuit) require power supplies to comply with very demanding static and dynamic requirements. Specifically, these power supplies are low-voltage/high-current DC-DC converters that need to be designed to exhibit low voltage ripple and low voltage deviation under high slew-rate load transients. Additionally, depending on the application, other requirements need to be met such as to provide to the load ”Dynamic Voltage Scaling” (DVS), where the converter needs to change the output voltage as fast as possible without underdamping, or ”Adaptive Voltage Positioning” (AVP) where the output voltage is slightly reduced the greater the output power. Of course, from the point of view of the industry, the figures of merit of these converters are the cost, efficiency and size/weight. Ideally, the industry needs a converter that is cheaper, more efficient, smaller and that can still meet the dynamic requirements of the application. In this context, several approaches to improve the figures of merit of these power supplies are followed in the industry and academia such as improving the topology of the converter, improving the semiconductor technology and improving the control. Indeed, the control is a fundamental part in these applications as a very fast control makes it easier for the topology to comply with the strict dynamic requirements and, consequently, gives the designer a larger margin of freedom to improve the cost, efficiency and/or size of the power supply. In this thesis, how to design and implement very fast controls for the Buck converter is investigated. This thesis proves that sensing the output voltage is all that is needed to achieve an almost time-optimal response and a unified design guideline for controls that only sense the output voltage is proposed. Then, in order to assure robustness in very fast controls, a very accurate modeling and stability analysis of DC-DC converters is proposed that takes into account sensing networks and critical parasitic elements. Also, using this modeling approach, an optimization algorithm that takes into account tolerances of components and distorted measurements is proposed. With the use of the algorithm, very fast analog controls of the state-of-the-art are compared and their capabilities to achieve a fast dynamic response are positioned de pending on the output capacitor. Additionally, a technique to improve the dynamic response of controllers is also proposed. All the proposals are corroborated by extensive simulations and experimental prototypes. Overall, this thesis serves as a methodology for engineers to design and implement fast and robust controls for Buck-type converters.

LogIn Design City

LogIn Design City is a project for the revitalization of public city?s space through the involvement of individuals, collectivities and municipalities, managed by a specific team and structured upon an augmented platform. The management system permits the organization of self-managed events and actions, offering support and assistance for the implementation of these actions in the offered spots of the city. Actions can be of cultural, commercial, educational or leisure-oriented nature and depending on their purpose the spots can be offered free of charge or with fees, creating a possibility for remuneration and providing a tool for development in underprivileged zones of the city. An important aspect is the emphasis on the digital outlook of the city, which is structured as an interface that allows communication with the management system and information upon actual, past and upcoming events.

Design and development of compact optical systems = Diseño y desarrollo de sistemas ópticos compactos

Esta tesis considera dos tipos de aplicaciones del diseño óptico: óptica formadora de imagen por un lado, y óptica anidólica (nonimaging) o no formadora de imagen, por otro. Las ópticas formadoras de imagen tienen como objetivo la obtención de imágenes de puntos del objeto en el plano de la imagen. Por su parte, la óptica anidólica, surgida del desarrollo de aplicaciones de concentración e iluminación, se centra en la transferencia de energía en forma de luz de forma eficiente. En general, son preferibles los diseños ópticos que den como resultado sistemas compactos, para ambos tipos de ópticas (formadora de imagen y anidólica). En el caso de los sistemas anidólicos, una óptica compacta permite tener costes de producción reducidos. Hay dos razones: (1) una óptica compacta presenta volúmenes reducidos, lo que significa que se necesita menos material para la producción en masa; (2) una óptica compacta es pequeña y ligera, lo que ahorra costes en el transporte. Para los sistemas ópticos de formación de imagen, además de las ventajas anteriores, una óptica compacta aumenta la portabilidad de los dispositivos, que es una gran ventaja en tecnologías de visualización portátiles, tales como cascos de realidad virtual (HMD del inglés Head Mounted Display). Esta tesis se centra por tanto en nuevos enfoques de diseño de sistemas ópticos compactos para aplicaciones tanto de formación de imagen, como anidólicas. Los colimadores son uno de los diseños clásicos dentro la óptica anidólica, y se pueden utilizar en aplicaciones fotovoltaicas y de iluminación. Hay varios enfoques a la hora de diseñar estos colimadores. Los diseños convencionales tienen una relación de aspecto mayor que 0.5. Con el fin de reducir la altura del colimador manteniendo el área de iluminación, esta tesis presenta un diseño de un colimador multicanal. En óptica formadora de imagen, las superficies asféricas y las superficies sin simetría de revolución (o freeform) son de gran utilidad de cara al control de las aberraciones de la imagen y para reducir el número y tamaño de los elementos ópticos. Debido al rápido desarrollo de sistemas de computación digital, los trazados de rayos se pueden realizar de forma rápida y sencilla para evaluar el rendimiento del sistema óptico analizado. Esto ha llevado a los diseños ópticos modernos a ser generados mediante el uso de diferentes técnicas de optimización multi-paramétricas. Estas técnicas requieren un buen diseño inicial como punto de partida para el diseño final, que será obtenido tras un proceso de optimización. Este proceso precisa un método de diseño directo para superficies asféricas y freeform que den como resultado un diseño cercano al óptimo. Un método de diseño basado en ecuaciones diferenciales se presenta en esta tesis para obtener un diseño óptico formado por una superficie freeform y dos superficies asféricas. Esta tesis consta de cinco capítulos. En Capítulo 1, se presentan los conceptos básicos de la óptica formadora de imagen y de la óptica anidólica, y se introducen las técnicas clásicas del diseño de las mismas. El Capítulo 2 describe el diseño de un colimador ultra-compacto. La relación de aspecto ultra-baja de este colimador se logra mediante el uso de una estructura multicanal. Se presentará su procedimiento de diseño, así como un prototipo fabricado y la caracterización del mismo. El Capítulo 3 describe los conceptos principales de la optimización de los sistemas ópticos: función de mérito y método de mínimos cuadrados amortiguados. La importancia de un buen punto de partida se demuestra mediante la presentación de un mismo ejemplo visto a través de diferentes enfoques de diseño. El método de las ecuaciones diferenciales se presenta como una herramienta ideal para obtener un buen punto de partida para la solución final. Además, diferentes técnicas de interpolación y representación de superficies asféricas y freeform se presentan para el procedimiento de optimización. El Capítulo 4 describe la aplicación del método de las ecuaciones diferenciales para un diseño de un sistema óptico de una sola superficie freeform. Algunos conceptos básicos de geometría diferencial son presentados para una mejor comprensión de la derivación de las ecuaciones diferenciales parciales. También se presenta un procedimiento de solución numérica. La condición inicial está elegida como un grado de libertad adicional para controlar la superficie donde se forma la imagen. Basado en este enfoque, un diseño anastigmático se puede obtener fácilmente y se utiliza como punto de partida para un ejemplo de diseño de un HMD con una única superficie reflectante. Después de la optimización, dicho diseño muestra mejor rendimiento. El Capítulo 5 describe el método de las ecuaciones diferenciales ampliado para diseños de dos superficies asféricas. Para diseños ópticos de una superficie, ni la superficie de imagen ni la correspondencia entre puntos del objeto y la imagen pueden ser prescritas. Con esta superficie adicional, la superficie de la imagen se puede prescribir. Esto conduce a un conjunto de tres ecuaciones diferenciales ordinarias implícitas. La solución numérica se puede obtener a través de cualquier software de cálculo numérico. Dicho procedimiento también se explica en este capítulo. Este método de diseño da como resultado una lente anastigmática, que se comparará con una lente aplanática. El diseño anastigmático converge mucho más rápido en la optimización y la solución final muestra un mejor rendimiento. ABSTRACT We will consider optical design from two points of view: imaging optics and nonimaging optics. Imaging optics focuses on the imaging of the points of the object. Nonimaging optics arose from the development of concentrators and illuminators, focuses on the transfer of light energy, and has wide applications in illumination and concentration photovoltaics. In general, compact optical systems are necessary for both imaging and nonimaging designs. For nonimaging optical systems, compact optics use to be important for reducing cost. The reasons are twofold: (1) compact optics is small in volume, which means less material is needed for mass-production; (2) compact optics is small in size and light in weight, which saves cost in transportation. For imaging optical systems, in addition to the above advantages, compact optics increases portability of devices as well, which contributes a lot to wearable display technologies such as Head Mounted Displays (HMD). This thesis presents novel design approaches of compact optical systems for both imaging and nonimaging applications. Collimator is a typical application of nonimaging optics in illumination, and can be used in concentration photovoltaics as well due to the reciprocity of light. There are several approaches for collimator designs. In general, all of these approaches have an aperture diameter to collimator height not greater than 2. In order to reduce the height of the collimator while maintaining the illumination area, a multichannel design is presented in this thesis. In imaging optics, aspheric and freeform surfaces are useful in controlling image aberrations and reducing the number and size of optical elements. Due to the rapid development of digital computing systems, ray tracing can be easily performed to evaluate the performance of optical system. This has led to the modern optical designs created by using different multi-parametric optimization techniques. These techniques require a good initial design to be a starting point so that the final design after optimization procedure can reach the optimum solution. This requires a direct design method for aspheric and freeform surface close to the optimum. A differential equation based design method is presented in this thesis to obtain single freeform and double aspheric surfaces. The thesis comprises of five chapters. In Chapter 1, basic concepts of imaging and nonimaging optics are presented and typical design techniques are introduced. Readers can obtain an understanding for the following chapters. Chapter 2 describes the design of ultra-compact collimator. The ultra-low aspect ratio of this collimator is achieved by using a multichannel structure. Its design procedure is presented together with a prototype and its evaluation. The ultra-compactness of the device has been approved. Chapter 3 describes the main concepts of optimizing optical systems: merit function and Damped Least-Squares method. The importance of a good starting point is demonstrated by presenting an example through different design approaches. The differential equation method is introduced as an ideal tool to obtain a good starting point for the final solution. Additionally, different interpolation and representation techniques for aspheric and freeform surface are presented for optimization procedure. Chapter 4 describes the application of differential equation method in the design of single freeform surface optical system. Basic concepts of differential geometry are presented for understanding the derivation of partial differential equations. A numerical solution procedure is also presented. The initial condition is chosen as an additional freedom to control the image surface. Based on this approach, anastigmatic designs can be readily obtained and is used as starting point for a single reflective surface HMD design example. After optimization, the evaluation shows better MTF. Chapter 5 describes the differential equation method extended to double aspheric surface designs. For single optical surface designs, neither image surface nor the mapping from object to image can be prescribed. With one more surface added, the image surface can be prescribed. This leads to a set of three implicit ordinary differential equations. Numerical solution can be obtained by MATLAB and its procedure is also explained. An anastigmatic lens is derived from this design method and compared with an aplanatic lens. The anastigmatic design converges much faster in optimization and the final solution shows better performance.

Análisis, desarrollo y optimización de un sistema para el diseño de redes topográficas valorando el modelo digital del terreno

El presente trabajo tiene como objetivo general el análisis de las técnicas de diseño y optimización de redes topográficas, observadas mediante topografía convencional (no satelital) el desarrollo e implementación de un sistema informático capaz de ayudar a la definición de la geometría más fiable y precisa, en función de la orografía del terreno donde se tenga que ubicar. En primer lugar se realizará un estudio de la metodología del ajuste mediante mínimos cuadrados y la propagación de varianzas, para posteriormente analizar su dependencia de la geometría que adopte la red. Será imprescindible determinar la independencia de la matriz de redundancia (R) de las observaciones y su total dependencia de la geometría, así como la influencia de su diagonal principal (rii), números de redundancia, para garantizar la máxima fiabilidad interna de la misma. También se analizará el comportamiento de los números de redundancia (rii) en el diseño de una red topográfica, la variación de dichos valores en función de la geometría, analizando su independencia respecto de las observaciones así como los diferentes niveles de diseño en función de los parámetros y datos conocidos. Ha de señalarse que la optimización de la red, con arreglo a los criterios expuestos, está sujeta a los condicionantes que impone la necesidad de que los vértices sean accesibles, y además sean visibles entre sí, aquellos relacionados por observaciones, situaciones que dependen esencialmente del relieve del terreno y de los obstáculos naturales o artificiales que puedan existir. Esto implica la necesidad de incluir en el análisis y en el diseño, cuando menos de un modelo digital del terreno (MDT), aunque lo más útil sería la inclusión en el estudio del modelo digital de superficie (MDS), pero esta opción no siempre será posible. Aunque el tratamiento del diseño esté basado en un sistema bidimensional se estudiará la posibilidad de incorporar un modelo digital de superficie (MDS); esto permitirá a la hora de diseñar el emplazamiento de los vértices de la red la viabilidad de las observaciones en función de la orografía y los elementos, tanto naturales como artificiales, que sobre ella estén ubicados. Este sistema proporcionaría, en un principio, un diseño óptimo de una red constreñida, atendiendo a la fiabilidad interna y a la precisión final de sus vértices, teniendo en cuenta la orografía, lo que equivaldría a resolver un planteamiento de diseño en dos dimensiones y media1; siempre y cuando se dispusiera de un modelo digital de superficie o del terreno. Dado que la disponibilidad de obtener de manera libre el MDS de las zonas de interés del proyecto, hoy en día es costoso2, se planteará la posibilidad de conjuntar, para el estudio del diseño de la red, de un modelo digital del terreno. Las actividades a desarrollar en el trabajo de esta tesis se describen en esta memoria y se enmarcan dentro de la investigación para la que se plantean los siguientes objetivos globales: 1. Establecer un modelo matemático del proceso de observación de una red topográfica, atendiendo a todos los factores que intervienen en el mismo y a su influencia sobre las estimaciones de las incógnitas que se obtienen como resultado del ajuste de las observaciones. 2. Desarrollar un sistema que permita optimizar una red topográfica en sus resultados, aplicando técnicas de diseño y simulación sobre el modelo anterior. 3. Presentar una formulación explícita y rigurosa de los parámetros que valoran la fiabilidad de una red topográfica y de sus relaciones con el diseño de la misma. El logro de este objetivo se basa, además de en la búsqueda y revisión de las fuentes, en una intensa labor de unificación de notaciones y de construcción de pasos intermedios en los desarrollos matemáticos. 4. Elaborar una visión conjunta de la influencia del diseño de una red, en los seis siguientes factores (precisiones a posteriori, fiabilidad de las observaciones, naturaleza y viabilidad de las mismas, instrumental y metodología de estacionamiento) como criterios de optimización, con la finalidad de enmarcar el tema concreto que aquí se aborda. 5. Elaborar y programar los algoritmos necesarios para poder desarrollar una aplicación que sea capaz de contemplar las variables planteadas en el apartado anterior en el problema del diseño y simulación de redes topográficas, contemplando el modelo digital de superficie. Podrían considerarse como objetivos secundarios, los siguientes apartados: Desarrollar los algoritmos necesarios para interrelacionar el modelo digital del terreno con los propios del diseño. Implementar en la aplicación informática la posibilidad de variación, por parte del usuario, de los criterios de cobertura de los parámetros (distribución normal o t de Student), así como los grados de fiabilidad de los mismos ABSTRACT The overall purpose of this work is the analysis of the techniques of design and optimization for geodetic networks, measured with conventional survey methods (not satellite), the development and implementation of a computational system capable to help on the definition of the most liable and accurate geometry, depending on the land orography where the network has to be located. First of all, a study of the methodology by least squares adjustment and propagation of variances will be held; then, subsequently, analyze its dependency of the geometry that the network will take. It will be essential to determine the independency of redundancy matrix (R) from the observations and its absolute dependency from the network geometry, as well as the influence of the diagonal terms of the R matrix (rii), redundancy numbers, in order to ensure maximum re liability of the network. It will also be analyzed first the behavior of redundancy numbers (rii) in surveying network design, then the variation of these values depending on the geometry with the analysis of its independency from the observations, and finally the different design levels depending on parameters and known data. It should be stated that network optimization, according to exposed criteria, is subject to the accessibility of the network points. In addition, common visibility among network points, which of them are connected with observations, has to be considered. All these situations depends essentially on the terrain relief and the natural or artificial obstacles that should exist. Therefore, it is necessary to include, at least, a digital terrain model (DTM), and better a digital surface model (DSM), not always available. Although design treatment is based on a bidimensional system, the possibility of incorporating a digital surface model (DSM) will be studied; this will allow evaluating the observations feasibility based on the terrain and the elements, both natural and artificial, which are located on it, when selecting network point locations. This system would provide, at first, an optimal design of a constrained network, considering both the internal reliability and the accuracy of its points (including the relief). This approach would amount to solving a “two and a half dimensional”3 design, if a digital surface model is available. As the availability of free DSM4 of the areas of interest of the project today is expensive, the possibility of combining a digital terrain model will arise. The activities to be developed on this PhD thesis are described in this document and are part of the research for which the following overall objectives are posed: 1. To establish a mathematical model for the process of observation of a survey network, considering all the factors involved and its influence on the estimates of the unknowns that are obtained as a result of the observations adjustment. 2. To develop a system to optimize a survey network results, applying design and simulation techniques on the previous model. 3. To present an explicit and rigorous formulation of parameters which assess the reliability of a survey network and its relations with the design. The achievement of this objective is based, besides on the search and review of sources, in an intense work of unification of notation and construction of intermediate steps in the mathematical developments. 4. To develop an overview of the influence on the network design of six major factors (posterior accuracy, observations reliability, viability of observations, instruments and station methodology) as optimization criteria, in order to define the subject approached on this document. 5. To elaborate and program the algorithms needed to develop an application software capable of considering the variables proposed in the previous section, on the problem of design and simulation of surveying networks, considering the digital surface model. It could be considered as secondary objectives, the following paragraphs: To develop the necessary algorithms to interrelate the digital terrain model with the design ones. To implement in the software application the possibility of variation of the coverage criteria parameters (normal distribution or Student t test) and therefore its degree of reliability.